兰州交通大学：《物理化学》课程教学资源（授课教案）第十二章 胶体化学

第十二章胶体化学 学习要求 1.了解分散系统的分类和基本特征： 2.了解溶胶的制备和净化： 3.理解溶胶的光学性质、动力性质和电学性质： 4.理解溶胶的稳定性和聚沉作用： 5.了解悬浮液、乳状液和泡沫系统的性质， 6.理解高分子化合物溶液的渗透压和粘度。 主要公式及其适用条件 1.胶体系统及其特点 胶体：分散相粒子在某方向上的线度在1~100m范围的高分散系统称为 胶体。对于由金属及难溶于水的卤化物、硫化物或氢氧化物等在水中形成胶体称 憎液溶胶（简称为胶体）。憎液溶胶的粒子均是由数目众多的分子构成，存在着 很大的相界面，因此憎液溶胶具有高分散性、多相性以及热力学不稳定性的特点。 2.胶体系统的动力学性质 (1)布朗运动 体粒子由于受到分散介质分子的不平衡撞击而不断地作不规则地运动，称 此运动为布朗运动。其平均位移x可按下列爱因斯坦一布朗位移公式计算 x=(RT13Lπr) 式中：1为时间，r为粒子半径，n为介质的粘度。 (2)扩散、沉降及沉降平衡 扩散是指当有浓度梯度存在时，物质粒子（包括胶体粒子）因热运动而发 生宏观上的定向位移之现象。 沉降是指胶体粒子因重力作用而发生下沉的现象。 沉降平衡：当胶体粒子的沉降速率与其扩散速率相等时，胶体粒子在介质

第十二章 胶体化学 学习要求 1. 了解分散系统的分类和基本特征； 2. 了解溶胶的制备和净化； 3. 理解溶胶的光学性质、动力性质和电学性质； 4. 理解溶胶的稳定性和聚沉作用； 5. 了解悬浮液、乳状液和泡沫系统的性质； 6. 理解高分子化合物溶液的渗透压和粘度。 主要公式及其适用条件 1． 胶体系统及其特点 胶体：分散相粒子在某方向上的线度在 1～100 nm 范围的高分散系统称为 胶体。对于由金属及难溶于水的卤化物、硫化物或氢氧化物等在水中形成胶体称 憎液溶胶（简称为胶体）。憎液溶胶的粒子均是由数目众多的分子构成，存在着 很大的相界面，因此憎液溶胶具有高分散性、多相性以及热力学不稳定性的特点。 2． 胶体系统的动力学性质 （1） 布朗运动 体粒子由于受到分散介质分子的不平衡撞击而不断地作不规则地运动，称 此运动为布朗运动。其平均位移 x 可按下列爱因斯坦－布朗位移公式计算 1/ 2 x = (RTt / 3L π r) 式中：t 为时间，r 为粒子半径，η 为介质的粘度。 （2） 扩散、沉降及沉降平衡 扩散是指当有浓度梯度存在时，物质粒子（包括胶体粒子）因热运动而发 生宏观上的定向位移之现象。 沉降是指胶体粒子因重力作用而发生下沉的现象。 沉降平衡：当胶体粒子的沉降速率与其扩散速率相等时，胶体粒子在介质

的浓度随高度形成一定分布并且不随时间而变，这一状态称为胶体粒子处于沉降 平衡。其数密度C与高度h的关系为 mC,1/C)=-(g/RT{1-(p/p)h,-h] 式中P及~分别为粒子及介质的密度，M为粒子的摩尔质量，g为重力加速度。 此式适用于单级分散粒子在重力场中的沉降平衡。 3.光学性质 当将点光源发出的一束可见光照射到胶体系统时，在垂直于入射光的方向 上可以观察到一个发亮的光锥，此现象称为丁达尔现象。丁达尔现象产生的原因 是胶体粒子大小，小于可见光的波长，而发生光的散射之结果。散射光的强度/ 可由下面瑞利公式计算： 2ar(m产+2玩+cos2a 式中：6及1表示入射光的强度与波长：n及m分别为分散相及分散介质的折射 率：a为散射角，为观测方向与入射光之间的夹角：V为单个分散相粒子的体积： C为分散相的数密度：1为观测者与散射中心的距离。此式适用粒子尺寸小于入 射光波长，粒子堪称点光源，而且不导电，还有不考虑粒子的散射光互相不发生 干涉。 4.电学性质 胶体是热力学不稳定系统，其所以能长期存在的重要因素就是胶体粒子本 身带电的结果。证明胶体粒子带电的有：电泳、电渗、流动电势和沉降电势等电 动现象。电泳与电渗是指在外电场作用下，胶体中分散相与分散介质发生相对运 动：流动电势与沉降电势则是当外力场作用于胶体上时，使得分散相与分散介质 发生相对移动而产生电势差。产生上述电动现象的原因是因为胶体粒子具双电层 结构的缘故。 5.斯特恩双电层模型 有关胶粒带电的双层模型中以斯特恩双电层模型使用较广。其双电层结构

