第二章-纳米粉体分散的胶体科学基本原理优秀课件.ppt

纳米粉体的分散纳米粉体的分散及表面改性及表面改性材料学院 王晓冬1 1 河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院 第二章第二章纳米粉体分散的胶体科学基本原理纳米粉体分散的胶体科学基本原理胶体状态的本质胶体状态的本质1胶体的动力学性质胶体的动力学性质2胶体的表面电荷及双电层结构胶体的表面电荷及双电层结构3胶体的电动现象胶体的电动现象4胶体的稳定与失稳胶体的稳定与失稳5分子间作用力及宏观物体的相互作用能分子间作用力及宏观物体的相互作用能6河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章纳米粉体分散的胶体科学基本原理纳米粉体分散的胶体科学基本原理第第1节节胶体状态的本质胶体状态的本质纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第1节节v分散体系：把一种物质或几种物质分散在分散体系：把一种物质或几种物质分散在 另一种物质中所构成的体系另一种物质中所构成的体系v分分 散散 相：分散体系中被分散的物质相：分散体系中被分散的物质v分散介质：分散相所分散其中的物质分散介质：分散相所分散其中的物质纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院常见的分散体系常见的分散体系 云 牛奶 珍珠纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院分散体系分类分散体系分类分类体系通常有三种分类方法：分子分散体系胶体分散体系粗分散体系按分散相粒子的大小分类：按分散相和介质的聚集状态分类：液溶胶固溶胶气溶胶按胶体溶液的稳定性分类：憎液溶胶亲液溶胶纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院（1）按分散相粒子的大小分类）按分散相粒子的大小分类1.分子分散体系 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在10-9 m以下。通常把这种体系称为真溶液，如CuSO4溶液。2.胶体分散体系 分散相粒子的半径在1 nm1000nm之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。3.粗分散体系 当分散相粒子大于1000 nm，目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院（2）按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类1.液溶胶 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的液溶胶：液-固溶胶：油漆、AgI溶胶等 液-液溶胶：牛奶、石油原油等乳状液 液-气溶胶：泡沫纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院（2）按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类2.固溶胶 将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的固溶胶：固-固溶胶有色玻璃，不完全互溶的合金固-液溶胶珍珠，某些宝石固-气溶胶泡沫塑料，沸石分子筛纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院（2）按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类3.气溶胶 将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均体系，不属于胶体范围 气-固溶胶烟，含尘的空气气-液溶胶雾，云纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第1节节v胶体的本质：是物质以一定分散程度胶体的本质：是物质以一定分散程度而存在的一种状态，而不是一种特殊而存在的一种状态，而不是一种特殊物质的固有状态物质的固有状态纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院胶体体系的胶体体系的3个特征个特征1、高度分散的多相性、高度分散的多相性2、动力学稳定、动力学稳定3、热力学不稳定性、热力学不稳定性纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院（3）按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类1.憎液溶胶 半径在1 nm100 nm之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定体系。一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是 一个不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。这是胶体分散体系中主要研究的内容。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院（3）按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类2.