胶体分散系统.docx

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胶体分散系统

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第十章胶体分散系统

一．基本要求

1.了解胶体分散系统的三个基本特性。

2.了解憎液溶胶在动力性质、光学性质和电学性质等方面的特点以及如何应用这些特点对它进行粒度、带电情况等方面进行研究。

3.掌握憎液溶胶在稳定性方面的特点，会判断外加电解质对憎液溶胶稳定性的影响和电解质聚沉能力的大小。

4.了解大分子溶液与憎液溶胶系统的异同点，了解胶体分散系统平均摩尔质量的测定方法。

5.了解纳米技术的基本内容和广泛的应用前景。

二．把握讲课要点的建议

胶体分散系统以其特有的分散程度、多相不均匀性和热力学不稳定性，使得与一般的分子分散系统或粗分散系统在性质上有很大的不同，主要表现在：

动力性质、光学性质和电学性质等方面。

不要把憎液溶胶的三个特性与它在动力、光学和电学方面的性质混为一谈。

了解憎液溶胶的动力性质、光学性质和电学性质，目的是区别于分子分散系统或粗分散系统，利用这些性质可以对胶粒的大小、形状和带电情况进行研究。

大分子溶液与憎液溶胶在组成上完全是两回事，仅仅是因为它们的大小相仿，在粒度效应方面有一点共同之处，才放在一起研究，其实在光学性质、电学性质和受外来电解质影响方面有很大的区别。

