胶体与表面化学知识点整理Word格式文档下载.docx
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，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m2/s，D越大，质点的扩散能力越大。
扩散系数
与质点在介质中运动时阻力系数
之间的关系为：
（
为阿伏加德罗常数；
R为气体常数）
若颗粒为球形，阻力系数
=6
（式中，
为介质的黏度，
为质点的半径）
故
，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。
2.布朗运动：
粒子越小布朗运动越激烈，其运动激烈的程度不随时间而变，但随温度变化。
本质：
分散介质的分子热运动。
现象：
分子处于不停的无规则运动中
半径大于5μm时布朗运动消失。
由于布朗运动是无规则的，因此就单个粒子而言，它们向各方向运动的几率是相等的。
在浓度高的区域，单位体积的粒子较周围多，造成该区域“出多进少”，使浓度降低，这就表现为扩散。
扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础
Einstein认为，粒子的平均位移
与粒子半径
、介质黏度
、温度
和位移时间t之间的关系：
，此式常称为Einstein-Brown位移方程。
式中
是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；
r为胶粒的半径；
为介质的粘度；
为阿伏加德罗常数。
利用此公式可以求粒子的半径，进而可以求粒子的摩尔质量。
3.沉降
溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。
当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，这种平衡称为沉降平衡。
高度分布定律
三、溶胶的光学性质
1.光散射
（1）丁达尔效应：
以一束强光射入溶胶后，在入射光的垂直方向可以看到一道明亮的光带，被称为丁达尔效应
光本质是电磁波，当光波作用到介质中小于光波波长的粒子上时，粒子中的电子被迫振动（其振动频率与入射光波的频率相同）,成为二次波源，向各个方向发射电磁波，这就是散射光波也就是我们看到的散射光。
丁达尔效应可以认为是胶粒对光的散射作用的宏观表现。
溶胶是多项不均匀体系，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。
（2）Rayleigh散射定律
c为单位体积中质点数，v为单个粒子的体积（其线
性大小应远小于入射光波长），
为入射光波长，
n1、n2分别为分散介质和分散相的折射率
散射光强度与入射光波长的四次方成反比。
入射光波长愈短，散射愈显著。
所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。
分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作用亦愈显著。
若n1=n2则无散射现象
散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。
散射光强度与粒子体积的平方成正比。
在低分子溶液中，散射光极弱，因此利用丁道尔现象可以鉴别溶胶和真溶液。
四．溶胶的电学性质和胶团结构
1.电动现象及其应用
（1）电泳：
带电胶粒或大分子在外加电场作用下向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。
（在不规则部件镀膜，多用于汽车行业）
（2）电渗析：
在外加电场的作用下，带电的介质通过多孔膜或半径为1-10nm的毛细管作定向移动。
外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。
电渗应用：
溶胶的净化，海水淡化，泥炭和燃料的干燥。
（3）沉降电势：
在无外加电场作用下，若使分散相粒子在分散介质中迅速沉降时，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差，这就是沉降电势。
这种现象是电泳的逆过程。
贮油罐中的油内常会有水滴，水滴的沉降会形成很高的电势差，有时会引发事故。
通常在油中加入有机电解质，增加介质电导，降低沉降电势。
（2）流动电势：
若用压力将液体挤过毛细管网或由粉末压成的多孔塞，则在毛细管网或多孔塞的两端会产生电位差，此之谓流动电势，此现象为电渗析的逆过程。
在用泵输送原油或易燃化工原料时，要使管道接地或加入油溶性电解质，增加介质电导，防止流动电势可能引发的事故。
电动电势：
在外加电场下，胶粒与介质作相对移动时所表现出的电势叫做电动电势
2.双电层
五．胶体的稳定性（略谈）
（一）.溶胶的稳定性与DLVO理论
1.
