胶体粒子具有较大的表面积和极强的吸附力, 在水中能够对其中的色素或悬浮固体进行吸附, 形成沉淀, 净化水源。
胶体是物质在一定分散范围内的一种特殊存在状态, 并不是特殊的一种物质, 也不是物质本性, 其是一相或者多相的分散相在另一分散介质中以一定细度进行分散的多分散物系, 是一种亚微观物系, 介于宏观和微观的物质之间。胶体粒子在重力作用下不发生沉降作用, 或者其沉降的速度慢, 由此推断其胶体分散质点较小, 其范围为1nm~1μm。胶体是一种高度分散的体系, 其相系为两相或多相, 表/界面积较大。
根据胶体溶液的稳定性能能够将其分为两大类: (1) 亲液溶胶, 大分子在合适的容剂中进行分散, 属于热力学稳定, 是一种可逆体系; (2) 憎液溶胶, 难溶物在介质中进行分散, 其相界面较大, 容易发生聚沉, 热力学上并不稳定, 是一种不可逆体系, 其主要的特征有多相不均匀、分散度高及热力学不稳定。
胶体化学与界面化学:胶体化学研究的是10~1000nm粒子构成的分散系, 其性质主要有光学性质、电性质、动力学性质、流变性质以及胶体的稳定性和聚结。界面化学研究的内容主要是物质的截面特性, 如界面张力、界面现象、界面能、界面吸附、表面润湿和单分子膜等。胶体化学的内容与界面化学相互联系, 因此叫做胶体与界面化学。
研究对象:粗分散体系、表面活性剂缔合胶体以及高分子溶液。
1 胶体的性质及制备
1.1 制备和净化
胶体制备:分散法和凝聚法。分散法主要包括了研磨法、胶溶法、电弧法和超声分散法, 凝聚法主要包括了化学反应法、蒸汽骤冷法和更换溶剂法。
胶体净化:渗析法和超过滤法。渗析法主要包括了简单渗析和电渗析, 超过滤法主要包括了超过滤和电超过滤。
1.2 胶体性质
1.2.1 动力学性质
布朗运动:使粒子能够进行均匀的分布, 阻碍粒子受重力作用下降, 这是胶体体系动力稳定的主要因素;使粒子能够相互碰撞, 促进粒子的聚结变大, 这是胶体体系动力不稳定的主要因素, 平均位移公式
扩散和渗透:当液体中存在浓度梯度时, 物质粒子会由于热运动而在宏观上发生定向迁移的现象;满足第一扩散定律;溶胶动力稳定的因素之一。应用: (1) 求溶胶球形粒子半径D=x-2/2t; (2) 求溶胶球形粒子的摩尔质量
沉降及其平衡: (1) 重力沉降, 利用沉降平衡的原理可以对系统中粒子数的高度分布情况进行计算
1.2.2 光学性质
溶胶的光学并不均匀, 所以当一束入射光 (波长大于溶胶粒子直径) 射入溶胶系统时, 会发生散射, 也就是丁达尔现象。通过丁达尔现象能够对溶胶、大分子溶液和小分子溶液进行鉴别, 小分子溶液不发生丁达尔效应, 大分子溶液发生微弱的丁达尔效应, 溶胶发生显著的丁达尔效应。
1.2.3 电学性质
电动现象:溶胶粒子的运动情况与电性质的关系, 其中包含了电渗、电泳、沉降电势以及流动电势。电泳就是胶体粒子在外电场的作用下, 在分散介质中进行定向移动, 表明胶体粒子带电。溶胶的稳定性可以通过电位大小来衡量, 计算公式为, 其中μ是电泳速度, E是电位梯度, εr为相对介电常数, ε0为真空绝对介电常数, η为介质粘度, K为常数, 其具体数值与胶粒形状有关, 棒状粒子K=4, 球形粒子K=6, 计算电渗时K=4, 电位的正负性与电位离子符号一致。
