溶胶的物理化学性质.ppt

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1、1溶胶的物理化学性质一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质21. 扩散 由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从体积粒子数高区域向低区域的定向迁移现象叫扩体积粒子数高区域向低区域的定向迁移现象叫扩散。散。 扩散属于物质在无外力场时的传质过程，即扩散属于物质在无外力场时的传质过程，即自发自发过程。过程。一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质3v溶胶中的分散相粒子的扩散遵守费克定律。 A FickdtdcDdtdm第一扩散定律： (dm/dt )为单位时间内通过截面积为单位时间内

2、通过截面积A扩散的粒子数。扩散的粒子数。 一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质4v应用： (1)应用Einstein第一扩散公式，可以求出扩散系数D(m2/s)。反之，若有了D和，则可算出r （r为胶粒的流体力学半径，r为平均值）。 (2)计算非球形胶粒的轴比值(a/b)rNRTD第一扩散公式：61 AEinsteinNA为为Avogadro常数常数 6.0221023 mol-1； 为介质粘度；为介质粘度；r为球形胶粒半径。为球形胶粒半径。 阻力系数：阻力系数： f6r 一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质5v1827年，英国植物学家布朗（年，英国植物学家布朗（Brown）在显微镜下观）

3、在显微镜下观察到花粉在水面上不停地做无规则运动。察到花粉在水面上不停地做无规则运动。v布朗运动：布朗运动：微粒的连续、无规则运动。微粒的连续、无规则运动。v扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观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。基础。v溶胶中分散相粒子的扩散作用是由布郎运动引起的。溶胶中分散相粒子的扩散作用是由布郎运动引起的。2. 布朗运动布朗运动一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质6v1905年，Einstein研究了布朗运动中，粒子的平均位移与粒子半径、介质粘度、温度和位移时间之间的关系，得到著名的“Einstein布朗运动”公式。3E Ei in ns s

4、t te ei in nX X :ARTtNr“布朗运动”公式v式中各变量均可由实验确定，故利用此式可以求出微粒半径r，也可求得Avogadero常数NA。v适用条件：主要用于胶体分散体系，粗分散体系中粒子布朗运动不明显。一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质7DtXEinstein2 第二扩散公式：意义：意义：悬浮在液体介质中微粒的平均自由路程与观察时间和悬浮在液体介质中微粒的平均自由路程与观察时间和扩散系数的关系。扩散系数的关系。适用条件：适用条件：与前式相同，实际上与前式相同，实际上 D=(RT)/(6rNA) 一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质8v爱因斯坦关于布朗运动的理论说明了布

5、朗运动的实质就爱因斯坦关于布朗运动的理论说明了布朗运动的实质就是质点的热运动。反过来，布朗运动也成为分子热运动是质点的热运动。反过来，布朗运动也成为分子热运动的强有力的实验证明。的强有力的实验证明。 v总之，在运动性质方面，胶体体系和分子分散体系并无总之，在运动性质方面，胶体体系和分子分散体系并无本质区别，其中的质点运动都服从同样的普遍规律本质区别，其中的质点运动都服从同样的普遍规律分子运动理论。分子运动理论。9v溶胶中的分散相粒子由于受自身的重力作用而下沉的过溶胶中的分散相粒子由于受自身的重力作用而下沉的过程称为沉降。程称为沉降。v沉降是溶胶动力学不稳定性的主要表现。沉降是溶胶动力学不稳定性

6、的主要表现。v两种方向相反的作用力两种方向相反的作用力: (1)重力；重力；(2)扩散力扩散力(由布朗运由布朗运动引起动引起)。v重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的扩散重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的扩散作用阻止粒子下沉。作用阻止粒子下沉。v沉降与扩散相互抗衡，达到稳定状态沉降与扩散相互抗衡，达到稳定状态 ，称为，称为沉降平衡或沉降平衡或沉积平衡沉积平衡。 3. 沉降沉降一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质10v胶体粒子的布朗运动与气体分子的热运动实质上相同，因此，沉降平衡时胶粒随高度变化的分布规律可以用大气压随高度的分布形式描述。RTgheppM0h大气压随高度的分布

