1、關于溶膠與凝膠第一張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.1 溶膠的性質2.1.1 溶膠的運動性質一、擴散Fick第一定律:單位時間內通過面積A的物質量與擴散系數D、濃度梯度dc/dx、和截面A的面積成正比。其中：阻力系數：得：注：就體系而言，濃度梯度越大，質點擴散越快；就質點而言， 半徑越小，擴散能力越強，擴散速度越快。第二張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月擴散定律的應用（1）計算球形膠體粒子半徑。 ， D （可以測定） 根據公式求算r（2）估算非球形膠體粒子的軸比。測分子量 求算等效球阻力系數f0 由D計算實際阻力系數f 由f/f0計算軸比。（3）估算最大溶劑化量。第三張，P

2、PT共三十七頁，創作于2022年6月二、布朗運動 液體分子撞擊著懸浮粒子，當懸浮粒子所受力不均衡時，做連續的、不規則運動，該現象為Brown運動。1905年Einstein 提出NA Avgadro常數 （6.0221023）T 絕對溫度。 粘度。 r 半徑。 公式表明：當其他條件不變時，微粒的平均位移的平方與時間及溫度T成正比，與粘度及r成反比。第四張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月膠粒密度， 溶劑密度，r 膠粒半徑， g 重力加速度。F浮力F重力F摩擦力三、沉降和沉降平衡： 粗分散體系（如泥沙的懸浮液）中的粒子由于重力的作用 最終全部沉降下來，這種現象稱為沉降。高度分散體系情 況則

3、不同，一方面粒子受重力下降；另一方面由于Brown運 動又促使濃度趨向均一。當這兩種效應相反的力相等時， 粒子的分 布達平衡，形成了一定的濃度梯度。第五張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月不同分散體系中濃度降低一半時的高度 分散體系 分散程度(r/nm)粒子濃度降低一半時的高度(m) 氧氣 0.27 5000 分散度很高的金溶膠 1.86 2.15 金溶膠 8.35 0.025 粗分散金溶膠 186 0.0000002 藤黃懸浮液 230 0.00003粒子濃度的高度分布公式如下：式中：N2、 N1分別表示 X2、 X1高度時單位體積內的粒子數，r 為粒子半徑g為重力加速度。公式表明：粒

4、子半徑越大，濃度隨高度變化越明顯。粒度很大的粗分散體系在沉降平衡時易完全沉降，說明這種體系的布朗運動極為微弱動力學不穩定性表現在沉降；粒度減到膠體范圍內時擴散能力顯著增加，濃度分布更加均勻。第六張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.1.2 溶膠的光學性質 丁道爾效應一、丁道爾效應 在暗室里將一束強光射過膠體溶液，則從側面（即在光的垂直方向上）觀察，可以清晰地看到明顯的光徑。這一現象稱為Tyndall效應。Tyndall效應的產生：膠體粒子對同一方向入射光的散射。一般而言，當粒子半徑小于入射光波長的一半時，光線絕大部分透過，散射光線很弱。第七張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月由上

5、式可以看出: (1)入射光波長愈短其散射光強度也強。(2)散射光的強度隨粒子濃度增加而增加。(3)分散相顆粒體積越大，散射光越強。(4)分散相及分散介質的折射率差別越大，散射光越強。雷萊研究了光的散射現象，并得到光散射強度(I)與入射光波長(l)、入射光強度(Io)、單位體積中分散體系的粒子數(c)、粒子的體積(V)以及分散相及分散介質的折射率n1及n2的關系式如下 二、 Rayleigh散射定律第八張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月考慮到散射光在各個方向上強度的差別，上述公式變為： 當膠體粒子直徑大于/10，超過Rayleigh定律限制，則散射光強度的角度分布散對稱性受到破壞，在與入

6、射光方向呈銳角的方向散射加強。（波長為1.06微米的激光粒徑分析儀為什么可以測量50nm以上的膠體粒徑？）三、溶膠的顏色 溶膠中的質點對可見光產生選擇性吸收，若溶膠對可見光的各部分吸收很弱，且大致相同，則溶膠是無色的；若溶膠能較強地選擇性吸收某一波長的光，則透過光中該波長部分變弱，溶膠會呈現某種顏色。質點對光的吸收主要取決于其化學結構；如：AgCl幾乎不吸收可見光，所以它是白色的；AgBr和AgI只吸收藍色光，所以它們呈黃色和深黃色。Fe(OH)3膠體為紅色。 另外，膠體的顏色還與粒子對光的散射有關。第九張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月粒子直徑（nm）透射光側面光10-20黃籃25-