的浓度随高度形成一定分布并且不随时间而变，这一状态称为胶体粒子处于沉降 平衡。其数密度 C 与高度 h 的关系为 ln( / ) ( / ) 1 ( / )( ) C2 C1 = − Mg RT − 0  h2 − h1 式中 ρ 及 ρ0 分别为粒子及介质的密度，M 为粒子的摩尔质量，g 为重力加速度。 此式适用于单级分散粒子在重力场中的沉降平衡。 3． 光学性质 当将点光源发出的一束可见光照射到胶体系统时，在垂直于入射光的方向 上可以观察到一个发亮的光锥，此现象称为丁达尔现象。丁达尔现象产生的原因 是胶体粒子大小，小于可见光的波长，而发生光的散射之结果。散射光的强度 I 可由下面瑞利公式计算： ( ) 2 2 2 2 2 0 2 4 2 2 2 0 0 9 π 1 cos 2 2 V C n n I I l n n     − = +     + 式中：I0 及 λ 表示入射光的强度与波长；n 及 n0 分别为分散相及分散介质的折射 率；α 为散射角，为观测方向与入射光之间的夹角；V 为单个分散相粒子的体积； C 为分散相的数密度；l 为观测者与散射中心的距离。此式适用粒子尺寸小于入 射光波长，粒子堪称点光源，而且不导电，还有不考虑粒子的散射光互相不发生 干涉。 4． 电学性质 胶体是热力学不稳定系统，其所以能长期存在的重要因素就是胶体粒子本 身带电的结果。证明胶体粒子带电的有：电泳、电渗、流动电势和沉降电势等电 动现象。电泳与电渗是指在外电场作用下，胶体中分散相与分散介质发生相对运 动；流动电势与沉降电势则是当外力场作用于胶体上时，使得分散相与分散介质 发生相对移动而产生电势差。产生上述电动现象的原因是因为胶体粒子具双电层 结构的缘故。 5． 斯特恩双电层模型 有关胶粒带电的双层模型中以斯特恩双电层模型使用较广。其双电层结构

可用下面模型（图12一1）表示。 —斯特恩层 (b) 图12-1 图中：9热力学电势：表示固体表面与溶液本体的电势差。P。斯特恩电势：斯 特恩面与容液本体的电势差。（电势（流动电势）：当分散相与分散介质发生相 对移动时，滑动面与溶液本体的电势差。从电泳速率或电渗速率计算电势的公式 如下： 6-2 式中：e为介质的介电常数，0为真空介电常数：v为电泳速率，单位为m·s: E为电势梯度，单位为V·ml:n为介质的粘度，单位为Pa·s。 6.胶团结构 根据吸附与斯特恩双电层结构可知，溶胶的胶团结构分为胶核、胶粒及胶 团三个层次。以AgC1溶胶为例，当用KCI与AgNO3制备AgCI溶胶时，若AgNO3 是略微过量的，则若干个AgC1粒子组成的固体微粒优先吸附与其自身有相同元 素的离子(Ag)而形成胶核。再按双电层结构分别写出胶粒与胶团部分，即 AgCI]nAg.(n-x)NO: ·xNO5 胶核 胶粒带正电荷

可用下面模型（图 12－1）表示。 图中：  0 热力学电势：表示固体表面与溶液本体的电势差。  斯特恩电势：斯 特恩面与容液本体的电势差。ζ 电势（流动电势）：当分散相与分散介质发生相 对移动时，滑动面与溶液本体的电势差。从电泳速率或电渗速率计算电势的公式 如下： E v    = 式中：ε 为介质的介电常数，ε0 为真空介电常数；v 为电泳速率，单位为 -1 m s ； E 为电势梯度，单位为 V · m －1；η 为介质的粘度，单位为 Pa · s。 6． 胶团结构 根据吸附与斯特恩双电层结构可知，溶胶的胶团结构分为胶核、胶粒及胶 团三个层次。以 AgCl 溶胶为例，当用 KCl 与 AgNO3 制备 AgCl 溶胶时，若 AgNO3 是略微过量的，则若干个 AgCl 粒子组成的固体微粒优先吸附与其自身有相同元 素的离子（Ag＋）而形成胶核。再按双电层结构分别写出胶粒与胶团部分，即   ( )     胶团 － 胶粒 － 胶核 ＋ ＋ AgCl m Ag － NO3 NO3 n n x x x •          • 胶粒带正电荷