7、：3A210214exp( -) ()3Nnnr g hhRT 胶胶粒粒的的浓浓度度随随高高度度的的分分布布公公式式：式中，式中，为胶粒密度，为胶粒密度，0为介质密度。为介质密度。11(a) 沉降速率沉降速率(sedimentation velocity)球形颗粒所受下沉力球形颗粒所受下沉力 sfgrf)(3403s 按按Stokes定律颗粒将受到反方向的摩擦力定律颗粒将受到反方向的摩擦力 f rf6 当当 ，加速沉降将变为匀速运动，沉降速率，加速沉降将变为匀速运动，沉降速率ff s gr)(9202 (1) 在重力作用下的沉降在重力作用下的沉降（沉降公式）（沉降公式）一、一、 溶胶的运动性质

8、溶胶的运动性质121314沉降速率公式的应用：沉降速率公式的应用： gr)(9202 粘度测定粘度测定 在被测液体中让一定半径一定密度的小球降落，在被测液体中让一定半径一定密度的小球降落，测定通过一定距离的时间求得沉降速度，由沉降测定通过一定距离的时间求得沉降速度，由沉降速率公式计算粘度速率公式计算粘度15沉降分析装置图沉降分析装置图在量筒中充满已匀化的粗分散系在量筒中充满已匀化的粗分散系统样品，测定小盘中沉降的物质统样品，测定小盘中沉降的物质量随时间的变化，由沉降速率公量随时间的变化，由沉降速率公式计算颗粒半径。式计算颗粒半径。 (b)沉降分析沉降分析称重法称重法 沉降分析主要是沉降分析主要

9、是考察粒度分考察粒度分布。布。 通常使用通常使用沉降天平沉降天平进行沉降进行沉降分析。分析。 常用的沉降天平是一种常用的沉降天平是一种扭力扭力天平。天平。一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质16v胶粒很小，在重力场中的沉降速度极为缓慢，有时无法测定其沉降速度。v1924年，瑞典人Svedberg发明了超离心机，转速1016万 r/min，离心力约为地心引力的106倍。（普通离心机转速一般为30005000 r/min）v利用超离心机加快沉降速率，大大扩大了测定沉降速率的范围。可把它应用于胶团的摩尔质量或高聚物的摩尔质量的测定上。(2) 在离心力场中的沉降在离心力场中的沉降一、一、 溶胶的运动

10、性质溶胶的运动性质17)()()ln(29122012ttxxr式中式中x1和和x2分别为离心时间分别为离心时间t1和和t2时从旋转轴到溶胶时从旋转轴到溶胶中某一平面的距离中某一平面的距离 。212012)(1 ()/ln(ttVDxxRTM粒子的摩尔质量：18溶胶的物理化学性质一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质19(1)丁达尔效应丁达尔效应(Tyndall effect) 当一束会聚的光线透过溶胶时，在入射光的垂直方向可看当一束会聚的光线透过溶胶时，在入射光的垂直方向可看到一个光亮的圆锥体，这称为丁达尔现象或丁达

11、尔效应。到一个光亮的圆锥体，这称为丁达尔现象或丁达尔效应。 丁达尔效应是溶胶的特征。丁达尔效应是溶胶的特征。 用丁达尔效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。用丁达尔效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。 （小分子溶液无丁达尔效应，大分子溶液丁达尔效应微弱）（小分子溶液无丁达尔效应，大分子溶液丁达尔效应微弱） 原因：原因：是胶粒对光散射的结果是胶粒对光散射的结果(散射散射是指除入射光方向外，是指除入射光方向外，四面八方都能看到发光的现象四面八方都能看到发光的现象) 。1. 光散射二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质20(2) Rayleigh散射定律 式中，I为散射光强度；I0为入射光强度

