1、第二章第二章 膠體的基本性質膠體的基本性質晁春艷晁春艷 第二章第二章 膠體的基本性質膠體的基本性質2.1 2.1 膠體的運動性質膠體的運動性質2.2 2.2 膠體的光學性質膠體的光學性質2.3 2.3 膠體的電學性質膠體的電學性質2.4 2.4 膠體的流變性質膠體的流變性質2.5 2.5 膠體穩定性膠體穩定性2.1 膠體的運動性質膠體的運動性質一、布朗一、布朗(Brown)運動運動 1827 年植物學家年植物學家布朗（布朗（Brown)用顯微鏡用顯微鏡觀察到懸浮在液面上的花粉粉末不斷地作不觀察到懸浮在液面上的花粉粉末不斷地作不規則的運動。規則的運動。 后來又發現許多其它物質如煤、后來又發現許多

2、其它物質如煤、 化石、金屬等化石、金屬等的粉末也都有類似的現象。人們稱微粒的這種運動的粉末也都有類似的現象。人們稱微粒的這種運動為為布朗運動布朗運動。 1903年發明了年發明了超顯微鏡超顯微鏡，為研究布朗運動提，為研究布朗運動提供了物質條件。供了物質條件。 用超顯微鏡可以用超顯微鏡可以觀察到溶膠粒子不斷觀察到溶膠粒子不斷地作不規則地作不規則“之之”字字形的運動，從而能夠形的運動，從而能夠測出在一定時間內粒測出在一定時間內粒子的平均位移。子的平均位移。 通過大量觀察，得出結論：通過大量觀察，得出結論：粒子越小，布粒子越小，布朗運動越激烈。朗運動越激烈。其運動激烈的程度不隨時間而其運動激烈的程度不

3、隨時間而改變，但改變，但隨溫度的升高而增加。隨溫度的升高而增加。 1905年和年和1906年年愛因斯坦（愛因斯坦（Einstein)和斯莫魯霍夫斯基和斯莫魯霍夫斯基(Smoluchowski)分別分別闡述了闡述了Brown運動的運動的本質。本質。 Brown運動是分散介質分子以不同大小和運動是分散介質分子以不同大小和不同方向的力對膠體粒子不斷撞擊而產生的，不同方向的力對膠體粒子不斷撞擊而產生的，由于受到的力不平衡，所以連續以不同方向、由于受到的力不平衡，所以連續以不同方向、不同速度作不規則運動。隨著粒子增大，撞擊不同速度作不規則運動。隨著粒子增大，撞擊的次數增多，而作用力抵消的可能性亦大。的次

4、數增多，而作用力抵消的可能性亦大。當半徑大于當半徑大于5 m，Brown運動消失。運動消失。 在溶液中膠體粒子主要受到三種力的在溶液中膠體粒子主要受到三種力的作用作用（1 1）重力，粒子在重力作用下是上）重力，粒子在重力作用下是上浮或是下沉取決于其對溶劑的相對密度；浮或是下沉取決于其對溶劑的相對密度；（2 2）粒子運動時受到的粘滯力；（）粒子運動時受到的粘滯力；（3 3）粒）粒子和分子的固有動能。子和分子的固有動能。 Einstein認為，溶膠粒子的認為，溶膠粒子的Brown運動與分子運動類運動與分子運動類似，平均動能為似，平均動能為 并假設粒子是球形的，運用分子運動論的一些基本概念并假設粒子

5、是球形的，運用分子運動論的一些基本概念和公式，得到和公式，得到Brown運動的公式為：運動的公式為：32kT式中式中 是在觀察時間是在觀察時間t內粒子內粒子沿沿x軸方向的平均位移；軸方向的平均位移；xr為膠粒的半徑；為膠粒的半徑；為介質的粘度；為介質的粘度；NA為阿伏加德羅常數。為阿伏加德羅常數。 這個公式把粒子的位移與粒子的大小、介質粘度、溫這個公式把粒子的位移與粒子的大小、介質粘度、溫度以及觀察時間等聯系起來。度以及觀察時間等聯系起來。rtNRTXA3 擴散擴散設通過設通過AB面面的擴散質量為的擴散質量為m，則擴散速度為，則擴散速度為 ，它與濃度梯度和它與濃度梯度和AB截面積截面積A成正比

