备课笔记
《界面与胶体的物理化学》教学讲义
王晓钧
定义：界面与胶体的物理化学是近代发展较快的交叉学科。它以胶体体系为研究主体，借助于流体力学、静电学、经典电磁学以及统计力学的理论和各种研究手段，透过体系所表现出的各种物理和化学现象，研究体系的性质。溶胶是多相体系，胶体
装 订 线 粒子高度的分散性使得它具有巨大的相界面，界面与胶体的物理化学研究由此产生的各种界面现象。
诞生：1861年Thaham Graham系统地研究了许多物质的扩散速度，提出了有关胶体化学的一些名词，奠定了胶体化学的基础。
应用：涉及到物理化学、分析化学、环境科学、石油科学、材料科学以及化学制造和日用化学等学科，在化工、轻化、石化等传统工业中得到广泛应用，在生物、材料及新能源等高科技领域也有广泛的应用前景。
第一章 胶体体系及其性质
介绍胶体的分散性及类型，胶体粒子大小与体系物理性质的关系。性质中动力性质、光学性质和流变性质是主要内容。 §1.1 胶体的分散性与类型 §1.1.1分散粒子的大小与表面能
连续相：分散相和分散介质——不连续相：分散体系
分散相粒子大小变化导致体系物理化学性质变化，最主要的是比表面积的变化。 P2上的表1-1表示粒子尺寸变小，比表面积增大，比表面能上升。
通常规定胶体分散体系中分散粒子的大小在1μm~1nm之间，不同于体系原有的晶态或非晶态，也不同于小于1nm的微原子簇。 §1.1.2胶体的分类
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?亲液溶胶??无相界面胶体?
疏液溶胶??有相界面?亲液溶胶——分散相和分散介质形成单相，高分子物质形成的真溶液，分散相为溶质，分散介质为溶剂。特点：它是热力学稳定系统，还是可逆系统——当溶剂和溶质分离后，很容易恢复原来高分子溶液状态。我们称它高分子溶液。
疏液溶胶——分散相和分散介质形成两个或两个以上相，特点：高度分散性和巨大的相界面，还是不可逆系统——只有通过一定的物理和化学方法，才能使它恢
装 订 线 复原来的状态。我们称它溶胶。
表1-2列举了溶胶的一些例子。例如：液体（分散相为液相）分散于空气中（连续相气相）形成雾。液体（分散相为液相）分散于液体中（连续相气相）形成乳液。 §1.1.3溶胶的制备和净化
1 制备
制备溶胶应满足两点：
（1）分散物质以胶体分散相分散于介质中， （2）要加入某种稳定剂，形成稳定的分散体系。 制备方法：
（1）分散法：使大块物质分散成胶体尺寸；
?机械研磨??超声波 ??电弧粉碎??化学法*机械法应用胶体磨，可以磨出比球磨机研磨更细小的粒子。要在中间加入稳定剂，起到稳定和减少粉磨阻力的效果。
*电弧分解主要用于制备金属溶胶。也要加入稳定剂起到稳定的作用。 *超声波是应用超声波把小颗粒细碎成更细小的粒子，要在中间加入分散剂和稳定剂。
*化学法是在电解质作用下，沉淀重新分散成溶胶的过程，所用的电解质称为胶溶剂。
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（2）凝聚法：低分子凝聚成胶体粒子。
利用各种化学反应，生成不溶性产物，在这种不溶性化合物从饱和溶液中析出的过程中，使之停留在胶粒大小尺寸的阶段。晶粒成长决定于两个因素：晶核生长速度W和晶体生长速度Q，粒子的分散度与W/Q的值成正比，那些有利于晶核大量生成而减慢晶体生长速度的因素都有利于溶胶的形成。较大的过饱和度，较低的温度有利于溶胶的形成。
2 净化
装 订 线 为什么要净化？过量的电解质会影响溶胶的稳定性，需要净化，除去不需要的那部分电解质，留下作为稳定剂的稳定剂。
如何净化？
渗透法：利用溶胶粒子不能透过半透膜的特性，分离出溶胶中的电解质。 超过滤法：在减压或加压下使溶胶过滤，可以将溶胶与其中低分子杂质分开。
§1.2 动力性质
§1.2.1扩散与Brown运动
1 Brown运动 有运动就有温度，即分子运动的自发论，即分子的热运动。运动实质是分散介质分子以不同大小和不同方向的力量对胶粒的不停撞击而产生的，直径大于5μm时，Brown运动消失——沉降产生。
2 扩散的理论公式 扩散与Brown运动
扩散 Brown运动方式进行 定向运动 方向：由高浓度区自发向低浓度区域进行，这是热力学第二定律的必然，即均匀分布时体系的熵最大。 Brown运动 扩散是Brown运动的总结果 无定向运动 表示扩散系数的Fick定律：
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dm?dcdt = DA(dx)
Fick定律的物理意义：在单位浓度梯度下，单位时间内，通过单位面积的物质的量。代表了粒子扩散能力的大小。负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。
Einstein第一扩散定律
RT6?????
D =
装 订 线 该式指出：胶体粒子扩散能力的大小与绝对温度成正比，与粒子半径成反比，与分散介质的粘度也成反比。
R：摩尔气体常数， T：绝对温度， η：分散介质的粘度， r：胶粒半径， N0：Avogadro常数。 第一扩散定律的推导见p.8~9 作用：扩散系数的测定公式。 Einstein第二扩散定律：
11D = 2△x2t
扩散系数与粒子在x轴方向上的平均位移的平方成正比，与位移所需要的时间成反比。
△x：为时间t内在x轴向上粒子的平均位移。 §1.2.2沉降与沉降平衡
沉降运动——胶体粒子在外力场中的定向运动。
沉降运动的结果——溶胶的下部浓度增加，上部浓度降低。 1. 沉降速度
重力沉降速度：质点与介质密度不同时，悬浮在介质中的质点在重力场中将受
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到一净力V（ρ-ρ0）g的作用，即为重力沉降速度。
V为质点的体积ρ和ρ0分别为质点和介质的密度。 运动阻力：F=fv
f：阻力系数，v：运动速度。
沉降速度公式：v = （1-10）
沉降速度的测试：有些胶体粒子的均分散体系，在沉降过程中会形成明显的界面，由界面的移动速度，即可算出粒子大小。这种方法也称为沉降速度法。
装 订 线 沉降速度的测试仪器：超离心机装置。见图1-6。 沉降速度的测试要求：必须要有清晰的界面移动。 2. 沉降平衡
作用：通过沉降平衡状态的计算，也可以得到胶体粒子的大小，这种方法称为沉降平衡法。是现有测定大分子摩尔质量的最准确的物理方法之一。
影响沉降平衡的因素：①多分散性，②胶体质点，③大分子带电因素。 限制：对于多分散体系，不能直接求得分子摩尔质量分布，只能得到摩尔质量的平均值。
§1.2.3多分散系的平均摩尔质量与沉降分析
1. 平均摩尔
?粒子直径描述粒子大小?
?摩尔质量或胶团量如上所述，对于多分散体系，只能得到摩尔质量的平均值。常用的平均摩尔质量有：数均摩尔质量（Mn）、质均摩尔质量（Mm）、Z均摩尔质量（Mz）。
它们的定义为：
数均摩尔质量（Mn）=（公式1-18）
质均摩尔质量（Mm）=（公式1-19）
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