第十二章溶胶 12.1学习要求 粗颗粒 1.掌握分散体系的基本特征 (粒径大于100m) 2.了解溶胶的制备和净化。 3.掌握溶胶的光学性质、动力学性质和电学性质。「分子,寓子或原子 4.掌握溶胶在稳定性方面的特点和聚沉。 (粒径小于10°m) 5.掌握黏度的物理意义及其测定方法。 6.了解溶胶的流变性、 (粒径106~10°m) 12.2内容概要 12.2.1分散体系 分散体系( dispersion system)是指由一种或几种物质分散在另一种物质 中所形成的体系。其中被分散的物质叫分散相( dispersion phase),分散相所 处的介质叫分散介质( dispersion medium),前者是非连续相,后者是连续相。 分散相颗粒半径在10°10m范围的叫胶体分散体系( the dispersion system of colloid),分散相颗粒大于10°m的叫粗分散体系,小于10m的叫小分子分散 体系(真溶液)。 胶体分散体系按分散相和分散介质的聚集状态又可分为液溶胶、固溶胶和气 溶胶。液溶胶筒称溶胶(so1),是胶体的典型代表,是本章讨论的重点。 12.2.2溶胶的制备净化 溶胶是高度分散的多相体系,由于胶粒细小,比表面积很大,比表面能高 具有聚结不稳定性,所以在制备过程中必须加入稳定剂(如电解质或表面活性 剂),才能得到相对稳定的溶胶 溶胶的制备方法可概括为两大类:分散法和凝聚法,示意如下: 1.分散法 使大块(或粗粒)物质分散在某种介质中形成胶体分散体系的方法叫分散法 ( dispersion method)。常用的有
第十二章 溶 胶 12.1 学习要求 1．掌握分散体系的基本特征。 2．了解溶胶的制备和净化。 3．掌握溶胶的光学性质、动力学性质和电学性质。 4．掌握溶胶在稳定性方面的特点和聚沉。 5．掌握黏度的物理意义及其测定方法。 6．了解溶胶的流变性、 12.2 内容概要 12.2.1 分散体系 分散体系（dispersion system）是指由一种或几种物质分散在另一种物质 中所形成的体系。其中被分散的物质叫分散相（dispersion phase），分散相所 处的介质叫分散介质（dispersion medium），前者是非连续相，后者是连续相。 分散相颗粒半径在 10-9 ~10-6 m 范围的叫胶体分散体系（the dispersion system of colloid），分散相颗粒大于 10-6 m 的叫粗分散体系，小于 10-9 m 的叫小分子分散 体系（真溶液）。 胶体分散体系按分散相和分散介质的聚集状态又可分为液溶胶、固溶胶和气 溶胶。液溶胶筒称溶胶（sol），是胶体的典型代表，是本章讨论的重点。 12.2.2 溶胶的制备净化 溶胶是高度分散的多相体系，由于胶粒细小，比表面积很大，比表面能高， 具有聚结不稳定性，所以在制备过程中必须加入稳定剂（如电解质或表面活性 剂），才能得到相对稳定的溶胶。 溶胶的制备方法可概括为两大类：分散法和凝聚法，示意如下： 1．分散法 使大块（或粗粒）物质分散在某种介质中形成胶体分散体系的方法叫分散法 （dispersion method）。常用的有：
(1)机械研磨法即使用胶体磨等工具粉碎的方法。 (2)超声波分散法利用超声波(频率大于16000Hz)所产生的能量来进行 分散 (3)电弧法主要用于制备金属水溶胶 (4)化学方法也称为胶溶法。将新生成的沉淀加入稳定剂(少量适当的 电解质)后又重新分散成溶胶。例如,将新生成的Fe(OH3沉淀,加入少量FeCl3 深液,经搅拌后,可制得红棕色的Fe(OH3溶胶。 2.凝聚法 与分散法相反,它是把小分子(或离子、原子)凝聚为胶体粒子的方法。 (1)物理凝聚法例如,用改换溶剂法来制备硫溶胶,利用的就是硫磺在 酒精和水中溶解度悬殊的特性。 (2)化学反应法利用各种化学反应如复分解、水解、氧化还原、沉淀、 复分解等反应,控制反应条件使生成物在呈过饱和状态下逐步析出凝聚成胶粒大 小的方法。如: As2O3+3H2S——As2S3(溶胶)+3H2O 由以上方法制得的溶胶中往往含有多余的电解质和杂质,不利于溶胶的稳定 存在,必须将其除去。此过程称溶胶的浄化( purification)。净化溶胶常用渗 析法( dialysis method),电渗析法和超滤法( ultrafiltration method)。 12.2.3溶胶的光学性质 1. Tynda1l效应 在暗室中,将一束聚焦的光线通过溶胶,在与入射光的垂直方向可以看到 个发光的圆锥体,这种现象称为 Tyndall效应。 Tyndall效应是由于胶粒对光的散射作用所引起的。它是溶胶的重要性质。 利用这一特性可以鉴别溶胶与粗分散体系或真溶液 2. Tyndal1效应的规律 溶胶的散射光强度与体系性质之间的关系可用 Ray leigh公式表示
