基本概念

第一章 基本概念 第一节 胶体与表面

一、 胶体与胶体分散体系

目前科学地将颗粒大小在10-6～10-9m这样的物质（不管其聚集状态是气态、液态还是固态）称为胶体。

? 胶体与其分散在其中的介质组成分散体系，介质可以是气、液和固体并与胶体颗粒间存在相界面，

因此它还是高分散的多相的分散体系。

胶体分散体系一般是两个组分以上的多组分体系，不过也存在极为罕见的单组分胶体分散体系，这类分散体系是液体，但由于分子的热运动而出现的涨落现象，一些分子会在液态内部聚集成较大的聚集体，这种分散体系称为类胶体（iso-colloid）分散体系。 二、表面和界面

? 表面（surface）：是指凝聚相与真空，空气或其蒸气间的交界 ? 界面（interface）：是指凝聚相与其他相间的交界面。

? 水的表面张力是水的表面（与空气或蒸汽的交界面）上的表面张力，约为72.8×10-3N/m； ? 水和苯间界面张力为35×10-3N/m； ? 水与汞间界面张力为375×10-3N/m。

? 由此可见，界面张力值决定于相邻相的物质。 （一）比表面能

随物质分散程度的增加，其表面积和比表面积要增加。物质的细分过程需要外界做功，并以表面能的形式储存于表面之上，因此物质表面分子较内部分子有更高的能量，其差值称为表面过剩自由能，或表面能。

★液体表面层分子的受力情况就不同于液体内分子的受力情况 如图所示：

★表面分子较内部分子有较高的能量，这个差值就是表面（过剩自由）能。 比表面过剩自由能或比表面能 γ的物理意义：在恒温、恒压和恒组成时,每增加单位表面积所引起的表面能增量。其单位是J/m2或N/m。 称为比表面过剩自由能或比表面能。

表面张力，即垂直作用在单位边长且与液面相切的力，这个力力图使液面收缩。

? 1. 务必区分表面张力与界面张力。 ? 2. 务必注意温度的影响。 ? 3. 压力和体系运动情况等其他因素对γ的影响。

? 4.任何界面和表面，包括固体表面，固—液界面均存在界面张力。

由于固体中分子间作用力远大于液体分子间作用力，因此固体的界面张力大得多。

? γ的两个物理概念即比表面能和表面张力是一个实质（从单位可看出）的两个方面，前者从能量出发，后者从力出发，以便更方便的解释一些问题。比如，解释液膜问题用力方便，而解释液面收缩趋势从能量角度分析更方便，但这决不意味着前者不能用能量后者不能用力分析。 三、 胶体与表面的联系桥梁

? 随着颗粒因分散而变小，表面积越来越大，表面能也越来越大，表面功就不容忽视了。 ? 由此可见，微小尺寸的物质表面有很大的表面能，因此表面张力就是联系二者之桥梁。

四、胶体与表面化学的应用】

? ①分析化学：吸附指示剂，离子交换，浊度法，沉淀过滤性能，凝胶色谱。 ? ②物理化学：成核过程，过冷，过热，过饱和等亚稳状态。 ? ③生物化学和分子生物学：电泳，渗透与平衡，病毒，核酸，蛋白 ? 质及血液学。 ? ④环保科学：气溶胶，烟雾，烟尘，泡沫，污水处理。 ? ⑤材料科学：粉末冶金，合金，陶瓷，特种纤维以及目前得到广泛应用、前景广阔的纳米材料。

? ⑥化工生产：催化剂，染料、颜料、洗涤剂、吸附剂，润滑剂。 ? ⑦石油科学，地质学和土壤科学：石油工业中的三次采油，乳化，土壤保墒，浮选矿物。 ? ⑧日用消费品：牛奶，乳制品，豆浆，啤酒，日用化妆品，装饰用品。

第二节 分散体系

一、 分散体系的分类及其特性比较

分散体系的一些性质比较

类分散相尺寸（m）分散相状态原子分子离子大分子性 质 比 较举例均 相或多 相热力学稳定性扩散速度透过半透膜情况形成何种溶液型低分子分散体系高分子分散体系胶体分散体系粗分散体系溶液均相稳定快透过真溶液聚合物溶液均相稳定慢不透过真溶液?胶粒10粗粒?溶胶多相不稳定慢不透过气、液或固溶胶乳状液悬浮液乳状液悬浮液多相不稳定慢不透过10??10?二、胶体分散体系的分类

? （一）按分散相和分散介质物质的状态分类

??