大分子是由小分子聚合而成的，由于聚合的程度不同，因而分子的大小也不同，所以大分子物质的摩尔质量只能是平均摩尔质量，而且，测定的方法不同，摩尔质量的值也不同。

纳米技术目前是许多学科的研究热点，纳米材料的制备较多的是采用溶胶-凝胶法，学好胶体分散系统的性质，对纳米材料的研究有很大的帮助。

三．思考题参考答案

1.憎液溶胶有哪些特征？

答：

（1）特有的分散程度。

胶粒的大小一般在1－100nm之间，所以有动力稳定性强、散射作用明显、不能通过半透膜、渗透压低等特点。

（2）多相不均匀性。

胶团结构复杂，是一个具有相界面的超微不均匀质点。

（3）热力学不稳定性。

由于胶粒小、表面积大、表面能高，有自动聚结降低表面能的趋势。

所以要有稳定剂存在，由于带电的溶剂化层存在，可保护胶粒不聚沉。

2.有稳定剂存在时胶粒优先吸附哪种离子？

答：

稳定剂一般是略过量的某一反应物。

胶核首先吸附与胶核中相同的那个离子。

例如，制备AgI溶胶时，若KI略过量，胶核优先吸附I-离子，利用同离子效应保护胶核不被溶解。

若稳定剂是另外的电解质，胶核优先吸附的是使自己不被溶解的离子，或转变成溶解度更小的沉淀的离子。

一般优先吸附水化作用较弱的阴离子，所以自然界的天然胶粒如泥沙、豆浆、橡胶等都带负电。

3.当一束会聚光通过溶胶时，站在与入射光线垂直方向的同学，看到光柱的颜色是淡蓝色；而站在入射光180o方向的同学看到的是橙红色，这是为什么？

答：

站在与入射光线垂直方向（即侧面）的同学，看到的是胶粒的散射光。

根据瑞利公式，入射光波长越短，散射光越强。

所以，蓝色、紫色光容易散射，散射光呈淡蓝色。

而对着入射光看的同学，看到的是透射光。

在白光中，波长较短的蓝色、紫色光已被散射，剩下的透射光主要是波长较长的光，所以看到的透射光是橙红色的。

4.为什么有的烟囱冒出的是黑烟，有的却是青烟？

答：

这叫高音消雾。

声音是有能量的，喇叭的音波促使雾粒碰撞，使小水滴凝结成大水滴而下降，部分更小的水滴获得能量后气化。

所以在音波作用的较近的范围内，雾会很快消失。

由清华大学席葆树教授研制的大喇叭，输出功率为20000声瓦。

喇叭长5m,直径2.86m。

在雾天，这只喇叭朝飞机跑道上大吼一声，可以开出500m到1000m的清亮大道。

13.江河入海处为什么会形成三角洲？

答：

由于水土流失，江水中常常夹带大量泥沙。

到入海处河道变宽，流速变慢，泥沙沉积。

另一原因是江水中的泥沙微粒是带负电的胶粒，碰到含有大量电解质的海水就凝聚下沉。

这样长时间的沉积就形成了三角洲。

四．概念题参考答案

1．在稀的砷酸溶液中，通入H2S以制备硫化砷溶胶（As2S3），该溶胶的稳定剂是

H2S，则其胶团结构式是：

（）

（A）[（As2S3）m·nH+（n-x）HS-]x-·xHS-

（B）[（As2S3）m·nHS-,（n-x）H+]x-·xH+

（C）[（As2S3）m·nH+,（n-x）HS-]x+·xHS-

（D）[（As2S3）m·nHS-,（n-x）H+]x+·xH+

答：

（B）稳定剂H2S发生一级解离，胶核优先吸附HS-，使胶粒带负电，

2．溶胶的动力性质是由于粒子的不规则运动而产生的,在下列各种现象中,不属于溶胶动

力性质的是：

（）

（A）渗透法（B）扩散

（C）沉降平衡（D）电泳

答：

（D）电泳不属于溶胶的动力性质，属于溶胶的电学性质。

3．Tyndall现象是发生了光的什么的结果：

（）

（A）散射（B）反射

（C）折射（D）透射

答：

（A）由于胶粒半径远小于入射光的波长，发生光的散射现象，这就是Tyndall现象，是憎液溶胶的特有性质。

4．日出和日落时,太阳呈鲜红色的原因是：

（）

（A）蓝光波长短,透射作用显著（B）蓝光波长短,折射作用显著

（C）红光波长长,透射作用显著（D）红光波长长,散射作用显著

答：

（C）太阳光透过厚厚的大气层时，散射作用显著的短波长光如蓝光、紫光等已被散射，剩下透射作用显著的长波长光，如红光、黄光等。

5．在电泳实验中，观察到分散相向阳极移动，表明:

（）

（A）胶粒带正电（B）胶粒带负电

（C）电动电位相对于溶液本体为正（D）Stern面处电位相对溶液本体为正

答：

（B）异电性相吸。

6．胶体粒子的Zeta电势是指：

（）

（A）固体表面处与本体溶液之间的电位降

（B）紧密层、扩散层分界处与本体溶液之间的电位降

（C）扩散层处与本体溶液之间的电位降

（D）固液之间可以相对移动处与本体溶液之间的电位降

答：

（D）Zeta电势又称为动电电势，只有胶粒在移动时才能显示出来，是指固液之间可滑移的界面与本体溶液之间的电位降

7．溶胶的电学性质由于胶粒表面带电而产生，下列不属于电学性质的是：

（）

（A）布朗运动（B）电泳

（C）电渗（D）沉降电势

答：

（A）布朗运动属于溶胶的动力性质。

8．均匀的牛奶是乳浊液，从其中沉淀脂肪和蛋白质的方法是：

（）

（A）加入一些酒精（B）将牛奶静置

（C）过滤（D）加入酸

答：

（D）牛奶是乳脂分散在水中形成的乳浊液，加入酸这种强电解质会破坏乳浊液，使脂肪与水分离。

9．对于有过量的KI存在的AgI溶胶，下列电解质中聚沉能力最强者是：

（）

（A）NaCl（B）K3[Fe（CN）6]