（1）热力学上为不稳定体系：
胶体体系是多相分散体系，有巨大的界面能。
（2）动力学上的稳定体系：
溶胶粒子较小，布朗运动激烈，因此在重力场中不易沉降，即具有动力学稳定性。
（3）聚结稳定性：
由于胶团双电层结构的存在，胶粒都带有相同的电荷，相互排斥，故不易聚沉。
这是溶胶稳定存在的最重要原因
2.DLVO理论：
溶胶在一定条件下是稳定存在还是聚沉，取决于粒子间的相互吸引力和静电斥力。
若斥力大于吸引力则溶胶稳定，反之则不稳定。
溶胶稳定理论
胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量Vr，总作用能为Va+Vr。
如图所示：
当粒子相距较大时，主要为吸力，总势能为负值；
当靠近到一定距离，双电层重叠，排斥力起主要作用，势能升高。
要使粒子聚结必须克服这个势垒。
3.影响溶胶稳定性的因素
（1）外加电解质的影响。
这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使电位下降，促使胶粒聚结。
（2）浓度的影响。
浓度增加，粒子碰撞机会增多。
（3）温度的影响。
温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加。
（4）胶体体系的相互作用。
带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。
（二）溶胶的聚沉
聚沉值：
使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度。
对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。
聚沉能力：
是聚沉值的倒数。
聚沉值越大的电解质，聚沉能力越小；
反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。
第六章表面活性剂
两个重要性质，一是在各界面上的定向吸附（作乳化剂、起泡剂、润湿剂的根据），另一个是在溶液内部能形成胶束（增溶核乳化作用的原因）
一．表面活性剂定义：
微量加入，显著降低液体（一般是水）表面张力的一种化学试剂。
表面活性剂有表面活性，但不是有表面活性的就是表面活性剂。
肥皂：
降低水的界面能，很好的渗透润湿性。
起泡，污染物分离。
二．表面活性剂的特点
分两部分一部分是与油有亲和性的亲油基（也称憎水基）另一部分是与水有亲和性的亲水基（也称憎油基）。
虽然表面活性剂的结构是两亲分子，但并不是所有两亲分子都是表面活性剂，只有亲油部分有足够长度的两亲性物质，才是表面活性剂。
三．表面活性剂的分类、结构特点及应用
1.分类
※
（1）按离子类型分类（按亲水基的电离分的）
阴离子型（用量最大）：
R-COONa羧酸盐、R-OSO3Na硫酸酯盐、R-SO3Na磺酸盐、R-OPO3Na磷
酸酯盐
离子型阳离子型（多用于杀菌）：
R-NH2HCl伯胺盐、R-N（CH3）HHCl仲铵盐、R-N（CH3）2HCl叔铵盐、
R-N+（CH3）3Cl-季铵盐
两性离子：
R-NHCH2CH2COOH氨基酸型、RN（CH3）2-CH2COO-甜菜碱
非离子型：
R-O（CH2CH20）nH聚氧乙烯型、
R-（C6H4）-O（CH2CH20）nH烷基酚聚氧乙烯烷基胺
R2N-（CH2CH20）nH聚氧乙烯烷基胺
R-CONH（CH2CH20）nH聚氧乙烯烷基酰胺
R-COOCH2C（CH2OH）3多元醇型
（2）按溶解性分类