7、35紅暗綠35-45紅紫綠50-60籃紫黃70-80籃棕紅表21 不同粒徑銀溶膠的顏色第十張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.1.3溶膠的電學性質 電泳儀電泳: 電泳是指在電場作用下，溶膠粒子在分散介質中的定向移動現象。 一、電動現象 電動現象是指溶膠粒子的運動與電性能之間的關系。電動現象的實質是由于雙電層結構的存在，其緊密層和擴散層中各具有相反的剩余電荷，在外電場或外加壓力下，它們發生相對運動。第十一張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月 沉降(流動)電位:指在外力作用下，是分散相粒子(膠粒) 在分散介質中迅速下降（流動），而在液體的表面層與底層之間所產生的電位差。 電滲:指在

8、電場作用下，分散介質(如水等)通過多孔膜或極細的毛細管而定向移動的現象。第十二張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月二、質點表面電荷的來源（1）電離作用：組成膠體粒子位置的電離。（集團OH，NH2, COOH） 例如硅溶膠在弱酸性或堿性介質中因表面硅酸的電離而帶負電荷： SiO2H2O H2SiO3 HSiO3H+ SiO32-2H+（2）離子吸附 組成膠核的離子（或能與膠核組成離子形成不溶物的離子）被優先吸附。 （3）晶格取代 例如，粘土由鋁氧八面體和硅氧四面體的晶格組成。晶格中的A13+或Si4+有一部分被Mg2+或Ca2+取代而使粘土顆粒帶負電荷。（4）帶電磨擦 對非水系統。第十三張

9、，PPT共三十七頁，創作于2022年6月膠核：不溶性質點如AgI吸附層：膠核附近的一部分反離子擴散層：離膠核較遠的部分反離子三、膠團結構第十四張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月AgI膠團結構(在KI溶液中)AgI膠團結構(在AgNO3溶液中)第十五張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月電位：在膠體粒子帶電的表面與電解質溶液間有一滑動界面，滑動界面上的電勢稱電勢。Helmholtz 模型 Gouy-Chapman模型四、雙電層結構模型和z電位第十六張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月式中：為表面電荷密度；為兩層間的距離；D為介質的介電常數； 0為表面電位。說明： 0隨距固體表面

10、的距離增大而直線下降；到溶膠中（很大） 00 。Helmholtz模型 Helmholtz 認為膠粒的雙電層結構類似于簡單的平行板電容器，雙電層的里層在質點表面上，相反符號的外層則在液體中第十七張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月GouyChapman模型 GouyChapman認為溶液中的反離子是擴散地分布在質點周圍的空間里，由于靜電吸引，質點附近處反離子濃度要大些，離質點越遠，反離子濃度越小，到距表面很遠處過剩的反離子濃度為零。 由于在水溶液中質點總是結合著一層水(其中含有部分反離子)，此水和其中的反離子可視為質點的一部分，故在電泳時固液之間發生相對移動的“滑動面”應在雙電層內距表面

11、某一距離處。 該處的電位與溶液內部的電位之差即為電位。 電位的大小取決于滑動面內反離子濃度的大小。進入滑動面內的反離子越多, 電位越小，反之則越大。 電位的數值可以通過電泳或電滲速度的測定計算出來后面將有介紹。第十八張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月stern模型 stern認為擴散雙電層可分為兩層一層為緊靠粒子表面的緊密層其厚度 由被吸附離子的大小決定；另一層相似于GouyChapman雙電層中的擴散層(電勢隨距離的增加呈曲線下降)其濃度由本體溶液的濃度決定。由于質點表面總有一定數量的溶劑分子與其緊密結合，因此在電動現象中這部分溶劑分子與粒子將作為一個整體運動，在固液相之間發生相對移

12、動時也有滑動面存在。第十九張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月紅球為吸附層離子；蘭球代表相反電荷離子。Zeta電位：進入滑移面內的相反電荷離子越多Zeta電位越小，反之依然。Stern吸附擴散雙電層理論第二十張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月U電泳時界面移動速度，v為電滲時通過半透膜的液體體積， E為電場強度，q為半透膜毛細管總面積，為液體的介電常數，為液體的粘度系數。電泳電滲五、 電位的計算通過電泳速度數據計算電位 測定電泳或電滲速度可以計算電位第二十一張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.1.4膠體穩定性 Brown運動，范得華力靜電力，摩擦力，重力擴散雙電層觀點：膠

13、粒帶電(有一定的 電位），使粒子間產生靜電斥力同時，膠粒表面水化，具有彈性水膜，它們也起斥力作用，從而阻止粒子間的聚結。2.1.4.1 溶膠的穩定性 (1)熱力學穩定性：表面能 (2)動力學穩定性 ：(3)聚集穩定性：第二十二張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.1.4.2 溶膠的聚沉 溶膠能穩定存在的主要原因是帶有相同的電荷，膠粒間產生的排斥作用。一旦穩定條件破壞，溶膠中粒子就合并、長大，這一過程稱聚沉。溶膠聚沉方法加熱加電解質溶膠相互聚沉第二十三張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月1.電解質的聚沉作用 C為常數， 介質的介電常數， K為Boltzmann常數， T絕對溫度，A

