关于胶体化学的几个基本概念.docx

关于胶体化学的几个基本概念.docx

《关于胶体化学的几个基本概念.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于胶体化学的几个基本概念.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

关于胶体化学的几个基本概念

一、概述

    1．关于胶体化学的几个基本概念

（1）相和相界面

    相是指那些物质的物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分。

体系中有两个或两个以上的相，称为多相体。

相与相之间的接触面称为相接面。

（2）分散相与分散介质

    在多相分散体系中，被分散的物质叫做分散相。

包围分散相的另一相，称为分散介质。

例如，水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。

    （3）分散度和比表面

    分散度是某一分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径或长度的倒数来表示。

如果用D表示分散度，用a表示颗粒的平均直径或长度，则分散度可表示为D＝1／a。

比表面是物质分散度的另一种量度，其数值等于全部分散相颗粒的总面积与总质量（或总体积）之比。

如果用S代表总表面积，用V表示总体积，用m表示总质量，则比表面可表示为：

            S比＝S／V（m-1）            （2-2）

    或S比＝S／m（m-1／kg）            （2-3）

    物质的颗粒愈小，分散度愈高，比表面愈大，界面能与界面性质就会发生惊人的变化。

所有颗粒分散体系的共性是具有极大的比表（界）面。

    按分散度不同，可将分散体系分为细分散体系与粗分散体系。

胶体实际上是细分散体系，其分散相的比表面≥104m2／kg，其颗粒长度在1nm～1μm之间。

悬浮体则属于粗分散体系，其比表面大致不超过104m2／kg分散相的颗粒直径在1～40／μm之间。

钻井液是复杂的胶体分散体系。

水基钻井液基本上是溶胶和悬浮体的混合物，本书中统称为胶体分散体系。

    （4）吸附作用

    物质在两相界面上自动浓集（界面浓度大于内部浓度）的现象，称为吸附。

被吸附的物质称为吸附质，吸附吸附质的物质称为吸附剂。

按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附两类。

仅由范德华引力引起的吸附，是物理吸附。

这类吸附一般无选择性，吸附热较小，容易脱附。

若吸附质与吸附剂之间的作用力为化学键力，这类吸附叫化学吸附。

化学吸附具有选择性，吸附热较大，不易脱附。

    2．沉降与沉降平衡

    钻井液中的粘土粒子，在重力场的作用下会沉降。

由于粒子沉降，下部的粒子浓度增加，上部浓度低，破坏了体系的均匀性。

这样又引起了扩散作用，即下部较浓的粒子向上运动，使体系浓度趋于均匀。

因此，沉降作用与扩散作用是矛盾的两个方面。

    若胶体粒子为球形，半径为r，密度为ρ，分散介质的密度为ρ0，则下沉的重力F1为：

    F1＝（4/3）πr3（ρ－ρ0）g      （2-4）

    式中

        g－重力加速度；

        r－粒子半径。

    若粒子以速度υ下沉，按斯托克斯（stokes）定律，粒子下沉时所受的阻力F2为：

            F2＝6πηrν        （2-5）

    式中η-介质粘度。

    当F1＝F2时，粒子匀速下沉，则：

        ν＝（2r2/9η）（ρ－ρ0）g        （2-6）

    这就是球形质点在介质中的沉降速度公式。

    3．粘土-水胶体分散体系中的电动现象

    胶体的电动现象包括电泳、电渗、流动电位与沉降电位的产生。

电泳是在外加电场作用下，带电的胶体粒子在分散介质中，向与其本身电性的电极移动的现象。

电渗是在外加电场作用下，液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象。

流动电位是不加外电场而用机械力促使两相间发生相对移动时，由于正负电荷分布不均，两相间就会产生电位。

沉降电位是由于胶粒的重力而在介质中下沉所产生的电位。

电动现象的存在，说明了胶粒表面总带有电荷。

胶粒表面电荷的主要来源有：

电离作用、晶格取代作用、离子吸附作用以及未饱和键等。

    4．胶团结构

    溶胶粒子大小在1nm一1pm之间，所以每个溶胶粒子是由许多分子或原子聚集而成的。

例如，用稀AgNO3，溶液与KI溶液制备AgI溶胶时，首先形成不溶于水的AgI粒子，它是胶团的核心。

研究表明，AgI也具有晶体结构，它的比表面很大，所以，如果AgNO3过量，按法扬斯（Fajans）法则，AgI易从溶液中选择吸附Ag+而构成胶核，被吸附的Ag+称为定势离子。

