河北科技大学教案用纸河北科技大学大学英语精品课.docx
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河北科技大学教案用纸河北科技大学大学英语精品课
第39次课2学时
上次课复习：
回顾§12.1胶体系统的制备；§12.2胶体系统的光学性质；§12.3胶体系统的动力性质
主要内容，讲解部分疑难习题
本次课题（或教材章节题目）：
§12.4溶胶系统的电学性质;§12.5溶胶的稳定性与聚沉
教学要求：
了解胶体系统电学特性；根据扩散双电层理论书写胶团结构,理解胶体稳定与破坏的因素
重点：
双电层理论，胶团结构
难点：
胶团结构的书写和聚沉值的计算
教学手段及教具：
多媒体结合板书
讲授内容及时间分配：
§12.4溶胶系统的电学性质;
1学时
§12.5溶胶的稳定性与聚沉
1学时
课后作业
12.7;12.8;12.10;12.11;12.12;12.13;12.14
参考资料
物理化学（第四版，南京大学傅献彩等著）
物理化学解题指导（河北科技大学物理化学教研室编）
注：
本页为每次课教案首页
§12.4溶胶系统的电学性质
胶粒带电的本质
（1）胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电。
例如：
在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过量，则优先吸附I-离子，胶粒带负电。
（2）离子型固体电解质形成溶胶时，由于正、负离子溶解量不同，使胶粒带电。
例如：
将AgI制备溶胶时，由于Ag+较小，活动能力强，比I-容易脱离晶格而进入溶液，使胶粒带负电。
（3）可电离的大分子溶胶，由于大分子本身发生电离，而使胶粒带电。
例如蛋白质分子，有许多羧基和胺基，在pH较高的溶液中，离解生成P–COO-离子而负带电；在pH较低的溶液中，生成P-
离子而带正电。
在某一特定的pH条件下，生成的-COO-和-
数量相等，蛋白质分子的净电荷为零，这pH称为蛋白质的等电点。
1.双电层理论（doublelayer）
当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。
对于双电层的具体结构，一百多年来不同学者提出了不同的看法。
最早于1879年Helmholz提出平板型模型；
1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型，提出了扩散双电层模型；
后来Stern又提出了Stern模型。
平板型模型
亥姆霍兹认为固体的表面电荷与溶液中带相反电荷的（即反离子）构成平行的两层，如同一个平板电容器。
整个双电层厚度为0。
固体表面与液体内部的总的电位差即等于热力学电势0，在双电层内，热力学电势呈直线下降。
在电场作用下，带电质点和溶液中的反离子分别向相反方向运动。
这模型过于简单，由于离子热运动，不可能形成平板电容器。
扩散双电层模型
Gouy和Chapman认为，由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果，溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二个离子厚度称为紧密层；
另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，离子的分布可用玻兹曼公式表示，称为扩散层。
双电层由紧密层和扩散层构成。
移动的切动面为AB面。
而根据波耳兹曼定律，x处的电势
其中κ－1具有双电层厚度的物理意义。
Stern模型
Stern对扩散双电层模型作进一步修正。
他认为吸附在固体表面的紧密层约有一、二个分子层的厚度，后被称为Stern层；
由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面。
由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略右的曲线表示。
从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为。
电动电势（electrokineticpotential）
电动电势亦称为
电势。
带电的固体或胶粒在移动时，移动的切动面与液体本体之间的电位差称为电动电势。
在扩散双电层模型中，切动面AB与溶液本体之间的电位差为
电位；
在Stern模型中，带有溶剂化层的滑移界面与溶液之间的电位差称为
电位。
电位总是比热力学电位低，外加电解质会使
电位变小甚至改变符号。
只有在质点移动时才显示出
电位，所以又称电动电势。
ζ电势与电解质浓度有关。
电解质浓度越大，扩散层越薄，ζ电势越小。
当电解质浓度足够大时，可使电势为零，称为等电态，此时电泳、电渗速度为零,溶胶很容易聚沉。
2.溶胶的电动现象
由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则介质带与胶粒相反的电荷。
在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电泳和电渗的电动现象，这是因电而动。
胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生沉降电势；带电的介质发生流动，则产生流动电势。
这是因动而产生电。
以上四种现象都称为电动现象。
（1）电泳（electrophoresis）
带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。
影响电泳的因素有：
带电粒子的大小、形状；粒子表面电荷的数目；介质中电解质的种类、离子强度，pH值和粘度；电泳的温度和外加电压等。
从电泳现象可以获得胶粒或大分子的结构、大小和形状等有关信息。
当胶体粒子半径较大而双电层厚度较小即：
r>>1时，可用斯莫鲁科夫斯基公式描述电泳速度v和ζ电势间的关系：
其中u为胶核的电迁移率，ε为介质的介电常数，η为介质的粘度。
斯莫鲁科夫斯基公式适合描述介质为水的胶体系统的电泳。
当胶体粒子半径较小而双电层厚度较大即：
r<<1时，可用休克尔公式描述电泳速度v和ζ电势间的关系：
其中u为胶核的电迁移率，ε为介质的介电常数，η为介质的粘度。
休克尔公式适合描述介质为有机溶剂的胶体系统的电泳。
界面移动电泳仪
首先在漏斗中装上待测溶胶，U型管下部活塞内径与管径相同。
实验开始时，打开底部活塞，使溶胶进入U型管，当液面略高于左、右两活塞时即关上，并把多余溶胶吸走。
在管中加入分散介质，使两臂液面等高。
小心打开活塞，接通电源，观察液面的变化。
若是无色溶胶，必须用紫外吸收等光学方法读出液面的变化。
另外要选择合适的介质，使电泳过程中保持液面清晰。
根据通电时间和液面升高或下降的刻度计算电泳速度。
（2）电渗（electro-osmosis）
在外加电场作用下，带电的介质通过多孔膜或半径为1~10nm的毛细管作定向移动，这种现象称为电渗。
外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。
电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。
电渗实验
图中，3为多孔膜，可以用滤纸、玻璃或棉花等构成；也可以用氧化铝、碳酸钡、AgI等物质构成。
如果多孔膜吸附阴离子，则介质带正电，通电时向阴极移动；反之，多孔膜吸附阳离子，带负电的介质向阳极移动。
在U型管1,2中盛电解质溶液，将电极5,6接通直流电后，可从有刻度的毛细管4中，准确地读出液面的变化。
例子：
在两个充有0.001mol/L的KCl溶液的容器之间放一个由AgCl晶体的多孔塞,其细孔道中也充满了KCl溶液。
在多孔塞两侧放两个接直流电源的电极，问通电时介质将向哪一极方向移动？
若改用0.1mol/L的KCl溶液,在相同的外电场中,介质流动速度是变快还是变慢？
若用AgNO3溶液代替原来用的KCl溶液，情形又将如何？
答：
充以KCl溶液，AgCl晶体吸附Cl离子，介质带正电，介质向负极移动。
KCl浓度增加，ζ电位下降，介质移动速度变慢。
用AgNO3溶液，移动方向相反，但增加其浓度也使运动速度变慢。
（3）流动电势（streamingpotential）
含有离子的液体在加压或重力等外力的作用下，流经多孔膜或毛细管时会产生电势差。
这种因流动而产生的电势称为流动电势。
因为管壁会吸附某种离子，使固体表面带电，电荷从固体到液体有个分布梯度。
当外力迫使扩散层移动时，流动层与固体表面之间会产生电势差，当流速很快时，有时会产生电火花。
在用泵输送原油或易燃化工原料时，要使管道接地或加入油溶性电解质，增加介质电导，防止流动电势可能引发的事故。
（4）沉降电势（sedimentationpotential）
在重力场的作用下，带电的分散相粒子，在分散介质中迅速沉降时，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差，这就是沉降电势。
贮油罐中的油内常会有水滴，水滴的沉降会形成很高的电势差，有时会引发事故。
通常在油中加入有机电解质，增加介质电导，降低沉降电势。
3.溶胶的胶团的结构
形成憎液溶胶的必要条件是：
（1）分散相的溶解度要小；
（2）还必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚结而聚沉。
胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；
然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；
胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。
胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。
若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。
例1：
AgNO3+KI→KNO3+AgI↓
过量的KI作稳定剂
胶团的结构表达式：
[（AgI）mnI–·（n-x）K+]x–·xK+
胶团的图示式：
例2：
AgNO3+KI→KNO3+AgI↓
过量的AgNO3作稳定剂
胶团的结构表达式：
