胶体化学--溶胶-电渗
电渗_电泳_-_环境科学与工程学院解读
实验五电泳电渗二、原理电渗属于胶体的电动现象。
电动现象是指溶胶粒子的运动与电性能之间的关系。
一般包括电泳、电渗、流动电位与沉降电位。
电动现象的实质是由于双电层结构的存在，其紧密层和扩散层中各具有相反的剩余电荷，在外电场或外加压力下，它们发生相对运动。
电渗是指在电场作用下，分散介质通过多孔膜或极细的毛细管而定向移动的现象。
若知道液体介质的粘度，介电常数，电导率，只要测定在电场作用下通过液体介质的电流强度I，和单位时间内液体流过毛细管的流量v，可根据下式求出电势。
操作步骤：（一）具体操作方法1按照实验装置图所示安装电渗仪。
2测定电渗时液体的流量v和电流强度I。
反复测量正、反向电渗时的流量v值各三次，同时记录各次的电流值。
3测定液体的电导率。
（二）注意事项计算SiO2对水的电势时，注意各物理量的单位。
在法定计量单位实行之后，计算公式中不应有4。
（三）提问：固体粉末样品粒度太大，电渗测定的结果重现性差，其原因何在？四、总结（一）数据处理计算各次电渗测定的v/I值，取其平均值，将液体的电导率和v/I的平均值代入上式，可求得SiO2对水的电势。
1．实验目的（1）掌握电泳法测定ζ电势的原理与技术；（2）加深理解电泳是胶体中液相和固相在外电场作用下相对移动而产生的电性现象。
（3）通过电渗法测定SiO2对水的电势，掌握电渗法测定电势的基本原理和技术。
2加深理解电渗是胶体中液相和固相在外电场作用下相对移动而产生的电性现象。
2．实验原理胶体溶液是一个多相体系，分散相胶体和分散介质带有数量相等而符号相反的电荷，因此在相界面上建立了双电层结构。
但在外电场的作用下，胶体中的胶粒和分散介质反向相对移动。
就会产生电位差，此电位差称为ζ电势。
ζ电势和胶体的稳定性有密切关系。
∣ζ∣越大，表明胶体的荷电越多，胶体之间的斥力越大，胶体越稳定。
反之，则不稳定。
当ζ等于零时，胶体的稳定性最差，此时可观察到聚沉的现象。
因此无论制备或破坏胶体，均需要了解所研究胶体的ζ电势。
第八章胶体化学(粘土——水系统)
第八章胶体化学( 粘土——水系统)教学要求：1. 明确胶体的概念及胶粒的粒径范围。
明确憎液溶胶的主要特征。
2. 明确胶体的光学性质（丁达尔效应）、动力性质（布朗运动、扩散、沉降）。
3. 熟悉溶胶的电学性质（电泳、电渗），理解胶粒带电的原因。
4. 明确扩散双电层理论，能根据胶体制备条件写出胶团的结构式。
5. 掌握憎液溶胶的稳定和聚沉的原因，了解电解质及其他因素对溶胶稳定性的影响。
6. 清楚聚沉值、聚沉能力、价数规则的含义，能判断电解质聚沉能力的大小。
7. 了解粘土胶体结构的带电原因，及影响其阴、阳离子交换能力大小的因素。
8. 明确影响粘土泥浆流动性、稳定性、触变性、可塑性的因素。
教学重点难点：1．明确胶体分散系统的分类、性质及稳定因素，熟悉胶体的基本理论。
2．重点掌握粘土-水系统的胶体的特性，明确其带电原因、电学性质、胶团结构。
明确粘土-水系统的其胶体性质（流动性、稳定性、触变性、可塑性）。
胶体化学部分省略粘土——水系统1粘土的荷电性（1）负电荷：①粘土晶格内离子的同晶置换，硅氧四面体中Si4+被Al3+所转换，或铝氧八面体中三价的铝被二价镁、铁所置换。
蒙脱石：2：1型，二八面，层间水，高岭石：1：1型，二八体，无层间水高岭石中破键,少量同晶置换，③吸附在表面的腐殖质离解而产生。
（2）两性电荷①高岭石在酸性或中性及弱碱性条件下，带正电荷。
②高岭石在强碱性条件下，OH基中H解离，使得边面带负电荷。
2 粘土的离子吸附与交换粘土由于同晶置换，破键和吸附腐殖质的离解使得粘土带负电。
（1）吸附：介质中的阳离子。
H+饱和是纯粘土；Na+饱和是Na粘土；自然界中大量存在是Ca2+。
离子被吸附的难易程度取决于离子的电价及水化半径，电价升高，易被吸附，同价阳离子+>K+>Na+>Li+水化半径越小，越被吸附。
其顺序 H+>Al3+>Ba2+Sr2+>Ca2+>Mg2+NH4（2）离子交换：由于各种阳离子的被吸附能力不同，因而已被吸附在粘土颗粒上的阳离子，就可能被吸附能力更强的离子所置换。
物理化学胶体10-4
x
双 电 层 的 Stern 模 型
当溶胶相对静止时，整个溶胶体系是电中性的，但 当分散相粒子和液体介质相对运动时，就会产生电位差， 这种电位差叫电动电势。 胶粒是带电的，由于静电引力使粒子在表面周围，
又由于分子热运动，使反粒子在表面附近呈扩散分布。
离表面近的一层——紧密层(内层)，厚度(约几
个水分子直径大小，因为离子的水化所致)，当固体
如把AgNO3滴入KI溶液中 制备AgI溶胶
