物理化学第十二章胶体化学
物理化学第十二章 胶体化学
2.固溶胶 将固体作为分散介质所形成的溶胶。
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
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。
1. 布朗运动（Brown motion)
1827 年植物学家布朗(Brown)用显微镜观察到 悬浮在液面上的花粉粒子不断地作无规则的运动。
后来又发现凡是线度小于4μm的粒子，在分散 介质中皆呈现这种运动。人们称微粒的这种运动为 布朗运动。
用超显微镜观察到溶胶粒子不断地做无规则 运动，能够测出在一定时间内粒子的平均位移。
引言
把一种或几种物质 分散在另一种物质中所 构成的系统称为分散系 统。被分散的物质称为 分散相（dispersed phase），而另一种呈 连续分布的物质称为分 散介质（dispersing medium)。
例如：云，牛奶，珍珠
分散体系通常有三种分类方法： •真溶液
按分散相粒子的大小分类： •胶体分散体系 •粗分散体系
1905年爱因斯坦 （Einstein) 阐述了Brown运 动的本质，推导出爱因斯 坦－布朗平均位移公式。
1/ 2
x
RTt
3L r
爱因斯坦用概率的概念和分子运动论的观点，创立了布 朗运动的理论。认为Brown运动是分散介质分子以不同大小 和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的 力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。
梯度、单位时间内通过单位截面积的质量。
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
物理化学下册第五版天津大学出版社第十二章胶体化学习题答案
物理化学下册第五版天津大学出版社第十二章胶体化学习题答案12.1 如何定义胶体系统？总结交替的主要特征。
解：分散相粒子在某方向上的线度在1～100nm范围内的高度分散系统成为胶体系统。
胶体系统的主要特征是高度分散、多相性和热力学不稳定性。
12.2 丁铎尔效应的实质及其产生的条件？解：丁铎尔效应实质是光的散射作用引起的。
粒子的半径小于入射光的波长时才能观察到丁铎尔效应。
12.3 简述斯特恩双电层模型的要点指出热力学电势、斯特恩（stern）电势和ζ电势的区别？解：Stern 模型：固定层＋扩散层、三个面、三个电势。
具体如下：1924年斯特恩提出扩散双电层：离子有一定的大小；部分反离子被牢固吸附，形成固定吸附层或斯特恩固体面；Stern面：Stern层中反离子电性中心所形成的假想面；滑动面：固液两相发生相对移动时界面。
热力学电势0：固体面—溶液本体；Stern电势：Stern面—溶液本体；电势：滑动面—溶液本体12.4 溶胶能在一定时间内稳定存在的主要原因？解：分散相粒子的带电、溶剂化作用以及布朗运动是溶胶系统相当长得时间范围内可以稳定存在的主要原因。
12.5 破坏胶体最有效的办法是什么？说明原因。
解：破坏胶体最有效的办法是在溶胶中加入过量的含有高价相反号离子的电解质。
这主要是因为电解质的浓度或价数增加时，都会压缩扩散层，是扩散层变薄，电势降低，斥力势能降低，当电解质的浓度足够大时就会使溶胶发生聚沉；若加入的反号离子发生吸附，斯特恩层内的反离子数目增加，使胶体粒子的带电量降低，而导致碰撞聚沉。
过量的电解质加入，还将使胶体粒子脱水，失水化外壳而聚沉。
12.6 K、Na等碱金属的皂类作为乳化剂时，易于形成O/W型的乳状液；Zn、Mg等高价金属的皂类作为乳化剂时，易于形成W/O 型的乳状液。
解：乳化剂分子具有一端亲水而另一端亲油的特性，其两端的横截面不等。
当它吸附在乳状液的界面面层时，常呈现“大头”朝外，“小头”向里的几何构型，就如同一个个的锲子密集的钉在圆球上。
物理化学：第十二章 胶体化学(定稿)
