胶体化学第1章 胶体与表面化学

胶体与表面化学胶体是一种由分子间短距离相互作用形成的悬浮系统，涉及分子、原子、基团、团聚体和结晶体的共存交互作用，它的基本特征是粒子的形状和构型的多样性。

胶体与表面化学学科紧密相关，涉及胶体系统中的复合和表面性质，以及其中物理和化学因素对表面性质和复合性质的影响。

表面化学是一门重要的学科，既涉及结构、性质和反应，也涉及物质表面的形成和变化。

物质的表面是其与外部环境的接触界面，表面化学的演化及其变化会飞溅到它与外部环境的互动中，从而带来外部环境的改变。

物质的表面化学可以根据其不同的表面性质来划分，主要包括润湿性、疏水性、亲水性、多层性等性质，可以将这些表面性质用于液体-固体界面物理及化学反应，特别是表面吸附、表面活性剂以及表面改性。

胶体系统中的表面是由胶体分子组成的，它们分为溶液表面和固体表面两种，它们之间具有许多不同的性质。

研究胶体表面的最佳方法是观察固态表面，它以典型的凹凸形式呈现，可以表示胶体分子的空间构型，以及胶体分子的动态行为。

此外，研究表面也可以利用物理表面分析技术，例如扫描电镜，光学显微镜，透射电子显微镜，等离子质谱，X射线表征，原子力显微镜，等工具，来进行表面分析，从而更好地理解表面介质。

表面特性是决定胶体系统性能的重要因素，研究胶体表面特性，可以更深入地理解胶体的物理和化学性质，促进胶体的发展。

比如研究胶体的性质，表明表面张力与胶体系统的智能性能有着紧密的关系，也可以更好地控制胶体系统的可靠性。

具备表面阴离子亲水性及不同层次结构，以及结合胶体分子自组装及激发态动力学等特性，能够极大地增强胶体系统的稳定性。

胶体和表面化学共同发展，研究表面与胶体之间的关系，有助于开发高性能的胶体材料，提高有机胶体的稳定性，发展新型表面活性剂，消除环境污染、维护整个生态系统的平衡。

胶体与表面化学把这些性质有机地结合在一起，使物质具有独特的物理和化学性质，从而创造出新的应用领域。

总的来说，胶体与表面化学是相互补充的，这两个领域紧密联系，胶体系统中的复合性质和表面性质，以及它们之间的化学和物理因素，都可以使胶体科学得以进一步发展，它们是促进物质改变和发展的关键因素，为各种胶体产品的应用创造性地提供有益的信息。

第一章绪论1.相：体系中物理化学性质完全相同的均匀部分；2.界面：相与相之间的交界面；3.表面：一相为气相的界面；4.比表面：单位体积或重量的物质所具有的总表面积；5.胶体化学：研究胶体体系的科学；6.表面化学：研究发生在物质表面或界面上的物理化学现象的一门学科；7.胶体：粒子大小1~100nm，热力学不稳定，动力学稳定，扩散速度慢，不发生渗析，能通过滤纸，在超显微镜下可见；8.胶体分类：按分散介质可分为“气、液、固溶胶”。

第二章胶体的制备1.胶体制备的一般条件：①分散相在介质中的溶解度必须极小，反应物浓度很稀，生成难溶物晶体颗粒很小，不具备长大条件；②必须有稳定剂存在；2.胶体制备方法：（一）分散法①机械分散法：适用于脆而易碎的物质，对于柔韧性物质必须先硬化再粉碎。

②电分散法：将金属做成两个电极，浸在水中，盛水的盘子放在冷浴中。

在水中加入少量氢氧化钠做稳定剂。

制备时在两电极上施加100V左右的直流电，调节电极间距离，使之发出电火花，这时表面金属蒸发，是分散过程，接着金属蒸汽立即被水冷却而凝聚成凝胶。

③超声波分散法：将分散相和分散介质两种不混溶的液体放在样品管中，样品管固定在变压器油浴中。

在两电极上通入高频电流，使电极中间的石英片发生机械震荡，使样品管中的两个液相均匀地混合成乳状液。

④溶胶分散法：新生成的沉淀中加入电解质或改变体系温度而形成溶胶体系。

（二）凝聚法：用物理方法或化学反应使分子、离子狙击成胶体粒子的方法。

（1）物理凝聚：将蒸汽状态或溶解状态的物质凝聚成胶体状态的方法。

①蒸汽骤冷法；②更换溶剂法；（2）化学凝聚：通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态。

使初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在的条件下形成溶胶。

3.溶胶的净化方法（一）粗粒子：过滤、沉降、离心；（二）电解质：渗析、电渗析、超过滤、渗透与反渗透4.单分散溶胶定义：溶胶粒子的尺寸、形状、结构都相同的溶胶体系；5.单分散溶胶制备理论（LaMer）控制溶质的过饱和浓度，使之略高于成核浓度，爆发式成核。