（C）MgSO4（D）FeCl3

答：

（D）AgI胶核优先吸附碘离子，使胶粒带负电，阳离子价数越高，聚沉能力越强。

10．混合等体积的0.08mol·dm-3KI和0.1mol·dm-3AgNO3溶液，得到一溶胶系统，

分别加入：

（1）MgSO4；

（2）CaCl2；（3）Na2SO4，则其聚沉能力大小是：

（）

（A）

（1）＞

（2）＞（3）（B）

（2）＞

（1）＞（3）

（C）（3）＞

（1）＞

（2）（D）（3）＞

（2）＞

（1）

答：

（C）AgNO3溶液过量，AgI胶核优先吸附银离子，使胶粒带正电，阴离子价数越高聚沉能力越强。

MgSO4中阳离子价数比Na2SO4高，所以MgSO4聚沉能力最强。

11．用渗透压法测大分子化合物的摩尔质量，这样测得的摩尔质量属于：

（）

（A）质均摩尔质量（B）数均摩尔质量

（C）Ｚ均摩尔质量（D）粘均摩尔质量

答：

（B）渗透压法利用的是稀溶液的依数性，所以测得的是数均摩尔质量。

12．将大分子电解质NaR的水溶液用半透膜和水隔开，达到Donnan平衡时，膜外水

的pH值：

（）

（A）大于7（B）小于7

（C）等于7（D）不能确定

答：

（A）大分子电解质中的R-离子不能透过半透膜，而Na+和H+可以。

为了维持溶液的电中性，有Na+出来，必有H+进去，使膜外水的pH值升高。

五．习题解析

1．对于AgI的水溶胶,当以AgNO3为稳定剂时,如果

电势为0,请写出等电态时的胶团结构式。

解：

（AgI）m为胶核，胶核优先吸附稳定剂中的Ag+，由于是在等电态时，NO

与Ag+等量，胶团呈电中性，胶团结构式示意图为：

[（AgI）m·nAg+·nNO

]

2．把人工培育的珍珠长期收藏在干燥箱内，为什么会失去原有的光泽?

能否再恢复?

解：

珍珠是一种胶体分散系统，其分散相为液体水，分散介质为蛋白质固体。

珍珠长期在干燥箱中存放,分散相水逐渐被干燥箱吸收,胶体分散系统被破坏，故失去光泽。

此变化是不可逆的，不能再恢复。

3．用化学凝聚法制成Fe（OH）3胶体的反应如下：

FeCl3+3H2O=Fe（OH）3（溶胶）+3HCl

溶液中一部分Fe（OH）3有如下反应：

Fe（OH）3+HCl=FeOCl+2H2O

FeOCl=FeO++Cl-

请写出Fe（OH）3溶胶的胶团结构式。

解：

Fe（OH）3]m胶核优先吸附水解产物中的FeO+，另外，由于正负离子相互吸引的原因，使部分Cl-离子围绕在周围，胶粒带正电，整个胶团结构式为：

{[Fe（OH）3]m·nFeO+·（n-x）Cl-}x+·xCl-

4．请讲述：

（1）在晴朗的白昼,天空呈蔚蓝色的原因；

（2）日出和日落时,太阳呈鲜红色的原因。

解：

太阳光由七色光组成。

空气中有灰层微粒和小水滴，当阳光照射地球时，波长较短的蓝光、紫光被微粒散射后的散射光较强，所以，看到的天空呈蓝色，实际上看到的是这种散射光。

而在日出、日落时，太阳接近地平线，阳光要穿过厚厚的大气层我们才能看到。

阳光中短波长的青色、蓝色、紫色光被大气层中的微粒散射掉了，我们看到的是散射较弱的红色、橙色的透射光，所以特别绚丽多彩。

5．有人在不同pH的条件下，测定出牛的血清蛋白在水溶液中的电泳速度，结果如下：

pH4.204.565.205.656.307.00

泳速/（μm2/s·V）0.500.18-0.25-0.65-0.90-1.25

根据此实验数据，确定该蛋白等电点的范围。

解：

该蛋白在pH4.56与5.20之间，电泳的方向发生改变，说明经历了一个动电电位变小、等于零并改变符号又继续增大的过程，所以该蛋白的等电点在pH等于4.56与5.20之间。

6．在两个充满0.001mol·dm-3KCl溶液的容器之间，是一个AgCl多孔塞,塞中细孔充满溶液,在两个容器中插入电极通以直流电,试问溶液将向何方移动?

