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第五章 胶 体 *

第五章 胶 体 *. Chapter 5 Colloid. 研究内容： 涉及物理学中的光学、电学、流体力学和流变学，同时还涉及表面化学、电化学。 从应用来说，遍及 生命现象 （ 血液、骨组织、细胞膜）、 材料 （陶瓷、水泥、纤维、塑料、多孔吸附剂、有色玻璃以及微米与纳米材料）、 食品 （牛奶、啤酒、面包）、 能源 （油、气的地质勘探、钻井、采油、储运，石油炼制、油品回收、乳化和破乳等）、 环境 （烟雾、除尘、污水处理）等各领域。因此，虽然历史上曾称为胶体化学，现在则将这一学科称为胶体科学。. 胶体 是自然界中存在的一种 分散体系 * 。

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第五章 胶 体 *

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  1. 第五章 胶 体* Chapter 5Colloid

  2. 研究内容： 涉及物理学中的光学、电学、流体力学和流变学，同时还涉及表面化学、电化学。 从应用来说，遍及生命现象（血液、骨组织、细胞膜）、材料（陶瓷、水泥、纤维、塑料、多孔吸附剂、有色玻璃以及微米与纳米材料）、食品（牛奶、啤酒、面包）、能源（油、气的地质勘探、钻井、采油、储运，石油炼制、油品回收、乳化和破乳等）、环境（烟雾、除尘、污水处理）等各领域。因此，虽然历史上曾称为胶体化学，现在则将这一学科称为胶体科学。

  3. 胶体是自然界中存在的一种分散体系*。 胶体是物质的一种分散体系，通常规定胶体颗粒的大小为1～100nm，因此，胶体体系是物质的一种特殊状态，而不是特殊的物质。任何一种物质在一定条件下可以晶体的形式存在，在另一种条件下却可以胶体的形态存在。 例如：构成机体组织和细胞的基础物质蛋白质、核酸、糖原等都是胶体物质；体液如血液、细胞液等具有胶体的性质；许多药物*以胶体形式进行生产和使用。因此，医学生有必要学习胶体的有关知识。

  4. 【内容提要】 • 第一节 胶体分散系 • 第二节 溶胶 • 第三节 高分子溶液 • 第四节 表面活性剂和乳状液

  5. 第一节 胶体分散系 一、胶体分散系的制备 胶体分散系包括溶胶(sol)、高分子溶液(macro-molecular solution)和缔合胶体(associated colloid) 。 胶体分散系的分散相粒子的大小介于1nm～100nm之间。 表5-1 一些胶体的例子

  6. 表5-1 一些胶体的例子

  7. 胶体分散系的制备方法：分散法和凝聚法，前者是使大粒子变小，后者是使较小的粒子凝聚成胶体粒子。 研磨法 超声波法 胶磨法 电弧法 分散法 物理凝聚法 化学凝聚法 凝聚法

  8. 二、胶体分散系的表面特性* 界面与表面：对于相互接触的不同聚集状态的物质，相与相之间的边界皆称界面，相界面上发生的物理化学现象统称为界面现象*。 固相或液相与其蒸汽或与空气相接触的界面习惯上称为表面*，一般在要求不严格的情况下界面与表面可以通用。

  9. 气溶胶：烟、粉尘；雾*等。 固溶胶：珍珠、某些宝石、有色玻璃等。 液溶胶*：Fe(OH)3溶胶、碘化银溶胶等。 总之，溶胶是由分散相高度分散到介质中所形成的多相分散系统*。 高度分散，使得分散相的表面积急剧增大。 例如：边长为1cm立方体的表面积是6cm2，当它分散为1012个小立方体*，总体积不变，而总表面积却增大为60 000cm2。

  10. 1.分散度(degree of dispersion) 分散相在分散介质中分散的程度称为分散度。 分散度常用比表面积即比表面(specific surface area) 来表示。 比表面 (S0)：是指单位体积物质所具有的表面积。 S0 = S/V (5-1) S-----总表面积V -----体积 总表面积越大，分散度越大，比表面也越大*。