（水）相。
(2)稀释法：将乳状液滴入水中或油中，若乳状 液在水中能稀释，即为O/W型；在 油中能稀释，即为W/O型。
(3)导电法：O/W型乳状液的导电性能远好于 W/O型乳状液，通过测电导可区别 两者。
2. 乳状液的稳定
(1) 降低界面张力
(a) 加入表面活性剂， ，G表，稳定性
(b) 表面活性剂的HLB值可决定形成乳状液 的类型： HLB 3-6: 形成W/O型乳状液； HLB 12-18: 形成O/W型乳状液。
（2）形成定向楔的界面
一价碱金属皂类， 形成O/W型乳状液：
二价碱金属皂类， 形成W/O型乳状液：
大头朝外，小头向内，表面活性剂可紧密排列， 形成厚壁，使乳状液稳定。
（3）形成扩Leabharlann 双电层离子型表面活性剂可形成扩散双电层，使乳状液稳定。
（4）界面膜的稳定作用
增强界面膜的强度，可增加乳状液的稳定性。
第十二章 胶体化学
§12.6 乳状液
由两种不互溶或部分互溶的液体所形成的粗 分散系统，称为乳状液。
水包油，O/W，油分散在水中 类型
油包水，W/O，水分散在油中
O + W + 乳化剂
乳状液
乳化剂 表面活性剂 固体粉末
1. 乳状液类型的鉴别
(1)染色法：将油（水）溶性染料滴入乳状液， 在显微镜下观察，染色的一相为油
固体大部分在水中，油水界面向油弯曲， 形成O/W乳状液。
油水
如 so < sw :
cos 为负， > 90 o，油能润湿固体,
固体大部分在油中，油水界面向水弯曲， 形成W/O乳状液。
水油
3. 乳化剂的选择
物理化学 第十二章 胶体化学
2 9π V C n2 n0 1 cos2 I 0 I＝ 2 2 24 l 2 n 2 n 0 2 2
2
3) I n
可以此来区分 胶体溶液 分散相与分散介质有相界面，n大 高分子溶液 均相溶液， n小
4) I C 同一种溶胶，仅C不同时，有：
9π V C I＝ 4 2 2 l
2 2
2 n n0 2 n2 2n0
2
1 cos2 I 0
2
由 Rayleigh 公式可知： 1) I V 2 可用来鉴别小分子真溶液与胶体溶液； 如已知 n 、n0 ，可测 I 求粒子大小V 。
2) I 1/4 波长越短的光，散射越强。 例：用白光照射溶胶，散射光呈蓝色， 透射光呈橙红色。
dn dc DAS dt dx
AS
c大
c小
在一定温度下，在浓差作用下，单位时间内向 x 方 向扩散,通过截面积AS的物质的量 dn/dt 正比于浓度梯度 dc/dx 与AS 的乘积，比例系数D 称边有 - 号。
x
dn dc DAS dt dx
第十二章
胶体化学
(6h)
同界面化学一样，胶体化学也是一门古老 而又年轻的科学。 有史以前，我们的祖先就会制造陶器；汉 朝已能利用纤维造纸；后汉时又发明了墨； 其他像做豆腐、面食以及药物的制剂等等在 我国都有悠久的历史，这些成品及其制作过 程都与胶体化学密切相关。 1809年，俄国化学家Scheele发现了土粒 的电泳现象； 1829年英国植物学家Brown观察到花粉的 布朗运动。次后，许多人相继制备了各种溶 胶，并研究了它们的性质。
§12.4 胶体系统的电学性质
胶体化学物理化学优秀课件
冷却法：用冰骤冷苯在水中的饱和溶液， 得到苯在水中的溶胶
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(2)化学凝聚法：利用生成不溶性物质的化学反应，控制析
晶过程，使其停留在胶核尺度的阶段，而得到溶胶。所谓控 制析晶过程，系指采用有利于大量形成晶核，减缓于晶体生 长的条件，例：采用较大的过饱和浓度，较低的操作温度。
胶体化学物理化学优秀课件
概论
胶 体是一种分散中, 所 构成的系统；
分散相：被分散的物质；
分散介质：另一种连续分布的物质；
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1
粗分散系统 ( d > 10-6m )
分
散
胶体系统（ 10-9~10-6m)