可分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂
（3）按分子量分类
高分子表面活性剂：
分子量在10000—∞
中分子表面活性剂：
分子量在1000—10000
低分子表面活性剂：
分子量在100—1000
（4）按用途分
2.各类表面活性剂的特点
（1）阴离子型表面活性剂
（2）阳离子型表面活性剂
（3）两性离子型表面活性剂当水溶液偏碱性，则显示出阴离子活性剂的特性，若溶液偏酸性则显示出阳离子的特性
（4）非离子型表面活性剂：
不是离子状态，稳定性高，不易受强电解质无机盐的影响，不易受酸碱性的影响。
五．胶束理论
1.胶束：
达到一定浓度时其疏水基相互缔合成有序组合体，这种缔合结构称为胶束
2.临界胶束浓度：
开始形成胶束的最低浓度
3.胶束理论当溶液浓度在CMC一下时，溶液中基本是单个表面活性剂分子（或离子），表面吸附量随浓度增大而逐渐增加，直至表面上再也挤不下更多的分子，此时表面张力不再下降。
也就是说σ-c曲线上，σ不再下降时的浓度可能正是开始形成胶束的浓度，这应该是各种性质的开始与理想性质发生偏离时的浓度。
浓度继续增加并超过CMC后，单个的表面活性剂离子的浓度基本上不再增加，而胶束浓度或胶束数目增加。
因胶束表面是由许多亲水基覆盖的，故胶束本身不是表面活性的，因而不被溶液表面吸附。
而胶束内部皆为碳氢链所组成的亲油基团，有溶解不溶于水的有机物的能力。
胶束的形成使溶液中的质点（离子或分子）数目减少，因此依数性（如渗透压等）的变化减弱。
4.胶束的结构
球形胶束：
浓度为CMC或略大于CMC
棒状胶束：
在浓度为CMC的10倍或更大的浓度
层状胶束：
浓度更大，就形成巨大的层状胶束
六．亲水亲油平衡HLB:
以石蜡的HLB为0，以油酸的HLB为1，以油酸钾的HLB为20，以十二烷基硫酸钠为40
七.表面活性剂的作用及应用
1.增溶作用:
指难溶和不难溶有机物在表面活性剂胶束水溶液中溶解度增大的现象
发生增溶作用时，被增溶物的蒸气压下降。
增溶作用是一个可逆的平衡过程，无论用什么方法，达到平衡后的增容作用都是一样的。
增溶作用对依数性影响很少，这表明增溶时溶质并未拆散成单个分子或离子，而很可能是“整团”地溶解在肥皂溶液中，因为只有这样，质点的数目才不致有显著的增加。
实验证明，在低于临界胶束时基本上无增溶作用，只有高于CMC以后增溶作用才明显地表现出来。
2.增溶机理
3.影响增溶作用的因素
（1）表面活性剂的结构
同系的钾皂中碳氢链越长，増溶能力越大；
对于烃类，2价金属烷基硫酸盐较之相应的钠盐有较大的增溶能力，因为前者具有较大的胶束聚集数和体积；
但直链的表面活性剂较相同的碳原子数的支链表面活性剂的増溶能力大，因为后者的有效链长较短；
极稀溶液中非离子型表面活性剂有较低的CMC，故较之粒子性表面活性剂有较强的増溶能力。
当表面活性剂具有相同的亲油链长时，不同类型表面活性剂增溶烃类和极性化合物的顺序：
非离子型>
阳离子型>
阴离子型
（2）被增溶物的结构：
一般情况极性化合物比非极性化合物易于增溶；
芳香族化合物比脂肪族化合物易于增溶；
有支链的化合物比直链化合物易于增溶。
（3）电解质：
往离子型表面活性剂中加入无机盐，能降低其CMC，有利于加大表面活性剂的増溶能力；
往非离子型表面活性剂中加入电解质，能增加烃类的增溶量，这主要是加入电解质后胶束的聚集数增加。
（4）温度：
升温能增加极性和非极性物质在离子型表面活性剂中的增溶作用量，这主要是由于温度升高后热扰动增强，从而增大了胶束中提供增溶的空间。