（1）机械研磨法 即使用胶体磨等工具粉碎的方法。 （2）超声波分散法 利用超声波（频率大于 16000Hz）所产生的能量来进行 分散。 （3）电弧法 主要用于制备金属水溶胶 （4）化学方法 也称为胶溶法。将新生成的沉淀加入稳定剂（少量适当的 电解质）后又重新分散成溶胶。例如，将新生成的 Fe(OH)3 沉淀，加入少量 FeCl3 深液，经搅拌后，可制得红棕色的 Fe(OH)3溶胶。 2．凝聚法 与分散法相反，它是把小分子（或离子、原子）凝聚为胶体粒子的方法。 （1）物理凝聚法 例如，用改换溶剂法来制备硫溶胶，利用的就是硫磺在 酒精和水中溶解度悬殊的特性。 （2）化学反应法 利用各种化学反应如复分解、水解、氧化还原、沉淀、 复分解等反应，控制反应条件使生成物在呈过饱和状态下逐步析出凝聚成胶粒大 小的方法。如： 煮沸 FeCl3（稀溶液）+3H2O——Fe(OH)3(溶胶)+3HCl As2O3+3H2S——As2S3(溶胶)+3H2O 由以上方法制得的溶胶中往往含有多余的电解质和杂质,不利于溶胶的稳定 存在,必须将其除去。此过程称溶胶的净化（purification）。净化溶胶常用渗 析法（dialysis method），电渗析法和超滤法（ultrafiltration method）。 12.2.3 溶胶的光学性质 1．Tyndall 效应 在暗室中，将一束聚焦的光线通过溶胶，在与入射光的垂直方向可以看到一 个发光的圆锥体，这种现象称为 Tyndall 效应。 Tyndall 效应是由于胶粒对光的散射作用所引起的。它是溶胶的重要性质。 利用这一特性可以鉴别溶胶与粗分散体系或真溶液。 2．Tyndall 效应的规律 溶胶的散射光强度与体系性质之间的关系可用 Rayleigh 公式表示
rcv- n2 =2xrn+27 )0+cos26) (12-1) 式中:I为散射角为θ,散射距离为r处的溶胶的散射光强度;D为入射光强度 A为入射光的波长;c为分散体系中单位体积中的粒子数;V为每个粒子的体积 n、D分别为分散介质和分散相的折射率。 由上式可得下述结论: (1)波长愈短,散射光愈强。所以将一束可见光照射溶胶发生散射 时,散射光(从侧面看)呈淡蓝色,而透射光(从入射光的对面看)呈橙红色。 (2)分散相与分散介质的折射率相差愈大,散射光愈强。溶胶和溶液的 Tyndall效应就具有极为明显的区别,前者表现出强烈的散射光,而后者却不明 显。这是由于溶液中分散相与分散介质之间具有极强的结合力,二者的折射率极 为接近,故 Tyndall效应很弱。 (3)IaV,所以,对于小分子溶液,散射光非常微弱 (4)Iαc,所以溶胶浓度越大,散射光强度也越大。利用此性质制成测定 胶体溶液浓度的仪器称为浊度计,可测定污水悬浮杂质的含量等,称为浊度分析。 (5)Icl,所以观察胶体的 Tyndall效应时常用聚敛光。 3.超显微镜的原理和应用 超显微镜的原理就是利用普通显微镜观察胶体的 Tyndall效应。在超显微镜 下看到的是以黑暗为 背景,闪烁出的一个个亮点,并非胶体粒子的真实面貌 超显微镜可用于确定胶粒的数目;观察胶粒的Brow运动;估计胶体溶液的 浓度;还可配合电泳仪测定胶粒的电泳速度等 12.24溶胶的动力学性质 1. Brown运动 溶胶中胶粒在分散介质中不断地做不规则运动称为Brow运动。 产生 Brown运动的原因是分散介质分子对胶粒不断撞击的结果。 Einstein利用分子运动论的一些基本概念和公式,推导出 Brown运动的公
