胶体化学 、表面化学、表面活性剂、泡沫、气溶胶、乳状液、凝胶

2013年

徐

龍

华

版权由徐龙华所有，翻版必究

胶体化学 、表面化学、表面活性剂、泡沫、气溶胶、乳状液、凝胶

目 录

第一章 分散体系及胶体概述 ..................................................................................................1

一、分散系统 ....................................................................................................................... 4

二、胶体 ............................................................................................................................... 4

第二章 胶体的制备及胶体系统的基本性质 ..........................................................................5

一、溶胶的制备与净化 ....................................................................................................... 5

二、溶胶的运动性质三、溶胶的光学性质

四、溶胶的电学性质

五、双电层结构

六、胶体的结构

七、胶体的稳定性

第三章 大分子溶液

一、大分子溶液定义

二、大分子溶液的黏度高的原因：

四、大分子溶液的平衡性质

第四章 乳状液 .

一、乳状液定义和分类

......................................................................................... 18

..................................................................... 19

......................................................................................... 19

................................................................................................. 19

................................................................................................. 20

..................................................................................................................... 20

第五章 凝胶 ........................................................................................................................... 20

一、概述 ............................................................................................................................. 20

二、凝胶的形成 ................................................................................................................. 21

三、凝胶的结构 ................................................................................................................. 21

五、凝胶的性质 ................................................................................................................. 22

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第六章 气溶胶 ....................................................................................................................... 23

第七章 泡沫 ........................................................................................................................... 23

第八章 表面张力、毛细作用与润湿作用 ........................................................................... 24

一、表面张力和表面自由能 ............................................................................................. 24

二、弯曲界面的一些现象 ................................................................................................. 25

三、弯曲液面上的饱和蒸气压 ......................................................................................... 26

四、润湿和铺展第九章 固体表面吸附

一、固体表面能及固体的表面吸附

二、固体表面吸附气体的等温线（固-气界面吸附）

三、固-气界面吸附的影响因素 .

4. 吸附剂的孔结构 .

第十章 溶液的界（表）面吸附

一、溶液的界面吸附

二、溶液表面吸附——Gibbs吸附公式 .

三、表面活性剂

3. ............................................................................ 32

四、胶束理论

第十一章 固-

..................................................................................... 37

..................... 37

................................................................................................................... 38

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第一章 分散体系及胶体概述

一、分散系统

1. 分散体系

把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。在分散体系中被分散的物质称为分散相；另一种物质称为分散介质。

2. 按分散相离子的大小，通常有三种分散系统

1）粗分散系统：分散相粒子>1000nm

2）胶体分散系统： 1~100nm

3）分子分散系统：均匀的单相；<1nm。

3. 当分散相粒子大小处于1~100nm小为1-100nm（直径）

气溶胶：云雾，青烟、高空灰尘

二、胶体

1. 溶胶）。

1

2

1）特有的分散程度（高分散度和多分散性）；2）多相不3）易聚结不稳定性（热力学不稳定性）

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第二章 胶体的制备及胶体系统的基本性质

一、溶胶的制备与净化

1. 溶胶制备的一般条件：（1）分散相在介质中的溶解度必须极小；（2）必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚结而聚沉。

2. 胶体分散体系的制备方法：（1散和胶溶等（2）凝聚法：a. 解度变小；b. 化学凝聚法（条件：生成不溶或难溶物质）

3. 溶胶的净化：1）粗粒子：过滤、沉降或离心等；2析（利用半透膜将溶胶与纯分散介质隔开）、超过滤法。

二、溶胶的运动性质

1. 扩散：过程为自发过程

dmdc DAdtdx，此为Fickdm/dt表示单位时间通过截面A扩散的物质数量，D/s，D越大，质点的扩散能力越大

D 扩散系数Df之间的关系为：RTN

ANAf

f=6 r（式中， 为介质的黏度，r为质点的半Einstein第一扩散公式 2. 布朗运动：本质是分子的热运动

现象：分子处于不停的无规则运动中

由于布朗运动是无规则的，因此就单个粒子而言，它们向各方向运动的几率是相等的。在浓度高的区域，单位体积的粒子较周围多，造成该区域“出多进少”，

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使浓度降低，这就表现为扩散。扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础。

3. 沉降

溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，这种平衡称为沉降平衡。

三、溶胶的光学性质

1.光散射

（1）Tyndall到一道明亮的光带，被称为丁道尔效应。

光本质是电磁波，粒子中的电子被迫振动（其振动频率与入射光波的频率相同）,

（其线性大小应远小于入射光

入射光波长愈短，散射愈显著。n1=n2

散射光极弱，因此利用丁道尔现象可以鉴别溶胶和真溶液。

（3）溶胶的颜色：溶胶产生各种颜色的主要原因是溶胶中的质点对可见光产生选择性吸收；

若溶胶对可见光的各部分吸收很弱，且大致相同，则溶胶无色；

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若溶胶能较强的选择性吸收某一波长的光，则透过光该波长的光变弱，就会呈现该波长光的补色光；