[（AgI）mnAg+·（n-x）NO3–]x+·xNO3–
胶团的图示式：
例子：
用As2O3与略过量的H2S制成的硫化砷As2S3溶胶，试写出其胶团的表达式。
解：
H2S为弱酸，考虑它作一级电离，则：
［（As2O3）mnHS－·（n－x）H＋］xH＋
以KI和AgNO3为原料制备AgI溶胶时，当稳定剂是KI或AgNO3时，胶核所吸附的离子有何不同？
胶核吸附稳定离子有何规律？
解：
（AgI）m胶核在KI过量作稳定剂时吸附I离子，AgNO3过量时则吸附Ag离子。
胶核吸附离子的规律是首先吸附使胶核不易溶解的离子及水化作用较弱的负离子。
胶粒的形状
作为憎液溶胶基本质点的胶粒并非都是球形，而胶粒的形状对胶体性质有重要影响。
质点为球形的，流动性较好；若为带状的，则流动性较差，易产生触变现象。
例如：
（1）聚苯乙烯胶乳是球形质点
（2）V2O5溶胶是带状的质点
（3）Fe（OH）3溶胶是丝状的质点
§12.5溶胶的稳定性与聚沉
憎液溶胶是热力学不稳定系统，它之所以稳定存在，是因为它具有一定的动力学稳定性，其动力学稳定的原因可用DLVO理论解释。
1.溶胶的经典稳定理论——DLVO理论
DLVO理论要点：
a）胶团之间既存在引力势能，也存在斥力势能。
b）溶胶的相对稳定性或聚沉取决与斥力势能或引力势能的相对大小。
c）斥力势能、引力势能以及总势能都随粒子间的距离的变化而变化，由于斥力势能及引力势能与距离关系的不同，因此必然会出现在某一距离范围内引力势能占优势；而在另一距离范围内斥力势能占优势的现象
d）理论推导表明，加入电解质时，对斥力势能影响不大，但对引力势能的影响却十分明显。
溶胶的稳定性
动力学稳定性：
由于溶胶粒子小，布朗运动激烈，在重力场中不易沉降，使溶胶具有动力稳定性。
抗聚结稳定性：
胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量Vr，总作用能为Va+Vr。
如图所示：
当粒子相距较大时，主要为吸力，总势能为负值；当靠近到一定距离，双电层重叠，排斥力起主要作用，势能升高。
要使粒子聚结必须克服这个势垒。
影响溶胶稳定性的因素
1）外加电解质的影响。
这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使
电位下降，促使胶粒聚结。
2）浓度的影响。
浓度增加，粒子碰撞机会增多。
3）温度的影响。
温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加。
4）胶体体系的相互作用。
带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。
胶体稳定性的原因
a）分散相带电
b）溶剂化作用
c）布朗运动
2.溶胶的聚沉
（1）电解质的聚沉作用
聚沉：
憎液溶胶的分散相微粒相互凝结，颗粒变大，进而发生沉淀的现象。
电解质在浓度适量时对憎液溶胶起保护作用，但在浓度大时起聚沉作用。
聚沉值与聚沉能力
聚沉值使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度。
从已知的表值可见，对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。
聚沉能力是聚沉值的倒数。
聚沉值越大的电解质，聚沉能力越小；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。
Schulze-Hardy规则
聚沉能力主要决定于胶粒带相反电荷的离子的价数。
聚沉值与异电性离子价数的六次方成反比，这就是Schulze-Hardy规则。
例如，对于给定的溶胶，异电性离子分别为一、二、三价，则聚沉值的比例为：
1001.60.14
即为：
（1）与胶粒带相反电荷的离子的价数影响最大，价数越高，聚沉能力越强。
（2）与胶粒带相反电荷的离子就是价数相同，其聚沉能力也有差异。
例如，对胶粒带负电的溶胶，一价阳离子硝酸盐的聚沉能力次序为：
H+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+
对带正电的胶粒，一价阴离子的钾盐的聚沉能力次序为：
F->Cl->Br->NO3->I-
这种次序称为感胶离子序（lyotropicseries）。
等体积的0.08mol/LNaBr溶液和0.1mol/L的AgNO3溶液混合制AgBr溶胶，分别加入相同浓度的下述电解质溶液,其聚沉能力的大小次序如何？
（1）KCl,
（2）Na2SO4,（3）MgSO4,（4）Na3PO4
解：
4>2>3>1
（2）高分子化合物的聚沉作用
搭桥效应
脱水效应失支水化外壳而聚沉
电中和效应
离子型的高分子化合物吸附带电的胶体粒子中和了粒子的表面电荷
重点理解
重要理论
重点理解
重要概念
必须理解
重要现象
重要现象
重要概念
重点掌握
典型例题
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典型例题
详细讲授
典型例题
详细讲授
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