溶胶的物理化学性质
胶体化学第3章
Fick第一扩散定律只适用于浓度梯度恒定的情况。实际上在 扩散时，浓度梯度是不断变化的。所以浓度随时间的变化为：
dc d c D 2 dt dx
2
Fick第二扩散定律
通过扩散试验，并运用Fick扩散定律，可求粒子的扩散系数 D；从D可求得粒子的大小和形状。
例题：
1、在下述条件下计算和比较质点在重力场中和离心力场中的 沉降速度：质点半径 r = 1x10-7m；分散相密度ρ=2x103Kg/m3； 分散介质密度ρ0=1x103 Kg/m3；黏度η=1x10-3Pa· s；离心加速 度ω2x=200g. 2、计算和比较上题中的质点在重力场和离心力场中沉降高度 H=0.1m时的沉降时间。 3、在300K为使半径为5x10-8m的质点发生沉降需用多大离心 加速度的离心机？已知质点密度ρ=3x103Kg/m3；分散介质密 度ρ0=1x103 Kg/m3；黏度η=1x10-3 Pa· s。
I
24 cv
3
2
4
n2 n1 2 （ 2 ) I0 2 n2 2n1
2
2
上式称为Rayleigh散射定律。由此定律可知：
——散射光的强度与入射光波长的4次方成反比，即波长越 短的光越易被散射。
——散射光的强度与单位体积中的质点数成正比。
——散射光的强度与粒子体积的平方成正比。 (利用丁达尔现象可以鉴别溶胶和真溶液) ——散射光的强度与入射光的强度I0成正比。 ——粒子的折射率与周围介质的折射率相差越大，粒子的散 射光越强。
二、Rayleigh散射 产生光散射的因素很多，这里只介绍Rayleigh散射。 （1）光散射的基本原理 ——在极高频率的电场中，粒子本身也将以极高频率 振荡。 一个带有电荷q的粒子放在电场E中，它就会受到电场 力F，如果粒子的质量为m，力F将使它产生一个加速 q 度 a， a E F qE F ma m ——由电磁理论可知，任何带电粒子发生振荡时都可 以成为电磁辐射源。因此，一个振动的偶极子就成为 一个辐射源，向空间发射电磁波。散射波强度 I∝a2∝(q/m)2E2
溶胶的定义
溶胶的定义溶胶是一种常见的物质状态，它在我们的日常生活中随处可见。
溶胶是由固体微粒或液滴悬浮在液体或气体中形成的，是一种均匀的混合物。
溶胶的形成是通过溶解、悬浮或化学反应等过程实现的。
溶胶的形成离不开溶剂的存在。
溶剂是指能够溶解或扩散其他物质的介质。
在溶胶中，溶剂起到分散固体微粒或液滴的作用。
常见的溶剂有水、酒精、乙醚等。
溶剂的选择通常取决于所需溶解物质的性质以及实际应用的要求。
溶胶的形成过程可以通过物理或化学方法实现。
物理方法包括溶解和悬浮，而化学方法则涉及化学反应。
溶解是指将固体溶质溶解到液体溶剂中，形成均匀的溶液。
悬浮是指将固体微粒悬浮在液体或气体中，形成悬浮液或气溶胶。
溶解过程是溶胶形成的基础。
当溶质的颗粒与溶剂的颗粒相互作用时，溶质的颗粒会逐渐从固态转变为溶解态，并均匀分布在溶剂中。
这种过程是一个动态平衡的过程，溶质的颗粒在溶解和重新结晶之间不断转换，直至达到饱和溶解度。
悬浮是溶胶形成的另一种方式。
当固体微粒的密度大于溶剂时，固体微粒会沉积在底部。
但是，通过搅拌或加热等外部作用力，固体微粒可以悬浮在溶剂中。
这种悬浮状态下的溶胶具有一定的稳定性，可以长时间存在。
化学反应也可以产生溶胶。
当两种或多种物质发生化学反应时，产生的产物可以形成溶胶。
例如，当酸和碱反应产生盐时，盐会溶解在水中形成溶胶。
这种溶胶在化学反应后形成，并且具有新的化学性质。
溶胶在科学研究和工业生产中具有广泛的应用。
在科学研究中，溶胶可以用作实验材料，用于分析和测试。
在工业生产中，溶胶可以用于制备纳米材料、涂料、墨水等。
此外，溶胶还可以用于药物传递、环境治理等方面。
溶胶是由固体微粒或液滴悬浮在液体或气体中形成的均匀混合物。
它的形成离不开溶剂的存在，可以通过溶解、悬浮或化学反应等方式实现。
溶胶在科学研究和工业生产中具有广泛的应用，对于我们的生活和社会发展有着重要的意义。
大学《物理化学》12.溶胶
若按分散相的大小来分类， 若按分散相的大小来分类，可将分散体系分成三大类 类型