质点对光的吸收主要取决于其化学结构；

每种分子都有其自己的特征吸收波长，若特征波长在可见光波长范围内，则该物质显色。

四、溶胶的电学性质

1. 电动现象及其应用

（1定向移动的现象。

（21~10nm的毛细管作定向移动的现象。

（3子在分散介质中迅速沉降时，从而产生电势差，这就是沉降电势。

贮油罐中的油内常会有水滴，有时会引发

（4（多孔膜或毛细管）时会产生电势差，这种因液体

要使管道接地或加入油溶性电解质，增

2. /胶粒）表面的电荷的来源？

蛋白质分子，当它的羧基或胺基在水中解离时，整个大分子就带负电或正电荷。当介质的pH较低时，蛋白质分子带正电，pH较高时，则带负电荷。当蛋白质分子所带的净电荷为零时，这时介质的pH称为蛋白质的等电点。在等电点时蛋白质分子的移动已不受电场影响，它不稳定且易发生凝聚。

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（2）离子吸附：胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电。凡经化学反应用凝聚法制得溶胶，其电荷亦来源于离子吸附。如在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过量，则优先吸附I -离子，胶粒带负电。

能和组成质点的离子形成不溶物的离子，最易被质点表面吸附，这个规则通常被称为Fajans规则。

（3）晶格取代：

成双电层。

（4量不同，使胶粒带电。

（5数D五、双电层结构

1. Stern

层略右的曲线表示。

2.ζ（zeta）电位/电动电势：带电的固体或胶粒在移动时，移动的切动面与液体本体之间的电位差称为ζ电势。

3. 胶粒表面热力学电势φ0和ζ电势的区别：

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1）发生在不同的部位；2）一般情况下ζ电势只是热力学电势的一部分，其绝对值小于φ0；3）φ0只取决于被吸附的离子和溶胶中的反号离子的活度，而ζ

电势的值还与溶胶中外加电解质有关。

4. Zeta电位的主要影响因素：1）外加电解质；23）表面电荷密度；4）介质的介电常数。

5. 零电点和等电点

零电点（PZC）：当胶粒表面φ0 等电点（IEPZeta电位等于零时，溶液中定位离子活度的负对数值为等电点。

六、胶体的结构

1. 胶团结构

1

2）然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；

3）胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。

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胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解，若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。

胶粒 = 胶核+被吸附离子+紧密层反离子

胶团=胶粒+扩散层反离子

eg：AgNO3+KI→KNO3+AgI↓

当KI

过量做稳定剂，胶团的结构表达式：

[(AgI)m nI–(n-x)K+]x–xK+

当AgNO

3

[(AgI)mnAg+(n-x)NO3–]x+x NO3–

七、胶体的稳定性

1. 溶胶的稳定性存在的原因

（1）热力学上为不稳定体系：胶体体系是多相分散体系，有巨大的界面能。

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（2）高分散使胶粒具有动力学稳定性：溶胶粒子较小，布朗运动激烈，因此在重力场中不易沉降，即具有动力学稳定性。

（3）聚结稳定性：由于胶团双电层结构的存在，胶粒都带有相同的电荷，相互排斥，故不易聚沉。这是溶胶稳定存在的最重要原因

（4）水化膜：在胶团的双电层中反离子都是水化的，因此在胶粒外有一层水化膜，它阻止了胶粒的相互碰撞而导致胶粒结合变大。

2. DLVO理论：溶胶在一定条件下是稳定存在还是聚沉，

溶胶稳定理论：

胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互排

斥的能量Vr，总作用能为Va+Vr。如图所示：

当粒子相距较大时，主要为吸力，总势

能为负值；当靠近到一定距离，双电层重叠，

排斥力起主要作用，势能升高。要使粒子聚

结必须克服这个势垒。

3. 影响溶胶稳定性的因素

（1

（2

（3

（

4.

zeta电位提高，增

当电解质的浓度足够大，部分反粒子进入紧密层，而使zeta电位降低，扩散层变薄，胶粒之间静电斥力减小而导致聚沉，则称为聚沉剂。

聚沉值（临界聚沉浓度）：使一定量的溶胶在一定时间内发生明显聚沉所需电解质的最小浓度。

对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。

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聚沉能力：是聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解质，聚沉能力越小；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。

5. 电解质的聚沉作用：向溶胶中加入无机电解质时，因能压缩扩散双电层厚度，降低了zeta电势，使胶粒间静电斥力减小，从而使溶胶失去聚集稳定性而发生的聚沉作用。

（1） Schulze-Hardy还与离子价有关。在离子浓度相同时，离子价越高，聚沉能力越大，聚沉能力主要决定于胶粒带相反电荷的离子的价数。六次方成反比，这就是。

（2相同价数离子的聚沉能力不同：胶粒带负电的溶胶，沉能力次序为：H+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+Li+化半径最大，故聚成能力最小；带正电的胶粒，序为： F->Cl->Br->NO3->I- >SCN- lyotropic series)。

（3） 这可能与其具有强吸附能力有关。

（4

（5）可以发生相互聚沉作用。否则可能不发生聚沉6.