亲液溶胶胶体中的分散相粒子与分散介质是彼此润湿的。一旦将溶剂蒸发，分散相粒子便会析出，再加入溶剂，又可形成溶胶。亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第1节节v亲液溶胶和疏液溶胶亲液溶胶和疏液溶胶 根据分散相是否根据分散相是否亲液亲液 判断依据判断依据是体系经干燥后能否被再次分散。是体系经干燥后能否被再次分散。v亲液溶胶是热力学稳定、可逆的体系亲液溶胶是热力学稳定、可逆的体系v疏液溶胶属于热力学不稳定体系。即需要外力来疏液溶胶属于热力学不稳定体系。即需要外力来破坏粒子间的团聚，才能稳定存在一段时间。同破坏粒子间的团聚，才能稳定存在一段时间。同时其稳定向受体系盐浓度的影响。时其稳定向受体系盐浓度的影响。v如果用水作为分散介质（溶剂），则胶体被分成如果用水作为分散介质（溶剂），则胶体被分成亲水体系和疏水体系。亲水体系和疏水体系。v本课程研究的纳米粉体的分散本课程研究的纳米粉体的分散属于疏水体系属于疏水体系纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作业作业1、名词解释：、名词解释：分散体系、分散相、分散介质分散体系、分散相、分散介质2、根据分散相粒子大小不同，举例说明、根据分散相粒子大小不同，举例说明分散体系可区分为那些类型，各自的分散体系可区分为那些类型，各自的特性有哪些？特性有哪些？3、根据分散相是否亲液，胶体可以区分、根据分散相是否亲液，胶体可以区分为哪两种类型？判断依据是什么？分为哪两种类型？判断依据是什么？分别具有哪些特点？别具有哪些特点？纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第第2节节胶体的动力学性质胶体的动力学性质纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院胶体的动力学性质胶体的动力学性质 Brown 运动 胶粒的扩散 溶胶的渗透压 沉降平衡纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院布朗运动布朗运动 1827 年植物学家布朗(Brown)用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。后来又发现许多其它物质如煤、化石、金属等的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动为布朗运动。但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院布朗运动布朗运动 1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动，从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。（播放短片）纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院Brown运动的本质运动的本质 1905年和1906年爱因斯坦（Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基（Smoluchowski)分别阐述了Brown运动的本质。认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。当半径大于5 m，Brown运动消失。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院Brown运动的本质运动的本质纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第2节节v爱因斯坦利用分子运动论，并假定胶体粒子是球爱因斯坦利用分子运动论，并假定胶体粒子是球形的，得到粒子作布朗运动移动的平均位移公示形的，得到粒子作布朗运动移动的平均位移公示x观察时间观察时间t内的平均位移内的平均位移r微粒的半径微粒的半径介质的粘度介质的粘度NA阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数v这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温度以及观察时间等联系起来。温度以及观察时间等联系起来。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院沉降平衡沉降平衡 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，如图所示。这种平衡称为沉降平衡。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院沉降平衡沉降平衡 达到沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与气体类似，可以用高度分布定律。如图所示，设容器截面积为A，粒子为球型，半径为r，粒子与介质的密度分别为 和 ，在 x1和x2处单位体积的粒子数分别N1，N2，为渗透压，g为重力加速度。在高度为dx的这层溶胶中，使N个粒子下降的重力为：纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院（2-1）利用沉降平衡求颗粒粒径利用沉降平衡求颗粒粒径1.1.