6、。成正比。ddmt 如圖所示，設任一平行于如圖所示，設任一平行于AB面的截面上濃度是均面的截面上濃度是均勻的，但水平方向自左至右濃度變稀，梯度為勻的，但水平方向自左至右濃度變稀，梯度為 ddcx這就是這就是斐克第一定律斐克第一定律。 式中式中D為擴散系數，其物理意義為：單位濃度梯為擴散系數，其物理意義為：單位濃度梯度、單位時間內通過單位截面積的質量。度、單位時間內通過單位截面積的質量。 式中負號表示擴散發生在濃度降低的方向，式中負號表示擴散發生在濃度降低的方向， 0。ddcxddmtdd= -ddmcDAtx用公式表示為：用公式表示為：22xDt這就是這就是Einstein-Brown 位移方

7、程。位移方程。從布朗運動實驗測出從布朗運動實驗測出 就可求出擴散系數就可求出擴散系數D。x將布朗運動公式代入：將布朗運動公式代入：利用擴散系數利用擴散系數D,也從上式可以求粒子半徑也從上式可以求粒子半徑 r。已知已知 r 和粒子密度和粒子密度 ，可以計算粒子的摩爾質量。，可以計算粒子的摩爾質量。rtNRTXA3 22xDtrNRTDA 61 ANrM 334 習題習題:P55,例題例題1。二、重力場中的沉降二、重力場中的沉降 溶膠是高度分散體系，膠粒一溶膠是高度分散體系，膠粒一方面受到重力吸引而下降，另一方方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗運動促使濃度趨于均一。面由于布朗運動促使濃度趨于

8、均一。 當這兩種效應相反的力相等時，當這兩種效應相反的力相等時，粒子的分布達到平衡，粒子的濃度粒子的分布達到平衡，粒子的濃度隨高度不同有一定的梯度，如圖所隨高度不同有一定的梯度，如圖所示。示。 這種平衡稱為這種平衡稱為沉降平衡沉降平衡。 達到沉降平衡時，粒子隨高度達到沉降平衡時，粒子隨高度分布的情況與氣體類似，可以用高分布的情況與氣體類似，可以用高度分布定律。度分布定律。 如圖所示，設容器截面積為如圖所示，設容器截面積為A，粒子為球型，半徑為，粒子為球型，半徑為r，粒子，粒子與介質的密度分別為與介質的密度分別為 和和 ，在，在 x1和和x2處單位體積的粒子數分別處單位體積的粒子數分別n1，n2

9、， 為滲透壓，為滲透壓，g為重力加速度。為重力加速度。 0 gxxrRTNnnA21031234ln 當分散相粒子大小為納米級時，當分散相粒子大小為納米級時，在重力場中的沉降速度極慢，粒子的在重力場中的沉降速度極慢，粒子的擴散作用不可忽視，在離心力場中離擴散作用不可忽視，在離心力場中離心力比重力大很多（可達上百萬倍，心力比重力大很多（可達上百萬倍，可使納米小粒子沉降速度加快）。可使納米小粒子沉降速度加快）。 -離心力場中的沉降作用，可以用離心力場中的沉降作用，可以用來測定聚合物的分子量。來測定聚合物的分子量。三、滲透壓三、滲透壓 半透膜半透膜只允許某種混合物的一些物只允許某種混合物的一些物質透

10、過而不允許另一些物質透過的薄膜。質透過而不允許另一些物質透過的薄膜。 溶劑分子通過半透膜進入溶液的現象。簡稱滲透 滲透現象需要具備的條件滲透現象需要具備的條件 一、一、 有半透膜存在有半透膜存在 二、半透膜兩側液體要具有濃度差二、半透膜兩側液體要具有濃度差（單位體積液體中溶劑粒子數不相（單位體積液體中溶劑粒子數不相等）。等）。滲透壓滲透壓 如果要阻止滲透現象的發生，可在溶液如果要阻止滲透現象的發生，可在溶液液面上施加一額外的壓力，這一壓力就液面上施加一額外的壓力，這一壓力就是溶液所具有的滲透壓。滲透壓用是溶液所具有的滲透壓。滲透壓用P P表示，表示，其單位為其單位為PaPa或或kPakPa 滲

