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揭开胶体神秘的面纱

来源:未知作者:赵宝 点击:所属专题: 胶体
胶体在自然界尤其是生物界普遍存在,它与人类的生活及环境有着密切的联系;胶体的应用很广,工农业生产和日常生活中的许多重要材料和现象,都在某种程度上与胶体有关。例如,在金属陶瓷、聚合物等材料中加入固体胶体粒子,既改进了材料的耐冲击、耐断裂、抗拉强度等机械性能

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胶体在自然界尤其是生物界普遍存在,它与人类的生活及环境有着密切的联系;胶体的应用很广,工农业生产和日常生活中的许多重要材料和现象,都在某种程度上与胶体有关。例如,在金属陶瓷、聚合物等材料中加入固体胶体粒子,既改进了材料的耐冲击、耐断裂、抗拉强度等机械性能,也改进了材料的光学性质。在医学上,如胶态磁流体治癌术是将磁性物质制成胶体粒子,作为药物载体,在磁场作用下将药物送到病灶,提高疗效。另外,血液本身就是由血球在血浆中形成的胶体分散系,与血液有关的疾病的一些治疗、诊断方法就利用了胶体的性质,如血液透析、血清纸上电泳等。土壤里许多物质,如黏土、腐殖质等常以胶体形式存在,所以土壤里发生的一些化学过程也与胶体有关。国防工业上有些火药、炸药必须制成胶体,冶金工业上的选矿,石油原油的脱水,塑料、橡胶及合成纤维等的制造过程都会用到胶体的知识。在日常生活里,如食品中的牛奶、豆浆、粥等都与胶体有关。烟,云,雾是气溶胶,烟水晶,有色玻璃是固溶胶,蛋白溶液,淀粉溶液,肥皂水,人体的血液是液溶胶;淀粉胶体,蛋白质胶体是分子胶体,土壤是粒子胶体。胶体定义;分散质粒子大小在1nm~100nm的分散系。胶体与溶液、浊液在性质上有显著差异的根本原因是分散质粒子的大小不同。常见的胶体:Fe(OH)3胶体、Al(OH)3胶体、硅酸胶体、淀粉胶体、蛋白质、血液、豆浆、墨水、涂料、肥皂水、AgIAg2SAs2S3  分类:按照分散剂状态不同分为:气溶胶——分散质、分散剂都是气态物质:如SO2扩散在空气中液溶胶——分散质、分散剂都是液态物质:如Fe(OH)3胶体固溶胶——分散质、分散剂都是固态物质:如有色玻璃、揭开胶体神秘的面纱合金。 

1、农业生产:土壤的保肥作用.土壤里许多物质如粘土,腐殖质等常以胶体形式存在.

2、医疗卫生:血液透析,血清纸上电泳,利用电泳分离各种氨基酸和蛋白质.

3、日常生活:制豆腐原理(胶体的聚沉)和豆浆牛奶,,明矾净水.

4、自然地理:江河人海口处形成三角洲,其形成原理是海水中的电解质使江河泥沙所形成胶体发生聚沉.

5、工业生产:制有色玻璃(固溶胶),冶金工业利用电泳原理选矿,原油脱水等.

一、胶体的稳定性

胶体分散系一方面因胶体粒子较小,强烈的布朗运动使其具有一定的稳定性,不会很快沉降;另一方面,胶体粒子有聚集长大的趋势,胶体粒子一旦长大,胶体分散系就不再稳定。因此胶体粒子的聚集与否,是胶体稳定性的关键。

对于憎液胶体,特别是水溶胶,常因带电而稳定。但它对电解质十分敏感,在电解质作用下,溶胶很易聚沉,这是胶体不稳定的主要表现。在指定条件下使溶胶聚沉所需电解质的最低浓度称为聚沉值。起聚沉作用的主要是电荷与胶粒相反的离子(称为反离子),反离子的价数越高,聚沉效率越高,聚沉值越低;同价反离子的聚沉值与离子大小也有关。电荷与胶粒相同的二价或高价离子,对胶体有一定的稳定作用。