斯托克斯阻力公式斯托克斯阻力公式v斯托克斯（斯托克斯（StokesStokes）假定流体绕过球体的速度）假定流体绕过球体的速度很缓慢，即呈层流态。球体阻力公式为很缓慢，即呈层流态。球体阻力公式为 v这就是有名的斯托克斯阻力公式。斯托克斯阻这就是有名的斯托克斯阻力公式。斯托克斯阻力公式适用于力公式适用于雷诺数小于雷诺数小于1 1的范围，常把斯托克的范围，常把斯托克斯阻力公式适用的范围称为斯托克斯公式范围斯阻力公式适用的范围称为斯托克斯公式范围v雷诺数是流体流动中惯性力与雷诺数是流体流动中惯性力与粘性力比值粘性力比值v雷诺数越小意味着粘性力影响雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影响越越显著，越大则惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动（如显著。雷诺数很小的流动（如润滑膜内的流动），其粘性影润滑膜内的流动），其粘性影响遍及全流场。响遍及全流场。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院利用沉降平衡求颗粒粒径利用沉降平衡求颗粒粒径v2.阿基米德定律阿基米德定律v 颗粒在液体中运动要受到重力、浮力和流体阻力颗粒在液体中运动要受到重力、浮力和流体阻力的作用，重力的作用，重力G与浮力与浮力F总是同时出现的，为了总是同时出现的，为了简化，把重力与浮力的合力称为有效重力，用简化，把重力与浮力的合力称为有效重力，用G0表示，对于球形颗粒有表示，对于球形颗粒有（2-2）纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院利用沉降平衡求颗粒粒径利用沉降平衡求颗粒粒径v对于微细的颗粒，流体阻力服从斯托克斯阻力对于微细的颗粒，流体阻力服从斯托克斯阻力公式，令式（公式，令式（2-1）等于式（）等于式（2-2），既阻力与有），既阻力与有效重力相等时，可求出自由沉降速度公式为效重力相等时，可求出自由沉降速度公式为（2-3）纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院利用沉降平衡求颗粒粒径利用沉降平衡求颗粒粒径v对于微细的颗粒，流体阻力服从斯托克斯阻力公对于微细的颗粒，流体阻力服从斯托克斯阻力公式，令式（式，令式（2-1）等于式（）等于式（2-2），），v既阻力与有效重力相等时，可求出自由沉降速度既阻力与有效重力相等时，可求出自由沉降速度公式为公式为（2-3）纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院利用沉降平衡求解利用沉降平衡求解SiO2的粒径的粒径v已知：已知：25时水的粘度时水的粘度0.893410-3N.s.m-2，v沉降速度：沉降速度：20小时沉降小时沉降1mm，vSiO2的密度：的密度：2.2g/cm-3,v利用上述公式可计算出粒径为利用上述公式可计算出粒径为137.8nm沉降管沉降管纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作用？作用？1 1、什么是布朗运动？其发生、什么是布朗运动？其发生的本质是什么？的本质是什么？纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院上节课内容上节课内容第二章第二章 纳米粉体分散的胶体科学基本原理纳米粉体分散的胶体科学基本原理 溶胶的本质溶胶的本质 胶体的动力学性质胶体的动力学性质 布朗运动布朗运动 胶粒的扩散胶粒的扩散 溶胶的渗透压溶胶的渗透压 沉降平衡沉降平衡 纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章纳米粉体分散的胶体科学基本原理纳米粉体分散的胶体科学基本原理第第3节节胶体表面电荷及双电层结构胶体表面电荷及双电层结构纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院v胶体颗粒基本都是带电的胶体颗粒基本都是带电的v胶体电荷的来源，有胶体电荷的来源，有3种方式：种方式：1、电离、电离 2、吸附、吸附 3、同晶置换、同晶置换纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节1、电离（自身解离）、电离（自身解离）对于可能发生电离的大分子的溶胶而言，则对于可能发生电离的大分子的溶胶而言，则胶粒带电主要是其本身发生电离引起的胶粒带电主要是其本身发生电离引起的COOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOCOOCOOCOOCOOOHOHOHOHOHOHOHOHOHOH颗粒通过表面酸性或碱性基团解离使表面带电颗粒通过表面酸性或碱性基团解离使表面带电纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节2、晶格取代或晶格缺失、晶格取代或晶格缺失 （1）晶格取代：对于黏土或矿物，在成矿时有些）晶格取代：对于黏土或矿物，在成矿时有些Al3的位置被的位置被Mg2或或Ca2取代，从而黏土晶格带取代，从而黏土晶格带负电负电 （2）晶格缺失）晶格缺失AgIAgIAgIAgIAgIAg IAg