第九章胶体化学.doc

第九章 胶体化学

（一） 主要公式及其适用条件
1、雷利公式

式中：I为单位体积溶胶的散射光的强度；V为单个分散相粒子的体积；C为分散相粒子的数浓度；I0及l分别为入射光的强度与波长；n及n0分别为分散相与分散介质的折射率；a为观测的方向与入射光之间的夹角，称为散射角；l为观测者与散射中心的距离。此式适用于入射光为非偏振光，各个粒子散射光之间的相互干涉可忽略不计，分散相粒子的体积恒定和不导电时散射光强度的定量计算；也可用于许多光散射现象的解释。
2、爱因斯坦—布朗运动平均位移公式
式中：为时间间隔t时的平均位移；T为开尔文温度；r为胶体粒子的半径；h为介质的粘度；R和L分别为气体常数和阿伏加德罗常数。
3、扩散系数 D =
上述两式适用一单级（粒子大小均匀一致）分散系统，球形粒子在稀的混合系统中的扩散。
4、胶体粒子摩尔质量 M =
式中：r为半径为r的圆球形分散相粒子的密度；D为扩散系数；h为散介质的粘度。此式适用于稀溶胶、球形胶体粒子摩尔质量的计算。
5、贝林高度分布公式
式中：C2和C1分别为高度h2和h1截面上粒子数浓度（个/m3）；r和rO分别为分散的（即胶体粒子）及分散介质的密度；g = 9.81m·s-2为重力加速度常数；M为分散相粒子的摩尔质量（kg·mol-1）。此式适用于单级分散相的粒子（大小相同，形状可各异）在重力雹中的沉降平衡分布的计算。
6、带电粒子的电泳速度
式中为分散介质的相以介电常数，其单位为一；=8.8542 ´ 10-12F·m-1，为真空介电常数；E为电强度(V·m-1)；z为电动电势，即z电势；h为分散介质的粘度。
此式教材中未写出，仅作参考。
（二）概念题
9·2·1 填空题
1、高度分散的多相性和（ ）是胶体系统的主要特征。
2、胶体系统产生丁达尔现象的实质是（ ）。
3、布朗运动实质上是（ ）。
4、z电势的定义是（ ）。
5、溶胶的动力学性质表现为如下三种运动：（ ）
6、溶胶的四种电动现象为：（ ）。
7、溶胶的动力学性质上是不稳的，它能够相对稳定存在的三个重要原因是（ ）。
8、亲水的球形固态微粒处于油(O)—水(W)界面层时，是大部分的体积浸于水中，这种固态微粒有利于形成（ ）型乳状液。
9、若乳化剂分子在的一端亲水，小的一端亲油，此乳化剂有利于形成（ ）型乳状液；反之则有利于形成（ ）型乳状液。
10、在一寂静温度下，破环憎液溶胶存在的最有效的方法是（ ）。当胶体粒子处于等电状态时，其电泳速率必然为（ ）。
9·2·2 单项选择无穷题
1、当入射光的波长（ ）胶体粒子的线度时，则可出现丁达尔效应。
选择填入；（a）大于；（b）等于；（c）小于；（d）远小于
2、胶体系统的电泳现象表明（ ）。选择填入：（a）分散介质带电；（b）胶体粒子带有大量的电荷；（c）胶体粒子带正电荷；（d）胶体粒子处于等电状态
3、电渗现象表明（ ）。选择填入：
（a）胶体粒子是电中性的；（b）分散介质是电中性的；
（c）胶体系统的分散介质也是带电的；（d）胶体粒子是带是的
4、在胶体系统中，z电势（ ）的状态，称为等电状态。
选择填入：（a）大于零；（b）小于零；（c）等于零；（d）等于外加电势差
5、若分散相固体微小粒子的表面上吸附负离子，则胶体粒子的z电热（ ）。
选择填入：（a）大于零；（b）等于零；（c）小于零；（d）大小无法确定
6、对于以AgNO3为稳定剂的AgCl水溶胶胶团结构，可以写成{ [AgCl]m·nAg+·(n -x)NO}x+·xNO，则被称为胶体粒子的是指（ ）
选择填入：（a）[AgCl]m（b）[AgCl]m·nAg+
（c）[AgCl]m·nAg+·(n -x)NO}x+
（d）[AgCl]m·nAg+·(n -x)NO}x+·xNO
7、大分子（天然的或人工合成的）化合物水溶液与憎水溶胶在性质上最根本的区别是（ ）。
选择填入：
（a）前者是均相系统，后者不多相系统；
（b）前者是热力学稳定系统，后者为热力学不稳定系统；