（12-1） 式中：I 为散射角为θ，散射距离为 r 处的溶胶的散射光强度；I0为入射光强度； λ为入射光的波长；c 为分散体系中单位体积中的粒子数；V 为每个粒子的体积； n1、n2分别为分散介质和分散相的折射率。 由上式可得下述结论： （1） 波长愈短，散射光愈强。所以将一束可见光照射溶胶发生散射 时，散射光（从侧面看）呈淡蓝色，而透射光（从入射光的对面看）呈橙红色。 （2）分散相与分散介质的折射率相差愈大，散射光愈强。溶胶和溶液的 Tyndall 效应就具有极为明显的区别，前者表现出强烈的散射光，而后者却不明 显。这是由于溶液中分散相与分散介质之间具有极强的结合力，二者的折射率极 为接近，故 Tyndall 效应很弱。 （3）I V，所以，对于小分子溶液，散射光非常微弱。 （4）I c，所以溶胶浓度越大，散射光强度也越大。利用此性质制成测定 胶体溶液浓度的仪器称为浊度计，可测定污水悬浮杂质的含量等，称为浊度分析。 （5）I I0，所以观察胶体的 Tyndall 效应时常用聚敛光。 3．超显微镜的原理和应用 超显微镜的原理就是利用普通显微镜观察胶体的 Tyndall 效应。在超显微镜 下看到的是以黑暗为 背景，闪烁出的一个个亮点，并非胶体粒子的真实面貌。 超显微镜可用于确定胶粒的数目；观察胶粒的 Brown 运动；估计胶体溶液的 浓度；还可配合电泳仪测定胶粒的电泳速度等。 12.2.4 溶胶的动力学性质 1．Brown 运动 溶胶中胶粒在分散介质中不断地做不规则运动称为 Brown 运动。 产生 Brown 运动的原因是分散介质分子对胶粒不断撞击的结果。 Einstein 利用分子运动论的一些基本概念和公式，推导出 Brown 运动的公 式
x=( L 3r (12-2) 式中:X为粒子的平均位移,t为观察间隔时间:R为气体常数;n为介质的黏 度;r为粒子的半径;L为 Avogadro常数 由上式可以看出,粒子越小,温度越高,介质的黏度越小,则 Brown运动越 剧烈。 2.扩散 胶粒由于 Brown运动在分散介质中自发地从高浓度处向低浓度处的迁移现象 称为扩散( diffusion)。扩散的结果使粒子趋于均匀分布 Einstein假定粒子为球形,导出了粒子在t时间的平均位移(和扩散系 数(D)之间的关系式 F=2Dt (12-3) 由式(12-2)和式(12-3)可得 D (12-4) 式中:D为扩散系数,其物理意义为:单位浓度梯度下,单位时间内通过单位面 积的物质的量。由式(12-4)可以看出,粒子的半径越小,介质的黏度越小,温 度越高,则D越大,粒子就越易扩散。 Brown运动的存在对溶胶的稳定性起着正反两方面的作用:(1)由 Brown 运动引起的扩散作用,防止了胶粒的聚结,增加了溶胶的稳定性(称为动力学稳 定性);(2)由于Brow运动的存在,增加了胶粒的碰撞机会,降低了溶胶的稳 定性 (3)沉降与沉降平衡 悬浮在分散介质中的胶体粒子在外力的作用下下沉的过程称作沉降 ( sedimentation)。 Brown运动引起的扩散作用与外力引起的沉降作用对胶体粒子浓度的影响是 相反的。当这两种作用力即重力与扩散力大小相等时,任一高度处粒子的浓度不 再随时间而变化,即粒子的分布达到平衡,称为沉降平衡( sedimentation equilibrium)
(12-2) 式中：X 为粒子的平均位移，t 为观察间隔时间；R 为气体常数；η为介质的黏 度；r 为粒子的半径；L 为 Avogadro 常数。 由上式可以看出，粒子越小，温度越高，介质的黏度越小，则 Brown 运动越 剧烈。 2．扩散 胶粒由于 Brown 运动在分散介质中自发地从高浓度处向低浓度处的迁移现象 称为扩散（diffusion）。扩散的结果使粒子趋于均匀分布。 Einstein 假定粒子为球形，导出了粒子在 t 时间的平均位移（X）和扩散系 数（D）之间的关系式： X 2 =2Dt （12-3） 由式(12-2)和式(12-3)可得 (12-4) 式中：D 为扩散系数,其物理意义为：单位浓度梯度下，单位时间内通过单位面 积的物质的量。由式（12-4）可以看出，粒子的半径越小，介质的黏度越小，温 度越高，则 D 越大，粒子就越易扩散。 Brown 运动的存在对溶胶的稳定性起着正反两方面的作用：（1）由 Brown 运动引起的扩散作用，防止了胶粒的聚结，增加了溶胶的稳定性(称为动力学稳 定性)；（2）由于 Brown 运动的存在，增加了胶粒的碰撞机会，降低了溶胶的稳 定性。 （3）沉降与沉降平衡 悬浮在分散介质 中的胶体 粒子在外力 的作用下下 沉的过程 称作沉降 （sedimentation）。 Brown 运动引起的扩散作用与外力引起的沉降作用对胶体粒子浓度的影响是 相反的。当这两种作用力即重力与扩散力大小相等时，任一高度处粒子的浓度不 再随时间而变化，即粒子的分布达到平衡，称为沉降平衡（sedimentation equilibrium）