10?10?10?

分散介质 g 分散相 g l sg l sg l s 名 称气溶胶（aerosold） 举 例云、雾烟尘泡沫乳状液（牛奶、豆浆） 溶胶 固体泡沫珍珠 合金，有色玻璃l液溶胶（hydro－sols）s固溶胶（solid－sols）

二、胶体分散体系的分类

? （一）按分散相和分散介质物质的状态分类

分散介质 g 分散相 g l sg l sg l s 名 称气溶胶（aerosold） 举 例云、雾烟尘泡沫乳状液（牛奶、豆浆） 溶胶 固体泡沫珍珠 合金，有色玻璃

l液溶胶（hydro－sols）s固溶胶（solid－sols）（二）按分散相与分散介质的相互作用分类

? 这种分类法只适用于分散介质为液体（主要是水）的胶体分散体系，按分散相与介质的亲和力划分。

? （三）按分散程度分类 ? 粒径大于0.2μm光学显微镜可见的最小颗粒为微粒子。而d＜0.2μm显微镜不可见者为超微粒子，这其中粒径在5～200nm（即0.2μm ）者称显微粒子，而粒径小于5nm者，超级显微镜也不可见者为次微粒子。

? 如果分散相粒子形状、大小和化学组成晶体结构完全一样的为单分散体系或均分散体系，否则为多分散体系。

（四）按分散相粒子间作用分类 1.自由分散体系

这类分散体系中，分散相粒子的浓度很低，粒子间距很大，分散相粒子之间作用力很小，故彼此独立，不形成结构，粒子可进行布朗运动、重力沉降等独立运动。

2.内聚分散体系

在这类分散相浓度很大的分散体系中，因分散相粒子间具有较大作用力而形成三维网络结构，粒子不能独立运动，只能在网络点（类似晶格点）附近振动。

大分子溶液、不规则形状（尤其是针状和片状）粒子的浓溶胶和悬浊液等均属于这类体系，往往具有固体的某些性质如弹性等。

三、小粒子表面的重要性

随物质的的细化，其表面积迅速增大，比表面积也增大，表面能的增加使其与体系的能量相比达

不容忽视的地步。

第三节 分散相粒子的形态特征 一、粒子形状及描述方法；（一）单参数法。即把所有的粒子视为球体，并用当量球的直径描述之。 1.平分面积直径法 2. 面积比较法、（二）双参数法 （三）多参数法 （二）平均分子量

? 1.数均分子量 按照分子量的大小划分的第i级分中的粒子数量，Mi是第i级分中粒子的级标分子量，fi是第i级分内粒子数目占总粒子数的分数。

? 2.重均分子量 ? 式中ni是第i级分中粒子数量，Mi是第i级分中粒子的级标分子量，Wi为第i级分中粒子总重量。

? Z均分子量，用沉降平衡方法得到的是Z均分子量 ? 判断体系的多分散性的三种方法： ? （1）作尺寸分布曲线，视曲线肩值大小判断（肩值越小越均匀）； ? （2）求 及 ，由 大小判断（一般而言 为均匀）； ? （3）分别用不同实验方法求出 和 ，求 ，由此值与1差距判断（比值越接近1越均匀）。