分散相为(AgI)m的固体颗粒
1.胶核 ——由分子、原子或离子形成的固态颗粒 胶核带电原因： ①从周围环境(介质)中选择吸附某种离子；
②胶核表面电离 如SiO2溶胶，与水接触生成弱酸H2SiO3,
电离产物HSiO3－、SiO32－部分吸附在SiO2微粒表面，H+ 离子成为反离子； ③晶格取代 如粘土(硅酸铝)晶格中的Al3＋被Ca2＋ 、
胶 粒 胶 团
x
xK
扩散层
把少量KI 滴入AgNO3溶液中
制备AgI溶胶 稳定剂AgNO3
AgI
m nAg
x (n x) NO 3
xNO 3
如SiO2溶胶，其胶团结构为
(SiO (iO
2(n x)H 2 ) m nSiO
2 3
2 x
反电泳——沉降电势
将分散相粒子在分散介质中迅速沉降，在液 体的表面层与底层之间产生的电势差称为沉降电 势。 电动现象关系：
电泳
外电场引 起运动 电渗 二、 扩散双电层理论
质点移动， 介质静止
反电泳
运动产生 电势差 反电渗
质点静止， 液体移动
电动现象表明：胶体分散体系中，分散相粒子和分 散介质带有数量相等而符号相反的电荷，因此在异相界 面上建立了双电层结构。
胶体化学(2015.8)要点
述
一、分散系统 胶体化学是一门独立学科，胶体现象具有自身独特的规律性，在衣、食、住、
所谓分散系统，是一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的系统。如牛奶中 行等各方面会遇到胶体化学相关问题。在工农业生产中也普遍存在。如云、雾（气
奶油液滴分散在水中，颜料分散在有机液体中形成油漆等。通常把被分散的物质 液溶胶）、泡沫（液气溶胶）、高空灰尘（气固溶胶）、牛奶（液液溶胶）等。还 有石油钻井中的钻井液，原油开采中的乳化原油、调剖堵水中水凝胶等。 称为分散相，起分散作用的物质叫分散介质。
更换溶剂法: 松香乙醇溶液+ 水 松香水溶胶 化学反应法: FeCl3(稀水溶液)+3H2O → Fe(OH)2溶胶 + HCl
①研磨法
1.分散法
②超声波法
③胶溶法
机
理
超声波分散法示意图 1-石英片；2-电极；3-变压器油 4-盛被分散的液体或固体的试管
离子性固体沉淀在含少量共离子电解质的情况下，有自动地分散成胶体粒子的倾向，此过程称为胶溶作 用。此法实际上只是使暂时聚结起来的分散相又重新分散开来。许多新鲜沉淀经反复洗涤，除去过量电解质 后再加入稳定剂则又可以制成溶胶。
质点若为为理想刚性球体，则采用沉降天平测试分析方法：
1 2
1 2
1 2
dm1 2t 2 d 2 m dr r dt 2
采用作图法进行 相应参数的计算
三. 胶体的电学性质
电泳与电渗
胶粒是带电的，实验发现：在外电场的作用下，固、液两相可发生相对运动(电 泳和电渗)；在外力的作用下，迫使固、液两相进行相对移动时，又可产生电势差(流 动电势和沉降电势)。这两类相反的过程，皆与电势差的大小及两相的相对移动有关。 故称为电动现象，这是溶胶的电学性质
胶体化学溶胶电渗
胶体化学在优化溶胶电渗性能中作用
胶体稳定性控制 通过调节电解质种类和浓度、改 变溶液pH值等方法，控制胶体的 稳定性，从而提高溶胶电渗效率 。
多组分体系设计 针对复杂多组分体系，利用胶体 化学原理设计合理的配方和工艺 条件，实现各组分间的协同作用 ，提高溶胶电渗性能。
粒子大小与形状优化
通过改变制备条件或采用特殊技 术，控制胶体粒子的大小和形状 ，以改善其在电场中的运动性能 。
生物传感器
溶胶电渗可用于生物传感器的制造，提高传感器的灵敏度和响应速度 ，应用于生物分子检测、疾病诊断等领域。
环境科学与工程
01
02
03
水处理
通过溶胶电渗技术，实现 水中污染物的快速去除和 分离，提高水处理效率和 质量。
大气治理
利用溶胶电渗对大气中的 颗粒物进行捕集和去除， 降低空气污染指数，改善 空气质量。
胶体分类
根据分散相和分散介质的不同，胶体 可分为溶胶、凝胶、缔合胶体等。
胶体粒子间相互作用
范德华力
胶体粒子间存在范德华力 ，它是由于粒子间偶极矩 的相互作用而产生的吸引
力。
双电层斥力
胶体粒子表面带电，形成 双电层结构，当两个粒子 靠近时，双电层重叠产生
斥力。
空间位阻效应
胶体粒子表面吸附有高分 子化合物时，高分子链在 粒子间形成空间位阻，阻
表面电荷调控
利用表面活性剂或聚合物对胶体 粒子表面进行修饰，调控其表面 电荷密度和分布，从而优化溶胶 电渗过程。
05
溶胶电渗技术应用领域举例
微纳米加工技术
微流控芯片
01
利用溶胶电渗技术，在微流控芯片中实现快速、高效的液体驱
动和混合，用于生物分析、化学反应等领域。
胶体化学