IAgIAgIIIIAgAg+比比I-更易溶解，更易溶解，造成晶格缺失造成晶格缺失纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节3、吸附作用、吸附作用 胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电例有些物质如石墨、纤维不能在水中离解，但例有些物质如石墨、纤维不能在水中离解，但可从水中吸附可从水中吸附H、OH或或其它离子，使质点带电其它离子，使质点带电对于金属氧化物，因表层具有两亲性质，故随对于金属氧化物，因表层具有两亲性质，故随体系体系pH值不同，粒子表面带电有所不同：值不同，粒子表面带电有所不同：MOHOH-MO-H2O MOHH+MOH2+纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节v经化学反应用经化学反应用凝聚法凝聚法制得的溶胶，其制得的溶胶，其电荷来自离子的选择吸附电荷来自离子的选择吸附v法扬斯法扬斯(Fajans)规则：能和组成质点的规则：能和组成质点的离子形成不溶物的离子，最易被质点离子形成不溶物的离子，最易被质点表面所吸附表面所吸附纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院v例如：例如：AgNO3和和KBr反应制备反应制备AgBr溶胶溶胶时，时，AgBr质点质点易于吸附易于吸附Ag或或Br，而，而K和和NO3吸附较弱吸附较弱 AgBr质点的带电状态，取决于质点的带电状态，取决于Ag和和Br中哪种中哪种离子过量离子过量 若没有与溶胶粒子组成相同的离子存在，则胶粒若没有与溶胶粒子组成相同的离子存在，则胶粒一般先吸附一般先吸附水化能力较弱的阴离子水化能力较弱的阴离子，水化能力较，水化能力较强阳离子则留在溶液中，故通常强阳离子则留在溶液中，故通常带负电的胶粒居带负电的胶粒居多多纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节vAgBr晶体相对于周围液体的静电势取决于分散晶体相对于周围液体的静电势取决于分散介质中的介质中的Br-和和Ag+离子的数量离子的数量v故故Ag和和Br被称作被称作AgBr体系的体系的电势决定离子电势决定离子对于金属氧化物和氢氧化物，对于金属氧化物和氢氧化物，H+和和OH是它们是它们的电势决定离子的电势决定离子v胶粒表面带某种电荷，则介质必然带有数量相等胶粒表面带某种电荷，则介质必然带有数量相等而符号相反的电荷。因为整个胶体溶液总是而符号相反的电荷。因为整个胶体溶液总是电中电中性的性的纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节v胶团结构胶团结构v以以AgI为例为例溶液中银离子和碘离子的浓度积超过它们的浓度积常数溶液中银离子和碘离子的浓度积超过它们的浓度积常数时，形成时，形成AgI沉淀，它是胶体颗粒的核心，即沉淀，它是胶体颗粒的核心，即“胶核胶核”若若AgNO3过量，胶核表面吸附过量的过量，胶核表面吸附过量的Ag而带正电，而带正电，部分部分NO3-紧紧吸附于胶核附近，与被吸附的紧紧吸附于胶核附近，与被吸附的Ag+一起形一起形成成“吸附层吸附层”v另一部分另一部分NO3-扩散到较远的介质中，形成扩散到较远的介质中，形成“扩散层扩散层”v胶核与吸附层组成胶核与吸附层组成“胶粒胶粒”v胶粒与扩散层中的反号离子组成胶粒与扩散层中的反号离子组成“胶团胶团”，胶团分散于液，胶团分散于液体介质中形成溶胶体介质中形成溶胶纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院胶团结构胶团结构v胶团结构胶团结构(AgI)m nAg+(n-x)NO3-x+xNO3-胶核胶核胶粒（带正电）胶粒（带正电）胶团（电中性）胶团（电中性）吸附层吸附层扩散层扩散层胶核胶粒胶团AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的 AgNO3 作为稳定剂 纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院胶团结构胶团结构AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的 KI 作稳定剂 胶团的结构表达式：(AgI)m n I (n-x)K+x xK+|_|_|胶核胶粒胶团胶团的图示式纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院双电层双电层 当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。对于双电层的具体结构，一百多年来不同学者提出了不同的看法。最早于1879年Helmholz提出平板型模型；1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型，提出了扩散双电层模型；后来Stern又提出了Stern模型。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院平板型模型平板型模型 亥姆霍兹认为固体的表面电荷与溶液中带相反电荷的（即反离子）构成平行的两层，如同一个平板电容器。整个双电层厚度为0。固体表面与液体内部的总的电位差即等于热力学电势0，在双电层内，热力学电势呈直线下降。在电场作用下，带电质点和溶液中的反离子分别向相反方向运动。这模型过于简单，由于离子热运动，不可能形成平板电容器。