1、无机化学,第二章 胶体溶液和表面现象,内容提要,第一节 溶胶 第二节 高分子化合物溶液 第三节 凝胶 第四节 物质的表面现象,第二章 胶体溶液和表面现象,本次课学习目标,1.掌握溶胶和高分子化合物溶液的组成。 2.熟悉溶胶的形成及胶粒带电的原因、溶胶的稳定性和聚沉、高分子化合物溶液和凝胶的基本性质。 3.熟悉物质的表面张力、表面能、表面吸附及表面活性物质等概念。,第二章 胶体溶液和表面现象,胶体分散系在自然界中普遍存在，如，河流入海口处易形成三角洲；同一钢笔使用不同牌号的墨水会发生堵塞；在豆浆中加入盐卤可以做豆腐；明矾可以净水等等，胶体分散系与人类的生活及环境密切相关，并且在医学上也有其重要的
2、意义。例如，构成机体组织的蛋白质、核酸、糖原等都是胶体物质；血液、细胞液、淋巴液等具有胶体的性质。 许多不溶于水的药物要制成胶体溶液；药物的制备、使用、保管等要涉及到胶体的知识。胶体分散系（1-100nm)包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体三类。,第一节 溶胶,溶胶分散相粒子：一定量原子、离子或分子组成的集合体特点：多相系统，高度分散，热力学不稳定系统根据分散介质分类：液溶胶、气溶胶和固溶胶,(一) 胶粒对过滤器的通透性,溶胶可以透过滤纸（10005000nm）， 不能透过半透膜，利用半透膜，用超过滤法测定蛋白质和酶粒子的大小。,一、溶胶的性质,第一节 溶胶,(二) 溶胶光学性质丁达尔现象（胶粒对
3、光的散射作用）,丁达尔现象的用途： 区别溶胶、溶液、粗分散系,一、溶胶的性质,CuSO4溶液,Fe(OH)3胶体,第一节 溶胶,1.布朗运动与扩散,胶体粒子受到液体介质分子的不同方向、不同速度的撞击后受力不均而作无规则运动。,（三）溶胶的动力学性质,一、溶胶的性质,布朗运动的存在使胶粒不致因重力作用而迅速沉降，有利于保持溶胶的稳定性。,第一节 溶胶,2. 沉降平衡,在重力场中，胶粒受重力的作用而下沉，这一现象称为沉降。胶粒从分散密度大的下层向分散密度小的上层迁移，这种现象称为扩散。沉降速率等于扩散速率，溶胶系统处于沉降平衡。,（三）溶胶的动力学性质,一、溶胶的性质,第一节 溶胶,在电场作用下，
4、 溶胶粒子在介质中按一定方向移动的现象。,电泳现象,（四）溶胶的电学性质 1.电泳,一、溶胶的性质,第一节 溶胶,在外电场作用下，液体介质定向移动现象称为电渗,由电渗实验中分散介质的移动方向也可判断胶粒所带电荷的性质,第一节 溶胶,一、溶胶的性质,（四）溶胶的电学性质 电渗,应用：蛋白质、氨基酸和核酸等物质的分离和鉴定方面有重要的应用，如，用电泳法分离各种蛋白质、病毒。,第一节 溶胶,2.胶粒带电的原因,（1）选择吸附 溶胶粒子总是选择吸附与其组成类似的离子，使本身带有电荷。,（2） 表面分子的解离 使胶粒带电。,一、溶胶的性质,（四）溶胶的电学性质,3.胶团的结构,胶核,吸附层,扩散层,胶粒
5、,胶团,Fe(OH)3m nFeO+ (n-x)Cl-x+ xCl-,胶核,吸附层,胶粒,扩散层,胶团,胶团结构中带电荷的部分：吸附层、胶粒、扩散层胶团结构中不带电荷的部分：胶核 、胶团胶体溶液亦不带电荷！,课堂练习：,1.下列关于胶体分散系的描述，正确的是（ ） A. 其分散相粒子的直径小于10 nm B. 其分散相粒子的直径大于100 nm C. 其分散相粒子的直径在1 nm100 nm之间 D. 其分散介质只能为水,2.对于胶团 (AgI)m nAg+ (n - x) x+ x ，下列说法错误的是( ) A. (AgI)m是胶核 B. Ag+ 是吸附离子 C. 是反离子 D. m = n