留在溶液中的NO3-离子，因受胶核的吸引围绕于其周围，称为反离子。

但反离子本身有热运动，结果只有部分NO3-离子靠近胶核，并与被吸附的Ag+一起组成所谓"吸附层"，而另一部分NO3-则扩散到较远的介质中去，形成所谓"扩散层"。

胶核与吸附层NO3－组成"胶粒"。

由胶粒与扩散层中的反离子NO3－组成"胶团"。

胶团分散于液体介质中，便是溶胶。

AgI的胶团结构可表示如下：

    若KI过量，则I-优先被吸附，此时其胶团结构为：

    从胶团结构式可以看出，构成胶粒的核心物质，决定电位离子（定势离子）和反离子。

    关于粘土教团，现以某种纯的钠蒙脱石为例，其胶团结构可表示为：

    总之，组成胶核的分子或原子一般为几百至几千个，反离子的电荷数等于定势离子的电荷数，所以胶团是电中性的。

在布朗运动中，胶粒运动．而扩散层的反离子则由于与定势离子的静电引力减弱，    5．扩散双电层理论与电动电位

（1）扩散双电层的形成与结构

    1924年，Stern提出了较完善的扩散双电层理论，其要点如下：

从胶团结构可知，既

    然胶体粒子带电，那么在它周围必然分布着电荷数相等的反离子，于是在固液界面形成双电层。

双电层中的反离子，一方面受到固体表面电荷的吸引，靠近固体表面；另一方面，由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的能力。

这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在胶粒周围，构成扩散双电层。

在扩散双电层中反离子的分布是不均匀的，靠近固体表面处密度高，形成紧密层（吸附层），如图2-14所示.

譬如，固体表面吸附的反离子为负离子，随着与界面的距离增大，负离子的分布由多到少，到了正电荷的电力线所不及的距离处，作为反离子的负电荷就等于零。

从固体表面到反离子为零处的这一层称为扩散双电层。

    反离子是溶剂化（例如水化）的，固体表面上紧密地连接着部分反离子，构成图中的吸附溶剂化层（紧密层）。

其余的离子带着其溶剂化壳，扩散地分布到液相中，构成扩散层。

当胶粒运动时，界面上的吸附溶剂化层随着一起运动，与外层错开。

吸附溶剂化层与外层错开的界面称为滑动面。

从吸附溶剂化层界面（滑动面）到均匀液相内的电位，称为电动电位（或（电位）；从固体表面到均匀液相内部的电位，称为热力学电位（或ξ电位）。

热力学电位决定于固体表面所带的总电荷，而ξ电位则取决于固体表面电荷与吸附溶剂化层内反离子电荷之差。

（2）粘土溶胶、悬浮体双电层的特点

    由于粘土矿物晶体层面与端面结构不同，因此，可以形成两种不同的双电层，这就是所谓粘土胶体双电层的两重性。

这一点显著地区别于其它胶体，下面分别加以讨论：

    ①粘土层面上的双电层结构。

正如前面所述，在蒙脱石和伊利石的晶格里，硅氧四面体晶片中部分Si4+可被Al3+取代，铝氧八面体晶片中部分A13+可被Mg2+或Fe2+等取代。

这种晶格取代作用造成粘土晶格表面上带永久负电荷，于是它们吸附等电量的阳离子（Na+、Ca2+、Mg2+等）。

若将这些粘土放到水里，吸附的阳离子便解离，向外扩散，结果形成了胶粒带负电的扩散双电层。

粘土表面上紧密地连接着一部分水分子（氢键连接）和部分带水化壳的阳离子，构成吸附溶剂化层；其余的阳离子带着它们的    溶剂化水扩散地分布在液相中，组成扩散层，如图2-15所示。