? 第四节 胶体分散体系的一般制备方法和净化 ? 一、分散法 （一）机械分散 1．球磨机： 2．胶体磨： 3．气流粉碎机：（二）电弧法

（三）超声波法 二、凝聚法

? （一）物理凝聚法：将蒸汽状态或溶解状态的分子或离子大小物质通过凝聚的方法而成为胶体尺寸的颗粒。

1．蒸汽凝聚法 2．溶液过饱和法

（二）化学凝聚法 1.一般沉淀反应 2.络合物高温分解 3.升温强迫水解 三、溶胶的净化(一）离心清洗（二）渗析与电渗析 *第五节 沉析过程与均匀胶体粒子的制备 成核过程→成长过程→陈化过程

★成核过程发生在过饱和溶液中，成核可分为均相成核和多相成核。

★成长过程是在已生成的结晶核的基础上继续长大的过程（由于溶液仍处于过饱和状态，可能发生 “二次成核过程”。从生成均分散体系的观点考虑，自然不希望发生二次成核过程 ）。

★陈化过程是成长的微晶粒中较大颗粒在重力场作用下的直接沉降，或数个微晶粒聚集在一起形成的絮凝体。

? 过饱和溶液(supersatuated solution)是发生沉析过程的必要条件和过程的推动力。 ? 结晶过程表示为： ? 此过程的自由能变化可用等温方程描述： ? （二）均相成核过程

? 在过饱和溶液中，溶液的浓度从微观分析不是均匀的，沉淀组分是在不定时、不定点的集中和分散之中，那些集中的地方就是称作为胎晶（embryoes）的具有类晶体结构的准临界组合体，这些胎晶可能达到成核的临界尺寸，这样其进一步长大的几率就大于其重新溶解的几率而成为晶核。

? （三）多相成核 ? 多相成核数目与所使用化学药品、蒸馏水及其净化程度有关。

多相成核速率 的形式与表示的均相成核速率v1在形式上一样，所不同的是多相成核活化能 三、成长过程（growth）

? 成长机理大体分为以下几种： ? ①单核层成长 ? ②多核层成长 ? ③若晶体表面粗糙，缺损以及在边角处，有较高的表面能，在低过饱和溶液中成长。 ? 四、陈化过程 (ageing) ? 陈化方式包括： ? （一）初始晶体的再结晶或溶解再结晶使具有较大比表面的形状，如针状、板状或枝晶状的粒子，转化成为更紧凑形状，比如比表面最小的球形粒子。

? （二）初始生成的小粒子互相聚集，然后再生成大粒子，此过程称絮凝或聚沉。

（三）熟化（或老化）过程

第二章 胶体分散体系的动力性质

第一节 重力场作用下的沉降 二、斯托克斯（Stokes）公式

? Stokes假定半径的刚性小球在液体介质中沉降，等价于球粒静止而液体以相等速率逆向运动。

? Stokes得出运动阻力的公式： F?6πηrνv?

F?f?vπηr? 对照式 V 得 f?62r2(?2?1)g? 从而得出

v?9??

可知：①v ∝r2 即粒子越大，稳定沉降速率越大；②v∝（ρ2-ρ1），即密度越大的粒子沉降越快；③v∝1/η，介质黏度越大，粒子沉降越慢；④ 如能测定降球速率v,则按此式可求黏度 三、阻力因子比f/f0

? 影响沉降阻力的因素有两个：一个是粒子沉降速率，另一个是阻力因子。 ? 影响的另一因素是粒子的不对称性（非球形） 四、 沉降实验

（一） 沉降天平（重量法） （二）Wigner沉降仪（密度法）

第二节 扩散

? 一、 随机运动—布朗运动 ? 二、扩散和菲克（Fick）定律 三、爱因斯坦-布朗位移方程 四、扩散系数与阻力因子间关系

RT/DD0★D/D0也反映了粒子的不对称性和水化度，式中D0是球形未溶剂化粒子的扩散系数。 f??★另一个值得提及的是将Eienstein布朗位移公式与Stokes公式结合起来的结果： f0RT/D0D第三节 离心场中的沉降 一、离心机

★在转子的样品池中，在离心场作用下，粒子要迁移，因此界面要移动，于是折射率发生变化，反映在Schlieren光学效应的水平基线上便有一个随时间而移动的峰，此峰的移动速度就是粒子在离心场中的沉降速度。