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第六章 水环境中的胶体及界面作用.doc

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第六章 水环境中的胶体及界面作用

第六章 水环境中的胶体与界面作用 天然水体是个多相体系,在水与气体、水与底质、水与生物、水与悬浊物质、胶体粒子相互接触之处,都有巨大的界面。物质在界面处的行为与均相溶液内不同,水中的化学反应,大多发生在相间不连续的界面上,在很大程度上为发生在界面上的各种现象所制约。界面上的化学过程极其复杂,本章主要讨论与水生生物活动较为密切相关的液—固及气—液之间的若干重要的物理、化学及生物的作用。 胶体 胶体是物质存在的一种特殊状态,它普遍存在于自然界中,与人类的生活密切相关。胶体由于其具有巨大的比表面、表面能和电荷,能够强烈地吸附各种分子和离子。天然水体悬浮物和底泥中均含有丰富的胶体,这些胶体与水生生物关系较为密切的是对重金属离子、持久性有机物的吸附作用和凝聚作用。胶体粒子固有的物理化学特性,使其在海洋化学、环境化学和生物地球化学等研究工作中成为研究热点,许多研究者就环境中胶体粒子的作用及重要性进行了大量的研究,取得了不少成果。 一、胶体的基本知识 1、胶体的基本概念 (1)胶体的分类 在常见的物理化学教科书中,胶体被定义为“任何线形直径在10-9m到10-6m间的粒子”,即胶体粒径大小范围为1-1000nm,故也可称其为“纳米粒子”。所以在透过0.45μm微孔膜的水样中,除了真正的溶解态组分外,还存在着胶体,此时水中某化学要素的含量,实际上也包括了胶体部分。在海洋科学中,用0.45μm微孔膜来区分颗粒态与溶解态,膜上截留的为颗粒态,通过滤膜的为溶解态。故在实际研究工作中,可将胶体粒子定义为“能透过0.45μm微孔膜,但却能被可截留分子质量1000Dalton以上物质的超滤膜所保留的粒子”。 上世纪初,人们把胶体分为两类: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。如金溶胶等,都是典型的憎液胶体。胶体体系还可以按分散相和分散介质的聚集状态来分类,这样可以把胶体分成八类(表6-1)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。最简单的分散体系总是由两相组成,例如大气层中的尘埃、水滴称为分散相,空气称为分散介质;工业废水中的杂质、泥沙等是分散相,水是分散介质;养殖水域环境则是一个复杂的分散体系,其中的分散相有溶解态、胶态及悬浮态的各种物质。 表6-1 分散体系按聚集状态的分类 分散相 分散介质 气态 液态 固态 气态 雾——水滴分布在气态介质中 烟和尘——很小的固体颗粒处于气态介质中 液态 泡沫——气体分散在液体介质中 乳状液——不互溶的液体、如把油和水强力振荡而得 悬浮体——粘土颗粒悬浮于水中 固态 固体泡沫、浮石和溶岩、气体处于固体的分散介质中 硅凝胶珍珠——极小的水滴分散在固体介质中 人造红宝石——极小的金的粒子分散在玻璃中 (2)胶体的结构 胶体粒子及细微粘土粒子,由于分散度高,总表面积大,通过选择吸附作用,从溶液中吸附一定离子,或者由于粒子表面基团的电离、水解等,使得胶体粒子等表面总呈带电状态。吸附在胶体微粒表面的离子,决定着表面带电性质,因此称为“决定电位离子”。它们与胶体表面结合很紧,与胶体粒子一起移动并不分开。 胶体表面带电后,由于静电引力关系,可从溶液中再吸附一些电荷相反的离子(称为“反离子”),它们与胶体表面保持一定距离。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,在胶体粒子移动时,它们并不随之移动,称为“扩散层”。当与胶体表面的距离增大到一定数值时,反离子浓度即与溶液主体内的平均浓度相同,这一点即为溶液主体与扩散层的“分界”。 胶粒及粘土微粒的胶团结构可用下列模式表示,也可用图6-1来表示。 ??? 图中,胶核是不溶于分散介质的分散相,具有结晶构造,由许多小晶粒组成。 胶粒=胶核+吸附层 胶团=胶粒+扩散层反离子 如果用通式来表示胶团结构,就是: 根据这个通式,可以写出各种溶胶的胶团表示式,例如在KBr溶液中带负电的AgBr溶胶其胶团公式为: 而在AgNO3溶液中带正电的AgBr胶团公式为: 硅酸溶胶的胶团公式为: 图6-1 碘化银胶团结构示意图 2、胶体的电学性质 (1)胶体粒子表面电荷的由来 如前所述,胶体粒子表面总带有电荷,同时还可吸附溶液中带相反电荷的离子构成胶团。与此同时,离子的热运动又促使这些离子在界面上建立起具有一定分布规律的双电层。溶胶粒子表面电荷的来源大致有以下三个方面。 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。例如硅胶表面分子与水作用生成H2SiO3,它是一个弱电解质,

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