（c）前者的粘度大，后者的粘度小；
（d）前者对电解质的稳定性较大，而后者加入少量的电解质就能引起聚沉
8、在一定温度下，在4个装有相同体积的As2S3溶胶的度管中，分别加入c和V相同的下列不同的电解质溶液，能够使As2S3溶胶最快发生聚沉的是（ ）
选择填入：（a）KCl；（b）NaCl；（c）ZnCl2；（d）AlCl3
9、在一定温度下，在4个装有相同体积的As2S3溶胶的试管中，分别加入c和V相同的下列不同的电解质溶液，能使As2S3溶胶最快发生聚沉的是（ ）
选择填入：（a）NaCl；（b）NaNO3；（c）Na3[Fe（cn）6]；（d）Na2CO3
10、以KI为稳定剂，一定量的Agl溶胶中，分别加入下列物质的量浓度c相同的电解质溶液，在一寂静时间范围内，能使溶胶完全聚沉所需电解质的物质的量最小者为（ ）。
选择填入：（a）KNO3‘（b）NaNO3；（c）Mg（NO3）2；（d）La（NO3）3
9·2·3 名词解释
1、胶体系统。2、电泳。3、沉降电势。4、聚沉值。5、乳状液。
9·2·4 简答题
1、憎液溶胶的电动现象说明了什么问题？
2、试写出使憎液溶胶发生聚沉现象的3种方法。
3、加入电解质为何能使憎液溶胶发生聚沉现象？请说明原因 。
4、在两个装满0.004mol·dm-3垢AgNO3溶液的容器之间，用AgCl（s）制成的多孔塞将二得联通，在多孔塞两端装有电极并通以直流电，容器中的AgCO3溶液将如何流动？请说明原因。
5、欲制备胶体粒子带负电荷的AgI溶胶，在25´10-3dm3物质的量浓度为0.020mol·dm3的KI溶液中，应加入物质的量浓度为0.0064mol·dm3的AgNO3溶液多少dm3？
概念题答案9·2·1
1、热力学不稳定性。2、光的散射。3、胶体粒子的热运动。4、当分散相与分散介质发生相对移动时，滑动面所包围的带电体与溶液本体（又称体相）之间的电势差。5、布朗运动；扩散；沉降与沉降电势。6、电泳；电渗；流动电势和沉降电势。7、胶体粒子带电；溶剂化作用；布良运动。8、水包油型，或写成O/W型乳状液。9、O/W；W/O。10、加入电解质；电泳速率必然为零。
9·2·2
1、只有l大于胶体粒子的线度时，才能发生光的散射现象。2、胶体粒子带有大量的电荷。
3、胶体系统的分散介质也是带电的。4、z电热等于零。5、小于零。6、[AgCl]m·nAg+·(n -x)NO}x+
7、许多大分子化合物具有很强的亲合力，在水中能自动地溶解而形成溶液，是热力学稳定系统；而憎水溶胶不能自动地形成，必须加入适当的稳定剂才能相对稳定地存在，是热力学不稳定系统。
8、是AlCl3。因为As2S3溶胶的胶团结构式为[As2S3]m·nHS-·(n -x)H+}x-·xH+，其胶体粒子带负电荷，不同电解质的聚沉能力主要取决于反离子（这里为正离子）的价数，价数愈高聚沉能力愈强，故AlCl3溶液能使题给胶聚沉得最快。
9、是Na3[Fe（CN）6]。原因是Na3[Fe（CN）6]中的反离子（即Na+）的浓度最大。
10、是La（NO3）3。以KI为稳定剂时AgI溶胶的胶体粒子为{[AgI]m·n HS-·(n -x)K+}x-，带负电荷，反离子La3+的价数最大聚沉值最小。
9·2·3
1、分散在分散介质中的物质粒子，其某个方向上线度在10-9m~10-7m（即1nm~10nm）之间的分散系统。
2、在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质中发生定向移动的现象，谓之电泳。
3、分散相粒子在重力场（或离心力场）作用下迅速移动时，在移动方向的两端反产生的电势差称为沉降电势。
4、使溶胶发生明显聚沉所需某电解质最小的物质的量浓度称为该电解质的聚沉值。
5、由两种不到溶或部分互溶的液体混合而成的粗分散系统称为乳状液。
9·2·4
1、憎液溶胶的电动现象，说明分散相和分散介质带有正或负的一同性质的电荷。