  11. 当物质形成高度分散系统时，因表面积大大增加，表面性质就十分突出。*当物质形成高度分散系统时，因表面积大大增加，表面性质就十分突出。* 2.表面自由能(surface free energy) 任何两相的界面分子与其相内部的分子所处状况不同，它们的能量也不同。 例如：在液、气两相中（图5-1）。 可见，表层分子比内部分子多出一部分能量，称为表面能（表面自由能）*。

  12. 气相 液相 图5-1 液体内部及表层分子 受力情况示意图

  13. 分散后水的滴数(n) 总表面积 s/(cm2) 比表面* s0/(cm-1) 总表面自由能 G总/(J) 半径r/(cm) 1×0.62 1×10-1 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1 2.4×102 2.4×108 2.4×1014 2.4×1020 4.83 3×10 3×103 3×105 3×107 4.83 3×10 3×103 3×105 3×107 3.2×10-5 2.2×10-4 2.2×10-2 2.2×100 2.2×102 水滴分散后表面积和表面能的变化*

  14. 系统表面能和表面积的关系为*：dG表=dS S ---系统表面积，---比表面自由能， 若dG表＜0，则dS＜0， 即：表面积缩小过程是自发过程。 故：液体呈球形是自发过程。* dS＜0，对固体物质同样适用*。 高度分散的溶胶比表面大，所以表面能也大，它们有自动聚积成大的颗粒而减小表面积的趋势，称为聚结不稳定。属于热力学不稳定体系。

  15. 高分子化合物溶液的分散相粒子大小在胶体范围内，属于胶体溶液。其分散相是以单个分子分散在介质中，为均相分散系。是热力学稳定系统。高分子化合物溶液的分散相粒子大小在胶体范围内，属于胶体溶液。其分散相是以单个分子分散在介质中，为均相分散系。是热力学稳定系统。 缔合胶体：是由溶液中的表面活性剂分子（具有亲水的极性基团和亲油的烃基*的两亲分子）超过某一特定浓度，分子在溶液内部缔合形成分子集团,即所谓“胶团”或“胶束”作为分散相粒子形成的分散系。 表面活性物质的这种缔合作用是自发的和可逆的,因而与溶胶不同，缔合胶体是热力学稳定体系。

  16. 第二节 溶胶 溶胶的胶粒是由数目巨大的原子（或分子、离子）构成的聚集体。直径为1～100nm的胶粒分散在分散介质中，形成热力学不稳定性分散系统。多相性、高度分散性和聚结不稳定性是溶胶的基本特性，其光学性质、动力学性质和电学性质都是由这些基本特性引起的。

  17. 溶胶的性质 光学性质 动力学性质 电学性质 ------Tyndall效应 溶胶的性质 ------Brown运动 电泳(electrophoresis) 电渗(electroosmosis)

  18. 一、溶胶的基本性质 1. 溶胶的光学性质—Tyndall Effect

  19. 2.溶胶的动力学性质—Brown Movement 由于介质分子的热运动不断地撞击着胶体粒子所引起的现象称Brown运动。*

  20. 3. 溶胶的电学性质 • 电泳 electrophoresis 在外电场作用下，带电胶粒在介质中定向移动的现象称电泳。

  21. 3. 溶胶的电学性质 • 电渗 electroosmosis 在外电场作用下，液体介质通过多孔膜向其所带电荷相反的电极方向定向移动的现象。

  22. 二、胶团结构及溶胶的稳定性 (一) 胶粒带电的原因: 1. 胶核界面的选择性吸附： 胶粒中的胶核(原子、离子、或分子的聚集体)有吸附其它物质而降低其界面能的趋势。 * 胶核常选择性的吸附组成与其相似的离子。 例：制备Fe(OH)3溶胶*，反应为: 部分Fe(OH)3与HCl作用：