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院扩散双电层模型扩散双电层模型 Gouy和Chapman认为，由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果，溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二个离子厚度称为紧密层；另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，离子的分布可用玻兹曼公式表示，称为扩散层。双电层由紧密层和扩散层构成。移动的切动面为AB面。紧密层紧密层扩散层扩散层纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院Stern模型模型 Stern对扩散双电层模型作进一步修正。他认为吸附在固体表面的紧密层约有一、二个分子层的厚度，后被称为Stern层；由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院Stern模型模型 由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略右的曲线表示。从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为。电动电势亦称为 电势。带电的固体或胶粒在移动时，移动的切动面与液体本体之间的电位差称为电动电势。在扩散双电层模型中，切动面AB与溶液本体之间的电位差为 电位；在Stern模型中，带有溶剂化层的滑移界面与溶液之间的电位差称为 电位。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院电动电势电动电势（electrokineticpotential）电位总是比热力学电位低，外加电解质会使 电位变小甚至改变符号。只有在质点移动时才显示出 电位，所以又称电动电势。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院电动电势电动电势（electrokineticpotential）纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节v双电层结构双电层结构vStern层与扩散层层与扩散层组成双电层组成双电层v双电层厚度取决于双电层厚度取决于溶液中离子的类型溶液中离子的类型和浓度和浓度v向溶液中加入电解向溶液中加入电解质将引起双电层的质将引起双电层的收缩，这种现象称收缩，这种现象称作作“双电层压缩双电层压缩”双电层直观化示意图双电层直观化示意图纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节v斯特恩模型较全面地解释了电动现象斯特恩模型较全面地解释了电动现象A、提出、提出Stern电位电位，较好解释了斯特恩层与扩，较好解释了斯特恩层与扩散层之间的电位差。散层之间的电位差。B、溶液较稀时，扩散层厚度、溶液较稀时，扩散层厚度粒子表面溶剂层厚度，粒子表面溶剂层厚度，约等于约等于；提高电解质浓度，；提高电解质浓度，与与的差距增的差距增大大C、粒子表面吸附非离子表面活性剂或高分子物质，、粒子表面吸附非离子表面活性剂或高分子物质，滑动面向扩散层外移动，滑动面向扩散层外移动，与与的差距更大的差距更大纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第3节节D、若有高价反离子或表面活性粒子，进入固定吸附、若有高价反离子或表面活性粒子，进入固定吸附层，有可能使层，有可能使Stern层的电位反号，即层的电位反号，即与与 0反反号号E、若吸附大量的同号粒子进入、若吸附大量的同号粒子进入Stern层，还有可能层，还有可能使使0纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作业作业1 1、试采用作图的方式，阐述斯特恩、试采用作图的方式，阐述斯特恩双电层的结构。双电层的结构。2 2、AgNO3 与与KI反应，当两试剂分反应，当两试剂分别过量时，试分别写出形成的胶团别过量时，试分别写出形成的胶团的胶团结构。的胶团结构。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章纳米粉体分散的胶体科学基本原理第二章纳米粉体分散的胶体科学基本原理第第4节节胶体的电动现象胶体的电动现象纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第4节节v胶体的电动现象包括：胶体的电动现象包括：1、电泳、电泳2、电渗、电渗3、流动电势、流动电势4、沉降电势、沉降电势纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第4节节v1、电泳：、电泳：在外加电场作用下，胶体粒子在分散介质中做定在外加电场作用下，胶体粒子在分散介质中做定向移动称为电泳向移动称为电泳+电泳纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院电泳的用途电泳的用途v电泳的用途：电泳的用途：由界面移动的速度可得到颗粒运动的速度，进由界面移动的速度可得到颗粒运动的速度，进而可以求得而可以求得电位电位v电泳的影响因素：电泳的影响因素：电解质电解质、带电粒子的大小、形状、粒子表面电、带电粒子的大小、形状、粒子表面电荷数目、离子强度、荷数目、离子强度、pH值、温度和所加电压值、温度和所加电压纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院上节课内容上节课内容v胶体带点及其表面电荷来源的胶体带点及其表面电荷来源的3 