11、透壓與溶液濃度和溫度的關系滲透壓與溶液濃度和溫度的關系 范特荷甫范特荷甫（Vant Hoff, 荷蘭荷蘭）非電解質稀溶液的滲透壓與濃度、溫度的關系非電解質稀溶液的滲透壓與濃度、溫度的關系 PV = n RT式中式中 P 溶液的滲透壓（溶液的滲透壓（kPa） V 溶液的體積（溶液的體積（L） n 溶液中溶質的物質的量溶液中溶質的物質的量(mol) R 氣體常數（氣體常數（8. 31 kPaLK- 1mol-1） T 熱力學溫度（熱力學溫度（T/K= t/C +273.15） CB 物質的量濃度（物質的量濃度（mol L-1） P = CB RT滲透壓的應用滲透壓的應用 （1）滲透壓是溶液依數性之

12、一，可以測定）滲透壓是溶液依數性之一，可以測定物質的分子量；物質的分子量； （2）在生物學和醫藥學中應用廣泛；）在生物學和醫藥學中應用廣泛； （3）海水淡化，廢水處理等。）海水淡化，廢水處理等。正常人血漿總滲透壓正常人血漿總滲透壓 正常人血漿總滲透壓為正常人血漿總滲透壓為720kPa800kPa 相當于血漿中能產生滲透效應的各種溶相當于血漿中能產生滲透效應的各種溶質質點的總濃度（質質點的總濃度（滲透濃度滲透濃度）為）為 280m mol L-1 310m mol L-1所產生所產生的滲透壓。的滲透壓。 等滲溶液等滲溶液 一定溫度下，滲透壓相等的兩種溶液稱為等滲溶液。一定溫度下，滲透壓相等的兩種

13、溶液稱為等滲溶液。 醫學上等滲、低滲、高滲溶液是以醫學上等滲、低滲、高滲溶液是以正常人體血正常人體血漿總滲透壓漿總滲透壓為標準的。為標準的。與人體血漿總滲透壓相等的與人體血漿總滲透壓相等的溶液稱為等滲溶液。溶液稱為等滲溶液。 臨床上常用的等滲溶液有：臨床上常用的等滲溶液有：0.278mol L-1(50g L-1)葡萄糖溶液葡萄糖溶液0.154mol L-1 (9g L-1)NaCl溶液（生理鹽水）溶液（生理鹽水）0.149mol L-1 (12.5g L-1)NaHCO3溶液溶液1/6mol L-1 (18.7g L-1)乳酸鈉（乳酸鈉（NaC3H5O3）溶液）溶液 低滲溶液低滲溶液 滲透壓

14、不等的兩種溶液，滲透壓相對較滲透壓不等的兩種溶液，滲透壓相對較低的溶液稱為低滲溶液低的溶液稱為低滲溶液 醫學上：滲透壓低于正常人體血漿總醫學上：滲透壓低于正常人體血漿總滲透壓的溶液稱為低滲溶液。滲透壓的溶液稱為低滲溶液。高滲溶液高滲溶液 滲透壓不等的兩種溶液，滲透壓相對較滲透壓不等的兩種溶液，滲透壓相對較高的溶液稱為高滲溶液高的溶液稱為高滲溶液 醫學上：滲透壓高于正常人體血漿總滲醫學上：滲透壓高于正常人體血漿總滲透壓的溶液稱為高滲溶液透壓的溶液稱為高滲溶液 臨床上常用的高滲溶液有：臨床上常用的高滲溶液有： 2.78mol .L-1(500g . L-1)葡萄糖溶液葡萄糖溶液 50g. L-1葡