    ②粘土端面上的双电层结构。

粘土矿物晶体端面上裸露的原子结构和层面上不同。

在端面，粘土晶格中铝氧八面体与硅氧四面体原来的键被断开了。

八面体处端部表面相当于铝矾土[A1（OH）3]颗粒的表面。

不少研究者指出，当介质的pH值低于9时，这个表面上OH-解离后会露出带正电的铝离子，故可以形成正溶胶形式的双电层；而在碱性介质中，由于这个表面上的氢解离，裸露出带负电的表面（>A1-O-）。

在这种情况下所形成的双电层，其电性与层面上相同。

    另外，在粘土硅氧四面体的端面，通常由于H＋的解离而带负电。

但粘土悬浮体中常常有少量Al3＋存在，它将被吸附在硅氧四面体的破键处，从而使之带正电。

粘土端面可以形成正溶胶形式的双电层，这一点与电泳实验中粘土颗粒带负电并不矛盾。

因为端面所带的正电荷与粘土层面上带的负电荷数量相比，是很少的。

就整个粘土颗粒而言，它所带的净电荷是负的，故在电场的作用下向正极运移。

    （3）双电层中的电位

    ①电动电位（ζ电位）

    电动电位是扩散双电层的重要特征参数。

从图2-14可以看出，电动电位（ζ）的数值取决于吸附层滑动面上的净电荷数。

    ②扩散层电位

    扩散层电位甲比较微弱，随距固体表面的距离χ变化，服从指数关系，即扩散层电位（ψ）按指数关系下降，如下式：

           ψ＝ψ0exp（－Kχ）        （2-7）

    式中ψ-扩散层中任一点的电位；

    ψ0-热力学电位（表面电位）；

    K-德拜参数；

    1／K--离子氛（扩散双电层）的厚度；

    χ-离开表面的距离。

    显然，当χ＝1／K时，

      ψ＝ψ0／e      （2-8）

    由式2-8可以看出，在距离χ等于1／X处，电位的下降为ψ0的1／e倍。

当χ→∞，时，ψ→0。

当X等于零时，ψ＝ψ0。

    （4）影响双电层厚度与电动电位（ζ）的因素

    胶体的聚结稳定性与双电层厚度、电动电位大小有密切关系。

双电层愈厚，（愈大，胶体愈稳定。

根据强电解质的德拜-休格理论，双电层的厚度主要取决于溶液中电解质的反离子价数与电解质的浓度，这是因为             

    式中n-电解质浓度；Z-电解质的离子价数（系均称电解质，如NaCl，MgSO4等）；e-电子电荷；        ε-介电常数。

             由式（2-9）可以看出，随着加入电解质浓度自离子氛（即扩散双电层）厚度下降。

    粘土溶胶悬浮体的组成和性能比一般胶体更为复杂。

由于钻井液是由粘土、水、各种处理剂组成的混合体系，故其电动电位受多种因素的影响。

除了上述加入电解质对C电位的影响外，还受pH值、交换性阳离子与吸附的阴离子等因素的影响。

二、粘土-水胶体分散体系的稳定性与聚结

返回

    胶体的稳定与破坏是胶体化学的核心问题，这是因为胶体是高度分散的多相分散体系，具有很大的比表面和表面能。

根据表面能自发下降的原理，胶体质点有自发聚结变大的趋势，以降低表面能。

也就是说，胶体是热力学上的不稳定体系。

胶体体系的不稳定性是绝对的，稳定性是相对的，有条件的。

如金溶胶可以稳定几年或几十年，Fe（OH）3也可以稳定几个月或一年，但终究是要被破坏的。

钻井液是复杂的胶体体系，用各种方法，如加入各种处理剂调整钻井液性能，本质上就是调整胶体的稳定性。

那么，哪些因素使胶体具有相对稳定性，胶体稳定与破坏的规律是什么?

