固体表面的吸附河北科技大学大学英语精品课Word文档下载推荐.docx

1、教学要求：了解分散体系分类；了解 Brown运动，胶粒的扩散，斐克扩散定律和位移方程，溶胶的渗透压，沉降平衡和高度分布定律。重 点：胶粒的结构。沉降平衡和高度分布定律。难 点：胶粒的结构，沉降平衡和高度分布定律。教学手段及教具：多媒体教学讲授内容及时间分配： 1.0学时课后作业1079页，习题1，3，4参考资料1. 胶体化学发展简史. 陈宗祺. 化学通报, 1988,6,56.2. 胶体分散体系的空缺稳定理论. 郑忠. 大学化学, 1988, 4, 10.3. 毛细管电泳蛋白质、多肽分离分析的一项新技术. 屠红民等. 化学通报, 1991, 12, 15.第 53 次课 2 学时注：本页为每次

2、课教案首页把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系，我们把分散体系中被分散的物质叫做分散相，另一种物质叫做分散介质。按分散相粒子的大小，常把分散体系区分为分子（或离子）分散体系（粒子半径r10-7米）等几种。这是一种粗略的分类法，仅强调了分散相粒子的大小，而忽略了很多其他性质的综合。所以并不是很恰当的。胶体分散体系具有高度的分散性和显著的多相性，因此它的一系列性质与其他分散体系有所不同。胶体分散体系在生物界和非生物界都普遍存在，在实际生活和生产中占有重要的地位。如在石油、冶金、造纸、橡胶、塑料、纤维、肥皂等工业部门，以及其他学科如生物学、土壤学、医学、气象、地质学等学科中都广泛地接触到

3、与胶体分散体系有关的问题。由于生产实际的需要，也由于本身具有丰富的内容，因此胶体分散体系的研究得到了快速的发展，已经成为一门儿独立的学科。14.1 胶体及其基本特性1.分散相与分散介质把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。其中，被分散的物质称为分散相（dispersed phase），另一种物质称为分散介质（dispersing medium）。例如：云，牛奶，珍珠。云的分散相为水，分散介质为空气；牛奶的分散相为乳脂，分散介质为水；珍珠的分散相为水，分散介质为蛋白质。2.分散体系分类分类体系通常有三种分类方法：按分散相粒子的大小分类：分子分散体系分散相与分散介质以分子或离子形式彼此

4、混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在10-9 m以下 。通常把这种体系称为真溶液，如CuSO4溶液。胶体分散体系分散相粒子的半径在1 nm100 nm之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也有的将1 nm 1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。粗分散体系当分散相粒子大于1000 nm,目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。按分散相和介质的聚集状态分类：液溶胶将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的液溶胶：液-固溶胶 如油漆，AgI溶胶液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液液-气溶胶 如泡沫固溶胶将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为

5、不同状态时，则形成不同的固溶胶：固-固溶胶 如有色玻璃，不完全互溶的合金固-液溶胶 如珍珠，某些宝石固-气溶胶 如泡沫塑料，沸石分子筛气溶胶将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一体系，不属于胶体范围：气-固溶胶 如烟，含尘的空气气-液溶胶 如雾，云按胶体溶液的稳定性分类： 憎液溶胶半径在1 nm100 nm之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定体系。一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是 一个不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。这是胶体分散体系中主

6、要研究的内容。亲液溶胶半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中，一旦将溶剂蒸发，大分子化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶，亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。3.憎液溶胶的特性（1）特有的分散程度 粒子的大小在10-910-7m之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。（2）多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。（3）热力学不稳定性 因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚

7、结成大粒子。4.胶粒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 +

8、 KIKNO3 + AgI 过量的 KI 作稳定剂胶团的结构表达式 ：胶团的图示式：5.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。 （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14.2 溶胶的制备与净化（自学）14.3 溶胶的动力性质1. Brown运动（Brownian motion）1827 年植物学家布朗（Brown）用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。后来又发现许多其它物质如煤、 化石、金属等的粉末

9、也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动为布朗运动。但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动，从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。Brown运动的本质1905年和1906年爱因斯坦（Einstein）和斯莫鲁霍夫斯基（Smoluchowski）分别阐述了Brown运动的本质。认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的

10、力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。当半径大于5 m，Brown运动消失。Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，平均动能为（3/2）kT 。并假设粒子是球形的，运用分子运动论的一些基本概念和公式，得到Brown运动的公式为：式中是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；r为胶粒的半径；为介质的粘度；L为阿伏加德罗常数。这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温度以及观察时间等联系起来。2. 胶粒的扩散胶粒也有热运动，因此也具有扩散和渗透压。只是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。如图所示，在CDF

11、E的桶内盛溶胶，在某一截面AB的两侧溶胶的浓度不同，C1C2。由于分子的热运动和胶粒的布朗运动，可以观察到胶粒从C1区向C2区迁移的现象，这就是胶粒的扩散作用。2.1 斐克第一定律（Ficks first law）如图所示，设任一平行于AB面的截面上浓度是均匀的，但水平方向自左至右浓度变稀，梯度为。设通过AB面的扩散质量为m，则扩散速度为，它与浓度梯度和AB截面积A成正比。用公式表示为：这就是斐克第一定律。式中D为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯度、单位时间内通过单位截面积的质量。式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向，而。2.2 斐克第二定律（Ficks second law）斐克第二定律适

12、用于浓度梯度变化的情况。设进入AB面的扩散量为： （1）离开EF面的扩散量为： （2）在ABFE体积内粒子净增速率为（1）-（2），即： （3）单体积内粒子浓度随时间的变化率为这就是斐克第二定律。若考虑到扩散系数受浓度的影响，则此斐克第二定律的表示式是扩散的普遍公式。2.3 Einstein-Brown位移方程如前图，设截面为单位面积，为时间t 内在水平方向的平均位移。截面间的距离均为。找出距AB面处的两根虚线，其浓度恰好为c1和c2。在t 时间内，从两个方向通过AB面的粒子数分别为 c1和 c2，因c1 c2，则自左向右通过AB面的净粒子数为：设很小，浓度梯度：则扩散通过AB面的净粒子数与浓

13、度梯度和扩散时间t 成正比，得到 ：整理得 这就是Einstein-Brown 位移方程。从布朗运动实验测出，就可求出扩散系数D。将布朗运动公式代入：从上式可以求粒子半径 r。已知 r 和粒子密度，可以计算粒子的摩尔质量。3. 溶胶的渗透压由于胶粒不能透过半透膜，而介质分子或外加的电解质离子可以透过半透膜，所以有从化学势高的一方向化学势低的一方自发渗透的趋势。溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：式中c为胶粒的浓度。由于憎液溶液不稳定，浓度不能太大，所以测出的渗透压及其它依数性质都很小。但是亲液溶胶或胶体的电解质溶液，可以配制高浓度溶液，用渗透压法可以求它们的摩尔质量。4. 沉降平衡（se

14、dimentation equilibrium）溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，如图所示。这种平衡称为沉降平衡。5. 高度分布定律达到沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与气体类似，可以用高度分布定律进行描述。如图所示，设容器截面积为A，粒子为球型，半径为r，粒子与介质的密度分别为和，在 x1和x2处单位体积的粒子数分别N1，N2，为渗透压，g为重力加速度。在高度为dx的这层溶胶中，使N个粒子下降的重力为：该层中粒子所受的扩散力为，负号表示扩散力与重力相反。，则达到沉降平衡时，这两种力相等，得积分得：或：这就是高度分布公式。粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。若粒子足够大，以致布朗运动不足以克服重力的影响，则粒子就会以一定的速度沉降到容器的