胶体与界面化学：第7章 界面物理化学

物理化学界面现象教案中的界面胶束与胶体稳定性在物理化学的领域中，界面现象是一门研究液体、气体及固体相互接触的现象和特性的学科。

界面现象涉及到很多重要的概念和现象，其中界面胶束和胶体稳定性是非常重要的内容。

本文将探讨界面胶束和胶体稳定性在物理化学教学中的相关教案。

一、界面胶束的概念与特性界面胶束，指的是由表面活性剂形成的微小胶状结构，存在于液体-液体或液体-气体的界面上。

界面胶束由两部分组成：亲水的头部和疏水的尾部。

在水体中，由于水分子具有极性，这些亲水头部会向水中靠近，而疏水尾部则会相互靠拢，形成一个稳定的环境。

通过这种形成的胶束结构，界面上的物质可以更好地分散和平衡。

界面胶束具有一些独特的特性。

首先，界面胶束使液体-液体或液体-气体的界面紧凑，减少了界面的表面能。

其次，界面胶束可以增加分子之间的相互作用，从而改变物质的表面性质和流动性。

最后，界面胶束可以嵌入在液体或气体的界面上，形成一层类似于薄膜的结构，起到保护和稳定界面的作用。

二、胶体稳定性的影响因素胶体稳定性是指胶体溶液中胶体颗粒持续分散不聚集的程度。

在物理化学的教学中，教师可以通过设计实验来探究胶体稳定性的影响因素，从而提高学生对胶体稳定性的理解。

1. 电荷效应胶体颗粒上的电荷对胶体稳定性起着至关重要的作用。

当胶体颗粒表面带有电荷时，这些电荷会产生电二重层，使胶体颗粒之间发生静电斥力，从而阻止它们相互聚集。

这种电荷效应在教学中可以通过电泳法来验证。

2. 电解质浓度胶体溶液中的电解质浓度对胶体稳定性有着重要影响。

当电解质浓度增加时，电解质会与胶体颗粒表面的电荷相互作用，中和胶体颗粒表面的电荷，从而降低胶体稳定性。

这种现象被称为病态溶胀，可以通过相关实验来进行说明。

3. pH值溶液的pH值也会对胶体稳定性产生影响。

在一些胶体溶液中，有些颗粒表面的电荷会随着溶液pH值的变化而改变。

这种变化会导致颗粒之间的相互作用发生变化，进而影响胶体的稳定性。

第七章：水环境中的胶体与界面作用第一节：胶体一．胶体基本知识（一）胶体的基本概念胶体：胶体是物质存在的一种特殊状态，它普遍存在。

1.胶体分类在常见的物理化学教材科书中，胶体被定义为“任何线性直径在10-9 m到10-6 m间的粒子”，即胶体粒径大小范围为1～1000 nm，故也可以称其为“纳米粒子”。

所以在透过0.45 μm微孔膜的水样中，除了真正的溶解态组分外，还存在着胶体。

在实际研究工作中，可将胶体粒子定义为“能透过0.45 μm微孔膜，但却能被可截留相对分子质量1000以上物质的超滤膜所保留的粒子”。

胶体分为两类：亲液胶体和憎液胶体。

如蛋白质、明胶等容易与水形成胶体的溶液叫做亲液胶体，而那些本质上不溶于介质的物质，必须经过适当处理后，才可将它分散在某种介质中的，叫做憎液胶体。

凡分散介质为液体的胶体体系称为液溶胶，分散介质为气体的则称为气溶胶，而分散介质为固体的则称为固溶胶。

2.胶体的结构胶体表面带电后，由于静电引力的关系，可从溶液中再吸附一些荷电相反的粒子（称为“反离子”），它们与胶体表面保持一定的距离。

离表面近的反离子，受的引力较大，总是随胶体粒子一起移动，故合称为“固定层”，也称吸附层。

离胶体表面更远的反离子，由于受到的引力较小，在胶体粒子移动是，它们并不随之移动，称为“扩散层”。

胶粒=校核+吸附层胶团=胶粒+扩散层反离子[胶核│n表面离子+（n-x）反离子]x±·x反离子±（二）胶体的电学性质1.胶体粒子表面电荷的由来（1）电离一些胶体粒子，在水中本身就可以电离，故其表面带电荷。