一、溶胶的胶团结构：1胶粒的结构比较复杂，首先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心称为胶核2胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密的吸附层，由于正负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子包围层，从而形成了带有紧密层相同电荷的胶粒3胶粒与扩散层中反号离子形成一个胶团。

二、双电层理论：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。

1平板型模型2扩散双电层模型3stem模型。

三、溶胶的聚沉：溶胶的稳定具有条件的，一旦稳定条件被破坏，溶胶中的粒子就合并，长大，最后从介质中沉出。

影响因素：电解质、加热、辐射、溶胶本身。

聚沉值：能引起某一溶胶发生明显聚沉所需加电解质的最小浓度。

四、胶凝：一定浓度的溶胶或大分子化合物的真溶液在放置过程中自动形成胶凝的过程。

性质：1所有新形成的凝胶都含有大量液体，95%以上2凝胶有一定几何外形。

显示出固定的力学性质3由固液两相组成，具有液体的某些性质，不仅分散相是连续的，分散介质也连续。

分类：1弹性凝胶（明胶、琼脂）2非弹性（SiO2、TiO2、V2O5、Fe2O3）。

形成条件：1降低溶解度，使被分散的物质从溶液中以胶体分散状态析出2析出的质点既不沉降也不自由行动，而是构成骨架，通过整个溶液形成连续的网状结构。

形成方法：1改变温度2转化溶剂3加入电解质4化学反应。

不溶物形成凝胶的条件：1在产生不溶物的同时生成大量小晶粒2晶粒的形状以不对称为好，有利于搭成骨架。

五、膨胀：凝胶在液体或蒸汽中吸收液体和蒸汽使自身体积或重量增加的现象。

机理：一阶段：溶剂化层：溶剂分子很快出入凝胶中，与凝胶分子相互作用形成溶剂化层。

特征：1液体蒸汽压很低2体积收缩3热效应4熵值降低。

二阶段：溶剂分子的渗透和吸收。

六、硅酸铝凝胶制备（共沉淀法）：酸性硫酸铝溶液+水玻璃溶液——硅铝溶胶—硅铝凝胶小球—老化—铝盐活化a—水洗—表面活性剂浸渍b—干燥—烘焙。

胶体与表面化学第一章绪论（2学时）1.1胶体的概念什么是胶体，胶体的分类1.2胶体化学发展简史1.3胶体化学的研究对象表面现象，疏液胶体，缔合胶体，高分子溶液。

重点：胶体、分散系统、分散相、分散介质的概念。

难点：胶体与表面化学在矿物加工工程中的作用及意义。

教学方法建议：启发式教学，引导学生对胶体及表面化学的兴趣。

第二章胶体与纳米材料制备（4学时）2.1胶体的制备胶体制备的条件和方法，凝聚法原理。

2.2胶体的净化渗析、渗透和反渗透。

2.3单分散溶胶单分散溶胶的定义及制备方法。

2.4胶体晶体胶体晶体的定义及制备方法2.5纳米粒子的制备什么是纳米材料，纳米粒子的特性及制备方法重点：胶体的制备、溶胶的净化、胶体晶体的制备。

难点：胶体制备机理。

教学方法建议：用多媒体教学，注重理论联系实际。

第三章胶体系统的基本性质（8学时）3.1溶胶的运动性质扩散、布朗运动、沉降、渗透压和Donnan平衡。

3.2溶胶的光学性质丁道尔效应和溶胶的颜色。

3.3溶胶的电学性质电动现象、双电层结构模型和电动电势（。

电势）3.4溶胶系统的流变性质剪切速度越切应力，牛顿公式，层流与湍流，稀胶体溶液的黏度。

3.5胶体的稳定性溶胶的稳定性、DLVO理论、溶胶的聚沉、高聚物稳定胶体体系理论。

3.6显微镜及其对胶体粒子大小和形状的测定显微镜的类型及基本作用重点：沉降、渗透压、电泳、电渗、。

电势的计算、双电层结构模型、DLVO理论、溶胶的聚沉。

难点：双电层结构模型。

教学方法建议：多媒体教学和板书教学相结合。

第四章表面张力、毛细作用与润湿作用（6学时）4.1表面张力和表面能净吸力和表面张力的概念、影响表面张力的因素、液体表面张力和固体表面张力的测定方法。

4.2液-液界面张力Anntonff规则、Good-Girifalco公式、Fowkes理论和液-液界面张力的测定。

4.3毛细作用与Laplace公式和Kelvin公式毛细作用，Laplace公式和Kelvin公式的应用，曲界面两侧的压力差及与曲率半径的关系，毛细管上升或下降现象，弯曲液面上的饱和蒸气压。