13级物理化学 李驰
目
第一章 胶体简介
录
第二章 溶胶的制备和净化 第三章 溶胶的动力性质 第四章 溶胶的光学性质 第五章 溶胶的电学性质 第六章 溶胶的稳定性和聚沉作用
第一章 胶体简介
1.1胶体化学的产生
胶体化学的历史是从1861年 开始的，创始人是英国科学家格 雷姆（Thomas Graham），首先 提出晶体和胶体的概念，如溶胶、 凝胶、胶溶、渗析、离浆等。 1903年，德· 席格蒙迪 （Zsigmondy）发明了超显微镜， 肯定了溶胶的多相性，从而明确 了胶体化学是界面华学。 1907年，德· 奥斯特瓦尔德 （Ostwald）创办了第一个胶体化 学的专门刊物——《胶体化学和 工业杂志》，因而许多人把这一 年视为胶体化学正式成为独立学 科的一年。
第三章 溶胶的动力性质
动力性质主要指溶胶中粒子的不规则运动以及由 此而产生的扩散、渗透压以及重力场下浓度随高度的 分布平衡等性质。 布朗运动：溶胶粒子在各个方向上进行着的频繁 的无序的运动。
第四章 溶胶的光学性质
1.丁达尔效应： 光的散射 判别溶胶与溶液的最简单的 方法 2.乳化现象： 雷莱定律：I∝1/r4 AgI乳化：蓝光波长短，易于 散射，从侧面看呈蓝色。短波 长德光被散射，只剩下长波长 的红光，故透射光呈红色。
6.2溶胶的聚沉作用
1.概念：溶胶由于失去聚结稳定性进 而失去动力稳定性的整个过程。 2.主要因素：电动电位降低。
3.影响因素：电解质作用、带点符号 不同的溶胶的相互聚沉作用、电场作用。
The End
第四章 溶胶的光学性质
溶胶的光化学性质是其高度分散性和 不均匀性特点的反映。通过光学性质的研 究，不仅可以解释溶胶系统的一些光化学 现象，而且在观察胶体粒子的运动时，可 以研究它们的大小和形状以及应用。
胶体化学核心知识点
1.胶体的定义及分类胶体（Colloid)又称胶状分散体(colloidal dispersion）是一种较均匀混合物，在胶体中含有两种不同状态的物质，一种分散相，另一种连续相。
分散质的一部分是由微小的粒子或液滴所组成，分散质粒子直径在1~100nm之间的分散系是胶体；胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系。
按照分散剂状态不同分为：气溶胶——以气体作为分散剂的分散体系。
其分散质可以是液态或固态.（如烟、雾等)液溶胶—-以液体作为分散剂的分散体系.其分散质可以是气态、液态或固态。
（如Fe(OH）3胶体）固溶胶-—以固体作为分散剂的分散体系.其分散质可以是气态、液态或固态。
（如有色玻璃、烟水晶)按分散质的不同可分为：粒子胶体、分子胶体。
如：烟,云，雾是气溶胶，烟水晶，有色玻璃、水晶是固溶胶,蛋白溶液，淀粉溶液是液溶胶；淀粉胶体，蛋白质胶体是分子胶体,土壤是粒子胶体.2.胶体的不同表征方式胶体分散体系分为单分散体系和多分散体系。
单分散系表征可以用分散度、比表面积法（不规则形状包括单参数法，双参数法和多参数法）多分散体系可以用列表法、作图法,如粒子分布图，粒子累计分布图。
用激光粒度分析仪测定.胶体的稳定性一般用zeta电位来表征。
zeta电位为正，则胶粒带正电荷,zeta电位为负，则胶粒带负电荷。
zeta电位绝对值越高,稳定性越好，分散度越好，一般绝对值〉30mV说明分散程度很好。
胶体的流变性表征-黏度。
可用毛细管黏度计，转筒黏度计测定。
3.有两种利用光学性质测定胶体溶液浓度的仪器；比色计和浊度仪，分别说明它们的检测原理比色计它是一种测量材料彩色特征的仪器.比色计主要用途是对所测材料的颜色、色调、色值进行测定及分析.工作原理：仪器自身带有一套从淡色到深色，分为红黄蓝三个颜色系列的标准滤色片.仪器的工作原理是基于颜色相减混合匹配原理。
罗维朋比色计目镜筒的光学系统将光线折射成90°并将观察视场分成可同时观察的左右两个部分,其中一部分是观察样品色的视场；另一部分是观察参比色（即罗维朋色度单位标准滤色片)的视场。
胶体及表面化学知识点整理
第一章 胶体的制备和性质一、什么是胶体？1.胶体体系的重要特点之一是具有很大的外表积。
通常规定胶体颗粒的大小为1-100nm 〔直径〕2.胶体是物质以一定分散程度存在的一种特殊状态，而不是一种特殊物质，不是物质的本性。
胶体化学研究对象是溶胶〔也称憎液溶胶〕和高分子溶液〔也称亲液溶胶〕。
气溶胶：云雾，青烟、高空灰尘液溶胶：泡沫，乳状液，金溶胶、墨汁、牙膏固溶胶：泡沫塑料、沸石、冰淇淋，珍珠、水凝胶、红宝石、合金 二、溶胶的制备与净化1.溶胶制备的一般条件：〔1〕分散相在介质中的溶解度必须极小〔2〕必须有稳定剂存在2.胶体的制备方法：〔1〕分散法：①研磨法：用机械粉碎的方法将固体磨细〔产品细度1-74μm 〕②胶溶法〔解胶法〕：仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶，并参加 适当的稳定剂。
