《无机材料科学基础》课程授课教案（讲稿）第十一章 坯体制备与成型的理论基础

第二章坏体制备与成型的理论基础第一节胶体的基本概念一.胶体的定义自然界中所遇到的实际物系，严格讲均是一种或几种物质分散在另一种物质中的分散物系。例如：地壳、海洋、大气、人体等等。分散物系的分类最基本的是以被分散物质粒子大小来划分例子类型性质分散相粒子分散相半径（m）10-?粗颗粒粗分散物系多相；热力悬浮液、乳状液学不稳定

第二章 坯体制备与成型的理论基础 第一节 胶体的基本概念 一.胶体的定义 自然界中所遇到的实际物系，严格讲均是一种或几种物质分散在 另一种物质中的分散物系。例如：地壳、海洋、大气、人体等等。分 散物系的分类最基本的是以被分散物质粒子大小来划分。 类型 分散相粒子 半径（m） 分散相 性质 例子 低分子分散 物系 10-7 粗颗粒 多相；热力 学不稳定。 悬浮液、乳 状液

二.胶体的基本性质1.光学性质丁达尔效应：在暗室中，如果让一束聚集的光线通过胶体物系，在入射光的垂直方向可看到一个发光的圆锥体。丁达尔效应与分散粒子的大小及投射光线的波长有关。当分散粒子的直径大于入射光波的波长时，光投射在粒子上起反射作用；如果粒子的直径小于入射波的波长时，光波可以绕过粒子而向各方向传播，即光的散射作用，散射出来的光叫做乳光。光散射作用形成丁达尔效应。2.动力性质扩散现象是微粒的热运动（或布朗运动）在有浓度差时发生的物质迁移现象。布朗运动→扩散（由下向上）重力作用→沉降（由上向下）沉降速度=扩散速度时，沉积天平，沉降分析仪，测定粒度分布。3.动电性质产生动电现象原因是由胶团结构决定的电渗：如果在多孔膜（或毛细管）的两端加一定电压时，多孔膜中的液体将产生定向移动。流动电位：与电渗相反，若使液体在多孔膜或者毛细管内流动，多孔膜或毛细管两端将产生电位差，为流动电位。电泳：在外电场的影响下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象

二.胶体的基本性质 1.光学性质 丁达尔效应：在暗室中，如果让一束聚集的光线通过胶体物系， 在入射光的垂直方向可看到一个发光的圆锥体。 丁达尔效应与分散粒子的大小及投射光线的波长有关。当分散粒 子的直径大于入射光波的波长时，光投射在粒子上起反射作用；如果 粒子的直径小于入射波的波长时，光波可以绕过粒子而向各方向传 播，即光的散射作用，散射出来的光叫做乳光。光散射作用形成丁达 尔效应。 2.动力性质 扩散现象是微粒的热运动（或布朗运动）在有浓度差时发生的物 质迁移现象。 布朗运动→扩散（由下向上） 重力作用→沉降（由上向下） 沉降速度=扩散速度时，沉积天平，沉降分析仪，测定粒度分布。 3.动电性质 产生动电现象原因是由胶团结构决定的 电渗：如果在多孔膜（或毛细管）的两端加一定电压时，多孔膜中的 液体将产生定向移动。 流动电位：与电渗相反，若使液体在多孔膜或者毛细管内流动，多孔 膜或毛细管两端将产生电位差，为流动电位。 电泳：在外电场的影响下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象

沉降电位：胶体粒子在重力场或离心场中迅速移动时，将会在移动方向的两端（界面相与底层）产生电位差，为沉降电位。第二节粘土-水系统掌握内容一.粘土-水系统中粘土颗粒表面带电的原因把平行于复网层的表面称为板面，而垂直于复网层的表面称为边面。板面边面1.板状通过晶格置换而带永久性负电。粘土矿物晶体结构中的晶格置换造成了板面带负电。原来复网层中晶格置换造成的负电由复网层间进入的正离子来平衡，当粘土分散于水中后，原来平衡电荷的正离子进入水中，使板面带负电A.蒙脱石其负电荷主要是由铝氧八面体中A1被Mg2*等二价阳离子取代而引起的。除此之外，还有总负电荷的5%是由A1置换硅氧四面体中的Si*而产生的。负电荷部分被内部补偿后，还是有部分剩余负电荷。B.伊利石主要由于硅氧四面体中的硅离子约六分之一被铝离子所取代，使单位晶胞带负电荷，这些负电荷大部分被层间非交换性的