6、 + x 3.能发生丁达尔现象的分散系是( ) A.真溶液 B.胶体分散系 C.粗分散系 D.乳浊液,D,C,B,二、溶胶的稳定性与聚沉,溶胶具有一定的稳定性，其原因如下： （1）Brown 运动：溶胶的胶粒的直径很小，Brown 运动剧烈，能克服重力引起的沉降作用。 （2）胶粒带电：同一种溶胶的胶粒带有相同电荷，当彼此接近时，由于静电作用相互排斥而分开。胶粒荷电量越多，胶粒之间静电斥力就越大，溶胶就越稳定。胶粒带电是大多数溶胶能稳定存在的主要原因。,溶胶的稳定性,（一）加入强电解质,溶胶的聚沉,（3）溶剂化作用：溶胶的吸附层和扩散层的离子都是水化的，在水化膜保护下，胶粒较难因碰撞聚集变大而聚
7、沉。水化膜越厚，胶粒就越稳定。,在溶胶中加入易溶强电解质，将使更多的反离子进入吸附层，减少了胶粒所带电荷，使水化膜变薄，导致胶粒在相互碰撞时可能聚集合并变大，最终从溶胶中聚沉下来。,溶胶的稳定性,溶胶失去稳定因素，胶粒相互碰撞，将导致颗粒合并、变大，最后以沉淀形式析出。,电解质对溶胶的聚沉规律为：,（1）电解质对溶胶的聚沉作用，主要是由与胶粒带相反电荷的离子（反离子）引起的。反离子所带电荷越多，其聚沉能力越大。,若电解质溶液浓度相同： 聚沉正溶胶时，聚沉负溶胶时，,（2）带相同电荷的离子的聚沉能力虽然接近，但也略有不同。对负溶胶来说，其聚沉能力的相对大小为：Cs+Rb+K+Na+Li+对正溶胶
8、来说，其聚沉能力的相对大小为：Cl-Br-NO3I-,课堂练习：,5.要使Fe（OH）3胶体凝聚，最好用（ ）；要使带负电荷的AgI胶体凝聚，最好用（ ） A.NaCl B.AlCl3 C.MgCl2 D.MgSO4,4.关于电解质对溶胶的聚沉作用，下列说法错误的是( ) A. 电解质的聚沉作用主要取决反离子 B. 反离子的价数越高，聚沉能力越强 C. 反离子的价数越高，聚沉能力越弱 D. 同价离子的聚沉能力也略有不同,B,C,D,6.为使10.0 mL某溶胶聚沉，需加入AlCl3 10.5mmol，或MgSO4 0.031mmol，或Na3PO4 0.0012 mmol 。 (1) 指出哪种
9、电解质的聚沉能力最大，哪种最小。 (2) 指出该溶胶胶粒的带电符号。,Na3PO4 聚沉能力最大， AlCl3 聚沉能力最小 溶胶胶粒带正电,（二）加入带相反电荷的溶胶溶胶,将胶粒带相反电荷的两种溶胶混合，也会产生聚沉现象。与电解质的聚沉作用不同的是，只有当两种溶胶的胶粒所带电荷完全中和时，才会完全聚沉；否则，可能聚沉不完全，甚至不聚沉。,例如：水的净化,加入明矾KAl(SO4)212H2O,水解后生成Al(OH)3正溶胶,相互作用形成絮状物后聚沉,水中带负电荷的悬浮粒子,（二）加入带相反电荷的溶胶溶胶,2018/11/6,23,二、溶胶的稳定性和聚沉,稳定的原因,1. 布朗运动：克服沉降作用
10、 2. 胶粒带电：使胶粒分开 3. 胶粒表面水化膜的保护作用：避免碰撞,聚沉,溶胶失去稳定因素，胶粒相互碰撞，将导致颗粒合并、变大，最后以沉淀形式析出。,聚沉方法,1加入电解质 2加入带相反电荷的溶胶 3加热,第一节 溶胶,1.在河流入海口处易形成三角洲； 2.同一钢笔使用不同牌号的墨水会发生堵塞； 3.在豆浆中加入盐卤做豆腐； 4. 明矾为什么可以净化水。,能否用胶体的观点解释下列现象：,课堂互动：,2018/11/6,25,M 104,一、高分子化合物的概念,高分子化合物（高分子、高聚物或聚合物）的分子比低分子化合物的分子要大很多。通常低分子有机化合物的相对分子质量在1000以下，而高分子