Ca2+、Mg2+等离子使带负电的大豆蛋白胶体聚沉。

a. 海水中的盐类使江河中带负电的土壤胶体聚沉；流速减慢利于颗粒沉降。

3）明矾[KAl(SO4)2·12H2O]净水：明矾在水中水解成带正电的Al(OH)3溶胶，使带负电的胶体污物（土壤胶体）聚沉。

八、高分子化合物（聚合物）对溶胶的絮凝和稳定作用

1. 空间稳定作用（HVO理论）/保护作用：在溶胶中加入一定量的高分子化合物

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或缔合胶体，能显著提高溶胶对电解质的稳定性，这种现象称为保护作用，又称之为空间稳定性。

溶胶被保护，显示出一些亲液溶胶的性质，具有抗电解质影响，抗老化、抗温等优良性质。

2. 空间稳定作用机理解释有两种：

1）体积限制效应：两胶粒的高分子吸附层靠近被压缩，发生变形，则其构型数减少，构型熵降低，体系自由能增加，使体系稳定。

2于不同浓度聚合物溶液的混合。若这一过程熵变、粒子

3. 影响高分子的空间稳定作用的因素

1）高分子的结构；24）温度

4. 絮凝作用/迅速沉降，沉淀呈疏松的棉絮状，这种现象称为絮凝作用，5. 1）靠静电力在双电层中吸附桥联。离子易于吸附发生桥联作用，同时改变2）靠氢键力吸附桥联。当絮凝剂在胶粒表与高分子及胶粒电性质关系不明显，氢键力对非离子型絮3）靠化学吸附桥联。絮凝剂中带有化学活性高的基团

影响絮凝作用的因素：a. 絮凝剂分子结构；b. 絮凝剂分子量；c. 絮凝剂的浓度；d.搅拌；e.pH值和盐类

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第三章 大分子溶液

就分散相颗粒大小而言，大（高）分子溶液属于胶体的范围。虽然它的颗粒大，但呈分子状态分散，它们是真溶液，是热力学稳定体系，因此，把大分子溶液称为亲液溶胶。

一、大分子溶液定义

摩尔质量M>1~104kg/mol液，其分子的大小已经达到胶体范围，具有胶体系统的一些性质。

大分子溶液与憎液溶胶的异同点：

1.相同点:

①颗粒尺寸在1nm-1μm

②扩散速度缓慢

③不能透过半透膜

2.不同点：

①聚合物同溶剂有亲和力，溶胶是不会自动分散到分散介质中。

②高分子溶液是真溶液，无明确界面，溶解、浓度不随时间而变，处于热力学稳定状态。

丁达尔效应弱。溶胶是多相体系，丁达尔效应强。

而聚合物的多分散性又使溶液性质的研究颗粒大小的多分散同样使

1）大分子在溶液中的体积较大，阻碍了介质的流动；

2）大分子的溶剂化作用强，使大量溶剂被束缚在高分子无规线团中，使介质的流动性变差；

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3）不同大分子链段间存在相互作用而形成一定结构，也导致流动阻力增大，从而增大了大分子溶液的黏度（由于大分子的这种结构而产生的黏度，称为结构黏度）

四、大分子溶液的平衡性质

1. Donnan平衡：小离子既能通过半透膜，又要受到不能透过半透膜的大分子的Donnan平衡/唐南平衡。

2. 半透膜两侧溶液产生的位能差。渗透压只与粒子的数量有关。

膜平衡的三种情况：

1）不电离的大分子溶液： Π1 c2RT

2）大分子电解质带有电荷：

NazP zNa Pz

Π2 (z 1)c2RT

3

(NaCl,左） （NaCl,右） RTlnaNaCl,左 RTlnaNaCl,右

aNaCl,左 aNaCl,右 (aNa · aCl )左 (aNa · aCl )右

设所有活度因子均为1，得： [Na]左[Cl]左=[Na]右[Cl]右

+ +

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C12

即：(zC2 X)X (C1 X)(C1 X) 得X zC2 2C1

由于渗透压是因为膜两边的粒子数不同而引起的，所以：

Π3 [(c2 zc2 2x)左 2(c1 x)右]RT

22zc2 2c2c1 z2c2Π3 RT zc2 2c1

3. 浓度梯度，使离子扩散形成扩散电位。即膜电位=（膜和溶液之间）