这就是下面所要讨论的主要内容。

    1．胶体稳定性的概念

    所谓胶体的稳定性有两种不同的概念：

即动力（沉降）稳定性和聚结稳定性。

（1）动力稳定性

    是指在重力作用下分散相粒子是否容易下沉的性质。

一般用分散相下沉速度的快慢来衡量动力稳定性的好坏。

例如，在一个玻璃容器中注满钻井液，静止24h后，分别测定上部与下部的钻井液密度。

其差值愈小，则动力稳定性愈强，说明粒子沉降速度很慢。

（2）聚结稳定性

    是指分散相粒子是否容易自动地聚结变大的性质。

不管分散相粒子的沉降速度如何，只要它们不自动降低分散度，聚结度变大，该胶体就是聚结稳定性好的体系。

必须指出，动力稳定性与聚结稳定性是两种不同的概念，但是它们之间又有联系。

如果分散相粒子自动聚结变大，那么，由于重量加大，必然引起下沉。

因此，失去聚结稳定性，最终必然失去动力稳定性。

由此可见，在上述两种稳定性中，聚结稳定性是最根本的。

    2．影响动力稳定性的因素

（1）重力的影响

    重力是动力稳定性的决定因素，因此，首先分析重力对动力稳定性的影响。

如前所述，固体颗粒在液体介质中受到的净重力如式（2-9）所示：

        F1＝（4/3）πr3（ρ－ρ0）g       （2-10）

    由上式可以看出，π、g均为常数，因此，分散相质点在胶态体系中所受的净重力，主要决定于固体颗粒半径的大小，其次决定于分散相与分散介质的密度差。

钻井液中用的加重材料必须磨得很细才能悬浮，就是这个道理。

（2）布朗运动的影响

    理论与实践均证明，颗粒半径愈小，布朗运动愈剧烈，因此，布朗运动对于溶胶的动力稳定性起着重要的作用。

当直径大于约5／μm时，就没有布朗运动了，因此，悬浮体是动力学上的不稳定体系。

    （3）介质粘度对动力稳定性的影响

    如前所述，根据斯托克斯（Stokes）定律，在液体介质中，固体颗粒下沉的速度如式（2-11）所示：

       υ＝2r2（ρ－ρ0）g／9η     （2-11）

    从上式可见，固体颗粒下沉速度与介质粘度成反比，因此，提高介质粘度可以提高动力稳定性。

钻井液要求有适当的粘度，这是其重要原因之一。

    3．聚结稳定性

（1）静电稳定理论

    由Derjaguin-Landau和Verwey-Overbeek等四人分别提出的静电稳定理论（DLVO理论），是目前对胶体稳定性，以及电解质对胶体稳定性的影响解释得比较完善的理论。