11、化合物的相对分子质量在1万以上，有的可达上千万。,高分子化合物的特征,第二节 高分子化合物溶液,高分子化合物的基本特征：相对分子质量大。,（1）高分子化合物组成简单，相对分子质量大，。,（2）高分子化合物可归纳为线型和体型两种结构。线型结构中包括线状结构和分枝状结构。,（3）高分子化合物由于其相对分子质量很大，其分子链很长，呈卷曲状，有较好的可塑性和高弹性。,（4）高分子化合物在常温常压下主要以固态或液态存在，几乎无挥发性，溶解性也很差，有时只发生溶胀。,高分子化合物的特点,高分子化合物溶液是稳定的均相分散系统。其分散相粒径在1100nm的胶体分散系范围内，具有一些胶体分散系的性质。,二、高分
12、子化合物溶液的形成和特征,水化膜:主要依靠蛋白质中的亲水性基团如： COOH、OH、NH2等的溶剂化作用。,二、高分子化合物溶液的形成和特征,（一）稳定性大,分子具有许多亲水基团，粒子外围形成水化膜，碰撞时不易结合成大分子而沉淀。,高分子化合物的稳定性带电,碱性溶液中：,酸性溶液中：,二、高分子化合物溶液的形成和特征,蛋白质的盐析,盐析:因加入大量无机强电解质使蛋白质 从溶液中聚沉析出的作用,原理: 争夺水化膜、中和电荷,（二）黏度较大,高分子化合物的粘度受浓度、压力、温度、时间等因素的影响,二、高分子化合物溶液的形成和特征,（一）稳定性大,高聚物分子链节可以自由地旋转，整个分子链也能自由移动
13、，从而成为能流动的粘液，比液态低分子化合物的粘度要大得多。,浓度增高，黏度增大,压力增高，黏度降低,温度增高，黏度下降,随时间延续，黏度增大,在溶胶中加入足够量的高分子，能显著地提高溶胶的稳定性，这种现象称为高分子对溶胶的保护作用。产生保护作用的原因是高分子吸附在胶粒的表面上，包围住胶粒，形成了一层高分子保护膜，阻止了胶粒之间及胶粒与电解质离子之间的直接接触，从而增加了溶胶的稳定性。,二、高分子溶液对溶胶的保护作用,高分子溶液或溶胶在一定条件下，形成的具有一定形态的半固体物质的过程称为胶凝，所形成的这种半固体物质称为凝胶。,第三节 胶体溶液,一、凝胶的形成,第三节 凝胶,凝胶是在一定条件下，高
14、分子溶液或溶胶的分散相粒子在某些部位上互相联结，形成空间网架结构，而分散介质充满网架结构的空隙，失去流动性，从而形成的半固体。新制成的凝胶都含有大量的液体(液体含量在95%以上)。若液体是水，则该凝胶称为水凝胶。,具有线性结构的高分子溶液，普遍能形成凝胶。浓度越大，温度越低，越容易形成凝胶。,凝胶可分为弹性凝胶和脆性凝胶两类。 弹性凝胶：如明胶、琼脂、肉冻、肌肉、软骨等。这类凝胶经干燥后体积明显变小，但若将干的凝胶再放到适当的溶剂中还可以发生溶胀，即自动吸收溶剂而使体积胀大。 脆性凝胶：粒子间的交联强，网状骨架坚固，干燥后，失去弹性，但其体积和外形几乎不变，易磨碎，如硅胶、氢氧化铁等形成的无机
15、凝胶就属于此类。,二、凝胶的主要性质,（一）弹性,二、凝胶的主要性质,膨润：干燥的弹性凝胶与溶剂接触，自动吸收溶剂，体积增大是过程。 有限溶胀：凝胶在液体中溶胀进行到一定程度即停止。 无限溶胀：溶胀作用一直进行下去，直至凝胶的网状骨架完全消失，最后完全分散而成为溶液的溶胀。,（二）膨润（溶胀）,“湿木裂石”,有机体越年轻，膨润能力越强。,（三）离浆（脱水收缩）,离浆是溶胀的逆过程，可认为是凝胶内结构形成后链段间的相互作用继续进行的结果。这些链段彼此结合或相互靠近，使得网架变得更紧，而把网眼中的液体排挤出来。,凝胶在放置过程中，一部分液体可以自动地分离出来， 使凝胶本身体积缩小，这种现象称为离浆