系
统
真溶液（d < 10-9m )
1869年 Tyndall发现胶体系统有光散射现象
丁铎尔效应：在暗室里，将一束聚集的光投射到胶体系统 上，在与入射光垂直的方向上，可观察到一个发亮的光柱， 其中并有微粒闪烁。
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丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。
入射光波长 < 分散粒子尺寸——反射
入射光波长 = 分子固有尺寸—— 吸收 无作用 ——— 透过
罗常数的测定。
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2. 扩散
定义：在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发 生宏观上的定向迁移，称为扩散。
浓度梯度的存在，是扩散的推动力
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胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样，可用Fick 扩散第 一定律来描述：
dn
dc
dt -DAS dx
单位时间通过某一截面的物质的量dn/dt与该处的浓度梯度dc/dx
天津大学物理化学教研室《物理化学》(下册)章节题库(胶体化学)
第12章胶体化学一、选择题1．对于有过KI存在的AgI溶腔．电解质聚沉能力最强的是（）。
[中国科学技术大学2010研]A．MgSO4B．FeCl3C．NaClD．K3[Fe(CN)6]【答案】B【解析】AgI溶胶中KI过量，KI过量时，AgI胶团的结构为{(AgI)m·nI-·(n－x)K+}x-·xK+，表面带了负电荷，，阳离子价数越高，聚沉能力越强。
2．向25cm3、浓度为0．02mol·dm-3的AgNO3溶液中滴入25cm3的0．01mol·dm-3KI 溶液制备AgI溶胶，该溶胶ζ电位( )。
[天津大学2008研]A．＞OB．=0C．＜OD．不确定【答案】A【解析】因AgNO3过量，故制备的AgI溶胶为正溶胶，溶胶的ζ电位＞0。
．3．用相同体积0．01mol·dm-3KI和0．15mol·dm-3AgNO3溶液制备的AgI溶胶，分别加入相同浓度的下列电解质，聚沉能力最强的是：[中国石油大学(华东)2005年] A．NaClB．FeCl3C．MgSO4D．K3PO4【答案】D【解析】所制备的AgI溶胶为AgI的正溶胶，即胶粒带正点，起聚沉作用的主要是负离子。
比较选项中阴离子的价位可知，聚沉能力最强的是K3PO4。
4．憎液溶胶有如下性质：[中国石油大学(北京)2004年]A．是均相系统B．胶粒直径小于100nmC．胶粒可透过半透膜D．胶团带电【答案】B【解析】形成憎液溶胶的必要条件是：①分散相的溶解度要小；②必须有稳定剂的存在，否则胶粒易聚结而聚沉。
5．对于AgI的水溶胶，当以KI为稳定剂时胶团结构式为：、其中称为胶粒的是：(北京化工大学2001年)A．(AgI)mB．(AgI)m·nI-【答案】C6．导致Donnan平衡产生的根本原因是：(中国科学技术大学2006年)A．溶液浓度大，大离子迁移速度慢B．小离子浓度大，影响大离子通过半透膜C．大离子不能透过半透膜，且因静电作用使小离子在膜两边浓度不同D．大离子浓度大，妨碍小离子通过半透膜【答案】C7．有关DLVO理论，以下哪种说法不正确：(中国科学技术大学2006年)A．能够定量描述胶体稳定性与粒子之间相互排斥和吸引作用之间的关系B．能够在理论上解释Schulze-Hardy规则C．仅适合胶体粒子表面带有电荷的体系D．能够阐述ζ电势的物理意义【答案】D【解析】DLVO理论的基本观点：①胶粒之间存在着斥力势能和吸力势能；②系统总势能是斥力势能和吸力势能的加和；③总势能、斥力势能和吸力势能均随胶粒间距的改变而改变。