2、加入含有高从最后通牒离子的电解质；加入带有相反电荷的溶胶；加入少量的高分子化合物；加热蒸发使溶胶脱水或浓度变大等皆可使溶胶发生聚沉现象。
3、当憎液溶胶中电解质的浓度或价数变大时，它会压缩扩散层，使扩散层变薄，把更多的反离子压入紧密层，使z电势为零而发生聚沉现象。
4、AgCl(s)易于从AgNO3溶液中有选择地吸附Ag+以利于AgCl(s)晶体长大，溶液中中央电视台有过剩的NO3存在而带负电荷，故通电后液体必然向正极流动。
5、欲使AgI溶胶的胶体粒子带负电荷，KI必须过量存在，即
25´10-3dm3 ´ 0.020mol·dm3 > 0.0064mol·dm3V ； V < 78.125´10-3dm3
（三）例题
9·3·1 试写出以亚铁氰化钾为稳定剂的亚铁氰化铜[Cu2{(CN)6Fe}溶胶的胶团结构，其胶体粒子在外电场的作用下将如何移动？
解：题给胶团结构可以表示为〔[Cu2{(CN)6Fe}]m·n{(CN)6Fe}-4·4(n –x)K+〕4x-·4xK+
胶体粒子带负电荷，它应向外加电场的正极端移动。
9·3·2 在Na2SO4的稀溶液中滴入少量的Ba（NO3）2稀溶液，可以帛备BaSO4溶胶，过剩的Na2SO4作为稳定剂。试写出此溶胶的胶团结构。
解：Na2SO4+Ba（NO3）2 → Na2SO4(s_ + 2NaNO3
胶团结构为 {[ Na2SO4]m·nSONa+}2x-·2xNa+
9·3·3 试写出Al(OH)3 溶胶（1）在酸性介质中的胶团结构；（2）在碱性介质中的佼团结构。
解：（1）在酸性介质中，Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2Cl +H2O
Al(OH)2Cl = Al(OH)+Cl-
Al(OH)为电荷 离子，Cl-则为反应子。胶团结构为{[ Al(OH)3]m·Al(OH) Cl-}x+·x Cl-
（2）在碱性介质中，Al(OH)3 + KOH = KAlO2 + 2H2O
KAlO2 = K+ + AlO
AlO2为电荷离子，K+为反离子。胶团结构为{[ Al(OH)3]m·AlO K+}x+·x K+
（四）教材习题解答
9——1（A） 利用丁达尔交应，实验测得两份硫溶胶的散射光强度之比I1/I2 = 10。已知两溶胶的分散相和分散介质的折射率、入射光的强度及波长、分散相粒子的大小以及观测的方向和位置皆相同。若么一份硫溶胶粒子的c1 = 0.10mol·dm3，试求第二份硫溶胶粒子的c2为若干？
解：由雷利公式可知，在题给条件下，两次实验的散射光强度之比I1/I2 等于硫溶胶粒子的数浓度（个/m3+））C1/C2 之比，也等于硫溶胶的物质的量浓率c1/c2 ，即I1/I2 = c1/c2 =10
c2 = c1/（I1/I2）= 0.10mol·dm3/10 = 0.01mol·dm3
9—2（A） 290.2K时，某憎液溶胶粒子的半径r = 2.12´10-7m，分散介质的粘度h = 1.10´10-3Pa·s。在电子显微镜下观测粒子的布朗运动。实验测出在60s的间隔内，粒子的平均位移= 1.046´10-5m。求伏加德罗常数L及该溶胶的扩散系数D务为若干
解：由粒子的平均位移公式 ()2 = RTt/3Lprh
可知阿伏加德常数：
L = RTt/3()2prh
==6.02´1023mol-1
扩散系数：D = ()2/2t =
9—3（B） 在超显微镜下观测汞溶胶的沉降平衡，在高度为5´10-2m处，1dm3中含有4´105个胶粒；在高度5.02´10-2m处，1dm3中中含有2´103个胶粒。实验 温度为293.2K，汞和分散介质的密度分别为13.6´103和1.0´103kg·m-3，设粒子为球形。试求汞粒子的摩尔质理M和粒子的平均半径r各为若干？
解：由贝林高度分布公式可知，汞溶胶粒子的摩尔质量：

=
在上述计算中，用到1J = 1N·m = 1kg·m2·s-2
对于球形粒子：

==5.9210-8m