《胶体与界面化学》讲义第一章基本概念第一节胶体与表面一、胶体与胶体分散体系•目前科学地将颗粒大小在10-6～10-9m这样的物质（不管其聚集状态是气态、液态还是固态）称为胶体。

•胶体与其分散在其中的介质组成分散体系，介质可以是气、液和固体并与胶体颗粒间存在相界面，因此它还是高分散的多相的分散体系。

•胶体分散体系一般是两个组分以上的多组分体系，不过也存在极为罕见的单组分胶体分散体系，这类分散体系是液体，但由于分子的热运动而出现的涨落现象，一些分子会在液态内部聚集成较大的聚集体，这种分散体系称为类胶体（iso-colloid）分散体系。

聚合物或大分子量物质•聚合物或大分子量物质过去也称之为胶体分散体系的物质。

•如蛋白质，纤维素以及各种天然的和人工合成的聚合物，其尺寸也在胶体范围、并具有胶体的某些性质，比如慢扩散性，不透过半透膜，电泳行为等。

•因此过去也把它们作为胶体与表面化学的讲解内容。

但由于其迅速的发展，形成一个庞大的大分子家族，而成为一个独立学科去研究，不过它的某些理论和研究方法确系胶体的理论和研究方法。

二、表面和界面•表面（surface）：是指凝聚相与真空，空气或其蒸气间的交界•界面（interface）：是指凝聚相与其他相间的交界面。

•水的表面张力是水的表面（与空气或蒸汽的交界面）上的表面张力，约为72.8×10-3N/m；水和苯间界面张力为35×10-3N/m；水与汞间界面张力为375×10-3N/m。

•由此可见，界面张力值决定于相邻相的物质。

相边界上“面”的含义•这里所说的“面”是指相边界上的化学概念上的而非数学概念上的面。

数学面只有面积而无厚度，而化学面是有一定厚度的，起码有几个分子大小的厚度。

数学面所示在面上相的性质（如密度、浓度等）发生突变是不可思议的，而化学面中相的性质逐渐变化才是可理解的。

但在描述它时，由于其厚度值与两相本体尺寸比较可忽略不计近似为零。

第一章 胶体的制备和性质一、什么是胶体？1.胶体体系的重要特点之一是具有很大的外表积。

通常规定胶体颗粒的大小为1-100nm 〔直径〕2.胶体是物质以一定分散程度存在的一种特殊状态，而不是一种特殊物质，不是物质的本性。

胶体化学研究对象是溶胶〔也称憎液溶胶〕和高分子溶液〔也称亲液溶胶〕。

气溶胶：云雾，青烟、高空灰尘液溶胶：泡沫，乳状液，金溶胶、墨汁、牙膏固溶胶：泡沫塑料、沸石、冰淇淋，珍珠、水凝胶、红宝石、合金 二、溶胶的制备与净化1.溶胶制备的一般条件：〔1〕分散相在介质中的溶解度必须极小〔2〕必须有稳定剂存在2.胶体的制备方法：〔1〕分散法：①研磨法：用机械粉碎的方法将固体磨细〔产品细度1-74μm 〕②胶溶法〔解胶法〕：仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶，并参加 适当的稳定剂。

〔目前制备纳米材料和超微细粉的方法〕③超声波分散法：让分散介质动起来。

主要用来制备乳状液〔即分散介质是液体的体系〕。

好处是不与溶液接触。

④电弧法：用于制备金属水溶胶。

金溶胶多用于美容。

（2）凝聚法：①化学凝聚法②物理凝聚法：A 、更换溶剂法〔溶解度是减小的〕：利用物质在不同容剂中的溶解度的显著差异，制备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。

〔与萃取区别〕B 、蒸汽骤冷法：制备碱金属的苯溶胶。

3.溶胶的净化：简单渗析法，电渗析，超过滤法 三．溶胶的运动性质1.扩散：胶粒从高浓度向低浓度迁移的现象，此过程为自发过程根本原因在于存在化学位。

d d d d m cDA t x =-，此为Fick 第一扩散定律，式中dm/dt 表示单位时间通过截面A 扩散的物质数量，D为扩散系数，单位为m 2/s ，D 越大，质点的扩散能力越大。

扩散系数D 与质点在介质中运动时阻力系数f 之间的关系为：A RTD N f=〔A N 为阿伏加德罗常数；R 为气体常数〕假设颗粒为球形，阻力系数f =6r πη〔式中，η为介质的黏度，r 为质点的半径〕 故16RT D NA rπη=⨯，此式即为Einstein 第一扩散公式 浓度梯度越大，质点扩散越快；就质点而言，半径越小，扩散能力越强，扩散速度越快。