〔目前制备纳米材料和超微细粉的方法〕③超声波分散法：让分散介质动起来。
主要用来制备乳状液〔即分散介质是液体的体系〕。
好处是不与溶液接触。
④电弧法：用于制备金属水溶胶。
金溶胶多用于美容。
（2）凝聚法：①化学凝聚法②物理凝聚法：A 、更换溶剂法〔溶解度是减小的〕：利用物质在不同容剂中的溶解度的显著差异，制备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。
〔与萃取区别〕B 、蒸汽骤冷法：制备碱金属的苯溶胶。
3.溶胶的净化：简单渗析法，电渗析，超过滤法 三．溶胶的运动性质1.扩散：胶粒从高浓度向低浓度迁移的现象，此过程为自发过程根本原因在于存在化学位。
d d d d m cDA t x =-，此为Fick 第一扩散定律，式中dm/dt 表示单位时间通过截面A 扩散的物质数量，D为扩散系数，单位为m 2/s ，D 越大，质点的扩散能力越大。
扩散系数D 与质点在介质中运动时阻力系数f 之间的关系为：A RTD N f=〔A N 为阿伏加德罗常数；R 为气体常数〕假设颗粒为球形，阻力系数f =6r πη〔式中，η为介质的黏度，r 为质点的半径〕 故16RT D NA rπη=⨯，此式即为Einstein 第一扩散公式 浓度梯度越大，质点扩散越快；就质点而言，半径越小，扩散能力越强，扩散速度越快。
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•粗分散体系 >1000 nm
黄河水
1.分子分散体系
分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶， 没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在10-9 m以 下 。通常把这种体系称为真溶液，如CuSO4溶液。
2.胶体分散体系
分散相粒子的半径在1 nm~100 nm之间的体系。目 测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也有的将1 nm ~ 1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。
形成憎液溶胶的必要条件
（1）分散相的溶解度要小； （2）还必须有稳定剂存在，否则胶粒 易聚结而聚沉。
胶体（Colloid）
胶体 分散相粒子半径在1 ~100 nm 的分散体系。
溶胶（Sol）： 不特别说明，一般指液固溶胶
憎液溶胶（Lyophobic sol）
粒子由很多分子组成，热力学不稳定、 不可逆体系. 大分子溶液（亲液溶胶Lyophilic sol）
溶胶
粒子由即为一个大分子，热力学稳定、 可逆体系
胶粒的结构
胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子
聚结形成胶粒的中心，称为胶核；
然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形
成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形
成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电
荷的胶粒；
胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。
按分散相和介质聚集状态分类
2. 固溶胶
将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相 为不同状态时，则形成不同的固溶胶： A. 固-固溶胶 如:有色玻璃，不完全互溶的合金
B. 固-液溶胶 如:珍珠，某些宝石
C. 固-气溶胶 如:泡沫塑料，沸石分子筛
按分散相和介质聚集状态分类
3. 气溶胶
将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为 固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没有 气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一 体系，不属于胶体范围.