沉降电位：胶体粒子在重力场或离心场中迅速移动时，将会在移动方 向的两端（界面相与底层）产生电位差，为沉降电位。 第二节 粘土-水系统 掌握内容 一.粘土-水系统中粘土颗粒表面带电的原因 把平行于复网层的表面称为板面，而垂直于复网层的表面称为边 面。 1.板状通过晶格置换而带永久性负电。 粘土矿物晶体结构中的晶格置换造成了板面带负电。原来复网层 中晶格置换造成的负电由复网层间进入的正离子来平衡，当粘土分散 于水中后，原来平衡电荷的正离子进入水中，使板面带负电。 A．蒙脱石其负电荷主要是由铝氧八面体中 Al3+被 Mg2+等二价阳离 子取代而引起的。除此之外，还有总负电荷的 5%是由 Al3+置换硅氧四 面体中的 Si4+而产生的。负电荷部分被内部补偿后，还是有部分剩余 负电荷。 B.伊利石主要由于硅氧四面体中的硅离子约六分之一被铝离子 所取代，使单位晶胞带负电荷，这些负电荷大部分被层间非交换性的

K和部分Ca2*、H等所平衡，只有少量表现出来。C.高岭石其结构为单网层，理论上没有晶格置换，所以理论上板面不带电，但实际上由于微量的晶格置换使得板面也带负电，但带电量少.伊利石的晶格置换比蒙脱石严重，单位面积板面的负电量应该比蒙脱石多，但伊利石结构中复网层之间是钾离子，而且钾离子可以牢固地把两个复网层连接在一起，不易解理，分散度小，成为板面的层面少，比表面积小，所以相同质量的伊利石带负电量比蒙脱石少；一定量三种矿物带负电量多少顺序为：蒙脱石>伊利石>高岭石。2.边表面的带电机理边面是通过破键机理而带电，边面断键后，由于产生了不饱和键，不饱和键作用于水，水电离成H和OH，跟不饱和键相连接而带电STRUCTUREOFAKAOLINITELAYEROOHAlSi

K +和部分 Ca2+、H +等所平衡，只有少量表现出来。 C.高岭石其结构为单网层，理论上没有晶格置换，所以理论上板 面不带电，但实际上由于微量的晶格置换使得板面也带负电，但带电 量少. 伊利石的晶格置换比蒙脱石严重，单位面积板面的负电量应该比 蒙脱石多，但伊利石结构中复网层之间是钾离子，而且钾离子可以牢 固地把两个复网层连接在一起，不易解理，分散度小，成为板面的层 面少，比表面积小，所以相同质量的伊利石带负电量比蒙脱石少； 一定量三种矿物带负电量多少顺序为：蒙脱石>伊利石>高岭石。 2.边表面的带电机理 边面是通过破键机理而带电，边面断键后，由于产生了不饱和键， 不饱和键作用于水，水电离成 H +和 OH- ,跟不饱和键相连接而带电

pH<6-1 00H+Si11+10X22H+Al11COH22H+(a)?O?PHK6OCOSiOHPH<6时，H被所有棱边上的0和OH吸附，结果带正电。pH=700Si10-02Al1OH2

PH<6 时，H +被所有棱边上的 O 2-和 OH-吸附，结果带正电

??(b)PH=7oOHPH=7时，H仅被棱边上的O吸附，不被OH"吸附，结果不带电。pH>8S1C2AlOH2(c)???PH>8?中OsiOH

PH=7 时，H +仅被棱边上的 O 2-吸附，不被 OH-吸附，结果不带电

PH>8时，H不被棱边上的O和OH-吸附，结果带负电。小结；PH7,边面带负电。高岭石、伊利石、蒙脱石三种粘土矿物边面带电量相差不多。3.净电荷粘土表面所带的正电荷和负电荷的代数和就是粘土的净电荷。由于粘土所带的负电荷一般都远大于正电荷，所以粘土的净电荷是负的，因此通常认为粘土是带负电的粒子。第二节粘土的离子吸附和离子交换掌握内容粘土表面既然带负电，它就会吸附溶液中阳离子来中和其所带的负电荷，而这些被吸附的阳离子又可以被溶液中的其它浓度大价数高的阳离子所交换，这就是粘土的阳离子交换性质。具有同号离子相互交换、离子以等当量交换、交换和吸附是可逆过程和离子交换并不影响粘土本身结构等特点。吸附氢离子的黏土称为H-粘土，吸附钠离子的黏土称为Na*-粘土，吸附钙离子的黏土称为Ca*-粘土。Na*/粘土+Ca2→Ca-粘土+2Na一.阳离子交换-———边面和板面上都可以发生