  23. H2SiO3 HSiO3- +H+ HSiO3- SiO32- +H+ Fe(OH)3胶核就吸附与其组成相似的FeO+而带正电荷。 如AgI溶胶的制备：AgNO3+KI * 2.胶粒表面分子的离解： 例：硅胶的胶核由许多 xSiO2 ·yH2O 分子组成，表层分子与H2O作用生成硅酸: 硅酸电离出的H+扩散到介质中去，SiO32-则留在胶核表面，结果使胶粒带负电荷。

  24. (二) 胶团的双电层结构* 1. m个Fe(OH)3分子聚成的固体粒子---胶核。 [ Fe(OH)3]m 2.胶核选择性吸附：nFeO+离子，带正电。 3. 静电作用，吸附少量Cl- , (n-x) Cl- 吸附层：nFeO+ · (n-x) Cl- 胶核与吸附层组成胶粒。 n﹥x，胶粒带x正电荷。 4.据呈电中性的要求，胶粒仍然要吸附Cl- 这部分Cl-借助于扩散作用分布于离胶核较远处形成扩散层:x Cl-

  25. ｛[ Fe(OH)3]m · nFeO+ (n-x) Cl-｝x+ · x Cl- 扩散层 胶核 吸附层 胶粒 胶团 扩散层外的介质称胶团间液。溶胶就是胶团和胶团间液构成的整体。 与胶粒带相反电荷的离子，称反离子。 吸附层和扩散层均为水合膜层 由吸附层和扩散层构成的电性相反的两层结构称为扩散双电层(diffused electric double layer)。

  26. 图5-6 胶团结构示意图

  27. 同理，可以写出AgI溶胶的胶团结构式(KI过量): ｛[AgI]m·nI- · (n-x) K＋ ｝x- · x K＋ 扩散层 胶核 吸附层 胶粒 胶团 注意:1.胶粒带电，胶团为电中性。 2.胶粒带电的正负，取决于选择性吸附

  28. K+ 吸附层 K+ K+ K+ K+ K+ I- I- K+ I- I- I- I- I— K+ I- K+ I- 胶核(AgI)m K+ K+ I- I- I- I- I- I- K+ I- I- K+ K+ K+ K+ K+ 胶粒 胶 团 扩散层

  29. (三)溶胶的稳定因素 1.胶粒带电 两个带电胶粒间存在静电排斥力，阻止胶粒接近，合并变大。但是，加热溶胶，胶粒的动能增大到能克服静电斥力时就会聚沉。 2. 胶粒表面的水合膜犹如一层弹性膜，阻碍胶粒相互碰撞合并变大。水合膜层愈厚，胶粒愈稳定。 3. 布朗运动也是溶胶稳定因素之一。

  30. (四)溶胶的聚沉现象* 1.电解质的聚沉作用——反离子起主要作用* 加入电解质，迫使反离子更多进入吸附层，吸附层变薄，稳定性下降。 • A.Cl-离子围绕Fe(OH)3胶粒 B. PO43-离子围绕Fe(OH)3胶粒

  31. 电解质聚沉能力的大小用临界聚沉浓度表示 临界聚沉浓度：一定量溶胶在一定时间内发生聚沉所需电解质的最小浓度（mmol·L-1） 临界聚沉浓度愈小，电解质的聚沉能力愈强(表5-2) 一般规律： （1） 反离子价↑，聚沉能力↑。 （2） 同价离子聚沉能力接近，但也有区别 （3） 一些有机物离子具有非常强的聚沉能力。 2.溶胶的相互聚沉。 3.高分子溶液对溶胶的保护作用和敏化作用。

  32. 自学要点： 高分子化合物的结构特点，高分子电解质溶液的两性与等电点，高分子溶液稳定性因素。 表面活性剂结构特点，乳状液的类型。* 作业P88 ，T8－11

  33. 本章要求 • 熟悉胶体分散系的特点。 • 掌握溶胶的基本性质和胶团结构。熟悉溶胶的稳定因素及聚沉作用。 • 了解高分子溶液与溶胶的区别。熟悉高分子溶液的稳定性与蛋白质的等电点。 • 熟悉表面活性剂的结构特点及其在溶液中的状态。了解两种类型的乳状液、乳化作用。

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