• 浊度
• 超显微镜
光散射现象
当光束通过分散体系时，一部分自由地通过， 一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在 400~700 nm之间。 （1）当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射 光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。 （2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见 光波长，主要发生散射通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散 射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。
Tyndall效应
1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从 侧面（即与光束垂直的方向）可以看到一个发光的圆锥 体，这就是Tyndall效应。其他分散体系也会产生一点散 射光，但远不如溶胶显著。
化银溶胶等。 这是胶体分散体系中主要研究的内容。
按胶体溶液的稳定性分类
2. 亲液溶胶
半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解
在合适的溶剂中，一旦将溶剂蒸发，大分子 化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶， 亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。
憎液溶胶的特性
（1）特有的分散程度
粒子的大小在10-9~10-7 m之间，因而扩散较慢，不能透过
胶粒的结构
胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与
胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶 核不易溶解。 若无相同离子，则首先吸附水化能力较 弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负
电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。
胶粒的结构
例1：AgNO3 + KI→KNO3 + AgI↓
过量的 KI 作稳定剂
胶团的结构表达式 ： [(AgI)m n I – (n-x)K+]x– xK+
A. 气-固溶胶
B. 气-液溶胶
如 :烟，含尘的空气
如 :雾，云
按胶体溶液的稳定性分类
1. 憎液溶胶
半径在1 nm~100 nm之间的难溶物固体粒子
分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是
热力学上的不稳定体系。
一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成
溶胶，是 一个不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘
胶核
|________________________|
胶粒（带负电） |________________________________| 胶团（电中性）
胶 团 构 造 示 意 图
K+
K+ K+ K+
K+
K+
III-
I-
IIK+
K+
(AgI)m 胶核 IIIK+
IIK+
胶 粒
IK+
胶 团
K+
胶粒的结构
例2：AgNO3 + KI→KNO3 + AgI↓ 过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式： [(AgI)m n Ag+ (n-x)NO3–]x+ x NO3–
胶核
|______________________________|
|_______________________________________|
3.粗分散体系
当分散相粒子大于1000 nm,目测是混浊不均匀体系， 放置后会沉淀或分层，如黄河水。
按分散相和介质聚集状态分类
1. 液溶胶
将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相 为不同状态时，则形成不同的液溶胶： A.液-固溶胶 如油漆，AgI溶胶
B.液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液
C.液-气溶胶 如泡沫
胶粒（带正电）
胶团（电中性）
胶 团 构 造 示 意 图
NO3-
NO3NO3NO3Ag+
Ag+ Ag+ Ag+
NO3Ag+ Ag+
NO3-
NO3-
NO3Ag+
(AgI)m 胶核
Ag+ Ag+ Ag+
Ag+ Ag+
胶 粒
胶 团
NO3-
NO3-
NO3-
NO3-
§4
溶胶的光学性质
• 光散射现象 • Tyndall效应 • Rayleigh公式 • 乳光计原理
半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。
（2）多相不均匀性
具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复
杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不 一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。
（3）热力学不稳定性
因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳
定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动 聚结成大粒子。
§1
分散系统 (dispersed system)
分散相与分散介质 把一种或几种物质分散在另一种物质中就构
成分散体系。其中：
被分散的物质称为分散相(dispersed phase)；
另一种物质称为分散介质(dispersing medium)。
如：盐水、糖水、牛奶、云层等。
分散体系分类
按分散相粒子的大小分类： •分子分散体系 <10-9 m •胶体分散体系 1 ~100 nm 白酒 金溶胶