胶体的稳定性和聚沉作用
胶体的稳定性和聚沉作用
8.4 胶体的稳定性和聚沉作用8.4.1 溶胶的稳定根据胶体的各种性质。
溶胶稳定的原因可归纳为:(1) 溶胶的动力稳定性胶粒因颗粒很小，布朗运动较强，能克服重力影响不下沉而保持均匀分散。
这种性质称为溶胶的动力稳定性。
影响溶胶动力稳定性的主要因素是分散度。
分散度越大，颗粒越小，布朗运动越剧烈，扩散能力越强，动力稳定性就越大，胶粒越不溶易下沉。
此外分散介质的粘度越大，胶粒与分散介质的密度差越小，溶胶的动力稳定性也越大，胶粒也越不溶易下沉。
(2) 胶粒带电的稳定作用下图表示的是一个个胶团。
蓝色虚线圆是扩散层的边界，虚线圆以外没有净电荷，呈电中性。
因此，当两个胶团不重迭时，如左图，它们之间没有静电作用力，只有胶粒间的引力，这种引力与它们之间距离的三次方成反比，这和分子之间的作用力（分子之间的作用力与分子之间距离的六次方成反比）相比，是一种远程力，这种远程力驱使胶团互相靠近。
当两个胶团重迭时，如右图，它们之间就产生静电排斥力。
重叠越多，静电排斥力越大。
如果静电排斥力大于胶粒之间的吸引力，两胶粒相撞后又分开，保持了溶胶的稳定。
胶粒必须带有一定的电荷才具有足够的静电排斥力，而胶粒的带电量与ζ电势的绝对值成正比。
因此，胶粒具有一定的ζ电势是胶粒稳定的主要原因。
(3) 溶剂化的稳定作用物质和溶剂之间所起的化合作用称为溶剂化，溶剂若为水，则称水化。
憎液溶胶的胶核是憎水的，但它吸附的离子都是水化的，因此增加了胶粒的稳定性。
由于紧密层和分散层中的离子都是水化的，这样在胶粒周围形成了水化层。
实验证明，水化层具有定向排列＋ ＋ ＋＋ ＋＋ ＋ ＋ － － －－ － －－ － 胶核 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － 胶核结构，当胶粒接近时，水化层被挤压变形，它有力图恢复定向排列结构的能力，使水化层具有弹性，这成了胶粒接近时的机械阻力，防止了溶胶的聚沉。
以上影响溶胶稳定的三种因素中，尤以带电因素最重要。
胶体的稳定性和聚沉作用
溶胶的稳定性
抗聚结稳定性 胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量Vr，总作用能 为 Va+Vr。如图所示：
当粒子相距较大时，主要为 吸力，总势能为负值；当靠近 到一定距离，双电层重叠，排 斥力起主要作用， 势能升高。要使粒子聚结必须 克服这个势垒。
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影响溶胶稳定性的因素
高分子化合物在低浓度时，大量胶粒会吸附在同一个高分子线型分子上，整个系 统质量增大，发生聚沉。这种现象称为敏化作用。在敏化作用中，高分子化合物起到 了一个桥梁的作用，通过吸附架桥，从而破坏胶体，使其发生聚沉。
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高分子化合物的作用
但是，高分子化合物浓度较高时，能大大提高溶胶的稳定性，这就是高分子化合物 对溶胶的保护作用。
1、电解质的聚沉作用 2、高分子化合物的聚沉作用 3、带相反电荷的溶胶的聚沉作用
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电解质的聚沉作用
