物理化学:胶体的性质

纳米Au (金) 胶体

引言-胶体

当粒子对可见光的各部分吸收都很弱,而且大致相同时溶胶是无色的;

如果粒子对某一波长的可见光具有较强的选择吸收能力,则透射光中这一波长的光将变得很弱,并呈现其补色(两种色光以适当的比例混合能产生白色,则这两种颜色称为“补色”)

这就是我们看到的溶胶的颜色。

例如,金溶胶粒子对波长为5 x10^-7—6 x10^-7m的绿色可见光有较强的选择吸收能力,

所以透射光呈现其补色—红色,这就是金溶胶的颜色。

关于胶体光学性质将于以后进行讲述。

单一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系称为分散体系(disperse system)。其中被分散物质称为分散相(dispersed phase),另一种物质称为分散介质(dispersion medium)或连续相。胶体是一种高度分散的体系,胶体化学(colloid chemistry)是研究胶体体系的科学,其基本内容包括分散体系(粗分散体系和胶体分散体系)、大分子溶液和缔合胶体(association colloid),本文主要讨论胶体分散体系与大分子溶液,并简要介绍粗分散体系的部分内容。


“胶体”一词是英国化学家格雷姆(Graham)于1861年首次提出来的。为了研究不同物质在水中的扩散速度,他用羊皮纸作半透膜进行渗透实验。发现有些物质如糖、无机盐等扩散速度快,能透过羊皮纸;另一些物质如明胶、蛋白质等扩散慢,不能或极难透过羊皮纸。当溶剂蒸发后,前一类物质成晶体析出,后一类物质呈粘稠状。于是,格雷姆把物质分为两大类,前一类叫晶体(crystal),后一类叫胶体(colloid)。随着科学的不断发展人们发现把物质分为晶体和胶体是不合适的,任何一种物质既可以制成晶体状态,也可以制成胶体状态。胶体只是物质以一定分散度存在的一种状态,而不是一种特殊类型的物质。尽管“胶体”一词的含义一开始就不很确切,但胶体是物质的一种特定分散状态的概念后来为人们所普遍接受。


胶体化学是一门发展很早的学科。它的研究内容十分丰富,具有广泛的应用性。药物、食品、油漆、石油、催化剂等方面的生产过程都涉及到胶体知识。同时,胶体化学已广泛渗透到气象学、环境科学、纳米材料科学、制剂学、医学等领域,对这些学科的发展起到一定的促进作用。从胶体化学的观点看来,人体是由各种粗分散体系、胶体、凝胶及大分子溶液组成的复杂分散体系。血液、体液、细胞、软骨等都是典型的胶体体系,因此,生物体的很多生理现象和病理变化与其胶体性质密切相关。近半个世纪以来,胶体化学发展迅速,有些新学科如均匀胶体学、LB膜学、纳米(nm)材料学等已陆续从这门学科中脱颖而出。

分散体系及其基本特性

分散体系的分类

根据分散相与分散介质的不同特点,分散体系有以下分类方式。

  • 按分散度分类

分散度是表征分散体系分散程度的重要依据。根据分散相分散程度的不同,分散体系可以分成三类:粗分散体系、胶体分散体系和分子分散体系:

分散体系类别分散相粒子直径粒子特点
粗分散体系
(悬浮液、乳液)
>10-7 m普通显微镜可见、无法透过滤纸、不扩散
胶体分散体系
(溶胶-胶体)
10-7 -10-9 m超显微镜可见、可透过滤纸、扩散缓慢
分子分散体系
(溶液)
<10-9 m超显微镜不可见、可透过滤纸、扩散快
分散体系按分散相粒子大小分类

分散体系的上述分类是相对的,在粗分散体系与胶体分散体系之间没有非常严格的界限,而且一些粗分散体系,例如乳状液、泡沫等,它们的许多性质,特别是表面性质,与胶体分散体系有着密切的联系,通常归在胶体分散体系中加以讨论。

  • 按聚集状态分类

分散体系也可以按分散相与分散介质的聚集状态分类,如下表所示,本文主要讨论以液体为分散介质的液溶胶,简称溶胶。

分散相分散介质名称实例
气,液,固气溶胶雾、烟、
沙尘等
气,液,固液溶胶泡沫、溶液、
悬浊液、乳状液等
气,液,固固溶胶泡沫塑料、合金、
有色玻璃、珍珠等
分散体系按聚集状态分类

另外,根据分散相与分散介质间 亲和力的不同,以前曾经把胶体分为亲液胶体憎液胶体

蛋白质、明胶等大分子化合物溶液属于前者,金溶胶、硫化砷溶胶属于后者。它们之间的主要区别在于憎液胶体是难溶物质分散在介质中形成的,其粒子由很大数目的分子构成,这种体系有很大的相界面,是热力学不稳定体系

亲液胶体是大分子化合物的真溶液,因而不存在相界面,是热力学稳定体系。随着对胶体认识的不断深入,从上世纪五十年代起,开始把“亲液胶体”改称“大分子溶液”,把“憎液胶体”称为“胶体分散体系”或“溶胶”,有时也称为“超微多相分散体系”。

胶体的基本特性

只有典型的憎液胶体才能全面地表现出胶体的特性。这些特性可以归纳为以下三点:

  • 分散性

分散性是胶体的主要特性。胶体的许多性质,如扩散慢、不能透过半透膜、动力学稳定性强等都与其分散性有关。分散性可以用分散度表示,它等于粒子的总表面积A与其总体积V之比。显然,粒子的总表面积越大,其胶体分散体系所特有的某些性质表现得越明显。

  • 多相性

各类胶体的分散相粒子都是由大量原子或分子组成的。这些纳米级粒子与介质之间存在着明显的相界面,是一超微不均匀体系。多相性是胶体体系更普遍的特点,只考虑分散性而不考虑多相性并不能确定一个研究对象是否属于胶体分散体系。例如真溶液是一高度分散体系,但它不一定是胶体分散体系;相反,如果一个体系存在相界面,它必然具有分散性。因此,多相性是胶体化学区别其它学科的重要标志之一。

  • 聚结不稳定性

胶体体系是一个高度分散的多相体系,具有很大的总表面积和表面能,是热力学不稳定体系( thermodynamical unstable system),分散相粒子有自动聚集趋势,胶体分散 体系的这种性质称为聚结不稳定性。

讨论胶体分散体系时必须综合考虑上述三个基本特性才会得到正确的概念,否则,其结果将会不全面,甚至是错误的。

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Marugu Fuyeor
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