向溶胶中加入一定量的高分子化合物常常能显著提高胶体的稳定性,这称为高分子的保护作用或空间稳定作用。产生这种作用的原因是高分子化合物可以吸附在胶体粒子的表面,形成一定厚度的吸附层,吸附层之间有排斥作用,可有效地阻止粒子的接近和聚集。高分子稳定剂的用量要足以在胶粒表面形成饱和的吸附层,如果浓度过低,不但起不到保护作用,还会降低胶体的稳定性。高分子稳定剂的稳定作用受电解质浓度影响很小,可以稳定高盐含量的分散体系。高分子的保护作用,在许多方面都有重要应用,如:古代制造墨汁就是利用动物胶使炭黑粒子稳定地悬浮在水中;现代制造照相底片用的感光乳剂,是用明胶保护的揭开胶体神秘的面纱卤化银悬浮体;油漆、油墨、磁浆等是利用保护作用稳定的非水胶体;血液中的钙、镁碳酸盐含量远高于它们在水中的溶解度,它们之所以不聚集沉淀就是因为血液中的蛋白质对其有保护作用。

胶体有着广泛而重要的应用,但在某些情况下,胶体又是有害甚至危险的,如污染环境的污水、烟雾和粉尘(气溶胶)是胶体;粉尘还可引起爆炸(见表2-4)。另外在工业生产上,有时需要形成胶体,有时又需要破坏胶体。因此,研究如何破坏胶体,与研究如何稳定胶体一样,在理论上和生产实际中,都具有重要意义。

某些胶体粉尘的最低爆炸限度

物质名称

最低爆炸限度/g·L-1

物质名称

最低爆炸限度/g·L-1

铝箔
活性炭
褐煤
37%挥发物
43%挥发物
短棉纤维
玉米淀粉
尼龙

聚乙烯

0.045
0.100

0.055
0.050
0.050
0.040
0.030
0.055
0.020

大米
粗制硬橡胶
蔗糖



面粉
锯末

0.050
0.025
0.045
0.035
0.075
0.19
0.050
0.050
0.500
0.045

采用聚沉剂将胶粒聚集沉降,是破坏溶胶的常用方法。无机聚沉剂多为铝盐或铁盐,如硫酸铝、明矾、铝酸盐、硫酸铁、氯化铁等,它们的高价阳离子在水中部分水解。这些水解产物对很多固体表面产生强烈吸附,有效地减小了粒子的表面电荷并造成聚沉。

气溶胶的破坏,如工业上消尘除烟,常利用惯性沉降(改变气溶胶的流动方向与速度使胶体沉降)、过滤、超声或电场处理、引入种核等方法。

此外,悬浮液的絮凝、乳状液的破乳、泡沫的消泡等也属胶体破坏的研究范畴,在工业生产中和科研中它们都有重要应用价值。

二、几种重要的胶体体系及用途

胶体体系

主要用途

氧化物和氢氧化物

用作油漆和药物产品中的增稠剂及涂料中的耐磨剂(SiO2溶胶);研磨剂及牙膏、纸张、塑料和橡胶中的填料(Al2O3);吸附剂和催化剂载体(SiO2溶胶和Al2O3);颜料和增白剂(TiO2);磁记录材料(γ-Fe2O3)

胶态金属(金属超细粉和金属溶胶)

金属超细粉可作具有高催化活性和选择性的催化剂;金属溶胶常作导电浆用于制作印刷电路

粘土胶体

用作动植物油脱色和脱臭的吸附剂;炼油时的催化剂;造纸、油漆等工业的填料

聚合物胶乳

用于气球、海棉、医用胶管、手套等胶乳制品;建筑材料、纸张、木材、纺织品、皮革等的表面涂布、上光及作为粘合剂

 

三、胶体净水的原理  

胶体粒子的直径一般在1nm——100nm之间,它决定了胶体粒子具有巨大的表面积,吸附力很强,能在水中吸附悬浮固体或色素形成沉淀,从而使水净化,这就是胶体净水的原理。  能在水中自然形成浓度较大的胶体,并且对水质无明显副作用的物质有KAlSO4)·12H2OFeCl3·6H2O等,这样的物质被称为净水剂,其形成胶体的化学原理是使其发生水解反应:  Fe3+ + 3H2O==(可逆号) Fe(OH)3(胶体)+3H+  Al3+ + 3H2O==(可逆号)Al(OH)3(胶体)+3H+