当向溶胶中加入电解质后，电解质中与溶胶带相反 电性的离子会进入吸附层，中和了电位离子，减少或者中 和胶粒的带电量，从而使胶粒在碰撞后易于聚结而沉降。 因此，电解质的聚沉作用主要是减少胶粒带电，使ξ电位 下降，促使胶粒聚结。水处理中常用明矾或聚合氯化铝来 使水中黏土等负电性胶体聚沉。再如豆腐的制作、河流入 海口三角洲的形成等，都是这个原理。
例如，对于给定的溶胶，异电性离子分别为一、 二、三价，则聚沉值的比例为：
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1 1
6
:
1 2
6
:
1 3
6
电解质的聚沉作用
当起聚沉作用的离子电荷数相同时，其聚沉能力也会因离子的活泼性不同而有 所差别。
例如，对带负电的溶胶，一价阳离子硝酸盐的聚沉能力次序为： H+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+ 而碱土金属离子的聚沉能力大小为
胶体稳定的主要原因
胶体稳定的主要原因
胶体之所以具有较大的稳定性，最主要的原因就是胶粒带有电荷，一般同种胶粒带同号的电荷，因而互相排斥，阻止了它们的互相接近，使胶粒很难聚集成较大的粒子而沉降。
此外，吸附层中的电位离子和反离子都能水化，从而在胶粒周围形成一个水化层，阻止了胶粒之间的聚集，阻止胶粒和带相反电荷离子相结合，因而胶体溶液具有动力稳定性。
使胶体聚沉的方法很多，主要有：（1）加入少量电解质，增加胶体溶液中离子的总浓度，使带电荷的胶粒容易吸引带相反电荷的离子，从而消除带同性电荷的胶粒相斥作用，胶粒可以互相碰撞，有利聚沉。
例如，Fe（OH）3胶核表面吸附了FeO+离子，扩散双电层中的反离子主要是Cl-，当加入Na2SO4时，SO42-也能进入吸附层，减少了胶粒所带电荷，使之容易聚沉。
（2）两种带相反电荷的胶体溶液，以适当的比例混合，可以互相电性中和，发生聚沉。
例如明矾净水，Al（OH）3溶胶和天然水中带有负电的胶态杂质中和，相互沉淀。
（3）加热可促使胶体沉降。
由于加热能增加胶粒的运动速度，因而增加胶粒的互相碰撞机会，同时也降低胶核对离子的吸附作用，使胶粒在碰撞时可聚集沉降。
例如Fe（OH）3胶体，加热即可发生Fe（OH）3沉淀。
讲-第章-胶体的稳定性
(ii) 脱水效应—高聚物分子由于亲水，其水化作用较胶粒 水化作用强(憎水)，从而高聚物的加入夺去胶粒的水化外壳 的保护作用。
(iii) 电中和效应—离子型高聚物的加入吸附在带电的胶 粒上而中和胶粒表面电荷。
2. 空间稳定理论（ steric stabilization）
向溶胶中加入高聚物或非离子表面活性剂，虽降低了电势， 但却显著地提高了溶胶系统的稳定性，这是用DLVO理论所解 释不了的。这种结果可用空间稳定理论加以解释。空间稳定理 论认为这是由于溶胶粒子表面吸附了高聚物，吸附的高聚物层 引起系统的G >0.
可见，聚沉能力是聚沉值的倒数，即聚沉值愈小，该电解 质的聚沉能力就愈大；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能 力越强。
（1）电解质中与胶粒所带电荷相反的离子是其主要聚沉作用 的离子，并且离子价数越高，电解质的聚沉能力越大。
对某一给定溶胶，一、二、三价反离子聚沉值的比例大约是：
100 :1.6 : 0.14
当x缩小，先出现一 极小值F，则发生粒子的
Born排斥 {U}
聚集称为絮凝（可逆的）。
UR ∝exp{-x} —德拜参量
Umax
当x再缩小，则出现 极大值Umax。只有两胶 粒通过热运动积聚的动 能超过15kT时才有可能
超过此能量值，进而出 现极小值C，在此处发
生粒子间的聚沉（不可 逆）。
势垒
exp( Ze0 ) 1