粗分散体系 （悬浮液） 悬浮液） 胶体分散系 （溶胶、高分 溶胶、 子溶液） 子溶液）
颗粒 大小 > 10-7 m
例子
泥浆 牛奶 Fe(OH)3溶
特
性
粒子不能透过滤纸，不扩散， 粒子不能透过滤纸，不扩散， 在一般显微镜下可见， 在一般显微镜下可见，多相 态。 粒子能透过滤纸， 粒子能透过滤纸，不能透过
可见光的波长范围为 : 450 nm ～ 700 nm ,
4 .5 × 10 −7 ～ 即
胶粒的大小范围大致为: 胶粒的大小范围大致为
7 ×10
～
−7
m m
10
−7
10
−9
由于胶粒的大小小于入射光的波长, 因此, 由于胶粒的大小小于入射光的波长 因此 观察 光的散射作用引起的。 到的光锥是由光的散射作用引起的 到的光锥是由光的散射作用引起的。
2） 对粗分散体系，由于粒子较大，来自四面八方的撞 ） 对粗分散体系，由于粒子较大， 击力大致相互抵消，因此，布朗运动不明显； 击力大致相互抵消，因此，布朗运动不明显； 3） 对分子分散系，由于分子剧烈的热运动，无法观察 ） 对分子分散系，由于分子剧烈的热运动， 到分子的运动轨迹，因此，也没有布朗运动。 到分子的运动轨迹，因此，也没有布朗运动。 在超显微镜下能够清楚看出粒子走过的路径， 在超显微镜下能够清楚看出粒子走过的路径，因此 能够测出在一定时间内粒子的平均位移。粒子越小， 能够测出在一定时间内粒子的平均位移。粒子越小，布 朗运动越激烈，其激烈程度不随时间而改变， 朗运动越激烈，其激烈程度不随时间而改变，但随温度 的升高而加剧。 的升高而加剧。
光源 光源
胶体的制备和性质物理化学
沉淀
粒子大小
溶胶
凝胶
浓度
BaSO4颗粒大小与反应物浓度的关系
2.1 胶体的制备和净化
➢ 根据Weimarn理论，要制备胶体，必须v1大、v2小。而 要使v1大，必须过饱和度高，也即生成的盐的溶解度要 尽可能得小。反之v2大、 v1小，溶液的过饱和度低，则 形成大的晶体。
➢ 此外，温度、溶液pH值、杂质含量、搅拌条件等对成 核和晶核成长速度都有影响。
1、渗析 ➢ 渗析是利用羊皮纸或由火棉胶制成的半透膜，将
溶胶与纯分散介质隔开。 ➢ 膜的孔隙很小，它仅能让小分子或离子通过，而
胶粒不能通过。
2.1 胶体的制备和净化
渗析
2.1 胶体的制备和净化
➢ 电渗析：为了加快渗析 速度，在装有溶胶的半 透膜两侧外加一个电场 ，使多余的电解质离子 向相应的电极作定向移 动。溶剂水不断自动更 换，这样可以提高净化 速度。
2.1 胶体的制备和净化
➢ 胶体颗粒的大小在1~100nm之间，故原则上可由分子或 离子凝聚而成胶体，也可由大块物质分散成胶体。
➢ 用第一种方法制备胶体称凝聚法； ➢ 用第二种方法制备胶体称分散法。
离子 分子
凝聚 有新相生成
粗粒子
分散 比表面增加
胶体形成示意图
2.1 胶体的制备和净化
一、胶体制备的一般条件
1、分散相在介质中的溶解度须极小 ➢ 硫在乙醇中的溶解度较大，能形成真溶液。但硫在水中
的溶解度极小，故以硫磺的乙醇溶液滴加入水中，便可 获得硫磺水溶胶。 ➢ 分散相在介质中有极小的溶解度，是形成溶胶的必要条 件之一。此外，还要具备反应物浓度很稀、生成的难溶 物晶粒很小而又无长大条件时才能得到胶体。
胶体的性质(2)
② 影响电解质聚沉能力的因素： (a) 主要取决于与胶粒所带电荷相反的离子（反 离子）所带的电荷数（即价数）。反离子的 价数越高，聚沉能力越强。 Schulze-Hardy rule 电解质的聚沉值与胶粒的异电性离子的 价数的6次方成反比
c :c
(1) j
( 2) j
:c
( 3) j
1 )6 : ( 1 )6 : ( 1 )6 =( 1 2 3
(2) 溶胶的相互聚沉作用 当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时， 相互混合也会发生聚沉。 (3) 高分子化合物的作用 在溶胶中加入少量高分 子化合物可使溶胶聚沉， 称为敏化作用 敏化作用(絮凝作用)。 敏化作用 在溶胶中加入足够多 的高分子化合物，则会阻 止溶胶的聚沉，称为空间 空间 保护作用。 保护作用