具体介绍

为了回答什么是胶体这一问题,我们做如下实验:将一把泥土放到水中,大粒的泥沙很快下沉,浑浊的细小土粒因受重力的影响最后也沉降于容器底部,而土中的盐类则溶解成真溶液.但是,混杂在真溶液中还有一些极为微小的土壤粒子,它们既不下沉,也不溶解,人们把这些即使在显微镜下也观察不到的微小颗粒称为胶体颗粒,含有胶体颗粒的体系称为胶体体系.胶体化学,狭义的说,就是研究这些微小颗粒分散体系的科学.通常规定胶体颗粒的大小为1~100nm(按胶体颗粒的直径计).小于1nm的几颗粒为分子或离子分散体系,大于100nm的为粗分散体系.既然胶体体系的重要特征之一是以分散相粒子的大小为依据的,显然,只要不同聚集态分散相的颗粒大小在1~100nm之间,则在不同状态的分散介质中均可形成胶体体系.例如,除了分散相与分散介质都是气体而不能形成胶体体系外,其余的8种分散体系均可形成胶体体系.习惯上,把分散介质为液体的胶体体系称为液溶胶,如介质为水的称为水溶胶;介质为固态时,称为固溶胶.由此可见,胶体体系是多种多样的.溶胶是物质存在的一种特殊状态,而不是一种特殊物质,不是物质的本性.任何一种物质在一定条件下可以晶体的形态存在,而在另一种条件下却可以胶体的形态存在.例如,氯化钠是典型的晶体,它在水中溶解成为真溶液,若用适当的方法使其分散于苯或醚中,则形成胶体溶液.同样,硫磺分散在乙醇中为真溶液,若分散在水中则为硫磺水溶胶.由于胶体体系首先是以分散相颗粒有一定的大小为其特征的,故胶粒本身与分散介质之间必有一明显的物理分界面.这意味着胶体体系必然是两相或多相的不均匀分散体系.另外,有一大类物质(纤维素、蛋白质、橡胶以及许多合成高聚物)在适当的溶剂中溶解虽可形成真溶液,但它们的分子量很大(常在1万或几十万以上,故称为高分子物质),因此表现出的许多性质(如溶液的依数性、黏度、电导等)与低分子真溶液有所不同,而在某些方面(如分子大小)却有类似于溶胶的性质,所以在历史上高分子溶液一直被纳入胶体化学进行讨论。30多年来,由于科学迅速地发展,它实际上已成为一个新的科学分支——高分子物理化学,所以近年来在胶体表面专著(特别是有关刊物)中,一般不再过多地讨论这方面内容。     

四、区分胶体与溶液的一种常用物理方法——利用丁达尔效应  

胶体粒子对光线散射而形成光亮的“通路”的现象,叫做丁达尔现象。  

五、胶粒带有电荷  

胶粒具有很大的比表面积(比表面积=表面积/颗粒体积),因而有很强的吸附能力,使胶粒表面吸附溶液中的离子。这样胶粒就带有电荷。不同的胶粒吸附不同电荷的离子。一般说,金属氢氧化物、金属氧化物的胶粒吸附阳离子,胶粒带正电,非金属氧化物、金属硫化物的胶粒吸引阴离子,胶粒带负电。胶粒带有相同的电荷,互相排斥,所以胶粒不容易聚集,这是胶体保持稳定的重要原因。由于胶粒带有电荷,所以在外加电场的作用下,胶粒就会向某一极(阴极或阳极)作定向移动,这种运动现象叫电泳。胶粒带电情况:金属氢氧化物、金属氧化物和AgI的胶粒一般带正电荷,而金属硫化物和硅酸的胶粒一般带负电荷。说明:

  (1)电泳现象表明胶粒带电荷,但胶体都是电中性的。

  (2)一般来说,金属氢氧化物、金属氧化物的胶体微粒吸附阳离子,带正电荷,如Fe(OH)3胶体和Al(OH)3胶体微粒。非金属氧化物、金属硫化物胶体微粒吸附阴离子,带负电荷,如As2S3胶体、H2SiO3胶体的微粒。当然,胶体中胶粒带电的电荷种类可能与其他因素有关。