增溶与溶解的区别：
增溶与溶解作用是溶质溶解在溶剂中，增溶作用，是溶质溶解在增溶胶束中。
前者受溶解度的影响。
后者主要受增溶胶束数目的影响
乳化作用：
是将一种液体分散到第二种不相溶的液体中去的过程。
乳化机理：
加入表面活性剂后,由于表面活性剂的两亲性质,使之易于在油水界面上吸附并富集,降低了界面张力界面张力是影响乳状液稳定性的一个主要因素。
第七章乳状液
一．概述
1.乳状液是一种或多种液体以微滴状分散到另一种不想毁容的液体中形成的多相分散体系。
分散相粒子直径一般在0.1-10μm。
乳状液是热力学不稳定体系。
2.乳化：
凡由水和“油”（广义的油）混和生成乳状液的过程
3.破乳：
将乳状液破坏使油水分离
4.分类：
（1）油/水型（O/W）即水包油型。
分散相（也叫内相）为由，分散介质（也称为外相）为水。
（2）水/油型（W/O）即油包水型。
内相为水，外相为油
5.乳化剂：
为得到稳定的乳状液，必须设法降低分散体系的表面自由能，不让液滴互碰后聚结，于是主要的是要加入一些表面活性剂，也被称为乳化剂。
6.乳化剂的作用：
（1）降低油-水界面张力：
乳化剂吸附在油水界面上，亲水的极性基团浸在水中，亲油的非极性基团伸向油中，形成定向的界面膜，降低了油水体系的界面张力，使乳状液变得较为稳定。
（2）在分散相（内相）周围形成坚固的保护膜；
乳化剂分子在油水界面上的定向排列，形成一层具有一定机械强度的界面膜，可以将分散相液滴相互隔开，防止其在碰撞过程中聚结变大，从而得到稳定的乳状液。
（3）液滴双电层的排斥作用由于同性电荷之间的静电斥力，阻碍了液滴之间的相互聚结，从而使乳状液稳定。
（4）固体粉末的稳定作用：
固体粉末作乳化剂时，粉末在油水界面上形成保护膜而使乳状液稳定。
亲水性固体如二氧化硅、蒙脱土等可作为制备O/W型乳化液的乳化剂；
亲油性固体如石墨可作为W/O型乳化剂。
二．乳状液的制备和物理性质
1.混合方式
（1）机械搅拌
（2）胶体磨（3）超声波乳化器（4）均化器
2.乳化剂的加入方式
（1）转相乳化法
（2）瞬间成皂法（3）自然乳化法（4）界面复合物生成法（5）轮流加液法
3.影响分散度的因素：
（1）分散方法
（2）分散时间（3）乳化剂浓度
4.乳状液的物理性质
（1）液滴的大小和外观
（2）光学性质：
当液滴直径远大于入射光波长时，发生光的反射，若液滴透明，可能发生折射；
当液滴直径远小于入射光波长时，光线完全透过，此时乳状液外观是透明的；
若液滴直径略小于入射光波长（即与波长是同一数量级），发生光的散射。
乳状液一般是不透明的，成乳白色
（3）黏度：
外相的黏度其主导作用，特别是当内相浓度不是很大时。
乳化剂往往会大大增加乳状液的黏度，这主要是因为乳化剂可能进入油相形成凝胶，或是水相中的乳化剂增溶了油等。
（4）电导：
由外相决定，故O/W型乳状液的电导率远大于W/O型乳状液的，这可作为鉴别乳状液类型及形变的依据。
三．乳状液类型的鉴别和影响类型的因素
1.乳状液类型的鉴别
（1）稀释法：
将数滴乳状液滴入蒸馏水中，若在水中立即散开则为O/W型乳状液，否则为W/O型乳状液。
（2）染色法：
向乳状液滴入水溶性染料（如亚基蓝溶液）若被染成蓝色为O/W类型乳状液，如内相变为蓝色则为W/O型乳状液
（3）导电法：
O/W类型乳状液导电性好，而W/O型乳状液导电性能差。
但使用离子型乳化剂时，即使是W/O型乳状液，或水相体积分数很大的W/O型乳状液，其导电性也颇为可观。
2.决定和影响乳状液类型的因素