带电原因: (1) 胶核选择吸附, 溶胶粒子就是胶核, 其是一种多分子聚集体, 与介质存在巨大的界面, 具有较大的表面能, 能够对稳定剂的离子进行选择吸附, 而存在与界面上。溶胶粒子会选择吸附与其自身组成类似或相同的离子。 (2) 固体表面的离子会在溶液中电离, 胶体粒子在生成时, 粒子表面有一些分子进行电离, 将与其组成相似的离子当做电位离子在表面上进行吸附, 使得离子带电。例如硅胶离子是二氧化硅的多分子聚集体, 其表面上的二氧化硅生产硅酸, 是一种弱酸, 电离出硅酸根离子。 (3) 两相接触带电, 溶胶粒子和介质如果介电常数不同且均为绝缘物质, 相互接触时会摩擦生电, 其亲和电子的能力不同, 电子流向是从亲和力小的想亲和力大的流动, 使得粒子带电, 介电常数大的相位正电, 小的为负电。 (4) 晶格取代, 在泥土粒子中, 晶格中的Si4+离子、铝离子会被镁离子和钙离子取代, 整个粒子带有正电, 相较于原电荷, 正负电荷的数目有差异。
1.2.4 稳定性
胶团结构:以碘化钾溶液滴加入硝酸银溶液中形成的碘化银正溶胶为例。
DLVO理论 (经典稳定理论) : (1) 在胶团之间, 不仅存在着斥力势能, 还存在引力势能; (2) 胶体系统的稳定或聚沉主要是由其引力势能和斥力势能的相对大小决定; (3) 斥力势能、引力势能及总势能都会随着粒子距离的变化而发生变化, 并且在某一间距范围内, 引力更占优势, 而另一间距范围内, 斥力占优势; (4) 引力势能并不会受到电解质加入的影响, 但是斥力势能会受到较大的影响, 加入电解质会使得系统总势能变化较多, 对电解质的浓度进行适当调整, 可以使胶体相对稳定。
1.2.5 溶胶的聚沉
聚沉:分散相微粒在憎液溶胶中会互相聚结构, 颗粒会变大, 出现沉淀的现象, 加入电解质、辐射或者加热都可以使溶胶发生聚沉现象。少量的电解质能够使溶胶相对稳定, 过量电解质会破坏溶胶, 也就是聚沉, 其主要原因有:其一, 电解质价数和浓度增加都会对扩散层进行压缩, 导致扩散层变薄, 降低斥力势能;其二, 加入的反离子会出现特性吸附, 其层内的反离子数量增加, 降低粒子的带电量。
聚沉值:能够使溶胶出现显著的聚沉现象所需的最小电解质浓度。
聚沉能力:聚沉值的导数就是聚沉能力。
价数规则:电解质中能够促使溶胶出现聚沉现象的离子为反离子, 其价数越高, 聚沉能力越强。同价离子的聚沉能力也有所差异: (1) 同价的正离子, 其具有较强的水化能力, 且半径越小, 其水化能力越强, 水化层越厚, 越不易被吸附, 使得进入层内的离子数量减少, 增大聚沉值。 (2) 同价的负离子, 其具有的水化能力较弱, 因此其半径越小, 吸附能力越强, 聚沉值也更小。
感胶离子序:将电荷相同的离子根据其聚沉能力的强弱进行排序H+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+, Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+, F->IO3->H2PO4->Br03->Cl->Cl O3->Br->NO3->Cl O4->I->SCN->OH-。
1.2.6 表面和界面
界面:指两相接触的几个分子厚度的过渡区, 如果其中一相是气体, 则将这种界面叫做表面。严格意义上, 表面就是固体、液体及其饱和蒸汽间的界面, 但通常情况下将其固体、液体和空气的界面叫做固体的表面和液体的表面。常见界面有气-固界面、气-液界面、液-固界面、液-液界面、固-固界面。
2 结语
胶体是物质在一定分散范围内的一种特殊存在状态, 是一相或者多相的分散相在另一分散介质中以一定细度进行分散的多分散物系, 属于亚微观物系, 是一种高度分散的体系, 其相系为两相或多相, 表/界面积较大。
摘要：胶体也叫做胶状分散体, 是一种内部均匀的混合物, 在其内部存在状态不同的两种物质, 分别是连续的和分散的, 胶体直径通常为1nm100nm。本文研究了胶体的制备与净化, 及其电学、光学、动力学性质和稳定性。
关键词：胶体性质,教学设计,性质探究
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