胶体与界英面化学.ppt

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（图1-1B）， （一）比表面能 随物质分散程度的增加，其表面积和比表面积要增加。物质的细分过程需要外界做功，并以表面能的形式储存于表面之上，因此物质表面分子较内部分子有更高的能量，其差值称为表面过剩自由能，或表面能。 关于液体表面上的过剩自由能 比表面过剩自由能或比表面能 在恒温、恒压和恒组成时，可逆地增加表面积所做的表面功等于表面自由能增量： （二）表面张力 图1－3示出在铁丝圆框之中有松散的当中封闭的连线，并蘸上肥皂膜，当用烧热的铁丝，将线中的膜刺破时，发现连线当中的封闭线立即紧绷起来成为环形线，仿佛四周有均匀的力拉动这个线似的。 图1－4示出一个用金属丝弯成的矩形框架，其中一个边是可滑动的，且认为滑动时不存在任何阻力，并蘸取肥皂液形成具有前后两个表面的膜。 从力的角度分析其γ物理意义 图1-4去掉下面的力F时，滑动边就因液膜的收缩拉回一个距离，（以减少表面能）。这个回缩力与F大小相等而方向相反。现在假定加上力F，滑动边往下运动的距离。在此过程中，表面积增量为（2表示液膜有两个表面）。环境对体系做功为 ，这个功为等于表面能增量： 这样比表面能又有了新的定义——表面张力，即垂直作用在单位边长且与液面相切的力，这个力力图使液面收缩。 由定义可知，其单位为N/m 。 需要注意的几点： 1. 务必区分表面张力与界面张力。 2. 务必注意温度的影响。 3. 压力和体系运动情况等其他因素对γ的影响。 4.任何界面和表面，包括固体表面，固—液界面均存在界面张力。 由于固体中分子间作用力远大于液体分子间作用力，因此固体的界面张力大得多。 γ的两个物理概念即比表面能和表面张力是一个实质（从单位可看出）的两个方面，前者从能量出发，后者从力出发，以便更方便的解释一些问题。比如，解释液膜问题用力方便，而解释液面收缩趋势从能量角度分析更方便，但这决不意味着前者不能用能量后者不能用力分析。 三、 胶体与表面的联系桥梁 随着颗粒因分散而变小，表面积越来越大，表面能也越来越大，表面功就不容忽视了。 现以数据说明：如边长各为1m的1m3的水，表面积为6m2，其表面能＝6×γ=0.437J，与体系的几千千焦的能量相比，这个能量完全可以不考虑。若将这一吨水分散成边长为10-7m的小立方体，则其总表面积增至6×107m2，表面能增至4370kJ，这个能量显然不能忽略，因为它与体系的能量处于相同的数量级。 由此可见，微小尺寸的物质表面有很大的表面能，因此表面张力就是联系二者之桥梁。 四、胶体与表面化学的应用 ①分析化学：吸附指示剂，离子交换，浊度法，沉淀过滤性能，凝胶色谱。 ②物理化学：成核过程，过冷，过热，过饱和等亚稳状态。 ③生物化学和分子生物学：电泳，渗透与平衡，病毒，核酸，蛋白 质及血液学。 ④环保科学：气溶胶，烟雾，烟尘，泡沫，污水处理。 ⑤材料科学：粉末冶金，合金，陶瓷，特种纤维以及目前得到广泛应用、前景广阔的纳米材料。 ⑥化工生产：催化剂，染料、颜料、洗涤剂、吸附剂