（2）离子吸附分散相对表面对电解质正负离子不相等的吸附，从而使其表面获得电荷。

具有水合作用的物质（如蛋白质、多糖等）表面不太容易吸附离子，而疏水物质的表面（如脂类表面）则比较容易吸附离子（DunanJ.Shao，1983）。

（3）晶格取代晶格取代也是黏土粒子带电的原因之一。

2.ξ－电位这种当分散相和分散介质做相对运动时，吸附层和扩散层之间存在的电位差称为电动电位，用希腊字母ξ－（Zeta）表示，又称为ξ－电位。

1.压缩因子任何温度下第七章表面现象1.在相界面上所发生的物理化学现象陈称为表面现象。

产生表面现象的主要原因是处在表面层中的物质分子与系统内部的分子存在着力场上的差异。

2.通常用比表面来表示物质的分散度。

其定义为：每单位体积物质所具有的表面积。

3.任意两相间的接触面，通常称为界面（界面层）。

物质与（另一相为气体）真空、与本身的饱和蒸气或与被其蒸汽饱和了的空气相接触的面，称为表面。

4.表面张力：在与液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力。

5.在恒温恒压下，可逆过程的非体积功等于此过程系统的吉布斯函数变。

6.影响表面及界面张力的因素：表面张力与物质的本性有关、与接触相的性质有关（分子间作用力）、温度的影响、压力的影响。

7.润湿现象：润湿是固体（或液体）表面上的气体被液体取代的过程。

铺展：液滴在固体表面上迅速展开，形成液膜平铺在固体表面上的现象。

8.亚稳状态与新相生成：a.过饱和蒸汽：按通常相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸汽。

过热液体：按通常相平衡条件应当沸腾而仍不沸腾的液体。

过冷液体：按相平衡条件应当凝固而未凝固的液体。

过饱和溶液：按相平衡条件应当有晶体析出而未能析出的溶液。

上述各种过饱和系统都不是真正的平衡系统，都是不稳定的状态，故称为亚稳（或介安）状态。

亚稳态所以能长期存在，是因为在指定条件下新相种子难以生成。

9.固体表面的吸附作用：吸附：在一定条件下一种物质的分子、原子或离子能自动地粘附在固体表面的现象。

或者说，在任意两相之间的界面层中，某种物质的浓度可自动发生变化的现象。

吸附分为物理吸附（范德华力）和化学吸附（化学键力）。

具有吸附能力的物质称为吸附剂或基质，被吸附的物质称为吸附质。

吸附的逆过程，即被吸附的物质脱离吸附层返回到介质中的过程，称为脱附（或解吸）。

10.吸附平衡：对于一个指定的吸附系统，当吸附速率等于脱附速率时所对应的状态。

当吸附达到平衡时的吸附量，称为吸附量。

气体在固体表面的吸附量与气体的平衡压力及系统的温度有关。

习 题1．290K 时，在超显微镜下测得藤黄水溶胶中粒子每10秒钟在x 轴上的平均位移为6.0μm ，水的黏度为0.0011Pa·s ，求藤黄胶粒的半径。

解： 根据公式23x tL RT πηγ⋅=()m ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=--26323100.6101.114.331010022.6290314.8 m 71007.1-⨯=2．某溶液中粒子的平均直径为4.2nm ，设其黏度和纯水相同，η =1.0×10 －3kg·m －1·s －1，试计算：（1）298K 时，胶体的扩散系数D 。

（2）在一秒钟里，由于布朗运动粒子沿x 轴方向的平均位移x 。

解：（1） r L RT D πη61⋅=129323101.2100.114.36110022.6298314.8---⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=s m 12101004.1--⋅⨯=s m（2） 根据 tx D 22=[]mtD x 101004.10.122-⨯⨯⨯==m 51044.1-⨯=3．293K 时，砂糖（设为球形粒子）的密度为1.59×10 3kg·m －3、摩尔质量为3.42×10－1kg·mol -1，在水中的扩散系数为4.17×10－10m 2·s －1，水的黏度为1.01×10－3N·s·m －2。

求砂糖分子的半径及A vogadro 常数。

解：分子的摩尔质量为ρπL r M 334= 得 ρπ34r ML =代入Einstein 公式ηρπηM RTr r L RT D 29261⋅=⋅= 得m RTD M r ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==---293314.81059.121017.41001.11042.392931031ρηm 101009.4-⨯=将r 代入Einstein 公式得 r D RT L πη61⋅=1103101009.41001.114.361017.4293314.8----⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=mol 1231051.7-⨯=mol4．在298K 时，某粒子半径为3.0×10－8m 的金溶胶，在地心力场中达沉降平衡后，在高度相距1.0×10－4m 的某指定体积内粒子数分别为277和166。

胶体与界面化学及其应用胶体与界面化学是一门涉及多学科交叉的科学，它研究的是介于分子集合体和大分子之间的微粒体系。

胶体粒子在尺寸范围上介于原子和大分子之间，通常在1到1000纳米之间。

而界面则是相邻两相（如气液、液液或固液等）的分界面，界面化学则是研究物质或物质间相邻的分界面上的物理化学性质和化学过程。

1 胶体化学的起源胶体化学源于19世纪末的化学家Thomas Graham对比较稀少的水溶液的分离实验，实验表明了有些化合物在水溶液中可以分离出一些相对较稳定的物质，但并不是晶体，而是没有明确的形状、自然发散，但又不是纯粹的混合物的一种物质。

这是胶体的最初描述。

2 胶体的基本特征因为胶体粒子是间接可见的微观物体，很难测定其物理化学性质。

因此，我们通常通过胶体的一些基本特征来描述其性质。

例如分散度、溶剂含量、粒径大小、分布范围、表面功、表面离子制积分、分子的光学散射等。

其中，分散度是描述胶体分散情况的专业术语，它包含两方面的内容：一是检测胶体微小粒子的数量和分布情况，二是检测粒子是否相对稳定，即不发生团聚。

3 界面化学的研究对象界面化学涉及到的研究对象是界面分子、离子及其活动。

界面分子是指界面上与分子相互作用的分子，它们的分子体积一部分在相内，一部分在相外，因而它们的分子间相互作用自然也出现了交叉。

因此，界面化学常涉及分子间各种各样的物理化学过程。

4 界面物理化学的主要内容界面物理化学的主要内容涵盖表面现象、表面活性剂、电化学理论及其应用等方面。

表面现象研究相邻两相（如气水、油水、液固等）之间的表面现象（表面张力、界面等电点、分散粘度等），表面活性剂则研究活性剂分子在表面的行为（如吸附等），以及二者之间相互作用的现象与规律；而电化学理论则是研究电化学界面系统中电化学反应，通过分析电化学反应行为来推演该系统的整体性质，例如电极反应、溶解度分析等等。

5 胶体与界面化学的应用胶体和界面化学在现代生产和生活中有着广泛的应用。