2kT
exp( Ze0 ) 1
2kT
B：常数； ：介电常数；Z：分散离子价数 ； ：复合比 (complex ration) ; kB :波尔滋曼常数
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
5-2 空间稳定理论 3 空间斥力位能 VRS 的构成
VRS VRe VRE VRO VRH
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
讨论： 电解质和高聚物都可以引起溶胶的聚沉，分 别说明它们引起聚沉的原因。
(1) 压缩扩散层 （2）吸附聚沉
电解质引起聚沉的原因:
高聚物引起聚沉的原因：
(1) 搭桥效应 (2) 脱水效应 (3) 电中和效应
（2）影响位能的因素 A值的影响 当κ、ψ0不变时： A↑，吸力位能↑，势垒↓
（2）影响位能的因素 Ψ0值的影响 ψ0↑，斥力位能↑，势垒↑
（2）影响位能的因素 电解质浓度的影响 n0↑，势垒↑ 通过κ影响： n0↑， κ↑， 势垒↓ 有一最佳稳定值
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
(3)聚沉理论 1900年舒尔兹一哈迪（Schulze-Hardy） 发现： 电解质中的反号离子才影响分散体系的稳定 性。
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
5-3 空缺稳定理论 1 高聚物对胶体的稳定可分为哪两种类型? “空间稳定”和“空位稳定” 2 什么是负吸附？空位层？ 3 空位稳定的吸力效应和斥力效应 吸力效应如何产生？ 浓度差 渗透压 吸力 斥力效应如何产生？ 分离过程 非自发过程 吉布斯函数增 大 斥力位能
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
1 胶粒双电层重叠时的静电斥力 斥力位能UR （1）两平面粒子双电层重叠时的斥力位能
第5章 胶体分散体系的稳定与聚沉
胶体化学第5章 胶体的稳定性
式中，VA为范德华引力势能（为负值）；a是球半径；H是两球最短 距离；A是Hamaker常数 。 两平行的等同平板粒子：
VA A 12 D
2
式中，D是两板间距。
上两式表明，VA随距离的增大而下降。 Hamaker常数A是一个重要的参数，它与粒子性质有关，是物质的 特性常数，具有能量的单位，在10－19~10－20J之间。下表是一些物质的 Hamaker常数。
影响絮凝作用的主要因素有： ①絮凝剂的分子结构 絮凝效果好的高分子应有直链结 构，交联和支链结构的效果差。应有水化基团和架桥 功能，电离度越大，荷电越多，分子越伸展，利于架 桥；但若高分子与胶粒荷相同电性时，带电多，产生 静电斥力不利于絮凝。 ②絮凝剂的分子量 分子量越大越好，但过大时，不容 性和远距离则不利絮凝，一般分子量在106左右。 ③絮凝剂的浓度 研究表明存在一个最佳浓度，为胶 粒表面饱和吸附量一般是最好，可见上图示。 ④搅拌 要均匀，不可带激烈。 ⑤酸性和盐 它们对絮凝影响很大。 下面给出了一些代表性的高分子絮凝剂：
4．临界聚沉浓度 电解质是影响V的重要因素之一。见下图示。电解质浓度大（κ亦大）， 势垒越低。把势垒值为零时的电解质浓度称为临界聚沉浓度，用Cccc表 示。根据DLVO理论的势能公式，可得到
C ccc 常数
（ kT )
3 5
4 0
A z
2
6
这表明，Cccc 与离子价数的六次 方成反比，这与Schulze-Hardy经 验规则相符，也证明了DLVO理 论的合理性。
