物理胶体化学复习题及答案

第三章食品晶体学基础思考及练习题

第一节结晶现象

一、概念题

1、晶体：是指经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中的结构基元（可以是原子、分子、离子、原子团或离子团）在空间呈规则性的周期排列的固体物质。

2、非晶体：是指没有规则外形、组成物质的结构基元在空间不呈有规则性的周期排列的固体物质。

3、晶面符号：亦称为面号，是指根据晶面（或晶体中平行于晶面的其他平面）与各结晶轴的交截关系，用简单的数学符号形式来表示它们在晶体上的方位的一种结晶学符号。简言之，表征晶面空间方位的符号，称为晶面符号。

4、单晶体：是指构成整个晶体的各种离子或原子全都是按照一定的方向和顺序排列。

5、多晶体：是指由多个单晶体混乱地结合在一起，晶体之间有明显的界限的晶体。

6、多晶型现象：是指一种物质能以两种或两种以上不同的晶体结构存在的现象。即化学组成相同的物质，在不同的物理化学条件下，能结晶成两种或多种不同结构的晶体的现象。也称多晶型或同质异象，旧称多形性。

7、晶核：也称为晶芽，是指从母液中最初析出并达到某个临界大小，从而得以继续生长的结晶相微粒。

8、均相成核作用：是指晶核由已经达到过饱和或者过冷的液相中自发地产生过程。

9、非均相成核作用：是指晶核是借助于非结晶相的外来杂质的诱导而产生的过程。

10、晶体生长：是指旧相（亚稳相）不断转变成新相（稳定相）的动力学过程。换言之，即晶核不断形成、形成的晶核不断长大的过程。

11、晶体缺陷：是指晶体中某些区域粒子的排列不象理想晶体那样规则和完整，这种偏离完整性的区域，或者说晶体中一切偏离理想的晶格结构称为晶体缺陷。

二、填空题

1、在食品工业中，结晶主要是指从（液相）中生成具有一定形状、质点排列有序的晶体的现象。

2、一切晶体在结构上不同于非晶体的最本质的特征，是组成晶体的微粒在三维空间中（有规则）的排列，具有结构的（周期性）。

3、晶体结构=（点阵）+（结构基元）

4、（构造单元）+（单位平行六面体）=晶胞

5、国际上通常采用的是【米氏符号（Miller’s symbol）】，即：晶面在三根晶轴上的截距系数的（倒数比）。

6、多晶型的类型有（构象型）多晶型、（构型）多晶型、（色）多晶型及（假）多晶型。

7、各种多晶型体具有不同的（物理）、（化学）性质。

8、液体的结晶由两个过程组成：一是晶核形成过程，即（成核）作用；另一是晶体的（生长）过程。

9、根据成核因素的不同分为（均相）成核作用和（非均相）成核作用，两者统称为（一次）成核作用。此外，晶体还可以由已经存在或者外加的晶体诱导而产生，这种成核作用称为（二次）成核作用。

10、成核只能在温度低于（凝固点）的条件下才能产生。均相成核温度要比非均相成核温度（低）。

11、伴随晶体生长过程而发生的是系统的吉布斯自由能（降低）。

12、按照晶体缺陷的形成和结构分类可分为（本征）缺陷和（杂质）缺陷。

13、按照晶体缺陷的几何特征可分为（点）缺陷、（线）缺陷、（面）缺陷和（体）缺陷。

三、简答题

1、晶体有何特性？

参考答案：

1）自限（自范）性：晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。

2）均一（均匀）性：同一晶体中的每一宏观质点的物理化学性质完全相同。

3）异向性：同一晶体不同方向具有不同的物理性质。

4）对称性：同一晶体中，晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几

个部分）有规律地重复出现。

5）最小内能性：晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。

6）稳定性：晶体比非晶体稳定。

7）熔点的固定性：在一定压力下，晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，只有一段软化温度范围。