(2) 双电层的排斥能 对球形粒子
Vr =
64 π n 0 kT γ
κ
2 0
2
⋅ exp( − κ H )
γ0 =
e e
ze ψ 0 ze ψ 0
2 kT 2 kT
−1 +1
n0 : 单位体积粒子数 ε: 介电常数 ψ0:粒子表面电势 κ: 离子氛半径的倒数 r : 粒子半径 H : 离子之间的最近距离
SnO2
加K2Sn(OH)2
2、凝聚法 、 (1) 化学凝聚法 FeCl3 + H2O
煮沸
Fe(OH)3（溶胶）+ 3HCl As2S3（溶胶）+ 3H2O +
As2O3 + 3H2S
加热
2HAuCl4(稀溶液) + 3HCHO（少量）+ 11KOH 2Au（溶胶）+ 3HCOOK +8KCl + 8H2O
二氧化钛溶胶疏水
二氧化钛溶胶疏水1.引言1.1 概述二氧化钛溶胶疏水是一种新型的表面改性技术，通过将二氧化钛纳米颗粒均匀分散在介质中形成溶胶，然后通过不同的方法在目标材料表面进行涂覆，以提高材料的疏水性能。
疏水性是指材料对水的接触角较大，表面有较强的疏水性，水滴在其表面呈现珠状，不易附着和渗透。
二氧化钛溶胶具有许多独特的性质，使其成为疏水技术中的理想选择。
首先，二氧化钛具有良好的光催化性能和抗污染能力，可以有效抑制污染物在表面的附着和生长。
其次，二氧化钛具有较高的化学稳定性和耐热性，可以在各种环境下保持疏水性能的稳定性。
此外，二氧化钛溶胶还具有较大的比表面积和孔隙结构，能够增加材料与介质之间的接触面积，提高涂层的均匀性和附着力。
二氧化钛溶胶的制备方法多种多样，常见的方法包括溶胶-凝胶法、水热法、气相法等。
这些方法可以控制二氧化钛颗粒的形貌、尺寸和分散度，从而对涂层的疏水性能进行调控。
同时，一些表面改性技术如热处理、等离子体处理、化学修饰等也可与二氧化钛溶胶结合使用，进一步提高涂层的性能和稳定性。
二氧化钛溶胶疏水技术可以广泛应用于各个领域，如建筑材料、涂料、纺织品、电子器件等。
其具有优异的防水、防油、防污等性能，可以改善材料的耐用性和使用寿命。
此外，二氧化钛溶胶疏水技术还具有良好的环境友好性，不含有害物质，对环境无污染。
综上所述，二氧化钛溶胶疏水是一种具有广泛应用前景的表面改性技术。
通过调控二氧化钛溶胶的制备方法和表面改性技术，可以实现对目标材料的疏水性能的有效提升。
随着科技的不断进步和发展，对二氧化钛溶胶疏水技术的研究和应用会更加深入，为我们提供更多可能性和机遇。
1.2 文章结构文章结构：本文按照以下结构进行组织和呈现：引言部分将首先对二氧化钛溶胶疏水进行概述，介绍其基本特性和应用前景。
然后，对文章的整体结构进行说明，指出各个章节的内容和重点。
最后，明确文章的目的，即通过对二氧化钛溶胶疏水的研究，探索其在实际应用中的潜力。
物理化学：13.6 溶胶的稳定性和聚沉作用
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12
二、聚沉动力学
通常所说的胶体稳定与否，是指聚沉速度 的相对快慢，聚沉速度是胶体稳定性的定 量反映。
快聚沉：势垒Vm为零，胶粒凡碰即聚； 慢聚沉：势垒存在，只有其中一部分胶粒
碰撞导致聚沉。
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1．快聚沉：
球形胶粒的消失速度：
dc dt
4kBT
3
c2
Krc2
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两带电质点间的总相互作用能：VT= VA + VR
当 d 0，VR 一常量，VA ，但由于
Born排斥能剧增，VT ；
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当 d ，VR 0，VA 0，但 VR 下降更 快（双电层短程作用）。
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1）“吸引作用”在 d 很小和很大时占支配 地位，各有一势能极小值出现。