4.3 高分子的稳定性和絮凝作用
1.空间稳定作用 人们很早就发现高分子物质对溶胶具有稳定作用。稳定机理有如下几 个原因。 ①带电高分子吸附後会增加胶粒间的静电斥力势能。 ②高分子吸附层通常能减小Hamaker常数，从而降低粒子间的范德华 引力势能。 ③带有高分子吸附层的胶粒相互接近时，吸附层的重叠会产生新的斥 力势能阻止粒子聚集。这种稳定作用称为空间稳定作用，产生的斥力势 能称为空间斥力势能，用VS表示。这样粒子间总的相互作用势能为 V = VA + VR + VS
胶体聚沉的三个条件
胶体聚沉的三个条件胶体聚沉是指在胶体溶液中，胶体粒子之间发生相互作用，导致粒子聚集并沉降的过程。
胶体聚沉的三个条件包括：稳定性降低、相互作用增强和聚集速率加快。
1. 稳定性降低稳定性是指胶体溶液中胶体粒子保持分散状态的能力。
当稳定性降低时，胶体粒子之间的排斥力减弱，使得粒子更容易发生聚集和沉降。
1.1 pH值变化溶液中的酸碱度可以影响胶体颗粒表面电荷的变化，进而影响颗粒之间的静电排斥力。
当pH值发生改变时，会导致电荷中和或重组，使得静电排斥力减小或消失。
这样一来，颗粒之间就会更容易发生吸引力，并开始聚集。
1.2 温度变化温度对于溶液中颗粒之间相互作用的强度有很大影响。
随着温度升高，溶液中的颗粒热运动加剧，使得胶体粒子之间的吸引力增强。
这种增强的吸引力会导致胶体粒子更容易聚集并沉降。
1.3 盐浓度变化溶液中的盐浓度可以改变溶液中离子的浓度，从而影响胶体粒子表面电荷的分布。
当盐浓度升高时，离子会与胶体粒子表面上的电荷相互作用，减弱电荷效应。
这样一来，颗粒之间的静电排斥力减小，使得聚集和沉降更容易发生。
2. 相互作用增强相互作用是指胶体溶液中颗粒之间发生的各种力量和作用方式。
当相互作用增强时，胶体粒子之间的吸引力或排斥力增大，导致更多颗粒聚集并沉降。
2.1 范德华力范德华力是指非极性分子或原子之间由于电荷不均匀而产生的吸引力。
在胶体溶液中，范德华力可以使非极性胶体粒子之间发生吸引作用，促进聚集和沉降。
2.2 双层电荷作用双层电荷是指胶体粒子表面上的电荷分布情况。
当胶体溶液中的离子浓度或pH值发生变化时，会导致双层电荷的分布发生改变。
这种改变可以增强或减弱胶体粒子之间的静电相互作用，从而影响聚集和沉降的程度。
2.3 氢键和离子键氢键和离子键是一种较强的化学键，能够在胶体溶液中产生较强的吸引力。
当溶液中存在适当的氢键供体和受体或离子配对时，这些键能够促进胶体颗粒之间的相互作用并导致聚集沉降。
3. 聚集速率加快聚集速率是指胶体粒子聚集并沉降的速度。
加入电解质使胶体聚沉的原因
加入电解质使胶体聚沉的原因电解质是指在溶液中能够电离成离子的物质。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的混合物，由微细颗粒和分散介质组成。
当电解质加入到胶体溶液中时，会发生一系列的反应和相互作用，导致胶体聚集和沉淀。
下面将详细介绍加入电解质使胶体聚沉的原因。
1.破坏胶体的稳定性：胶体稳定性是指胶体溶液中微粒分散状态的能力。
胶体粒子通过表面电荷的存在而呈现出相互间斥的效果，防止了粒子之间的聚集和沉降。
当电解质加入到胶体溶液中时，会与胶体粒子上的电荷发生反应，中和其表面电荷。
这使得胶体微粒失去相互排斥的作用，从而导致聚集和沉淀。
2.提供吸引力：当电解质加入胶体溶液中时，其中的离子会与溶液中的极性分子发生吸引作用。
这种吸引力有助于胶体颗粒之间的聚集和沉降。