PH>8 时，H +不被棱边上的 O 2-和 OH-吸附，结果带负电。 小结； PH7,边面带负电。 高岭石、伊利石、蒙脱石三种粘土矿物边面带电量相差不多。 3.净电荷 粘土表面所带的正电荷和负电荷的代数和就是粘土的净电荷。由 于粘土所带的负电荷一般都远大于正电荷，所以粘土的净电荷是负 的，因此通常认为粘土是带负电的粒子。 第二节 粘土的离子吸附和离子交换 掌握内容 粘土表面既然带负电，它就会吸附溶液中阳离子来中和其所带的 负电荷，而这些被吸附的阳离子又可以被溶液中的其它浓度大价数高 的阳离子所交换，这就是粘土的阳离子交换性质。具有同号离子相互 交换、离子以等当量交换、交换和吸附是可逆过程和离子交换并不影 响粘土本身结构等特点。 吸附氢离子的黏土称为 H + -粘土，吸附钠离子的黏土称为 Na+ -粘 土，吸附钙离子的黏土称为 Ca2+ -粘土。 Na+ 粘土+Ca2+→Ca-粘土+2Na+ Na+ 一.阳离子交换-边面和板面上都可以发生

粘土表面带负电，吸附的反离子为阳离子，而吸附的阳离子又可以与溶液中其它的正离子发生交换，称为阳离子交换1.阳离子交换容量阳离子交换容量用100克干粘土所吸附离子的毫克当量数来表示。吸附阳离子交换容量的大小取决于表面带电量的多少。表面带电量越高，吸附的离子越多，阳离子交换容量就越高主要粘土矿物的阳离子交换容量如下：蒙脱石80—150毫克当量/100克干粘土伊利石10—40毫克当量/100克干粘土高岭石3—15毫克当量/100克干粘土由此可知，根据阳离子交换容量可以区别粘土的矿物类型带电量的多少主要是看板面带电量的多少。A.蒙脱石同晶置换多，晶格层间结合疏松，遇水易膨胀而分裂成细片，分散度大，故交换容量大。B.伊利石层状晶胞结合牢固，遇水不易膨胀，只有结构中K+位于破裂面时，才成为可交换阳离子的一部分。C.高岭石中同晶置换小，只有破键是吸附交换阳离子的主要原因。而三种矿物板面的带电量为：蒙脱石>伊利石>高岭石，所以，它们的阳离子交换容量如上。2.影响阳离子交换容量的因素（除了矿物组成外）(1）分散度

粘土表面带负电，吸附的反离子为阳离子，而吸附的阳离子又可 以与溶液中其它的正离子发生交换，称为阳离子交换。 1.阳离子交换容量 阳离子交换容量用 100 克干粘土所吸附离子的毫克当量数来表 示。 吸附阳离子交换容量的大小取决于表面带电量的多少。表面带电 量越高，吸附的离子越多，阳离子交换容量就越高。 主要粘土矿物的阳离子交换容量如下： 蒙脱石 80—150 毫克当量/100 克干粘土 伊利石 10—40 毫克当量/100 克干粘土 高岭石 3—15 毫克当量/100 克干粘土 由此可知，根据阳离子交换容量可以区别粘土的矿物类型。 带电量的多少主要是看板面带电量的多少。 A. 蒙脱石同晶置换多，晶格层间结合疏松，遇水易膨胀而分裂成细 片，分散度大，故交换容量大。 B. 伊利石层状晶胞结合牢固，遇水不易膨胀，只有结构中 K+位于破 裂面时，才成为可交换阳离子的一部分。 C. 高岭石中同晶置换小，只有破键是吸附交换阳离子的主要原因。 而三种矿物板面的带电量为：蒙脱石>伊利石>高岭石，所以，它们的 阳离子交换容量如上。 2.影响阳离子交换容量的因素（除了矿物组成外） （1）分散度