但若制备AgCI时是采用KCI稍微过量，则其胶团结构为 胶粒 [AgC]nCI·(n-x)K ·xK 胶粒带负电荷。 7.溶胶的稳定与聚沉 (1)溶胶稳定的原因有三：胶体粒子带电、溶剂化作用以及布朗运动。 (2)聚沉：是指溶胶中胶粒互相聚结变成大颗粒，直到发生沉淀的现象。 导致溶胶聚沉的因素很多，但是电解质加入时溶胶发生聚沉的作用是显著的，为 比较不同电解质对溶胶的聚沉作用大小而引进聚沉值，聚沉值是指令溶胶发生明 显的聚沉所需之电解质最小浓度。聚沉值的倒数称为聚沉能力。 应指出：起聚沉作用的主要是与胶粒带相反电荷的离子（即反离子），反离 子价数越高则聚沉值越小。离子价数及个数均相同的不同反离子，其聚沉能力亦 不相同，如 H'>Cs'Rb'>NHi >K*>Na'>Li F>CI>Br>NO,>I>SCN>OH 思考题 1.胶体系统是一个多相分散系统，是一个热力学不稳定系统，是一个亚稳系统 请你给予评价和讨论。 2.根据被分散物质粒子的大小如何来区分溶液、溶胶粗分散系统？ 3.胶体系统产生丁怿尔现象的实质是什么？ 4.如何利用瑞利公式解释一些自然现象？ 5.胶体系统具有电泳、电渗、流动电势和沉降电势等电动现象，电动现象说明 什么问题？

但若制备 AgCl 时是采用 KCl 稍微过量，则其胶团结构为   ( )     胶团 胶粒 胶核 ＋ ＋ － + + •          AgCl m nCl • n x K xK x 胶粒带负电荷。 7． 溶胶的稳定与聚沉 （1）溶胶稳定的原因有三：胶体粒子带电、溶剂化作用以及布朗运动。 （2）聚沉：是指溶胶中胶粒互相聚结变成大颗粒，直到发生沉淀的现象。 导致溶胶聚沉的因素很多，但是电解质加入时溶胶发生聚沉的作用是显著的，为 比较不同电解质对溶胶的聚沉作用大小而引进聚沉值，聚沉值是指令溶胶发生明 显的聚沉所需之电解质最小浓度。聚沉值的倒数称为聚沉能力。 应指出：起聚沉作用的主要是与胶粒带相反电荷的离子（即反离子），反离 子价数越高则聚沉值越小。离子价数及个数均相同的不同反离子，其聚沉能力亦 不相同，如 + + + + + + + H > Cs > Rb > NH > K > Na > Li 4 - - - - - - - F > Cl > Br > NO > I > SCN > OH 3 思考题 1. 胶体系统是一个多相分散系统, 是一个热力学不稳定系统, 是一个亚稳系统。 请你给予评价和讨论。 2. 根据被分散物质粒子的大小如何来区分溶液、溶胶粗分散系统? 3. 胶体系统产生丁铎尔现象的实质是什么? 4. 如何利用瑞利公式解释一些自然现象? 5. 胶体系统具有电泳、电渗、流动电势和沉降电势等电动现象, 电动现象说明 什么问题?

6.什么是（电势？如何确定（电势的正、负号？（电势在数值上的大小与憎液溶 胶的稳定有什么关系？ 7.如何区分p。、p。、(电势？ 8.简述影响憎液溶胶稳定性的因素。 9.胶体系统的动力学性质表现为哪几种运动形式？它们之间有何联系？ 10.(电势是双电层结构中哪两处的电势差？外加电解质如何影响5电势？ 11.破坏溶胶使溶液聚沉的主要方式有哪些？ 12.在新生成的F(OH),沉淀中另加入少量FCl,会产生什么现象？若再加入硫 酸盐又会怎样？为什么？ 13.乳化剂能使乳状液稳定存在的主要原因有哪些？请写出破乳（去乳化）的方 法？ 14.举例说明泡沫技术的应用？ 15.举例说明气溶胶的利用和破坏？ 16高分子溶液与溶胶有哪些区别？最本质的区别是什么？ 17.什么是唐南平衡，研究这一现象有何意义？

6. 什么是 ζ 电势? 如何确定 ζ 电势的正、负号? ζ 电势在数值上的大小与憎液溶 胶的稳定有什么关系? 7. 如何区分  o 、、ζ 电势? 8. 简述影响憎液溶胶稳定性的因素。 9. 胶体系统的动力学性质表现为哪几种运动形式? 它们之间有何联系? 10. ζ 电势是双电层结构中哪两处的电势差? 外加电解质如何影响 ζ 电势? 11. 破坏溶胶使溶液聚沉的主要方式有哪些? 12. 在新生成的 3 Fe(OH ) 沉淀中另加入少量 FeCl3 会产生什么现象? 若再加入硫 酸盐又会怎样? 为什么? 13. 乳化剂能使乳状液稳定存在的主要原因有哪些? 请写出破乳（去乳化）的方 法? 14. 举例说明泡沫技术的应用? 15. 举例说明气溶胶的利用和破坏? 16. 高分子溶液与溶胶有哪些区别? 最本质的区别是什么? 17. 什么是唐南平衡, 研究这一现象有何意义?