第二节玻璃化现象

一、概念题

1、无定形态：是指物质所处的一种非平衡、非结晶状态，当饱和条件占优势并且溶质保持非结晶时，此时形成的固体就是无定形态。

2、玻璃态：是指既象固体一样具有一定的形状和体积，又像液体一样分子间排列只是近似有序，因此它是非晶态或无定形态。

3、橡胶态：是指大分子聚合物转变成柔软而且有弹性的固体（此时还未融化）时的状态。此时，分子具有相当的形变，也是一种无定形态。

4、黏流态：是指大分子聚合物链能自由运动，出现类似一般液体的黏性流动的状态。

5、玻璃化（转变）温度：是指非晶态的食品体系从玻璃态到橡胶态的转变（称为玻璃化转变）时的温度。

二、填空题

1、（玻璃态）、【高弹态（或橡胶态）】和（黏流态）被称为无定形聚合物的三种力学状态。

2、液体可以通过两种方式固化：一种是不连续地固化成晶体，即（结晶）作用；另一种是连续地固化成非晶体（玻璃体），即（玻璃化）作用。

3、相对而言小分子物质形成玻璃态非常（困难），大分子物质形成玻璃态则很（容易）。

4、玻璃化转变温度没有固定的数值，往往随测定方法和条件而变。因此，在标出某种材料的玻璃化转变温度时，必须注明测定的（方法）和（条件）。

三、简答题

1、简述玻璃态的形成条件。

参考答案：

几乎所有凝聚态物质，包括水和含水溶液都普遍具有玻璃态的形成能力。但玻璃态的形成主要取决于动力学因素，即冷却速率的大小。只要冷却速率足够快，温度足够低，几乎所有物质都能从液体过冷到玻璃态固体。其中，“足够低”是指必须冷却到T＜Tg；“足够快”是指冷却过程在穿过Tg＜T＜Tm温区的时间必须很短，以致不发生晶化，即冷却速率要快于结晶的成核速率和晶体的长大速率。同时，玻璃化转变温度（Tg）本身将随着冷却速率的变化而变化。冷却速率快，玻璃化转变温度相对较高，反之，则较低。加热时的情况也与此相同，玻璃化转变温度随加热速率的增快而升高。因此，玻璃化转变温度是一个既与热力学有关，又与动力学有关的参数。

2、简述影响食品玻璃化温度的因素。

参考答案：

1）冷却历程对食品玻璃化温度的影响

玻璃化转变温度（Tg）随着冷却速率的变化而变化。冷却速率快，玻璃化转变温度较高，反之，冷却速率慢，则玻璃化转变温度较低。

2）水对食品玻璃化温度的影响

对亲水性和含无定形区的高聚、低聚和单聚食品，水是一种特别有效的增塑剂。当水增加时，Tg下降。一般每加入1%水，Tg下降5～10℃，这是由于混合物的平均相对分子质量降低导致的。

3）溶质的类型对食品玻璃化温度的影响

①食品的玻璃化温度（Tg和Tg’）强烈地取决于体系的溶质种类和水分含量，而观察到的Tg’则主要取决于溶质种类和仅稍微取决于最初的水分含量。

②当分子量较小时（＜3000），食品的玻璃化温度（Tg和Tg’）随分子量的提高而提高。

③当分子量较大时（＞3000），食品的玻璃化温度（Tg和Tg’）与分子量无关。

④多数具有高分子量的多糖和蛋白类化合物都具有非常类似的玻璃化曲线和接近-10℃的Tg’。

四、论述题：试述玻璃化温度与食品稳定性。

答题要点：

1、玻璃态物质的黏度非常高，可以阻止所有分子的流动，控制各种变化。

但对于混合组分形成的玻璃态，一些构成玻璃态的小分子物质仍然可以发生扩散作用，不过，由于此时分子的移动速率非常慢，所以大多数化学反应一般可忽略，但有些反应（如脂类的氧化反应），还可以缓慢地进行。

2、由于食品在玻璃态时具有很高的黏度，未冻结的水分子被高黏度的食品体系所束缚，因此，这种水分不具有反应活性，使整个食品体系以不具有反应活性的非结晶性固体形式存在。因此，当食品温度在Tg以下时具有高度的稳定性。此时，食品的稳定性可采用（T-Tg）值表示。值越大，则稳定性越小；值越小，则稳定性越大。

3、提高食品稳定性的方法

（1）将贮藏温度降低至接近或低于Tg；

（2）在产品中加入大分子量的溶质，以提高Tg。

4、玻璃态对食品质地的影响

（1）与酥脆食品的质地有关。脆性物质的表观黏度至少达到达到玻璃态时的黏度。使脆性丧失的温度和水分含量与Tg有关。当水分含量增加2%～3%时（水分含量提高会导致Tg降低），或温度升高10℃～20℃时，脆性食品就会转化为“橡胶态”食品。

（2）与冻干食品的关系。当冻干食品的水分含量增大或温度升高时，冻干食品会转变成黏性液体，而失去了原来所具有的多孔性结构，该现象称为“塌陷”。塌陷温度一般仅比Tg高几度。

（3）与以小分子为主要成分的干制品的关系。当温度稍高于Tg时，以小分子为主要组成成分的玻璃态食品就会变得十分黏稠。【例如】一些喷雾干燥的粉状产品中将会出现上述情况，此时，它们会从空气中吸潮，使粉粒黏附成大块，这种现象称为“结块”。

5、玻璃态温度（Tg）与食品水分含量的关系

玻璃态温度（Tg）对食品的稳定性非常重要，而Tg又会受食品中水分含量的影响。

6、对液态或半固态食品，为了能够获得玻璃态食品，必须在溶质发生结晶作用之前，采用烘焙、膨化、冻干等过程脱除水分。