分散度越高，系统中固体的比表面积越大，阳离子交换容量越大。（2）溶液的pH值溶液的pH值大于7时边表面带负电，pH值越大，所带负电量越多，阳离子交换容量越大。其中高岭石受PH值影响最大。（3）粘土矿物的结晶程度结晶程度越差，阳离子交换容量越大。结晶程度越差，粘土矿物中晶格置换越多，带负电量越多，吸附的阳离子越多，因此阳离子交换容量也越大。3.阳离子交换顺序阳离子交换顺序由粘土表面和阳离子间吸引力的大小来决定。在浓度相同的条件下，与粘土表面吸引力大的阳离子会交换与粘土表面吸引力小的阳离子。A.一般情况下对同价离子，离子半径越小，离子的水化能力越强，水化离子半径也越大，粘土表面对它的吸引力就越小。因此，粘土表面对一价离子吸引力的大小顺序为：Li A13*>Ba*> Sr**> Ca**> Mg*> NH*> K*> Na'> Li*

分散度越高，系统中固体的比表面积越大，阳离子交换容量越大。 （2）溶液的 pH 值 溶液的 pH 值大于 7 时边表面带负电， pH 值越大，所带负电量 越多，阳离子交换容量越大。其中高岭石受 PH 值影响最大。 （3）粘土矿物的结晶程度 结晶程度越差，阳离子交换容量越大。 结晶程度越差，粘土矿物中晶格置换越多，带负电量越多，吸附 的阳离子越多，因此阳离子交换容量也越大。 3. 阳离子交换顺序 阳离子交换顺序由粘土表面和阳离子间吸引力的大小来决定。在 浓度相同的条件下，与粘土表面吸引力大的阳离子会交换与粘土表面 吸引力小的阳离子。 A.一般情况下对同价离子，离子半径越小，离子的水化能力越强， 水化离子半径也越大，粘土表面对它的吸引力就越小。因此，粘土表 面对一价离子吸引力的大小顺序为:Li+ Al3+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4 + > K+ > Na+ > Li+

氢离子由于没有核外电子，也就没有电子云的斥力，而且离子半径小，体积小，电荷密度大，所以占据交换吸附的首位。利用霍夫曼斯特顺序可以比较相同浓度下离子的交换能力，相同浓度下排在前面的离子能够交换出排在后面的离子，但必须注意其前提条件是在相同的浓度下来比较。4.浓度效应浓度不同时，可以不遵循以上顺序。例如：如果把钠离子的浓度提高到一定程度就可以交换排在它前边的钙离子。二.阴离子交换-----仅在pH7时，发生在边面上因为pH<7时，边表面带正电，吸附负离子，会与溶液中的阴离子发生阴离子交换。三种粘土的阴离子交换容量不大。主要影响因素是介质的PH值，PH值越小，阴离子交换容量越大。第三节粘土的胶团结构掌握内容胶核一般具有晶体结构，其表面有电位离子，吸附溶液中的带有相反电荷的反离子，构成胶团。粘土的胶团结构可表示为【[胶核]电位离子：吸附层反离子}扩散层反离子胶体粒子（带电）胶团（电中性）胶团在电场中的行为类似于电解质。在外电场的作用下，粘土颗粒与一部分吸附牢固的反离子一起向正极移动，这部分反离子构成吸附层；而另一部分反离子离固相表面较远，吸引力较小，在电场中则

氢离子由于没有核外电子，也就没有电子云的斥力，而且离子半 径小，体积小，电荷密度大，所以占据交换吸附的首位。 利用霍夫曼斯特顺序可以比较相同浓度下离子的交换能力，相同 浓度下排在前面的离子能够交换出排在后面的离子，但必须注意其前 提条件是在相同的浓度下来比较。 4.浓度效应 浓度不同时，可以不遵循以上顺序。例如：如果把钠离子的浓度 提高到一定程度就可以交换排在它前边的钙离子。 二.阴离子交换-仅在 pH〈 7 时，发生在边面上 因为 pH〈 7 时，边表面带正电，吸附负离子，会与溶液中的阴 离子发生阴离子交换。 三种粘土的阴离子交换容量不大。主要影响因素是介质的 PH 值。 PH 值越小，阴离子交换容量越大。 第三节 粘土的胶团结构 掌握内容 胶核一般具有晶体结构，其表面有电位离子，吸附溶液中的带有 相反电荷的反离子，构成胶团。粘土的胶团结构可表示为： {[胶核]电位离子：吸附层反离子}扩散层反离子 胶体粒子（带电） 胶团（电中性） 胶团在电场中的行为类似于电解质。在外电场的作用下，粘土颗 粒与一部分吸附牢固的反离子一起向正极移动，这部分反离子构成吸 附层；而另一部分反离子离固相表面较远，吸引力较小，在电场中则