15、萄糖氯化鈉溶液（生理鹽水中含葡萄糖氯化鈉溶液（生理鹽水中含有有50g . L-1葡萄糖）葡萄糖）臨床上大量輸液應注意臨床上大量輸液應注意 臨床上大量輸液時應使用臨床上大量輸液時應使用等滲溶液等滲溶液，以維持，以維持正常的血漿滲透壓。在等滲條件下正常的血漿滲透壓。在等滲條件下,紅細胞能維持紅細胞能維持其其正常的形態正常的形態和生理活性。和生理活性。 若輸入大量的低滲溶液，會降低血漿滲透壓，若輸入大量的低滲溶液，會降低血漿滲透壓，導致紅細胞漲大乃至破裂而出現導致紅細胞漲大乃至破裂而出現溶血現象溶血現象 當輸入大量的高滲溶液時，又會使血漿滲透當輸入大量的高滲溶液時，又會使血漿滲透壓過高，使紅細胞皺縮

16、而出現壓過高，使紅細胞皺縮而出現胞漿分離胞漿分離的現象。的現象。皺縮的紅細胞易粘在一起形成皺縮的紅細胞易粘在一起形成“團塊團塊”，它能堵，它能堵塞小血管而形成血栓。塞小血管而形成血栓。 地球表面的地球表面的70.8被水覆蓋著，總水量達被水覆蓋著，總水量達13.56億億立方千米。但是被水覆蓋的地球表面中立方千米。但是被水覆蓋的地球表面中97.2是浩翰的是浩翰的海洋，而陸地水面只占海洋，而陸地水面只占2.8，其中淡水更是少得可憐，其中淡水更是少得可憐，只占只占0.64。我們遇到的是一個非常矛盾的現象：一方。我們遇到的是一個非常矛盾的現象：一方面，地球上的水并不少，但絕大多數是又苦又咸的海水；面，地

17、球上的水并不少，但絕大多數是又苦又咸的海水；另一方面，人類生存所必需的淡水卻越來越少。怎么辦？另一方面，人類生存所必需的淡水卻越來越少。怎么辦？人類早已有了改造大自然的能力，我們不能看著水而大喊人類早已有了改造大自然的能力，我們不能看著水而大喊沒有水。向海水要淡水，這是從根本上解決水危機的唯一沒有水。向海水要淡水，這是從根本上解決水危機的唯一出路。出路。海水淡化海水淡化 其實，海水淡化早就是人們重視的一項技術，如今已其實，海水淡化早就是人們重視的一項技術，如今已有多種海水淡化的方法，如多級閃蒸法、電滲析法、溶劑有多種海水淡化的方法，如多級閃蒸法、電滲析法、溶劑萃取法、冷凍法、反滲透法等。其中，

18、反滲透法是耗能最萃取法、冷凍法、反滲透法等。其中，反滲透法是耗能最少的一種方法，而且用它可直接得到清潔的淡水。少的一種方法，而且用它可直接得到清潔的淡水。 反滲透海水淡化裝置包括去除混濁物質的前處理設備反滲透海水淡化裝置包括去除混濁物質的前處理設備、高壓泵、反滲透裝置、后處理設備、濃縮水能量回收器、高壓泵、反滲透裝置、后處理設備、濃縮水能量回收器等。其中最核心的裝置就是反滲透裝置，而這個裝置中最等。其中最核心的裝置就是反滲透裝置，而這個裝置中最核心的部件就是反滲透膜。核心的部件就是反滲透膜。 海水淡化海水淡化海水海水濃的海水濃的海水淡水淡水半透膜（醋酸纖維半透膜（醋酸纖維素膜）素膜）海水淡化原

19、理海水淡化原理( (反滲透）反滲透） 海水淡化，目前已成為一些海島、遠海水淡化，目前已成為一些海島、遠洋客輪、某些缺少飲用淡水的國家獲得淡洋客輪、某些缺少飲用淡水的國家獲得淡水的主要方法。水的主要方法。 半透膜材料半透膜材料 1.1.醋酸纖維素醋酸纖維素 2.2.芳香聚酰胺芳香聚酰胺 3.3.復合膜復合膜 4.4.無機膜無機膜 反滲透技術在國內外的發展十分迅速，應用越來反滲透技術在國內外的發展十分迅速，應用越來越廣泛：越廣泛：(1)(1)應用于海水淡化，污水處理及飲用水的凈化；應用于海水淡化，污水處理及飲用水的凈化； (2)(2)利用超濾膜對特殊分子量的大分子物質截留的利用超濾膜對特殊分子量的