当以0.1mol·dm-3KCl来代替,加以相同的电压,溶液的流动是加快还是减慢?

如果以AgNO3来代替KCl,则溶液又将如何流动？

解：

AgCl多孔塞在KCl溶液中，一方面由于银离子扩散快，另一方面由于同离子效应优先吸附氯离子，所以AgCl多孔塞带负电,则介质溶液带正电,在直流电电场中，溶液向负极移动。

当KCl溶液的浓度增加，使动电电位变小，溶液电渗的减慢。

如以AgNO3代替KCl,由于同离子效应优先吸附银离子，所以AgCl多孔塞带正电，则溶液带负电,溶液电渗向正极移动。

7．（A）水解FeCl3制取Fe（OH）3溶胶，为什么要渗析？

（B）加明矾为什么会使混浊的泥水澄清？

解：

（A）FeCl3水解后，制得的Fe（OH）3溶胶中含有大量HCl。

电解质的浓度大，会使溶胶的双电层压缩，ζ电位变小，使制得的Fe（OH）3溶胶不稳定，容易聚沉，所以用渗析的方法除去过量的HCl。

（B）明矾是硫酸钾铝复盐，溶解后既有大量的钾离子和铝离子，铝离子水解得Al（OH）3溶胶，该溶胶带正电。

而泥沙是一种带负电的悬浊液，在加入阳离子以后，使其ζ电位变小，并且这两种带相反电荷的系统混合，正、负电荷中和，故产生相互聚沉，使混浊的泥水很快澄清。

8．由0.01dm30.05mol·kg-1的KCl和0.1dm30.002mol·kg-1的AgNO3溶液混合，生成AgCl溶胶。

为使其聚沉，使用下列电解质：

KCl，AlCl3和ZnSO4，请排出聚沉值由小到大的顺序。

解：

这两种溶液混合，KCl略过量，所以生成的AgCl胶核优先吸附氯离子，胶粒带负电，外加电解质中正离子电价越高，聚沉能力越强，而聚沉值越小。

所以聚沉值由小到大的顺序为：

AlCl3＜ZnSO4＜KCl。

9．在H3AsO3的稀溶液中，通入过量的H2S气体，生成As2S3溶胶。

用下列物质聚沉：

Al（NO3）3，MgSO4和K3Fe（CN）6，请排出聚沉值由大到小的顺序。

解：

用过量的H2S气体作为稳定剂，H2S发生一级解离，生成HS-离子，生成的As2S3胶核优先吸附HS-离子，胶粒带负电。

外加电解质中正离子电价越低，聚沉能力越弱，聚沉值越大。

所以聚沉值由大到小的顺序为：

K3Fe（CN）6＞MgSO4＞Al（NO3）3。

10．墨汁是一种胶体分散系统，在制作时，往往要加入一定量的阿拉伯胶（一种大分子物质）作稳定剂，主要原因是什么？

解：

加适量的大分子化合物，大分子吸附在小的碳颗粒周围，使碳颗粒不易凝聚，对溶胶起保护作用。

11．混合等体积的0.08mol·dm-3KI和0.1mol·dm-3AgNO3溶液所得的溶胶。

（1）试写出胶团结构式

（2）指明电泳方向

（3）比较MgSO4，Na2SO4，CaCl2电解质对溶胶聚沉能力的大小。

解：

（1）由于AgNO3的浓度大于KI的浓度，所以等体积混合时，AgNO3过量，生成的AgI胶核优先吸附Ag+，使胶粒带正电，则胶团的结构式为：

｛[（AgI）m.nAg+],（n-x）NO

｝x-·xNO

（2）因为胶粒带正电，电泳方向是往负极移动

（3）聚沉胶粒带正电的溶胶，外加电解质中负离子价数（绝对值）越大，聚沉能力也越强。

所以聚沉能力大小的次序为：

Na2SO4>MgSO4>CaCl2。