根据这一理论，溶胶粒子之间存在两种相反的作用力：

吸力与斥力。

如果胶体颗粒在布朗运动中相互碰撞时，吸力大于斥力，溶胶就聚结；反之，当斥力大于吸力时，粒子碰撞后又分开了，保持其分散状态。

下面分别讨论颗粒之间的吸力与斥力。

    ①两个溶胶粒子间的吸力

    溶胶粒子间的吸力，本质上是范德华引力，但它和单个的分子不同，溶胶粒于是许多分子的聚结体，因此，溶胶粒子间的引力是胶体粒子中所有分子引力的总和。

一般分子间的引力，与分子间的距离的6次方成反比；而溶胶粒子间的吸引力，与距离间的3次方成反比。

这说明溶胶粒子间有"远程"范德华引力，有的文献报导，它在离开颗粒表面100nm，甚至更远的地方仍起作用。

    溶胶粒子之间引力的数学表达式如下：

    同一物质，当半径为虞时，两个球形溶胶粒子之间的引力位能为

        VA＝-Aa／12H        （2-12）

    式中H-两球之间的最短距离；

    A-哈马克（Hamaker）常数，10-19～10-20J。

    两个彼此平行板胶体粒子之间（如粘土胶体）的引力能为：

        VA＝一A／12πD2        （2-13）

    式中D--平板间距离。

    式（2-12）和（2-13）均是指在真空中物质的两个胶粒或分子在近距离时的相互作用。

对于分散在介质中的胶粒，例如在水中，应该用有效Hamaker常数来代替，即如果考虑颗粒1浸没在介质2中，则

         A121＝A11+A22一2A12        （2-14）

    因为A12＝（A11×A22）1/2    （2-15）    所以A121＝（A11－A22）2

    （2-16）    式中A121-胶粒在介质中的有效哈马克常数；

        A22-介质本身的哈马克常数。

    从式（2-16）中可以看出，A121总是正值。

这说明一种分散颗粒在另外的介质中总是相互吸引的，所以胶体不稳定。

此外，由式中可见，A121总小于且A11，这说明浸没在介质中的颗粒，它们之间的吸力总是减弱。

    ②胶粒间的相互排斥力

    胶粒间的排斥力来源于两方面：

一方面是静电斥力；另一方面是溶剂化膜（水化膜）斥力。

    胶粒间的静电斥力是由扩散双电层引起的。

布朗运动会造成胶体粒子沿着滑动面错开，使胶粒带电，于是胶粒间产生静电斥力。

胶粒间静电斥力的大小取决于电动电位的大小，两个胶粒之间的静电斥力与电动电位的平方成正比。

电动电位的大小与扩散层中反离子的多少、离子水化膜的厚薄有密切关系。

    扩散层离子水化膜变薄时，会导致扩散层变薄，即扩散层中部分反离子进入吸附层（紧密层），从而使电动电位降低，结果胶体发生聚结。

反之，当扩散层离子水化膜变厚时，扩散层也变厚，这时扩散层中反离子浓度较低，吸附层中的反离子因热运动，进入扩散层的机会增多，结果使电动电位升高。

    许多实验证明，在胶粒周围，会形成一个溶剂化膜（水化膜）。

对于水化膜来说，膜中的水分子是定向排列的。

当胶体粒子相互接近时，水化膜被挤压变形，但引起定向排列的引力，将力图使水分子恢复原来的定向排列。

这样，水化膜就表现为弹性，成为胶粒接近的机械阻力。

另外，水化膜中的水和体系中的自由水相比，有较高的粘度，从而增加了胶体粒子间的机械阻力，这些阻力统称为水化膜斥力。

    如上所述，水化膜的厚度和扩散层的厚度相当。

当然，此数值要受体系中电解质浓度的影响。

当电解质浓度增大时，扩散双电层厚度减小，故水化膜变薄。

    两个平板形胶体粒子（如粘土胶体）之间的斥力位能可由下式求得：

         VR＝64n0κTr02e-2Kd／K      （2-17）

    式中n0-均匀溶液的离子浓度；

    κ－波尔兹曼常数；

    T-绝对温度；

    r0-与釉有关的参数；

    d-粒子间距离；

    K-德拜常数。

    式（2-17）表明，胶体粒子间的斥力是其距离的指数函数，也就是说：

随距离d的增加，胶粒间的斥力VR按指数下降；当d＝0时，VR为常数。

    ③胶粒间吸引能与排斥能的总和。

    溶胶粒子间的位能为吸引位能与排斥位能之和，若令位能为y，则

       V=VA+VR      （2-18）

    趋近时，系统总位能随距离的变化。

横坐标表示两个粒子间的距离，纵坐标表示斥力能（正值）与吸引能（负值），VR表示斥力能曲线，VA表示吸力V

    能曲线，B表示总位能曲线。

吸力能（VA）只在很   短的距离内起作用，斥力能（VR）的作用稍远些。

当d→0时，VA→∞，引力随着粒子的接近而迅速增加。

当两个胶粒相距较远时，离子氛尚未重叠，   粒子间的"远程"吸力能在起作用，即吸力能占优势，曲线在横轴以下，总位能为负值；随着距离的趋近，离子氛重叠，斥力能开始起作用，总位能逐渐上升为正值。

当两个胶粒靠近到一定距离处，位能达到最大，出现一个斥能峰E0，只有粒子的动能超过这一点时才能聚沉，所以该斥能峰的高低往往标志着溶胶稳定性的强弱。

从胶粒间总位能曲线图可知，絮凝与聚结是两个不同的概念。

当胶粒处于第二位能极小值时，表现为絮凝状态，这时颗粒间的连接力较弱。

絮凝是可逆的。

而当胶粒处于第一位能极小值范围时，则表现为聚结状态。

聚结是不可逆的。

（2）影响聚结稳定性的因素

    胶体粒子之间的吸力能是永恒存在的。

只是当胶体处于相对稳定状态时，吸力能被斥力能所抵消而已。

一般说来，外界因素很难改变吸引力的大小，然而改变分散介质中电解质的浓度与价态则可显著影响胶粒之间的斥力位能。

    ①电解质浓度的影响

    图2-18a、b、c分别表示在低、中、高三种电解质浓度条件下胶体粒子间的作用位能与其距离的关系。

从图中可见，在低的和中等浓度电解质存在时，总位能有一个最大值，但随着电解质浓度的升高，斥能峰降低；而高浓度电解质存在时，除了胶体粒子非常靠近的距离以外，在任何距离上都是吸引能占优势，在这种情况下聚结速度最快（图2-18c）。

