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1、第五章 胶体,教学要求 掌握溶胶的基本性质和胶团结构,溶胶稳定性因素和聚沉作用;掌握大分子化合物的结构特点,大分子电解质溶液的两性电离与等电点,Donnan平衡及有关计算。熟悉胶体分散系区别于其他分散系的特征及表面活性剂结构特点。了解分散系分类,表面吸附现象及表面能的物理意义,高分子溶液稳定性因素。,第一节 胶体分散系,第二节 表面活性剂和乳状液,一、表面性质,二、乳状液,第三节 溶胶,一、溶胶的基本性质,二、胶团结构及溶胶的稳定性,第四节 高分子溶液,一、高分子化合物结构特性及其溶液的形成,二、聚电解质溶液,三、高分子溶液稳定性的破坏,四、高分子溶液渗透压和膜平衡,五、凝胶,分散系的分类分散
2、系:一种或数种物质(分散相)分散在另一物质(分散介质)中所形成的系统。,第一节 胶体分散系,胶体分散系分散粒子大小在1100nm之间的分散体系的分类:根据分散质微粒的构成来分,根据分散质状态分,气溶液:烟、云、雾,液溶胶:AgI胶体、Fe(OH)3胶体,固溶胶:红宝石玻璃、烟水晶,第二节 表面活性剂和乳状液,表面性质1分散度和比表面:,S0=S/V,表面能与分散程度有关。分散相在介质中的分散程度就是分散度,常用比表面S0表示:,2表面能,任何两相界面上的分子与其内部分子所处状态不同:,S0是物质的比表面,S是物质的总表面积,V是物质的体积。物质的分散度越大比表面越大。,物体中内部与表面分子的能
3、量是不一样的。在两相界面的分子(如B)与相内的分子(如A),因所处的状态不同,其位能不一样。相内分子所受分子间力平衡,而表面分子因为合力不为零,有一个指向相内的力。若要把内部分子拉向表面,增大表面积,就要克服内部分子引力而做功,在恒T、P下,称为表面功或表面自由能。,结论:表面分子要比相内分子多出一部分能量表面能。将物体分散(粉碎或雾化),就是增加更多的表面能。,表面张力:指沿液体表面垂直作用于单位长度上使表面收缩的力。,液体表面有自动缩小表面积的趋势。水的液滴聚集变大,可以缩小表面积,降低表面能。该结论对固体物质同样适用。例如:溶胶的聚沉,3表面吸附,(1)无机盐(2)大多数有机小分子(3)
4、肥皂、洗涤剂,4 表面活性剂,(1)无机盐类为表面非活性物质。为使体系表面张力趋于最低,溶质分子将自动浓集于溶液内部,所以C内C表,这叫负吸附。,(2)(3)类为表面活性剂。低级脂肪酸、醇、醛、高级脂肪酸、肥皂、合成洗涤剂等。表面活性剂会自动浓集于溶液表面,使C内C表,所以又叫正吸附。,1)结构特点及作用原理:均含有疏水和亲水两类基团的长链化合物。,作用原理:亲水基团进入水中,而疏水基团离开水相向表面集积,从而,分子走向排列或定向吸附在相界面上,从而降低水的表面张力,降低表面自由能,使体系稳定。,表面活性剂在医学上的应用 胆汁中胆酸盐可使食物中脂肪乳化,增加脂肪与消化液间接触面积,使其与溶于水
5、的酶充分作用,而使消化速度增大。磷脂不仅是细胞膜主要成分,也是体内重要表面活性物质,降低肺泡内表面上水层表面张力,使肺保持正常呼吸功能,而不能塌陷。,缔合胶体:当加入的表面活性剂浓度达到一定量时,会在水相表面上定向排列,形成完整的单分子层膜,与此同时,进入溶液中的表面活性剂互相将疏水基团在内,亲水基团朝向水面形成胶束而降低疏水基团与水接触面,从而体系稳定。开始形成胶束时的最低浓度称为临界胶束浓度,二 乳状液 一种液体被分散到另一种不相溶的液体中所组成的分散系叫乳状液。乳状液是一种多相不稳定体系,乳状液中加入表面活性剂,此时又叫乳化剂。其分子在两相界面上作定向排列,不仅降低相界面张力,而且形成一