16、或脱水收缩。,二、凝胶的主要性质,表面：物质与空气或本身的蒸气接触的面称表面。 界面：物体的表面与另一相接触面称为界面。,表面现象：凡是相界面上所发生的一切物理化学现象，统称为表面现象或界面现象。,溶胶是一种高度分散的多相体系，具有很大的界面，其界面性质非常重要。,第四节 物质的表面现象,第四节 物质的表面现象,一、表面张力与表面能,物质表面层分子的受力情况与体相分子不同。以最简单的气-液相界面为例：,内部：分子作用力合力0，移动时能量没有变化。 表面：分子作用力合力指向液体内部，液体表面都有自动缩小的趋势。由于内外受力不均匀存在着使液面紧缩的力，称为表面张力,用 表示,单位是 Nm-1 。,
17、表面能,将相内部的分子移到表面上，就必须克服向内的引力而作功，所做的功转化为移到表面层的分子的位能，称为表面能，用 E表示。E A,表面能,表面张力,表面积,只要有界面存在，就一定有表面能存在,一、表面张力与表面能,影响表面张力的因素：,表面张力与物质本性有关； 表面张力与相邻另一相性质有关；,表面张力核心：表面分子受力不均匀,温度升高，表面张力减小，分子间的吸引力减小。,表面张力与温度有关。,举例,1982年10月18日，法，摩泽尔河畔的梅斯新港，7座粮仓，4座发生爆炸，内装面粉。,1987年3月15日，我国，哈尔滨轧麻厂，发生厂房爆炸，原因：粉尘超标。,对一定量的物质来说，分散程度越高，其
18、表面积就越大，只有高分散度的体系，表面现象才能达到可以觉察的程度。,例：大水滴分散成微小水滴,总表面积 1.2610-3 m2 1.26104m2 比表面积 310-1m2kg-1 3106 m2kg-1,1g水滴分散成半径1nm的小水滴，总面积为原来的625万倍，增加的能量可将这1g水的温度升高50。,胶体是一种高度分散的多相体系，具有很大的比表面，表面能很大。能量越高，体系越不稳定，胶体是热力学的不稳定体系。,一定温度和压力下，多相系统表面张力越大，表面能越大，系统越不稳定。一个系统总有自发降低表面能，趋于稳定的趋势，降低系统表面能的途径有哪些呢？,物质的分散度越大，表面积越大，表面能越大
19、，系统越不稳定。,通常用比表面来表示物质分散的程度，比表面是单位体积的物质具有的总表面积。,E A,2.自发吸附周围介质中能降低其表面张力的其它物质粒子填入表面层，使表层粒子的浓度大于液体内部粒子的浓度，以降低表面张力。,通常自发降低表面能有两条途径：,1.液滴形成球状或分散的微小液滴聚集在一起自发降低表面积；,二、表面吸附,吸附：物质在相界面上的浓度自动发生变化的过程。,（一）固体表面的吸附固体表面积无法自动变小，常常吸附其他物质以降低表面能。,吸附可发生在任何两相的界面上,固体表面的吸附按作用力的性质可以分为物理吸附与化学吸附两类。,吸附剂：能吸附它物的物质，比表面大、吸附能力强的多孔性物
20、质，常用的吸附剂有硅胶、分子筛、活性炭等。 吸附质：被吸附的物质,物理吸附和化学吸附的主要特征比较,用AgNO3和KI制备AgI 溶胶，AgNO3过量时，AgI胶团结构示意图及胶团结构的简式：,(AgI)m nAg+ (n-x)NO3-x+ xNO3-,（二）胶粒的形成与吸附,二、表面吸附,用AgNO3和KI制备AgI 溶胶，KI过量时，AgI胶团结构示意图及胶团结构的简式：,(AgI)m nI- (n-x)K+x- xK+,溶胶粒子的选择性吸附属于化学吸附。,（二）胶粒的形成与吸附,二、表面吸附,二、表面吸附,（三）液体表面吸附液体表面会因为溶质的加入而产生吸附，液体的表面张力因此发生相应的