20、大分子物質截留的原理而應用于保健藥品和保健食品的提純以及血原理而應用于保健藥品和保健食品的提純以及血液透析等液透析等 ；(3)(3)有人根據反滲透的原理提出了在海水中建立淡有人根據反滲透的原理提出了在海水中建立淡水井的設想水井的設想 。 新型應用：利用滲透壓發電新型應用：利用滲透壓發電 利用滲透壓作用在河水入海口處建造利用滲透壓作用在河水入?？谔幗ㄔ旄咚l電的設想更是引入注目高塔發電的設想更是引入注目 。 由于海水滲透壓可達由于海水滲透壓可達2525atm，只要有，只要有適宜的半透膜，河水便會通過半透膜不適宜的半透膜，河水便會通過半透膜不斷進入塔內與海水混合，只要水塔高度斷進入塔內與海水混合，

21、只要水塔高度小于小于250250米，水會從塔頂順管路流下形成米，水會從塔頂順管路流下形成世界最高的瀑布，并沖擊發電機發電，世界最高的瀑布，并沖擊發電機發電，還將海水不斷泵入塔中維持滲透壓值。還將海水不斷泵入塔中維持滲透壓值。 物質的顏色與光的關系物質的顏色與光的關系完全吸收完全吸收完全透過完全透過吸收黃色光吸收黃色光光譜示意光譜示意表觀現象示意表觀現象示意復合光復合光2.2 2.2 膠體的光學性質膠體的光學性質第二節第二節 膠體的光學性質膠體的光學性質1.Tyndall 效應與光散射效應與光散射 Tyndall效應實效應實際上已成為判別際上已成為判別溶膠與分子溶液溶膠與分子溶液的最簡便的方法。

22、的最簡便的方法。 當一束光透過溶膠時，在與光束當一束光透過溶膠時，在與光束 側面（即與光束側面（即與光束垂直的方向）可以看到溶膠中有明亮的光線軌跡，這垂直的方向）可以看到溶膠中有明亮的光線軌跡，這種現象稱為種現象稱為Tyndall效應或效應或Tyndall現象現象。其他分散體系。其他分散體系也會產生一點散射光，但遠不如溶膠顯著。也會產生一點散射光，但遠不如溶膠顯著。 2.2.光散射的本質光散射的本質 光是一種電磁波，照射溶膠時，分子中的電光是一種電磁波，照射溶膠時，分子中的電子分布發生位移而產生偶極子，這種偶極子像小子分布發生位移而產生偶極子，這種偶極子像小天線一樣向各個方向發射與入射光頻率相

23、同的光，天線一樣向各個方向發射與入射光頻率相同的光，這就是散射光。這就是散射光。 分子溶液分子溶液十分均勻，這種散射光因相互干十分均勻，這種散射光因相互干涉而完全抵消，涉而完全抵消，看不到散射光看不到散射光。 溶膠溶膠是多相不均勻體系，在膠粒和介質分是多相不均勻體系，在膠粒和介質分子上產生的散射光不能完全抵消，因而子上產生的散射光不能完全抵消，因而能觀察能觀察到散射現象到散射現象。I入入可見光可見光400-700nmI散散I反反I透透l l可見光可見光400-700nmd1/2l l 反射反射 d1/2l l 散射散射 當光束通過分散體系時，一部分自由地通過，當光束通過分散體系時，一部分自由地

24、通過，一部分被吸收、反射或散射?？梢姽獾牟ㄩL約在一部分被吸收、反射或散射?？梢姽獾牟ㄩL約在400700 nm之間。之間。（1）當光束通過）當光束通過粗分散體系粗分散體系，由于粒子大于入，由于粒子大于入射光的波長，主要發生射光的波長，主要發生反射反射，使體系呈現混濁。，使體系呈現混濁。 （2）當光束通過）當光束通過膠體溶液膠體溶液，由于膠粒直徑小于，由于膠粒直徑小于可見光波長，主要發生可見光波長，主要發生散射散射，可以看見乳白色的，可以看見乳白色的光柱。光柱。（3）當光束通過）當光束通過分子溶液分子溶液，由于溶液十分均勻，由于溶液十分均勻，散射光因相互干涉而完全抵消，散射光因相互干涉而完全抵消，