电解质的加入可以增加溶液中的离子浓度，从而增加离子间的相互作用力。
这些吸引力会克服胶体粒子间的斥力，使其聚集并沉淀下来。
3.形成电双层：胶体颗粒在溶液中会带有表面电荷，形成电双层。
电解质加入后，其中的离子会与胶体颗粒上的电荷相互作用，进一步增加双层的厚度。
这种厚度的增加会导致胶体颗粒之间的相互排斥力降低，从而促进其聚集和沉淀。
4.中和胶体微粒本身的电荷：胶体颗粒在溶液中带有电荷，这些电荷对粒子的相互作用和分散状态起着重要的稳定性作用。
当电解质加入胶体溶液中时，其中的离子会与胶体颗粒上的电荷相互作用，导致胶体粒子表面电荷的中和或屏蔽。
中和或屏蔽后，胶体粒子之间的排斥力减弱，使其更容易聚集和沉淀。
总之，加入电解质会破坏胶体稳定性，提供吸引力，形成电双层，中和胶体微粒的电荷，从而导致胶体聚集和沉淀。
这些过程是通过改变胶体颗粒表面电荷、增加离子浓度和改变粒子间相互作用来实现的。
加入电解质使胶体聚沉的原因是多方面的，其具体结果及过程取决于胶体粒子的性质、电解质的种类和浓度、溶液条件等因素。
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胶体的稳定性和聚沉作用
摘要：化学物品胶体已经广泛应用于现代生活，了解胶体的稳定性和聚沉作用对于我们高效利用有很大帮助。
关键词：稳定性胶体聚沉电解质
溶胶的稳定
根据胶体的各种性质。
溶胶稳定的原因可归纳为:
（1）溶胶的动力稳定性
胶粒因颗粒很小，布朗运动较强，能克服重力影响不下沉而保持均匀分散。
这种性质称为溶胶的动力稳定性。
影响溶胶动力稳定性的主要因素是分散度。
分散度越大，颗粒越小，布朗运动越剧烈，扩散能力越强，动力稳定性就越大，胶粒越不溶易下沉。
此外分散介质的粘度越大，胶粒与分散介质的密度差越小，溶胶的动力稳定性也越大，胶粒也越不溶易下沉。
(2) 胶粒带电的稳定作用
下图表示的是一个个胶团。
蓝色虚线圆是扩散层的边界，虚线圆以外没有净电荷，呈电中性。
因此，当两个胶团不重迭时，如左图，它们之间没有静电作用力，只有胶粒间的引力，这种引力与它们之间距离的三次方成反比，这和分子之间的作用力（分子之间的作用力与分子之间距离的六次方成反比）相比，是一种
远程力，这种远程力驱使胶
团互相靠近。
当两个胶团重迭时，如右图，它们之间就产生静电排斥力。
重叠越多，静电排斥力越大。
如果静电排斥力大于胶粒之间的吸引力，两胶粒相撞后又分开，保持了溶胶的稳定。
胶粒必须带有一定的电荷才具有足够的静电排斥力，而胶粒的带电量与ζ电势的绝对值成正比。
因此，胶粒具有一定的ζ电势是胶粒稳定的主要原因。
(3) 溶剂化的稳定作用
物质和溶剂之间所起的化合作用称为溶剂化，溶剂若为水，则称水化。
憎液溶胶的胶核是憎水的，但它吸附的离子都是水化的，因此增加了胶粒的稳定性。
由于紧密层和分散层中的离子都是水化的，这样在胶粒周围形成了水化层。
实验证明，水化层具有定向排列结构，当胶粒接近时，水化层被挤压变形，它有力图恢复定向排列结构的能力，使水化层具有弹性，这成了胶粒接近时的机械阻力，防止了溶胶的聚沉。
以上影响溶胶稳定的三种因素中，尤以带电因素最重要。
溶胶的聚沉
溶胶中的分散相颗粒相互聚结而变大，以至最后发生沉降的现象称为聚沉。
一般ζ电势的绝对值大于0.03伏时，溶胶是稳定的。
造成溶胶聚沉的因素很多，如浓度、温度、光的作用、搅拌、外加电解质、胶体相互作用和高分子化合物的作用等，其中尤以外加电解质和胶体相互作用最为重要。
(1) 电解质的作用