3种方式种方式 电离、同晶置换、吸附电离、同晶置换、吸附v胶团结构胶团结构v双电层结构双电层结构 平板型模型平板型模型 扩散双电层模型扩散双电层模型 Stern双电层模型双电层模型v胶体的电动现象胶体的电动现象 电泳、电泳、电渗、流动电势、沉降电势电渗、流动电势、沉降电势 纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第4节节2 2、电渗、电渗 在外加电场下，可以观察到分散介质通过多孔在外加电场下，可以观察到分散介质通过多孔膜或极细的毛细管而移动，即固相不动而液相移膜或极细的毛细管而移动，即固相不动而液相移动的现象。动的现象。+电渗纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院电渗的用途电渗的用途v影响因素影响因素 电解质：浓度增加，电渗速度降低；甚至反向电解质：浓度增加，电渗速度降低；甚至反向移动移动v用途：用途：用于海水，苦咸水淡化，水质软化，纯水，超用于海水，苦咸水淡化，水质软化，纯水，超纯水装备，含氟地下水处理，食品饮料，印染，纯水装备，含氟地下水处理，食品饮料，印染，制药等。制药等。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院海水淡化：电渗析法海水淡化：电渗析法v早在早在1515世纪，航海部门就曾以简易的蒸馏装置来解决海船世纪，航海部门就曾以简易的蒸馏装置来解决海船在长期航行中的淡水供应问题。在长期航行中的淡水供应问题。v二战期间，出于战争的需要，用蒸馏法淡化海水的技术有二战期间，出于战争的需要，用蒸馏法淡化海水的技术有较大的发展，已用于供应战舰和岛屿的淡水。较大的发展，已用于供应战舰和岛屿的淡水。v2020世纪世纪5050年代以来，随工农业的发展和城市人口的增长，年代以来，随工农业的发展和城市人口的增长，淡水供应逐渐紧张，造成有些沿海城市严重缺水。因此海淡水供应逐渐紧张，造成有些沿海城市严重缺水。因此海水淡化的技术，成为开发新水源的重要途径之一。水淡化的技术，成为开发新水源的重要途径之一。v19801980年统计，全世界淡化装置的每天总造水量为年统计，全世界淡化装置的每天总造水量为 727.5727.5万万立方米，其中立方米，其中75.975.9是蒸馏法生产的，其余大部分用膜法是蒸馏法生产的，其余大部分用膜法（电渗析法和（电渗析法和反渗透反渗透法）。法）。v根据我国海水利用专项规划，到根据我国海水利用专项规划，到20102010年，中国海水淡化规年，中国海水淡化规模将达到每日模将达到每日8080万至万至100100万吨，万吨，20202020年中国海水淡化能力年中国海水淡化能力达到每日达到每日250250万至万至300300万吨万吨纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院海水淡化：电渗析法海水淡化：电渗析法v电渗析法：水中的离子在直流电场的作用下，可电渗析法：水中的离子在直流电场的作用下，可通过半透膜。最初的惰性半透膜电渗析法，主要通过半透膜。最初的惰性半透膜电渗析法，主要用于溶胶的提纯，电流效率很低。用于溶胶的提纯，电流效率很低。v到了到了2020世纪世纪5050年代初，由于选择性离子交换膜向年代初，由于选择性离子交换膜向世，才能够用电渗析法淡化海水或苦咸水。世，才能够用电渗析法淡化海水或苦咸水。v脱盐用的选择性离子交换膜有两种：脱盐用的选择性离子交换膜有两种：阳膜，只阳膜，只允许阳离子透过的阳离子交换膜；允许阳离子透过的阳离子交换膜；阴膜，只允阴膜，只允许阴离子透过的阴离子交换膜。使阴膜和阳膜交许阴离子透过的阴离子交换膜。使阴膜和阳膜交替排列，中间衬以隔板（其中有水流通道），夹替排列，中间衬以隔板（其中有水流通道），夹紧之后，在两端加上电极紧之后，在两端加上电极,就成电渗析脱盐装置。就成电渗析脱盐装置。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院海水淡化：电渗析法海水淡化：电渗析法纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第4节节v3、流动电势、流动电势在在外加压力或重力外加压力或重力作用下作用下,使液体在毛细管中使液体在毛细管中流经流经多孔膜多孔膜，在膜的两边会产生电势差，称为流，在膜的两边会产生电势差，称为流动电势。它是动电势。它是电渗作用电渗作用的反面现象。的反面现象。气体V压力毛细管 流动电势纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第4节节v4、沉降电势、沉降电势若分散相粒子在若分散相粒子在分散介质中分散介质中迅速沉降迅速沉降，使底层与表面层的粒使底层与表面层的粒子浓度悬殊子浓度悬殊，则会在则会在液体的表层与底层之液体的表层与底层之间产生电势差，称为间产生电势差，称为沉降电势，如右图所沉降电势，如右图所示示v它是它是电泳作用电泳作用的反面的反面现象。现象。沉降电势+V纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院沉降电势的应用沉降电势的应用贮油罐中的油内贮油罐中的油内常会有水滴，常会有水滴，水滴的沉降会水滴的沉降会形成很高的电形成很高的电势差，有时会势差，有时会引发事故。