25、看不見散射光看不見散射光。3.典經光散射理論（靜態光散射）典經光散射理論（靜態光散射） 1871年，年，Rayleigh研究了大量的光散射現象，導研究了大量的光散射現象，導出了散射光總能量的計算公式，稱為出了散射光總能量的計算公式，稱為Rayleigh公式：公式：前提條件：前提條件：介質中的粒子：介質中的粒子： (1)球形；球形； (2)非導體；非導體； (3)比入射光波長要小，比入射光波長要小，D/l1/20 (4)粒子間無相互作用粒子間無相互作用 當散射光與入射光的頻率相同時，光散射為當散射光與入射光的頻率相同時，光散射為彈性彈性光散射光散射。靜態光射研究體系的。靜態光射研究體系的平衡性質

26、平衡性質。（1）Rayleigh公式公式2202222221422219() (1)os22cnncInnvIRl散射光的角分布（對小粒子體系）223222104222124()2nncvIIInnl3. 靜態光散射靜態光散射式中：c為濃度（g/mL)，A2為第二個維里系數 I0 入射光強度，N為Avogadro常數 I90 為散射角90o距離散射中心rcm處每毫升溶液所產生的光強l 為入射光波長， n0為溶劑的折光系數， 為折光系數隨濃度的變化率（示差折射率儀測定）/nc290900Rr II02242(/)nncKNl瑞利比：示差折射率儀測定靜態光散射儀測定4. 動態光散射及其測量動態光散

27、射及其測量 在實際體系中小粒子不停地做布朗運動，散在實際體系中小粒子不停地做布朗運動，散射光頻率與入射光的頻率比較，發生頻移。粒子射光頻率與入射光的頻率比較，發生頻移。粒子運動速度也不完相同，有定的速度分布，故頻率運動速度也不完相同，有定的速度分布，故頻率也有一定的分布。這樣，散射光頻率將以入射光也有一定的分布。這樣，散射光頻率將以入射光時頻率時頻率w w0 0為中心展寬，或者說是散射光強隨時是為中心展寬，或者說是散射光強隨時是變化發生漲落。變化發生漲落。這種由于膠體體系中粒子動態性質引起的這種由于膠體體系中粒子動態性質引起的光散射變化稱為光散射變化稱為動態光散射動態光散射。動態光散射動態光散

28、射-DLS技術技術 散射光強隨時間漲落的變化可用時間相散射光強隨時間漲落的變化可用時間相關函數表征，散射光強時間相關函數定義為關函數表征，散射光強時間相關函數定義為R RI I（t t）h/(6)RkTD對于球形粒子對于球形粒子（1）利用散射光測定顆粒大小與濃度）利用散射光測定顆粒大小與濃度-濁度法濁度法5.靜態散射光應用靜態散射光應用21IK cv/mscvVVC34 3vr23112IK cvK CvK Cr 當分散相和分散介質等條件都相同，當分散相和分散介質等條件都相同，Rayleigh公公式可改寫成：式可改寫成：232221402222124()2IcnnInnvl23112IK cv

29、K CvK Cr323121rrII 保持濃度相同保持濃度相同2121ccII 保持粒子大小相同保持粒子大小相同 如果已知一種溶液的散射光強度和粒子半徑如果已知一種溶液的散射光強度和粒子半徑（或濃度），測定未知溶液的散射光強度，就可（或濃度），測定未知溶液的散射光強度，就可以知道其粒徑（或濃度），這就是以知道其粒徑（或濃度），這就是乳光計乳光計。（2）溶膠的顏色溶膠的顏色I0可見光可見光400-700nmI散散I0EcdII e()0E A cdII e其中，其中，E和和A分別為吸收系數和散射系數分別為吸收系數和散射系數對于溶液，對于溶液，Beer定律定律對于膠體溶液，對于膠體溶液，Beer定律改