（1）相体积与乳状液类型：
相体积分数在0.26-0.72之间，W/O型乳状液和O/W型乳状液均可形成
（2）几何因素（或定向楔）与乳状液类型：
若其亲水基和疏水基体积相差很大，大的一端亲和的液相将构成乳状液的外相，另一液相为内相。
如1价金属皂为乳状液时，则得O/W型乳状液；
若为高价金属皂，则得W/O型乳状液
（3）液滴聚结速度与乳状液类型
（4）乳化剂的溶解度与乳状液的类型：
在形成乳状液的油和水两相中，乳化剂溶解度大的一相构成乳状液的外相，形成相应的类型。
，此经验规则称为Bancroft规则。
四．影响乳状液的稳定性因素
1.乳状液是热力学不稳定体系
2.油-水间界面的形成
3.界面电荷
4.乳状液的黏度
5.液滴大小剂其分布
6.粉末乳化剂的稳定作用
五．乳化剂的分类与选择
1.分类：
（1）合成表面活性剂
（2）高聚物乳化剂（3）天然产物（4）固体粉末
2.乳化剂的选择
（1）选择的一般原则：
大多有良好的表面活性，能降低表面张力，在欲形成的乳状液外相中有良好的溶解能力
乳化剂在油水界面上能形成稳定的和紧密排列凝聚膜
水溶性和油溶性乳化剂的混合使用有更好的乳化效果
乳化剂应能适当增大外相黏度，以减小液滴的聚集速度
满足乳化体系的特殊要求
要能用最小的浓度和最低的成本达到乳化效果；
乳化工艺简单。
（2）选择乳化剂的常用方法:
HLB法
PIT法
六．乳状液的变型和破乳
1.乳状液的变型
变型也叫反相，是指O/W型（W/O型）乳状液变成W/O型（O/W型）乳状液的现象。
2.影响乳状液变型的因素
（1）乳化剂的类型：
1价金属皂为乳状液时，则得O/W型乳状液；
若为高价金属皂，则得W/O型乳状液。
（2）相体积比在某些体系中，当内相体积在74%以下时体系是稳定的，当超过74%时则内相转变成外相，乳状液发生变型。
（3）温度
（4）电解质
3.乳状液的破坏
破乳的本质是乳状液不稳定。
（1）乳状液不稳定的三种表现：
分层、聚集、破坏
（2）破乳的方法
化学法
顶替法（消泡机的机理）
电破乳法
加热法
机械法
20、微乳液
25、微乳液的粒径常在0.01-0.20μm之间。
由水、油、表面活性剂、助活性剂（小分子醇）等四个组分以适当的比例自发形成的透明或半透明的稳定体系。
26、助表面活性剂的作用
（10）降低界面张力
（11）增加界面膜流动性
（12）调节表面活性剂的HLB值（微调）
第三章凝胶
一、概述
1、定义：
凝胶又称冻胶。
溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体（在干凝胶中也可以是气体，干凝胶也称为气凝胶），这样一种特殊的分散体系称作凝胶。
没有流动性。
内部常含有大量液体。
2、凝胶的通性：
（1）所有新形成的都含有大量的液体（液体含量通常在95%以上），所含液体为水的凝胶称为水凝胶。
（2）所有水凝胶外表相似，呈半固体状，无流动性。
（3）有一定的几何外形，因而呈现出固体的力学性质，如有强度，弹性和屈服值等。
（4）由固-液（气）两相组成，属胶体分散体系，它有流体的某些性质，例离子在水凝胶中的扩散速度接近在水溶液中的扩散速度。
（5）在新形成的水凝胶中，不仅分散相（搭成网结）是连续相，分散介质（水也是连续相），这是凝胶的主要特征。
浆糊的分散相不是连续相。
3、胶凝和干胶
一定浓度的溶胶分子或大分子化合物的真溶液在放置过程中自动形成凝胶的过程称为胶凝。
水凝胶脱水后称为干胶。
2.凝胶的分类
（1）弹性凝胶：
由柔性的线性大分子物质形成的凝胶。
如明胶（是一种蛋白质）