6、层包围分散相液珠的具有一定机械强度的膜,阻止液滴因相互碰撞而聚结,使乳状液得以稳定存在。,第三节 溶胶,一 溶胶的基本性质,溶胶的多相性,高度分散性和聚结不稳定性是溶胶的基本特性,它所具有的性质都是由此引起,(一)溶胶的光学性质,当一束强光透过胶体时,可以看到一条光亮的通路,这种现象叫做丁达尔现象。,用这种方法可以区别溶液和胶体。,产生原因:当颗粒大小d小于入射光波长入时,光环绕颗粒除入射光方向外,还向各方向散射,即每个颗粒又作为一个光源,向各方向发射光,散射出来的光称乳光。,产生条件:颗粒大小合适,d(1-100nm之间)分散相折光率(n1)与分散介质折光率(n2)不同。,散射现象的强弱:,
7、颗粒越大、越多;折光率相差越大散射越强。,(二)动力学性质Brownian movement,1 Brownian movement:显微镜下可见胶体粒子作不断改变速度和方向的无规则运动,颗粒越小,温度越高,布朗运动越剧烈。布朗运动并不是胶体特有的性质。,2 扩散与沉降平衡,当溶胶中的胶粒存在浓度差时,胶粒从浓度大的区域向浓度小的区域迁移,这种现象叫扩散。,在重力场中,胶粒受重力作用要下沉,这一现象称为沉降。,离心机使沉降平衡加速建立,三、电学性质,胶体带电规律:(1)金属氢氧化物、金属氧化物的胶粒吸附阳离子带正电(2)非金属氧化物、金属硫化物、硅酸、土壤胶体吸附阴离子带负电(3)AgI即可吸
8、附I-,也可吸附Ag+,视两者多少而吸附不同电荷(4)有些胶体如淀粉、蛋白质一般不吸附各种离子。因形成水膜而稳定存在,(一)胶体带电原因:胶粒表面分子的电离,SiO2+H2O H2SiO3 2H+SiO32-,-2H+被扩散到溶液中,SiO32-留在胶粒表面使带负电,胶粒选择性吸附溶液中与其组成相似的粒子所致,如 Fe(OH)3m吸附FeO+(AgI)m吸附Ag+或I-,As2S3吸附溶液中HS-而带负电,二 胶团结构及溶胶的稳定性,(二)胶粒的双电层结构:,Fe(OH)3m n FeO+(n-x)Cl-1x+xCl-胶核 吸附层 胶粒 扩散层 胶团,在胶体溶液中加入电解质,迫使一部分反离子进
9、入吸附层,使扩散层变薄,当电解质浓度加大时,扩散层厚度可趋于零,在电场中不泳动,(三)溶胶稳定性,溶胶稳定性因素:,a、胶粒带电并形成双电层,可阻止溶胶粒子在热运动过程中近距离碰撞;b、吸附层离子水化,形成水化膜,以保持因碰撞引起合拼。c、动力学稳定性,分子不停地做布朗运动,从而克服重力引起的沉降作用,(四)溶胶的聚沉现象,稳定因素受破坏,胶粒聚结析出称为聚沉,a、加热,使V,碰撞聚沉,并使胶体解吸附b、加入电解质,破坏吸附层水化膜,使一定量溶胶在一定时间内发生聚沉所需电解质溶液的最小浓度,称为临界聚沉浓度(mmol/L),2)同价离子的聚沉能力:(负)F-Cl-Br-I-CNS-,(正)H+