由实验得知，不断向胶体溶液中加入电解质，胶粒的ζ电势的绝对值不断下降；当ζ电势的绝对值小至某一数值时，溶胶开始聚沉。
ζ电势的绝对值越小，聚沉速度越快；ζ电势的绝对值等于0，即等电态时，聚沉速度达到最大。
在电解质的作用下，溶胶开始聚沉的电动电势称临界电势。
多数溶胶的临界电势在±（25～30）mv之间。
所有电解质达到某一浓度时，都能使溶胶聚沉。
引起溶胶明显聚沉所需电解质的最小浓度，称为该电解质的聚沉值。
而聚沉值的倒数定义为聚沉能力。
电解质的聚沉能力一般有如下规律：
电解质中能使溶胶聚沉的离子是与胶粒电荷相反的异电离子，随着异电离子价数的增高，聚沉能力迅速增加。
这就是舒尔采－哈迪（Schulze-Hardy）价数规则。
例如，对带负电的As2S3胶粒起聚沉作用的是阳离子，含不同价数阳离子的盐KCl、MgCl2和AlCl3对As2S3溶胶的聚沉值分别为KCl ：49.5，MgCl2：0.7，AlCl3：0.093 mol/m3
若以一价阳离子为标准，其聚沉能力有如下关系：
Me+︰Me2+︰Me3+= 1︰71︰532
一般可认为
Me+︰Me2+︰Me3+= 16︰26︰36= 1︰64︰729
应该指出，舒尔采－哈迪价数规则是很粗略的，不同的作者得出的数据有较大的差别，但价数不同的离子的聚沉能力的显著差别仍然
存在，并且保持着上述顺序。
另外价数规则不适用的例子也很多，如H+虽为一价，却有很高的聚沉能力；又如有机化合物离子不论价数如何，其聚沉能力都很强。
（２）相同价数离子的聚沉能力不同
如同一种阴离子NO3－的各种一价盐，其阳离子对负溶胶的聚沉能力顺序为
Cs+＞Rb+＞K+＞Na+＞Li+
这个顺序与它们的水化作用相反。
同一种阳离子的各种一价盐，其阴离子对正溶胶的聚沉能力顺序为
Cl－＞Br－＞NO3－＞I－
这种将价数相同的阳离子或阴离子按聚沉能力排成的顺序称为感胶离子序。
(1)胶体的相互作用
将带相反电荷的溶胶互相混合，也会发生聚沉。
明矾[KAl(SO4)312H2O]在水中形
成Al(OH)3正溶胶与水中微粒一起沉淀就是一例。
然而与电解质的聚沉作用不同之处在于两种溶胶用量应恰能使其所带的总电量相同时，才会完全聚沉，否则可能不完全聚沉，甚至不聚沉。
表4 用不同数量(mg)的氢氧化铁正溶胶和定量的硫化锑负溶胶（含0.56mg Sb2S3）作用时观察到的情况。
高分子化合物对溶胶的作用
在溶胶中加入少量的高分子化合物，有时会降低溶胶的稳定性，甚至发生聚沉，这种现象称为敏化作用。
产生这种现象的原因可能是由于高分子化合物数量少，无法将胶体颗粒完全覆盖，胶粒附着在高分子化合物上，附着多了，质量变大而引起聚沉，如图。
但加入较多的高分子化合物后，高分子化合物被吸附在胶粒的表面，包围着胶粒，使胶粒对分散介质的亲和力增加，从而增加了溶胶的稳定性。
这种现象称为高分子化合物对溶胶的保护作用，如图。
高分子化合物的这种保护作用应用很广，例如血液中所含的难溶盐类，象碳酸钙和磷酸钙等，就是靠血液中的蛋白质保护而存在。
医药上点眼用的蛋白银就是蛋白质保护的银溶胶。
照相用的软片是用明胶所保护的AgBr悬浮体。
溶胶浓度的影响
溶胶浓度增大时，则因布朗运动的作用，使胶团互相碰撞的次数增加，聚集成大颗粒机会增多，溶胶的稳定性降低，因而将加速溶胶的聚沉。
五、参考文献
[1] 傅献彩, 沈文霞, 姚天扬. 物理化学. 高等教育出版社.2005
[2] 何广平, 南俊民, 孙艳辉. 基础物理化学实验. 化学工业出版社.2008
[3] 陈宗琪，戴闽光.胶体化学.高等教育出版社.1984
[4] 江龙编著.胶体化学概论.科学出版社.2002。