21、变化。,即相对于溶液体相：溶质在表面富集 表面正吸附；溶剂在表面富集 表面负吸附。,若加入的溶质能降低表面张力，则溶质力图浓集在表面层上，以更多地降低体系表面自由能 ；当溶质使表面张力升高时，则它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低，则溶剂在溶液表面富集，以部分抵消体系表面自由能增加 。,正吸附：能降低表面张力的物质，表面吸附的溶质浓度大于溶液内部的溶质浓度,负吸附：增大表面张力的物质，表面吸附的溶质浓度小于溶液内部的溶质浓度,表面吸附使溶质在表面层中的浓度与内部的浓度不同。,三、表面活性物质,表面活性物质：能显著降低水的表面张力的物质，又叫表面活性剂。,非表面活性物质：使水的表面张力升高或略
22、微降低的物质。,表面吸附使溶质在表面层中的浓度与内部的浓度不同。,亲水基有：COOH，OH，NH2 SH、SO3H 憎水基有：C-H链，CnH2n+1等直链或带侧链的有机烃基,表面活性剂具有双亲性（一极亲水，一极亲油（气）,表面活性剂的特征,I. 其都比水小很多，溶于水后能使水的大大降低； II. 具有不对称结构-均为两极分子RX：由疏水性或亲脂性的非极性基R和亲水的极性基X所组成。,III. 表面活性剂分子要在水气或水油（不溶于水的液体）界面上形成“定向排列”；,表面活性剂的特征,肥皂是最常见的表面活性物质，它是硬脂酸的钠盐。C17H35-COONa。亲油基 亲水基,亲水基团 -COO （羧
23、基）：具有进入水中的趋势； 憎水基团 -C8H17 ：具有离开水而移向表面的趋势； 致使溶液表面非极性成份增加，表面张力下降。,IV. 存在临界胶束浓度CMC；表面活性剂能在水中溶解，其浓度大过某一数值（CMC）时，能在水中形成很大的缔合胶体-胶束。这一形成胶束的最低浓度称为“临界胶束浓度”。超过此浓度后不再下降。,表面活性剂的特征,表面活性剂在水溶液中达到CMC，有胶束生成后，一些水不溶性或者微溶性物质在胶束溶液中的溶解量大大增加，形成透明的胶体溶液，这种现象称为表面活性剂的增溶作用。,非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。,增
24、溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。溶解作用会使溶剂的依数性出现很大变化，增溶作用对依数性影响很小。,表面活性剂的增溶作用,2018/11/6,在药物制剂中，一些挥发油、脂溶性维生素、甾体激素等许多难溶性药物常可借此增溶，形成透明溶液及提高浓度。如 甲酚在水中溶解度仅2%左右，在肥皂溶液中为50%；氯霉素在水中溶解度为0.25%，加入20%吐温80后溶解度为50% 。,表面活性剂的增溶作用,2018/11/6,表面活性剂的乳化作用,一种或几种液体以极小的液滴形式分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散体系称为乳状液。,乳状液一般都不稳定，要想得到能稳定存在静置后不分层的乳状液，必须加入乳化剂。乳化剂大多都是具有两亲基团的表面活性剂。 根据乳化剂结构的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)，或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。,水是分散剂，油是分散相。如：牛奶,油是分散剂，水是分散相。 如：脂肪乳剂,乳状液的类型有两类： 水分散在油介质中形成油包水型(W/O)乳状液 油分散在介质水中形成水包油型(O/W)乳状液,