在中等电解质浓度下（图2-18b），由于"远程"斥力能的作用，聚结过程延缓了。

在低电解质浓度下（图2-18a），由于存在明显的"远程"斥力作用，聚结过程很慢，要几周或几个月才发生明显的聚结。

    ②反离子价数的影响

    通常用聚沉值和聚沉率两个指标定量地表示电解质对溶胶聚结稳定性的影响。

能使溶胶聚沉的电解质最低浓度称为聚沉值。

各种电解质有不同的聚沉值。

该值仅仅是个相对值，它与溶胶的性质、含量、介质的性质以及温度等因素有关。

如果各种条件确定，那么电解质对某一溶胶的聚沉值也是一定的。

因此具体来讲，聚沉值（或临界聚沉浓度）是指在指定条件下，使胶体明显聚沉所需的最低浓度，以mmol／1表示。

聚沉值愈低，说明电解质的聚沉能力愈强。

    聚沉率是聚沉值的倒数。

聚沉率愈高，电解质的聚沉能力愈强。

Schulze-Hardy分别研究了电解质对不同溶胶的聚沉值。

结果表明，电解质中起聚沉作用的，主要是与胶粒带相反电荷的反离子，反离子价数愈高，聚沉值愈低，聚沉率愈高。

从大量实验资料总结出如下规律：

        M＋：

M2＋：

M3＋＝100：

1．6；0．3＝（1／1）6：

（1／2）6：

（1／3）6

    上述括号中的分母为反离子价数，由此可见，电解质的聚沉值与反离子价数的6次方成反比，这个规则称为舒采-哈迪（Schulze-Hardy）规则。

    杰略金和郎台根据胶体粒子间的吸力和斥力导出了电解质对溶胶的聚沉值（υc）:

        υc＝[cD3（kT）5／（A2e6Z6）      （2-19）

式中    A-哈马克常数（范德华引力常数）；

    e一电荷数；

    Z－反价离子价数；

    c－与电介质阴阳离子对称性有关的常数；

    D－介质的介电常数。

    由此可以看出，υc与反离子价数的6次方成反比，即

       υc＝K／Z6          （2-20）

    式中K-常数。

    式（2-20）定量地说明了舒采-哈迪（Schulze-Hardy）规则。

    ③反离子大小的影响

    同价离子的聚沉率虽然相近，但仍有差别，特别是一价离子的差别比较明显，若将各离子按其聚沉能力的顺序排列，则一价阳离子的排序为：

      H+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+

    一价阴离子的顺序为，

      F->IO3->H2PO4->BrO3->Cl->C1O3->Br->I->CNS-

    同价离子聚沉能力的次序称为感胶离子序，与水化离子半径从小到大的次序大致相同，这可能是由于水化离子半径越小，越容易靠近胶体粒子的缘故。

对高价离子，影响其聚沉能力的因素中，价数是主要的，离子大小的影响，相对地就不那么显著了。

    ④同号离子的影响

    与胶粒所带电荷相同的离子称为同号离子，一般说来。

它们对胶体有一定的稳定作用，可以降低反离子的聚沉能力。

但有机高聚物离子（聚电解质）例外，即使与胶粒带电相同，也能被胶粒吸附。

    ⑤相互聚沉现象

    一般情况下，带相同电荷的两种溶胶混合后没有变化，当然也有个别例外。

若将两种相反电荷的溶胶相互混合，则发生聚沉，这种现象叫做相互聚沉现象。

由于多数钻井液都是粘土-水胶体分散体系，因此上面介绍的这类体系的稳定和聚结原理对钻井液优化设计和现场应用具有重要的指导意义。