虽然前两种电解质中负离子相同，但由于Na2SO4中正离子是一价的，聚沉能力要比正离子是二价的稍大一些。

12．在25℃下，一半透膜内，有0.1dm3的很稀盐酸水溶液，其中溶有1.3×10-3kg的一元大分子酸，假设它完全解离。

膜外是0.1dm3的纯水，达到渗透平衡时，膜外pH=3.26，膜电势为34.9mV，假设溶液为理想溶液，试计算：

（A）膜内的pH值

（B）该大分子物质的摩尔质量

解：

（A）根据膜电势的计算公式，达膜平衡时，其膜电位为：

或E（膜）=0.0592（pH外－pH内）

0.0349V=0.0592（3.26－pH内）得pH内＝2.67

（B）设大分子酸和盐酸在膜内的起始浓度分别为c1和c2，达平衡后，盐酸在膜外的浓度为x，根据膜平衡条件，有：

[H+]内[Cl-]内＝[H+]外[Cl-]外

即：

（1）

因为

已知

将这两个值代入

（1）式，可求得：

因为

膜内大分子酸的摩尔质量为6.50kg·mol-1

13．半透膜两边离子的起始浓度（单位为mol·dm-3）如下（膜两侧溶液体积相等）：

Na+P-K+Cl-

0.010.010.10.1

其中P-是不能透过膜的大离子，试求：

（1）膜平衡条件

（2）膜平衡时各小离子在膜两边的浓度

解：

（1）膜平衡条件为膜两边离子的化学势相等，即活度积相等，在假设活度因子为1时，膜两边离子的浓度积相等，即：

[Na+]内×[Cl-]内＝[Na+]外×[Cl-]外

[K+]内×[Cl-]内＝[K+]外×[Cl-]外

（2）膜平衡时离子在膜两边浓度分布为：

Na+P-K+Cl-K+Na+Cl-

0.01-y0.01xx-y0.1-xy0.1-x+y

其中y表示膜内Na+浓度减小值，x为膜外K+浓度减小值，单位均为mol·dm-3

根据膜平衡条件有：

解连立方程得：

则：

[Na+]内=0.00524mol·dm-3[Na+]外=0.00476mol·dm-3

[K+]内=0.0524mol·dm-3[K+]外=0.0476mol·dm-3

[Cl-]内=0.0476mol·dm-3[Cl-]外=0.0524mol/dm3

14．298K时,在半透膜两边,一边放浓度为0.100mol·dm-3的大分子有机物RCl,RCl能全部解离,但R+不能透过半透膜;另一边放浓度为0.500mol·dm-3的NaCl,计算膜两边达平衡后,各种离子的浓度和渗透压。

解：

由膜平衡条件：

[Cl-]左[Na+]左=[Cl-]右[Na+]右

（0.1+x）x=（0.5-x）（0.5-x）=>x=0.227mol·dm-3

所以平衡时，左边：

[Cl-]=0.327mol·dm-3[Na+]=0.227mol·dm-3

右边[Cl-]=0.273mol·dm-3[Na+]=0.273mol·dm-3

П=∆c·RT

=[（0.1+0.1+2x）–2（0.5-x）]RT=2.676×105Pa

15．298K时,膜的一侧是0.1dm-3水溶液，含0.5g某大分子Na6P化合物,膜的另一侧是

1.0×10-7mol·dm-3的稀NaCl溶液,测得渗透压6881Pa。

求该大分子的数均摩尔质量。

解：

当一侧电解质浓度极低时,由唐南平衡得：

П≅（z+1）c2RT