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第十三章胶体分散体系和大分子溶液胶体普遍存在于生物界(如:人体)和非生物界。 关于胶体研究,由于其应用的广泛,已经成为一门独立的学科,本章中只作基本概念的介绍。§13.1胶体和胶体的基本特性1)糖、无机盐、尿素等溶液,扩散快,易从羊皮纸渗析出来; 2)明胶、氢氧化铝、硅酸等,扩散慢,不能或难以渗析出来。前者(扩散快者):易于成晶体析出; 后者(扩散慢者):大多成无定型的胶状物; Graham首先提出这种胶状物为“胶体”,其溶液叫作“溶胶”。2.维伊曼实验 1905年,俄国化学家维伊曼用了200多种物质做相关实验,得出如下结论: “任何物质既可制成晶体状态,又可制成胶体状态”。 例如:典型的晶体NaCl在水中形成真溶液;但在苯或酒精中则可形成溶胶。结论: 所谓“胶体”,只是物质存在的一种(分散度)状态,而不是一种特殊类型的物质。维伊曼实验纠正了Graham把物质分为晶体和胶体两类的观点。二、胶体的分类例如:将Au金溶胶沉淀出来后,再将沉淀物悬浮于水中,不能再得到胶状金。 憎液溶胶是热力学不稳定体系和聚沉不可逆体系。 胶粒与液体介质之间的亲合性弱,所以叫憎液溶胶。2)亲液溶胶 亲液溶胶又称:大分子化合物溶液、分子溶胶。 溶液中分子的大小在胶体范围内(例如橡胶分子溶于甲苯)。 具有胶体的一些特性,如扩散慢、不透过半透膜以及丁铎尔效应等。但亲液溶胶是以单个分子为分散相的真溶液(单相体系),与介质无相界面。 亲液溶胶具有热力学热稳定性和聚沉可逆性。 分子分散相和液体介质间有很大的亲合能力,所以叫亲液溶胶。2.以分散相和分散介质的聚集状态分类说明: 有些分散体系,如乳状液、泡沫、悬浮体等,其分散相颗粒已大于通常的胶粒尺寸(10–9~10–7m),属粗分散体系。 尽管如此,这样的体系仍有很大的相界面,与憎液溶胶一样属于热力学不稳定体系。 因此,有时也把它们归入胶体体系来讨论。三、胶体的基本特性2.不均匀(多相性): 胶粒与介质之间存在明显的物理分界面,所以溶胶是一种超微不均匀相(尽管用肉眼看是均匀的); 3.聚结不稳定性: 界面能大,胶粒处于不稳定状态,有相互聚结成较大颗粒而聚沉的趋势。四、胶团的结构胶团:胶粒连同周围介质中的相反电荷过剩离子形成胶团,整个胶团是电中性的。说明: 1)由于离子溶剂化,胶粒和胶团也是溶剂化的。 2)胶团的结构表达(横式)须掌握。§13.2溶胶的制备及提纯1.分散法4)电孤法:金属(Au,Ag,Pt)电极放电高温蒸发,随后又被溶液冷却凝聚而得到金属溶胶。(这里包含了分散、凝聚两个过程,用NaOH作稳定剂)2.凝聚法2)化学凝聚法:化学反应生成物的过饱和溶液再结合成溶胶。例如:当V成核>V长大,则可得到高分散胶体;二、溶胶的净化1.渗析法2.超过滤法(快速) 用极小孔径的半透膜(~10-8_3×10-7m)在加压或吸滤情况下利用压差使溶胶流经滤膜,杂质透过滤膜而除掉,剩下的为较纯的胶粒;再溶解到纯介质中,再加压过滤,反复多次。§13.3溶胶的动力性质在扩散传质过程中,遵守Fick定律。1.Fick第一定律显然,浓度梯度的存在是发生扩散作用的前提。 Fick第一定律较多适用于各处浓度梯度恒定的情况,亦即流体中各处浓度、浓度梯度恒定的情况下稳流过程。 而实际情况往往是扩散方向上各处的浓度或浓度梯度是变化的,所以仅用Fick第一定律难以推定扩散系数D。2.Fick第二定律由Fick第一定律:显然,x→x+dx的浓差为由Fick第二定律可求得扩散系数D; D不随时间和浓度而变化(只是温度的函数); Fick第二定律是扩散的普遍公式。胶体的扩散系数系数:10-10~10-12m2/s 小分子物质的扩散系数:~10-9m2/s二、布朗运动1903年,超显微镜的发明,为研究布郎运动提供了物质条件,观测结果表明: 1)粒子越小,布朗运动越剧烈; 2)温度升高,布郎运动变剧烈。1905年和1906年,爱因斯坦(Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基(Smoluchowski)独立地提出了Brown运动理论及其实验研究方法: a)悬浮于液体中的质点的平均动能和小分子一样,皆为(3/2)kBT。Brown运动是不断热运动的液体分子对微粒冲击的结果。这一理论可以解释以上两个实验观测结果。b)在实验中不必苛求质点运动的实际路径或实际速度(也没有法测得),只需测定一定时间间隔(t)内质点(在x轴上)如图所示为每隔一定时间间隔t记下的某质点的位置,我们考察沿某一方向(如x轴方向)上的投影,并设其在x轴上的位移(t时间间隔)分别为x1、x2、x3…,平均位移如图一截面面积为A的流体,只考虑粒子在x方向上的位移。设粒子沿x方向浓度逐渐降低。考虑两个厚对于每个质点,由于Brown运动,其沿x轴向左或向右移动的几率相等,故在时间t内经过平面A右移的质点量为