物理化学-胶体化学2
• 教学主要内容及重点难点：
• 主要内容：
• 1、溶胶的经典稳定理论DLVO理论（重点）、电解质、 高分子化合物对溶胶的聚沉作用及作用规律；沉降分析 （难点）
§10.3 溶胶的稳定与聚沉
二、 溶胶的聚沉
溶胶粒子合并、长大，进而发生沉淀的现象， 称为聚沉。
溶胶从本质上说是不稳定的，许多因素可导致 溶胶聚沉。
如加热、辐射、加入电解质等。
§10.3 溶胶的稳定与聚沉
• 溶胶的聚沉影响因素： • （一）．外加电解质的影响： • 影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使电位下降，促使胶粒
聚结。 • （二）．浓度的影响 • 浓度增加，粒子碰撞机会增多。 • （三）、温度的影响 • 温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加。 • （四）、胶体体系相互作用 • 带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。
§10.3 溶胶的稳定与聚沉
三、电解质的聚沉作用 适量的电解质对溶胶起到稳定剂的作用。 但如果电解质加入得过多，往往会使溶胶发生聚 沉。 （一）、原因： 电解质的浓度或价数增加时，都会压缩扩散层 ，使扩散层变薄，斥力势能降低，当电解质的浓 度足够大时就会使溶胶发生聚沉；
• 2、乳状液的定义及分类、乳状液的稳定机理；泡沫的应 用，气溶胶的应用，粉尘的性质及除尘措施（重点）。
• 难点：乳状液的稳定机理中固体粉末的稳定作用
§10.3 溶胶的稳定与聚沉
一、溶胶的经典稳定理论DLVO理论(重点)
（1）胶团之间既存在着斥力势能，也存在着引力势能。 （2）溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能或引力势能 的相对大小：
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有史以前，我们的祖先就会制造陶器；汉 朝已能利用纤维造纸；后汉时又发明了墨； 其他像做豆腐、面食以及药物的制剂等等在 我国都有悠久的历史，这些成品及其制作过 程都与胶体化学密切相关。
1809年，俄国化学家Scheele发现了土粒 的电泳现象；
1871年 Rayleigh 对非导电的、球形粒子的 稀溶胶系统，导出了单位体积溶胶的散射强度：
I＝9π 2V 2C 24l 2
n2 n02 n2 2n02
2
1
cos2
I0
I ：散射光强 ；
I0 : 入射光强；
V ：一个粒子的体积； C ：单位体积中的粒子数；
3）缔合胶体— 分散相为表面活性剂缔合形成的 胶束，分散相与分散介质间有很好的亲和性， 也是均相热力学稳定系统。
表 12.0.2 分散系统按聚集状态分类
分散介质 气 液
固
分散相
液 固
气 液 固
气 液 固
名称 气溶胶
泡沫 乳状液 溶胶或悬浮液
固溶胶
实例
云、雾、喷雾 烟、粉尘
肥皂泡沫 牛奶、含水原油 金溶胶、油墨、泥浆
1829年英国植物学家Brown观察到花粉的 布朗运动。次后，许多人相继制备了各种溶 胶，并研究了它们的性质。
胶体化学作为一门学科来说，它的历史 比较一致的看法是从1861年开始的，创始人 是英国科学家Thomas Graham，他系统研究 过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和 胶体（colloid）的概念，制定了许多名词用 来形容他所发现的事实。
泡沫塑料 珍珠、蛋白石 有色玻璃、某些合金
憎液溶胶 分散相与分散介质之间有相界面 液溶胶
亲液溶胶 均相，无相界面 高分子溶液
胶体的分类:
Fe(OH)3 AgI胶体
淀粉 胶体
雾、 云、 烟
有 色 玻 璃
Fe(OH)3 AgI胶体
分散体系通常有三种分类方法： •真溶液
按分散相粒子的大小分类： •胶体分散体系 •粗分散体系