这类凝胶的干胶在水中加热溶解后，在冷却过程中便胶凝成凝胶。
此凝胶经脱水干燥又成干胶，并可如此反复下去，说明这一过程是完全可逆的，故又称为可逆凝胶。
人工材料、细胞、生长因子是组织工程的三大要素。
（2）非弹性凝胶：
由刚性质点溶胶所形成的凝胶。
在吸收或脱除溶剂后刚性凝胶的骨架基本不变，所以体积也无明显变化。
这类凝胶脱水干燥再置水中加热一般不形成原来的凝胶，更不能形成产生此凝胶的溶胶，因此，此类凝胶也称为不可逆凝胶。
（3）触变凝胶：
静置是半固态，激烈搅拌后变成液态溶胶。
气凝胶
1、气凝胶掀起绝热保冷的革命。
2、被称为“固体烟”
3、是最轻的固体。
4、气凝胶是一种固体，但99%由空气组成。
5、气凝胶的保温隔热原理
（1）对流：
气凝胶的孔径<
70nm，材料近似真空。
（2）辐射：
使辐射传热下降到最低极限。
（3）热传导：
“无穷长”效应，使热传导降到最低。
6、气凝胶的缺点：
（1）强度低，韧性差
（2）高温遮挡红外辐射差
（3）通过添加颗粒、纤维等增强体，提高强度和韧性
（4）添加炭黑、陶瓷纤维等遮光剂，提高遮光性。
肥皂去污原理
因为普通的肥皂，它的主要成分是高级脂肪酸的钠盐和钾盐（洗衣粉的主要成份是烷基苯磺酸钠）。
即我们所说的表面活性剂，其有两部分组成，一部分是与油有亲和作用的亲油基，另一部分是与水有亲和作用的亲水基。
当将衣物浸泡在肥皂水中时，肥皂分子开始扩散并渗入到衣料中，肥皂的亲油基靠近衣物上的油污并将油污包围，将其分解成许多小块儿，包围了油污的肥皂从衣料上下来进入水中，最终被水冲洗掉。
在进行蒸馏实验时，要在蒸馏烧瓶中加些碎瓷片或沸石，以防止暴沸
若无碎磁片或沸石，液体内部不易形成新相（气相），因形成新相的刹那，该新气泡相的凹形表面的曲率很小，则根据开尔文公式，该微小气泡便自发消失，因此体系便不能在正常情况下沸腾，便会升高温度形成局部过热的亚稳定状态导至暴沸。
如果在液体内加上沸石，则在沸石表面的尖端有较大的凸端，此处pr（气泡内压强）>
>
p*（液体饱和蒸气压），因而容易沸腾，并且沸石内部吸附的空气，也因受热而脱附，成为形成气泡气核，又因沸石与瓶底紧密相接，而成为局部过热处，两者相接处的液膜在瞬间过热，pr＞p*，便成为微泡，使沸石跳动，结果便成为一新气泡上升。
高分子溶液与憎液溶胶的异同点：
（1）.相同点:
颗粒尺寸在1nm-1μm
扩散速度缓慢
不能透过半透明
（2）.不同点：
聚合物同溶剂有亲和力，能自动溶解在溶剂中；
溶胶是不会自动分散到分散介质中。
高分子溶液是真溶液，溶解后聚合物以分子形式均匀分散在溶剂中，无明确界面，溶解、沉淀是热力学可逆的，浓度不随时间而变，处于热力学稳定状态。
溶胶是热力学不稳定体系，添加稳定剂后才会有一定程度的动力学稳定性。
高分子溶液是均相体系，丁达尔效应弱。
溶胶是多相体系，丁达尔效应强。
高分子溶液的黏度比溶胶的大得多。
高分子溶液性质依赖于分子量，而聚合物的多分散性又使溶液性质的研究复杂化。
溶胶的很大一部分性质是与颗粒大小有关的，颗粒大小的多分散同样使溶胶性质的研究复杂化。
表面活性剂的结构特点
表面活性剂结构分两部分，一部分是与油有亲和性的亲油基（也称憎水基），另一部分是与水有亲和性的亲水基（也称憎油基）。
这种结构使它溶于水后，亲水基受到水分子的吸引，而亲油基受到水分子的排斥。
溶胶体系的稳定性
a．热力学上为不稳定体系：
b．动力学上的稳定体系：
c．聚结稳定性：
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