引发事故。通常在油中加入通常在油中加入有机电解质有机电解质，增加介质电导，增加介质电导，降低沉降电势降低沉降电势。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院电动现象之间的关系电动现象之间的关系四种电现象的相互关系：电泳 电渗流动电势沉降电势（液体静止，固体粒子运动）（固相不动，液体移动）外加电场引起相对运动相对运动产生电位差纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院作业作业v胶体的电动现象包括哪些胶体的电动现象包括哪些?它们之间的关系是什么它们之间的关系是什么?纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章纳米粉体分散的胶体科学基本原理纳米粉体分散的胶体科学基本原理第五节第五节胶体的稳定与失稳胶体的稳定与失稳纳米材料导论纳米材料导论-绪论绪论纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节v胶体的稳定与不稳定是胶体的稳定与不稳定是相对的相对的 若在若在一段时间内一段时间内保持介稳状态，胶体就是稳保持介稳状态，胶体就是稳定的；若在预期的时间内，定的；若在预期的时间内，失去失去胶体的某些性质，胶体的某些性质，则称为不稳定状态则称为不稳定状态v分散稳定性分散稳定性 是指胶体抵抗状态变化的能力，其中自由颗是指胶体抵抗状态变化的能力，其中自由颗粒能进行布朗运动粒能进行布朗运动纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院胶体稳定性的含义：胶体稳定性的含义：1、热力学稳定性、热力学稳定性 2、动力学稳定性、动力学稳定性3、聚集稳定性、聚集稳定性纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节1 1、热力学稳定性、热力学稳定性 胶体通常是多相分散体系，有巨大胶体通常是多相分散体系，有巨大的界面能，因此在热力学上是不稳定的界面能，因此在热力学上是不稳定的的v但一定条件下，可以制取热力学稳定但一定条件下，可以制取热力学稳定的胶体，比如：微乳液就是热力学稳的胶体，比如：微乳液就是热力学稳定的胶体。定的胶体。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节2 2、动力学稳定性、动力学稳定性 是指在重力场或离心力场中，胶粒是指在重力场或离心力场中，胶粒从分散介质中从分散介质中离析的程度离析的程度v胶体体系是高度分散体系，分散相颗胶体体系是高度分散体系，分散相颗粒越小，布朗运动越剧烈，阻止其重粒越小，布朗运动越剧烈，阻止其重力（或离心力）作用而引起的沉降能力（或离心力）作用而引起的沉降能力越强，因此在动力学上是稳定的力越强，因此在动力学上是稳定的纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节3 3、聚集稳定性、聚集稳定性 指体系的指体系的分散度分散度是否随时间变化是否随时间变化v简单讲，体系内的胶体颗粒简单讲，体系内的胶体颗粒是否易发是否易发生团聚生团聚v易团聚，即分散度降低，体系的聚集易团聚，即分散度降低，体系的聚集稳定性差；稳定性差；反之，不易团聚，聚集反之，不易团聚，聚集稳稳定性高定性高纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节v胶体的失稳胶体的失稳聚沉聚沉 通常定义通常定义无机电解质无机电解质使胶体沉淀的作用使胶体沉淀的作用絮凝絮凝 通常定义通常定义高分子化合物高分子化合物使胶体沉淀的作用使胶体沉淀的作用v在沉淀剂不确定的情况下，则可以笼统地在沉淀剂不确定的情况下，则可以笼统地称为称为聚集作用聚集作用纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院v实际应用中，有时需要获得稳定性高实际应用中，有时需要获得稳定性高的胶体，有时需要破坏胶体的稳定性的胶体，有时需要破坏胶体的稳定性v因此如果提高胶体的稳定性及使胶体因此如果提高胶体的稳定性及使胶体发生聚集的基本原理，是本节课的重发生聚集的基本原理，是本节课的重点。点。纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节v提高胶体稳定性的途径：提高胶体稳定性的途径：1、静电稳定作用、静电稳定作用 使颗粒带电，彼此互相排斥使颗粒带电，彼此互相排斥2、空间位阻稳定作用、空间位阻稳定作用 颗粒表面吸附某种高分子物质，阻止颗粒的相颗粒表面吸附某种高分子物质，阻止颗粒的相互接近。互接近。3、静电空间位阻稳定作用、静电空间位阻稳定作用 通常，上述两种静电稳定机制结合使用通常，上述两种静电稳定机制结合使用纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节v1 1、静电稳定作用、静电稳定作用 A A、胶体颗粒普遍带有一定的电荷（、胶体颗粒普遍带有一定的电荷（电位）电位）B B、表面水化，具有弹性水膜、表面水化，具有弹性水膜v上述两个原因，使颗粒间表现出排斥作用，以阻上述两个原因，使颗粒间表现出排斥作用，以阻止粒子间的聚集止粒子间的聚集纳米材料导论纳米材料导论-第一章第一章河南理工大学材料学院河南理工大学材料学院第二章第二章第第5节节胶粒间的相互