14、為Van der waals引力常數， e為單位電荷， Z為反離子價數。一般規律： a.在溶膠中加入電解質時，使電位降低，fo減小 b.電解質濃度達到某一定數值，膠粒處于等電狀態，膠體的穩定性最低。 c.電解質過量，膠粒又帶電，但電性和原來的相反，稱為“再帶電“。 d.在相同濃度時離子價越高，聚沉能力越大，“聚沉值“ 越小.2.聚沉規律感膠離子序：負電性溶膠的聚沉能力為 ： H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+ 具有相同陽離子的各種陰離子，其對正電性溶膠的聚沉能力為 ： F-IO3-H2PO4-BrO3-Cl-ClO3-Br-I-CNS- 一定條件下，使溶膠全部聚沉所需電解質的最低濃度稱為

15、聚沉值。第二十四張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月3 溶膠的相互聚沉 1.DLVO理論 在一定條件下，膠體的穩定性取決于膠粒間的相互吸引力和靜電斥力。第二十五張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月混合物/ml現 象混合后粒子的電荷Fe(OH)3As2O391無變化82長時間后微混73立即聚沉55立即聚沉37完全聚沉不帶電28發生聚沉19發生聚沉0.29.8混濁但不聚沉表 溶膠的相互聚沉第二十六張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2. 空位穩定理論 膠體粒子表面層內高分子濃度低于液相中的濃度導致膠粒表面形成空位層。彈性斥力位能ERS = ERE + ERE + ER0 + ER

16、H 結構熵斥力位能滲透斥力位能滲透熵斥力位能2.1.4.3 高分子穩定膠體的穩定作用向溶膠中加入高聚物，膠粒對聚合物分子可能產生負吸附，即膠粒表面層聚合物濃度低于溶液本體中的高聚物濃度，導致膠粒表面形成“空缺層”，在空缺層重疊時會發生排斥作用，使溶膠穩定。1. 空間穩定理論（1）帶電聚合物被吸附后增加了粒子之間的靜電排斥（ER） (2) 電中性高分子被吸附于膠體粒子表面減少了引力位能（EA） (3) 產生了新的斥力位能（ERS） 第二十七張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月靜止移動x2.1.5流變性質2.1.5.1 基本概念和術語 (1)切變速度與切應力切向流動切變速度：dv/dx v和

17、x的單位分別為m/s和m，故v單位：s-1。切應力: = F/A，單位為N/m2。粘度：剪切應力與剪切速率的比值。即=/ 粘度的單位為Fm-2s，即Pas帕（斯卡）秒。第二十八張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月(2)牛頓公式 純液體和大多數低分子溶液在層流條件下的切應力 與切變速度D成正比，有下式：式中：r與l分別為毛細管的半徑和長度；v為在t秒內液體所流過的毛細管體積；p為毛細管兩端的壓力差。b.轉筒式粘度計 同軸轉筒型粘度計主要研究非牛頓流體的流變性。此式即牛頓公式。為液體的粘度。(3)測定粘度的方法 a.毛細管粘度計 主要用于測定牛頓流體的粘度。毛細管粘度計的基本公式是 Pois

18、euille公式：第二十九張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月幾種基本流型塑性流體也叫Bingham體，其流變曲線不通過原點，即只有當大于某一值(y)時，才開始流動， y稱為屈服值。y切應力切變速度2.1.5.2 濃分散體系的流變性質 牛頓體 塑性體 假塑體 脹流體 觸變流型第三十張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.2 凝膠 2.2.1基本概念 在一定條件下，高分子溶質或膠體粒子相互連接，形成空間網狀結構，而溶劑小分子充滿在網架的空隙中，成為失去流動性的半固體體系，稱為凝膠，這種凝膠化的過程稱為膠凝. 特點：在新形成的水凝膠中，不僅分散相(搭成網結)是連續相，分散介質(水)也是連續相。2.2.2 分類 彈性凝膠：凝膠過程完全是可逆的非彈性凝膠：溶膠凝膠的溶膠過程不可逆。第三十一張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.3 凝膠的形成 2.3.1 凝膠形成的條件 (1)降低濃度，使被分散的物質從溶液中以“膠體分散狀態”析出 (2)析出的質點既不沉降，也不能自由行動，而是構成骨架，通過整個溶掖形成連續的網狀結構。2.3.2 凝膠形成的方法 (1)改變溫度 (2)加入非溶劑 (3)加入鹽類 (4)化學反應第三十二張，PPT共三十七頁，創作于2022年6月2.3.3凝膠的結構膠體粒子互聯結構鏈狀大分子