若粒子以匀速沉降,则其所受的重力=沉降阻力,即 -xr2(p-Po)g=6xr p-0)g 则 (12-5) 式中:v为粒子的沉降速度;r为粒子的半径;n为介质的黏度;p和p分别为 粒子和介质的密度;g为重力加速度。 由上式可以看出,沉度速度v与P成正比,所以粒子的大小对沉降速度的影 响很大,粒子越小,其沉降速度越慢。对于半径在10^~10°m的胶体粒子来说, 其沉降速度非常缓慢,且外界因素如温度的对流、机械振动等都会阻止沉降 对于多级分散体系来说,由于粒子的大小不一,粒子的沉降速度不同,通过 测定沉降速度,就可以求得粒子的大小及分散体系中某一定大小的粒子所占的百 分量,这项工作称为沉降分析。沉降分析在土壤学上非常重要。属于土壤机械分 析的一部分。 12.2.5溶胶的电学性质 1.电动现象 在外加电场的作用下,胶体颗粒在分散介质中的定向移动为电泳 ( electrophoresis)。在外加电场的作用下,毛细管内或多孔性固体内液体相 对于固体表面的运动称为电渗( electroosmosis)。电泳和电渗都属于电动现象 它们均是胶粒带电的最主要的实验证据。通过研究电动现象,可以确定胶粒所带 电荷的符号,对进一步了解胶体的结构,及电解质对溶胶稳定性的影响具有重要 意义。 2.胶粒表面电荷的来源 电动现象证明溶胶中的胶粒带电,带正电的溶胶称为正电性溶胶,如氢氧化 铁溶胶;带负电的溶胶称为负电性溶胶,如金、银、硫化砷溶胶。胶粒表面带电 的主要原因有 (1)吸附溶胶粒子会选择性吸附溶液中某些离子而带电。例如用水解反 应制备Fe(OH)3溶胶时,Fe(OH)3颗粒表面会吸附溶液中的Fe0,而使胶粒带正电。 (2)电离例如硅酸溶胶,由于表面层分子发生电离(HSi0=2H+SiO2) 而使胶粒带负电
若粒子以匀速沉降，则其所受的重力=沉降阻力，即 则 （12-5） 式中：v 为粒子的沉降速度；r 为粒子的半径；η为介质的黏度；ρ和ρ0分别为 粒子和介质的密度；g 为重力加速度。 由上式可以看出，沉度速度 v 与 r 2成正比，所以粒子的大小对沉降速度的影 响很大，粒子越小，其沉降速度越慢。对于半径在 10-9 ~10-6 m 的胶体粒子来说， 其沉降速度非常缓慢，且外界因素如温度的对流、机械振动等都会阻止沉降。 对于多级分散体系来说，由于粒子的大小不一，粒子的沉降速度不同，通过 测定沉降速度，就可以求得粒子的大小及分散体系中某一定大小的粒子所占的百 分量，这项工作称为沉降分析。沉降分析在土壤学上非常重要。属于土壤机械分 析的一部分。 12.2.5 溶胶的电学性质 1．电动现象 在外加电场的作用下，胶体颗粒在分散介质中的定向移动为电泳 （electrophoresis）。在外加电场的作用下，毛细管内或多孔性固体内液体相 对于固体表面的运动称为电渗（electroosmosis）。电泳和电渗都属于电动现象。 它们均是胶粒带电的最主要的实验证据。通过研究电动现象，可以确定胶粒所带 电荷的符号，对进一步了解胶体的结构，及电解质对溶胶稳定性的影响具有重要 意义。 2．胶粒表面电荷的来源 电动现象证明溶胶中的胶粒带电，带正电的溶胶称为正电性溶胶，如氢氧化 铁溶胶；带负电的溶胶称为负电性溶胶，如金、银、硫化砷溶胶。胶粒表面带电 的主要原因有： （1）吸附 溶胶粒子会选择性吸附溶液中某些离子而带电。例如用水解反 应制备 Fe(OH)3溶胶时，Fe(OH)3颗粒表面会吸附溶液中的 FeO+，而使胶粒带正电。 （2）电离 例如硅酸溶胶，由于表面层分子发生电离（H2SiO3=2H+ +SiO3 2-） 而使胶粒带负电