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2）同价数的反离子聚沉能力
反离子半径对 AgI 负溶胶聚沉值的影响
外电 解质
反离子半径（Å） 反离子半径（Å）
（水化前） （水化后）
聚沉值 mmol / L
LiNO3
0.78
NaNO3
1.00
KNO3
1.33
Ca(NO)3 Mg(NO3)2
1.05 0.75
2.31
165
1.76
入第一极小的位置 —— 聚沉。
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b）若势垒能 Vm 远比热能大，则可防止胶粒在 主极小值处聚沉；若次极小值深度比热能小得 多，则质点热扩散而分开，体系处于聚结稳定 状态；
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c）若次极小值足够深而在该处出现聚结，显然 要拆散这种聚结要容易得多（因为此时质点相
溶胶的概念
溶胶的概念
溶胶是一种由微小颗粒（胶粒）悬浮在液体中形成的分散体系。
这些微小颗粒通常具有纳米到微米级别的尺寸，可以是金属、聚合物、生物分子等物质，它们在液体中形成了一个均匀分散的体系，这个分散体系中的胶粒之间相互作用力较弱，可以相对自由地运动和聚集。
溶胶具有一些特殊的物理和化学性质，如光学、磁性、电学、机械等性质，这些性质与胶粒的尺寸、形状、组成等因素密切相关。
由于溶胶中的胶粒尺寸较小，因此它们可以在微观尺度上对光的散射和吸收产生影响，这就是溶胶的光学性质。
此外，溶胶还具有一些特殊的表面性质，如表面电荷、表面活性等，这些性质对溶胶的稳定性和应用性能都有重要影响。
溶胶在材料科学、生物医学、能源等领域具有广泛的应用，如纳米材料制备、生物传感器、太阳能电池、涂料、油墨等。
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r
9 2
(
ln(x2
0 )2
x1) (t2
t1
)
式中x1和x2分别为离心时间t1和t2时从旋转轴到溶胶 中某一平面的距离 。
粒子的摩尔质量：
M RT ln(x2 / x1)
一、 溶胶的运动性质
1. 扩散
• 由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从 体积粒子数高区域向低区域的定向迁移现象叫扩 散。
• 扩散属于物质在无外力场时的传质过程，即自发 过程。
1
一、 溶胶的运动性质
溶胶中的分散相粒子的扩散遵守费克定律。
Fick第一扩散定律：
dm D dc·A
dt
dt
fs
4 3
r 3(
0 )g
按Stokes定律颗粒将受到反方向的摩擦力 f
f 6 r
当 fs f，加速沉降将变为匀速运动，沉降速率
2 9
r2(
Байду номын сангаас
0
)
g
（沉降公式）
10
11
12
沉降速率公式的应用：
2 9
r2(
0
)
g
• 粘度测定
在被测液体中让一定半径一定密度的小球降落，
1905年，Einstein研究了布朗运动中，粒子的平均位移与 粒子半径、介质粘度、温度和位移时间之间的关系，得到 著名的“Einstein布朗运动”公式。
“Einstein布朗运动”公式 :
X
＝
RT
t
N A 3r
式中各变量均可由实验确定，故利用此式可以求出微粒半 径r，也可求得Avogadero常数NA。
• (dm/dt )为单位时间内通过截面积A扩散的粒子数。
2
一、 溶胶的运动性质
Einstein 第一扩散公式：
D
RT NA
1
6π r
NA为Avogadro常数 6.022×1023 mol-1； η为介质粘度；r为球形胶粒半径。
阻力系数： f＝6πηr
应用：
(1)应用Einstein第一扩散公式，可以求出扩散系数 D(m2/s)。反之，若有了D和η，则可算出r （r为胶粒的流 体力学半径，r为平均值）。 (2)计算非球形胶粒的轴比值(a/b)
总之，在运动性质方面，胶体体系和分子分散体系并无 本质区别，其中的质点运动都服从同样的普遍规律—— 分子运动理论。
7
一、 溶胶的运动性质
3. 沉降