9—4（B） 带电粒子的临时性泳或电渗速率u与电势梯度E（V·m-1）及深胶的z（V）电势之间的寂静量关系可以表示为，式中：h为介质的粘度；e为分散介质的介电常数，它与真空介电常数e0之比称为相对介电常数，并用er表示，即er = e / e0。e0 = 8.854´10-12F·m-1，1F = 1C·V-1。
今由电泳实验测得Sb2S3溶胶（设藉为球形粒子），在两电极相距38.5cm、外加电压为210V的条件下，通电2172s，引起溶胶与导电液之间的界面向正极移动3.20cm。已知该溶胶分散介质的下对介电常数er =81.1，粘度h = 1.03´10-3Pa·s。试求该溶胶的z电势。
解：由题给方程可得
Sb2S3胶体粒子的电泳速率：u = l1/t =3.20´10-2m/2172s = 1.473´10-5m·s-1
电势梯度： E = E（外）/l = 210V/38.5´10-2m= 545.45V·m-1
介质的粘度： h = 1.03´10-3Pa·s
介质的介电常数：
=7.181=7.181
溶胶的z电热：z = = 0.03873V
9—5（B）在NaOH溶液中，用HCHO还磁HauCl4可制得金溶胶：
HAuCl4+5NaOH ® NaAuO2 + 4NaCl+3H2O
2NaAuO2 +3HCHO+NaOH ® 2Au（s）+3HCOONa+2H2O由上友谊赛反应所产生的NaAuO2是金溶胶的稳定剂。试写出该金溶胶的胶团结构表示式。
解：稳定剂NaAuO2 在水中解离，则NaAuO2 ® Na++ AuO
分散相微小的金粒子选择性吸附分散介质中AuO而成胶核，根据斯特恩(Stern)理论，可写出给胶体系统的佼团结构，其表示式为：
{[ Au(s)3]m·nAuO Na+}x-·x Na+
整个胶团是电中性的，被吸附在固态微小粒子表面上的离子称为电荷离子。它所带的电量：（-1）n = -n，应与胶团中所有的反离子（此处为Na+）它所带的电(+1)´{(n- x)+x} = +n
大小相等而符号相反。也可理解为胶体粒子所带的电-x，与扩散层内过剩的反离子所带的电量：+x，应大小相等而符号相反。
9—6（A）试写出由FeCl3水解制备Fe(OH)3溶 胶的胶团结要。已知稳定剂为FeCl3。
解：FeCl3+3H2O → Fe(OH)3+3HCl
过量的FeCl3为稳定剂 ，电荷离子为Fe3+，反离子为Cl-，则胶团结构可表示为
{[Fe(OH)3(s)]m·nFe3+ Cl-}3x+·3x Cl-
9—7（A） 欲制备胶体粒子带正电荷的AgI(s)溶胶，在0.025dm3浓度为0.016mol·dm-3的AgNO3溶液中，应加入0.005 mol·dm-3的KI溶液多少立方分米？试写出该溶液的胶团结构表示式。若用相同物质的量浓度的量浓度的Mgso4及K3Fe(CN)6两种溶液，哪一种溶液更容易使上述溶胶发生聚沉。
解：AgNO3+KI → AgI(固态微粒) + KNO3
0.025dm3´0.016 mol·dm-3 > 0.005 mol·dm-3V(KI)
欲使AgI溶胶带正电荷 ，则需AgNO3过量存在，并以萁 为稳定剂，反加入的KI的体积：
V(KI) < 0.08dm3
在上述条件下，AgI溶胶的胶团结构为：{[AgI]m·nAg+·(n -x)NO}x+·x NO
此溶胶的反离子为负离子，若用相同自欺欺人 质的量的MgSO4及K3Fe(CN)6，则K3Fe(CN)6更易于使上述溶胶发生矛沉。
9—8（A） 在H3AsO3的稀溶液中通入H2S气体，可制得As2S3固态微小粒子是人们肉眼和一般显微镜无法观察到的，它是生成溶胶的梳心。
所通入 H2S(g)溶于溶液中，而且发生如下解离反应：H2S → H+ + HS-1
反主生的HS-1为电荷离子，H+则为反离子，故题给溶胶的胶团线构可表示为：
{[ As2S3]m·nHS-·(n - x)H+}x-·xH+