§12.1 胶体分散系统及其基本性质
胶体化学研究的对象是粒子直径至少在某个 方向上在 1 nm ~ 1μm 之间的分散系统。
分散系统：一种或几种物质分散在另一种物 质之中所构成的系统；
分 散 相：被分散的物质； 分散介质：另一种连续分布的物质
真溶液
根据分散相的
大小，可分为： 胶体分散系统 粗分散系统
1907年，德国化学家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 式成为一门独立学科的一年。
接着Freundlich和Zsigmondy先后出版了他们 的名著《毛细管化学》（1909）和《胶体化 学》（1902）。
近几十年来，
•由于实验技术的不断发展（像超离心机、 光散色、X射线、多种电子显微镜、红外 线以及各种能谱等的应用），又使胶体和 表面化学在微观研究中跃进了一大步。
现今我们所用的一些名词，如溶胶 （sol）、凝胶（gel）、胶溶（peptization）、 渗析（dialysis）、离浆（syneresis）都是 Graham提出的。
尽管在这一时期积累了大量的经验和知 识，但胶体化学真正为人们所重视并获得较 大的发展是从1903年开始的。
这时 Zsigmondy（德）发明了超显微镜，肯 定了溶胶的一个根本问题——体系的多相性， 从而明确了胶体化学是界面化学。
胶体溶液 丁达尔效应可用来区分
小分子真溶液
但粒子的直径不是越大越容易产生丁达尔效应： 当粒子粒径 d > 波长时，发生光的反射； 当粒子粒径 d < 波长时，发生光的散射。
可见光的波长：400 ~ 760 nm 胶体粒子直径：1 ~ 1000 nm 胶体系统可发生光散射
2. Rayleigh 公式
•液溶胶 按分散相和介质的聚集状态分类： •固溶胶
•气溶胶
按胶体溶液的稳定性分类： •憎液溶胶 •亲液溶胶
§12.2 胶体系统的光学性质 1、Tyndall（丁达尔）效应
1869年 Tyndall发现胶体系统有光散射现象
丁达尔效应：在暗室里，将一束聚集的光投射到胶体系统 上，在与入射光垂直的方向上，可观察到一 个发亮的光柱，其中并有微粒闪烁。
胶体化学是物理化学的一个重要分支。它 所研究的领域是化学、物理学、材料科学、生 物化学等诸多学科的交叉与重叠，它已成为这 些学科的重要基础理论。
胶体化学的理论和技术现在已广泛应用于 化工、石油开采、催化、涂料、造纸、农药、 纺织、食品、化妆品、染料、医药和环境保护 等工业部门和技术领域。
胶体系统的光学性质 胶体系统的动力性质 胶体系统的电学性质 憎液溶胶的胶团结构 憎液溶胶的稳定理论－DLVO理论 憎液溶胶的聚沉 乳状液
丁达尔效应是由于胶体粒子发生光散射而引起的
光散射：分子吸收一定波长的光，形成电偶极子， 由其振荡向各个方向发射振动频率与入
射光频率相同的光。
系统完全均匀：所有散射光相互抵消， 看不到散射光；
系统不均匀：散射光不会被相互抵消， 可看到散射光。
胶体系统的丁达尔效应是其高度的分散性和 多相不均匀性的反应。
胶体系统中的分散相可以是一种物质，也可以是多种 物质，可以是由许多原子或分子组成的粒子，也可以是一 个大分子。
胶体系统通常还可分为三类：
1）溶胶 — 分散相不溶于分散介质，有很大的相 界面，很高的界面能，因此是热力学不稳定 系统；
2）高分子溶液— 以分子形式溶于介质，没有相 界面，为均相热力学稳定系统；
: 入射光波长
l : 观测距离；
n : 分散相的折射率； n0：分散介质的折射率；
：散射角(观测方向与入射光之间的夹角)；
I＝
9π 2V 2C
24l 2
表 12.0.1 分散系统的分类及特征
系统 真溶液 胶体系统 粗分散系统
分散相粒子 直径 d
实例
各种分子、原子、离子溶液
d < 1 nm 如 乙 醇 水 溶 液 、NaCl 水 溶 液 、
空气等
1<d <1000 nm d > 1000 nm
各种溶胶 如 AgI、Al(OH)3 水溶胶等
乳状液、悬浮液、泡沫 如牛奶、豆浆、泥浆等