10、Cs+Rb+NH4+K+Na+Li-,c、加入带相反电荷的溶胶,中和电荷,胶体相互聚沉。,3)一些有机离子具有非常强的聚沉能力 可能是可被胶核强烈吸附的缘故。,4)高分子溶液对溶胶的保护作用,溶胶中加入高分子溶液,被溶胶吸附并把胶粒包围起来,从而避免碰撞聚沉,使之稳定存在。,第四节 高分子溶液(分子量在1万以上),高分子溶液与溶胶性质的比较,高分子溶胶 属于单相分散系统属于稳定系统,不需要稳定剂粘度大、渗透压大分散相与分散介质亲和力大Tyndall现象不明显加入少量电解质无影响,加入多量时能引起盐析,溶 胶属于多相分散系统属于不稳定系统,需要稳定剂粘度小、渗透压小分散相与分散介质亲和力大Tyn
11、dall现象明显加入少量电解质后即可产生沉淀,一、高分子化合物结构特性及其溶液的形成,(一)高分子化合物的结构特点,由若干个基本单位(链节)重复连接,形成线状或分枝状结构。分子中化学键可以旋转,有的可卷曲成团状。性质:难溶解、有溶胀现象、溶液黏度大。,(二)高分子溶液的形成,高分子化合物在形成溶液时将先溶胀最后完全溶解。分子表面形成厚厚的水化膜。,二 聚电解质溶液,1 概念:在水溶液中能以离子形式存在的高分子化合物称为聚电解质,2 蛋白质的两性电离,蛋白质是各种氨基酸以肽链联结起来的长链大分子,其中一些氨基酸可能还有未形成肽键的-COOH或-NH2,暴露在介质中形成-COO-,NH3+,以 两
12、性离子形式存在,产生两性电离,蛋白质所带电荷决定于NH3+,COO-多少。,蛋白质在等电点时的性质 溶解度、黏度、渗透压、膨胀性最小,三 高分子溶液稳定性的破坏,加入高浓度无机盐,使蛋白质沉淀析出叫盐析。实质是使蛋白质脱水,破坏水化膜,而析出。,盐析与溶胶聚沉不同:盐析用量大,聚沉用量少盐析时正、负离子均起作用,聚沉时只与胶粒电性相反的离子起作用。除去电介质,蛋白质可以重新溶解即具可逆性,而溶胶聚沉是不可逆的。,盐析能力与离子种类有关,阴离子起主要作用阴离子:SO42-C6H5O73-C4H4O62-CH3COO-Cl-NO2-Br-I-CNS-阳离子:NH4+K+Na+Li+以上叫感胶离子序
13、,由以上可见,蛋白质盐析以(NH4)2SO4为最佳,不仅溶解度大,又是温和试剂,蛋白质沉淀析出后,不致引起生物活性丧失。,四、高分子溶液渗透压和膜平衡,(一)高分子溶液的渗透压力(了解),线形高分子溶液渗透压不符合Vant Hoff公式,(二)膜平衡(Donnan equilibrium),用半透膜将聚电解质溶液与小离子电解质溶液隔开,因大分子存在而引起小分子(离子)在膜两侧分布不均现象叫董南平衡,将蛋白质电解质NanP和NaCl水溶液用半透膜分开;膜内为NanP(浓度为C),膜外为NaCl(浓度为b),除Pn-离子,其余均可以自由通过。,平衡时,Na+外=b-xCl-外=b-x Na+内=n
14、c+x Cl-内=xNa+、Cl-进出膜速率应相等V进=k进Na+外Cl-外V出=k出Na+内Cl-内 V进=V出 k进=k出 Na+外Cl-外=Na+内Cl-内b-x2=nc+xx,b2-2bx+x2=ncx+x2 b2=(nc+2b)x,若 cb,x0,表示膜外电解质几乎不向膜内渗透。若 cb,xb/2,表示电解质将平均分布于膜两侧。若 c=b时,xb/3,表示有1/3电解质进入膜内,五 凝胶,高分子溶液在一定条件下(T,C或加入少量电解质)失去流动性,粘度逐渐增大,最后形成弹性半固体状物质叫凝胶,其过程叫胶凝。分为弹性凝胶和脆性凝胶。,x=b2/nc+2b,产生凝胶作用的先决条件:大分子或胶粒必须具有线状结构。,3)脱液收缩凝胶放置一段时间后,一部分液体能自动从凝胶中分离出来,致使凝胶体积缩小,称离浆。,凝胶的主要性质:1)溶胀2)结合水,