整体则称为胶团。式中：m表示有m个As2S3的分子形成固态微粒n则表示固态粒子从溶液中有选择地吸附n个HS-离子，而成为带负电荷的胶核。这一观点是完全符合斯特恩带电理论的。
9—9（A） 将0.010dm3浓度为0.02 mol·dm-3的AgNO3溶液，缓慢地滴加在0.100dm3、0.005mol·dm-3的KCl溶液中，可制得AgCl（s）溶胶。试写出其胶团结构的表示式，并指出上述胶体粒子电泳的方向。
解：AgCl(1) + KCl(1) → AgCl(s) +KNO3(1)
cV(AgNO3) = 0.02mol·dm-3 ´0.010dm3=2.0´ 10-4mol
cV(KCl) =0.005mol·dm-3 ´ 0.100dm3 =5.0´ 10-4mol
由一述计算可知KCl过量存在，即KCl是AgCl（s）溶胶的稳定剂，Cl-为电荷离子，K+则为反离子，故题给题给胶团的结构为：{[AgCl]m·nCl-·(n - x)K+}x+·xK+
此佼体粒子带负电荷，电泳实验中应向电泳管的正极（即阳极）移动。
9—10（A） 在3个烧瓶中皆盛有0.020dm3Fe(OH)3溶胶，现分别加入NaCl、Na2SO4及Na3PO4溶液，使溶胶发生聚沉，最少需要加入1.00 mol·dm-3的NaCl0.021dm3，5.0 ´10-3 mol·dm-3的Na2SO40.125dm3及3.333 ´10-3 mol·dm-3的Na3PO40.0074dm3。试计算各电解质的聚沉值、聚沉能力之比，并指出胶体粒子带电的符号。
解：能使Fe(OH)3溶胶发生明显聚沉的各电解质的聚沉值：
c(NaOH) ==512´10-3 mol·dm-3
c(Na2SO4) ==4.31´10-3 mol·dm-3
c(Na3PO4) ===9.0´10-3 mol·dm-3
3种电解质的聚沉能力之比为
NaCl：Na2SO4：Na3PO4 =
：=1.953：232.0：1111.1 = 1：119：569
9—11（B） 用一根玻璃毛细管做水的电渗实验。已知在常温下水—玻璃界面的z电势为0.050V，水的粘度h = 1.005´10-3Pa·s，水的相对介电常数er = 80。已知毛细管内半径为2.0´10-5m，长度为0.05m，在毛细管两端的外加电压为100V。试求水在上述条件下通过毛细管的电渗流量为若干m3·s-1（参看9—4题，电渗与电泳速率公式相同）
解：毛细管的截面积：´10-5 m2)2= 1.275´10-9m2
电渗流的速率乘以毛细管的截面积为电渗的流量，即
其中e = ere0 = 80´8.854´10-12F·m-1=7.0832´10-10F·m-1
E = 100V/0.05m = 200V/m；z = 0.050V；h=1.005´10-3Pa·s
电渗流量为
=8.859´10-14m3·s-1
9—12（B） 若把等体积的浓率分别为0.040mol·dm-3的KO溶液与0.010mol·dm-3的AgNO3溶液相混合制成AgI溶液。试问：
（1）此AgI溶胶的胶粒子在外加电场的作用下应向哪一个是极移动？并说明原因。
（2）题给条件下的AgI溶胶，若分别加入CaCl2、Na2SO4或Mg(NO3)2，哪一电解质的聚沉能力最强？何者最弱？为什么？
解：(a)KI(1) +AgNO3(1) → AgI(s)+ KNO3(1)
V´0.040mol·dm-3 > 0.01.ol·dm-3´V
上式表明，KI溶液过量存在，KI为AgI溶胶的稳定剂，胶体粒子为
{[AgI(s)]m·nI-·(n-x)K+}x-
带负电荷。在外电场的作用下，它必向正极移动。
（2）题给胶体粒子带负电荷，起聚沉作用的是正离子Ca2+、Mg2+、Na+。这3种离子相比较，Na+的价数最低而体积又最小，故聚沉能力最小；而 Ca2+的体积大于Mg2+，其聚沉能力最强。这是因为正离子的水化能力很强，而且正离子的半径越小，其水化能力越强，水化层就越厚，被吸附的能力就越弱，其聚沉能力就越小。
165