  (3)同种胶体的胶粒带相同的电荷。

 (4)固溶胶不发生电泳现象。凡是胶粒带电荷的液溶胶,通常都可发生电泳现象。气溶胶在高压电的条件也能发生电泳现象。  

六、可发生凝聚  

加入电解质或加入带相反电荷的溶胶或加热均可使胶体发生凝聚。加入电解质中和了胶粒所带的电荷,使胶粒形成大颗粒而沉淀。一般规律是电解质离子电荷数越高,使胶体凝聚的能力越强。用胶体凝聚的性质可制生活必需品。如用豆浆制豆腐,从脂肪水解的产物中得到肥皂等。使胶体微粒聚集成较大颗粒形成沉淀而从分散剂里析出的过程,有时胶体在凝聚时,会连同分散剂一道凝结成冻状物质,这种冻状物质叫凝胶。

  胶体凝聚的方法:

  (1)加入少量可溶性电解质:加入的电解质在分散剂中电离产生与胶粒带相反电荷胶粒的离子中和了胶粒所带电荷,消除胶粒间的相互斥力,从而凝聚成大颗粒而沉淀。

  (2)加入带相反电荷胶体。

  (3)加热。加热可加快胶粒运动速率,增大胶粒之间的碰撞机会。

  注意:蛋白质变性凝聚(加热、加重金属盐等不属胶体意义上的凝聚,此变性过程为化学过程。)  

七、发生布朗运动  

含义:无规则运动(离子或分子无规则运动的外在体现)产生原因:布朗运动是分子无规则运动的结果。布朗运动是胶体稳定的一个原因。胶体的知识与人类生活有着极其密切的联系。

八、Fe(OH)3胶体制备

25毫升的蒸馏水加热至沸腾,再逐滴加入1-2毫升的饱和氯化铁溶液,继续煮沸至溶液呈红褐色。  FeCl3 +3H20 = Fe(OH)3(胶体)+3HCl  相关化学式:Al3+ +3H2o=Al(OH)3(胶体)+3H+  1.不可过度加热,否则胶体发生聚沉,生成FeOH3沉淀  2.不可用自来水,自来水中有电解质会使胶体发生聚沉,应用蒸馏水。3.复分解+剧烈震荡法4.FeCl3不能过量,过量的FeCl3也能使胶体发生聚沉。5.书写制备胶体的化学方程式时,生成的胶体不加沉淀符号“↓”。

胶体与溶液的分离

九、渗析法

渗析又称透析。利用半透膜能透过小分子和小离子但不能透过胶体粒子的性质从溶胶中除掉作为杂质的小分子或离子的过程。渗析时将胶体溶液置于由半透膜构成的渗析器内,器外则定期更换胶体溶液的分散介质(通常是水),即可达到纯化胶体的目的。渗析时外加直流电场常常可以加速小离子自膜内向膜外的扩散,为电渗析(electrodialysis)。利用半透膜的选择透过性分离不同溶质的粒子的方法。在电场作用下进行溶液中带电溶质粒子(如离子、胶体粒子等)的渗析称为电渗析。电渗析广泛应用于化工、轻工、冶金、造纸、海水淡化、环境保护等领域;近年来更推广应用于氨基酸、蛋白质、血清等生物制品的提纯和研究。电渗析器种类较多,W.鲍里的三室型具有代表性,其构造见图。电渗析器由阳极室、中间室及阴极室三室组成,中间DD为封接良好的半透膜,EPtAgCu等片状或棒状电极,F为连接中间室的玻璃管,作洗涤用,SpH计。电渗析实质上是除盐技术。电渗析器中正、负离子交换膜具有选择透过性,器内放入含盐溶液,在直流电的作用下,正、负离子透过膜分别向阴、阳极迁移。最后在两个膜之间的中间室内,盐的浓度降低,阴、阳极室内为浓缩室。电渗析方法可以对电解质溶质或某些物质进行淡化、浓缩、分离或制备某些电解产品。实际应用时,通常用上百对以上交换膜,以提高分离效率。电渗析过程中,离子交换膜透过性、离子浓差扩散、水的透过、极化电离等因素都会影响分离效率。

 

(责任编辑:化学自习室)
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