溶胶中的分散相粒子由于受自身的重力作用而下沉的过 程称为沉降。
沉降是溶胶动力学不稳定性的主要表现。 两种方向相反的作用力: (1)重力；(2)扩散力(由布朗运
－Mgh
ph p0 e RT
胶粒的浓度随高度的分布公式：
n2
n1
exp[
NA RT
4π 3
r 3 ( ρ-ρ0 )g(h2
h1 )]
式中，ρ为胶粒密度，ρ0为介质密度。
9
一、 溶胶的运动性质
(1) 在重力作用下的沉降
(a) 沉降速率(sedimentation velocity)
球形颗粒所受下沉力 fs
适用条件：主要用于胶体分散体系，粗分散体系中粒子布 朗运动不明显。
5
一、 溶胶的运动性质
Einstein第二扩散公式：
X 2Dt
意义：悬浮在液体介质中微粒的平均自由路程与观察时间和 扩散系数的关系。
适用条件：与前式相同，实际上 D=(RT)/(6πηrNA)
6
爱因斯坦关于布朗运动的理论说明了布朗运动的实质就 是质点的热运动。反过来，布朗运动也成为分子热运动 的强有力的实验证明。
3
一、 溶胶的运动性质
2. 布朗运动
1827年，英国植物学家布朗（Brown）在显微镜下观 察到花粉在水面上不停地做无规则运动。
布朗运动：微粒的连续、无规则运动。 扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观
基础。
溶胶中分散相粒子的扩散作用是由布郎运动引起的。
4
一、 溶胶的运动性质
式中，I为散射光强度；I0为入射光强度；c为单位体积中的 质点数；v为单个粒子的体积；λ为入射光波长；n1和n2分 别为分散介质和分散相的折射率。
散射光强度与入射光波长的4次方成反比。 散射光强度与单位体积中的质点数c成正比。（“浊度计”
的设计原理） 散射光强度与粒子体积的平方成正比。
测定通过一定距离的时间求得沉降速度，由沉降 速率公式计算粘度η
13
一、 溶胶的运动性质
(b)沉降分析－称重法
• 沉降分析主要是考察粒度分 布。
• 通常使用沉降天平进行沉降 分析。
• 常用的沉降天平是一种扭力 天平。
在量筒中充满已匀化的粗分散系 统样品，测定小盘中沉降的物质 量随时间的变化，由沉降速率公 式计算颗粒半径。
D(1V 0 )(t2 t1)2
16
溶胶的物理化学性质
一、 溶胶的运动性质 二、 溶胶的光学性质 三、 溶胶的电学性质
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二、 溶胶的光学性质
1. 光散射
(1)丁达尔效应(Tyndall effect) • 当一束会聚的光线透过溶胶时，在入射光的垂直方向可看
到一个光亮的圆锥体，这称为丁达尔现象或丁达尔效应。 • 丁达尔效应是溶胶的特征。 • 用丁达尔效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。
（小分子溶液无丁达尔效应，大分子溶液丁达尔效应微弱）
• 原因：是胶粒对光散射的结果(散射是指除入射光方向外， 四面八方都能看到发光的现象) 。
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(2) Rayleigh散射定律
散射光的强度可用瑞利公式表示：
I
I0
243cv 2
4
n22 n12 n22 2n12
2
动引起)。 重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的扩散
作用阻止粒子下沉。 沉降与扩散相互抗衡，达到稳定状态 ，称为沉降平衡
或沉积平衡。
8
胶体粒子的布朗运动与气体分子的热运动实质上 相同，因此，沉降平衡时胶粒随高度变化的分布 规律可以用大气压随高度的分布形式描述。
大气压随高度的分布：
沉降分析装置图
14
一、 溶胶的运动性质
(2) 在离心力场中的沉降
胶粒很小，在重力场中的沉降速度极为缓慢，有时无法测 定其沉降速度。
1924年，瑞典人Svedberg发明了超离心机，转速10～16 万 r/min，离心力约为地心引力的106倍。
（普通离心机转速一般为3000～5000 r/min）