12、；c为单位体积中的质点数；v为单个粒子的体积；为入射光波长；n1和n2分别为分散介质和分散相的折射率。v散射光强度与入射光波长的4次方成反比。v散射光强度与单位体积中的质点数c成正比。（“浊度计”的设计原理）v散射光强度与粒子体积的平方成正比。散射光的强度可用瑞利公式表示：散射光的强度可用瑞利公式表示： 2223221042221242nncvIInn 21瑞利瑞利(Lord J. W. Rayleigh)散射散射光散射测定光散射测定散射光强度散射光强度 ),( RI 222122212224220cos1229),( nnnnRvIRI222. 显微镜及其对粒子大小和形状的测定(1) 超显微

13、镜（ultramicroscope）v普通显微镜的分辩率约为200nm，不能直接观察胶体粒子。v超显微镜是在普通显微镜的基础上，采用了特殊的聚光器，使光线不直接进入物镜，背景是黑的。可在黑暗的背景下看到胶粒因光散射而呈现的闪烁亮点。v不能直接看到粒子的大小和形状，但结合其它数据可以计算出粒子的平均大小并推断出胶粒的形状。二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质23利用瑞利散射原理设计了一种超显微镜。利用瑞利散射原理设计了一种超显微镜。超显微镜及光路图超显微镜及光路图 24瑞利瑞利(Lord J. W. Rayleigh)散射散射心形超聚光器及光线路程心形超聚光器及光线路程 25(2) 电子显微镜

14、 用电子波代替光波，以电磁聚光镜代替普通聚光镜。v透射电镜(TEM)v 扫描电镜(SEM)v扫描隧道显微镜(STM)v原子力显微镜(AFM)vX-Ray光电子能谱(XPS)v电子探针26光学显微镜OLM 透射电镜TEM 扫描电镜SEM 扫描隧道显微镜 STM 分辨本领(nm) 200 0.2 3.5(1.5) X，Y：0.1； Z：0.01 放大倍数 2 千倍 100 万倍 20 万倍数千万倍视野中小大小样品尺寸厚度微米级宽度毫米级厚度小于1m 厘米级仅受样品台限制样品环境空气高真空高真空各种条件主要成像及成分分析信号透射,反射,衍射光透射,衍射, 能量损失电子二次,背散射电子, 特征X 射线

15、隧道电流图像处理通过摄象机通过摄象机联机联机仪器价格低高高中各种电镜与光学显微镜参数比较表各种电镜与光学显微镜参数比较表27溶胶的物理化学性质一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质28( (一一) ) 电动现象电动现象 ( (二二) ) 质点表面电荷的来源质点表面电荷的来源( (三三) ) 扩散双电层扩散双电层理论理论三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质29( (一一) ) 电动现象电动现象 (1) 电泳电泳 在外加电场作用下，带电在外加电场作用下，带电的分散相粒子在分散介质的分散相粒子在分散介质中向相反符号电极移动

16、的中向相反符号电极移动的现象叫电泳。现象叫电泳。三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质30v外加电势梯度越大，胶粒带电越多，胶粒越小，介质的粘度越小，则电泳速度越大。v通过电泳试验可以确定胶粒的电荷符号。v溶胶的电泳现象证明了胶粒是带电的，实验证明，若在溶胶中加入电解质，则对电泳会有显著影响。随溶胶中外加电解质的增加，电泳速度常会降低以致变为零(等电点)，甚至改变胶粒的电泳方向，外加电解质可以改变胶粒带电的符号。 v研究胶粒电泳的仪器称为电泳仪。31(2)电渗v在外电场作用下，液体介质通过固定的多孔固体或毛细管束作定向运动的现象（此时带电的固相不动）叫电渗。v和电泳一样，溶胶中外加电解质对电渗速度的影响也很显著，随电解质的增加，电渗速度降低，甚而会改变液体流动的方向。v通过测定液体的电渗速度可求算溶胶胶粒与介质之间的总电势。32(3)流动电势：v在外力作用下，使溶胶中固、液两相发生相对运动，则可能形成电场。若用压力将液体挤过粉末压成的多孔塞，则在塞的两侧产生电位差，即所谓流动电势，是电渗的反过程。33v流动电势的大小与介质的电导率成反比。v碳氢化合物的电导通常比水溶液要小好几个数量级，