膠體

膠體

膠體(Colloid)又稱膠狀分散體(colloidal dispersion)是一種較均勻混合物,在膠體中含有兩種不同狀態的物質,一種分散相,另一種連續相。分散質的一部分是由微小的粒子或液滴所組成,分散質粒子直徑在1~100nm之間的分散系是膠體;膠體是一種分散質粒子直徑介於粗分散體系和溶液之間的一類分散體系,這是一種高度分散的多相不均勻體系。在廢水處理中也能套用到膠體的相關知識,有的廢水中的污染物質是以膠體的形式存在的,因此很多污水深度處理設備旨在研究如何快速高效去除廢水中以膠體形式存在的污染物質。膠體不一定都是膠狀物,也不一定是液體。如:氫氧化鐵膠體、雲、霧等。

基本信息

膠體

分散系

膠體

分散系粒子直徑

1nm~100nm

外觀

較均一、透明

分散質微粒

大量分子集合體、高分子

能否透過濾紙

能否透過半透膜

不能

穩定性

較穩定(高分子溶液穩定)

分類

梵天梵天
按照分散劑狀態不同分為:

氣溶膠——以氣體作為分散介質的分散體系。其分散質可以是氣態、液態或固態。:如煙

擴散在空氣中

液溶膠——以液體作為分散介質的分散體系。其分散質可以是氣態、液態或固態。:如Fe(OH)3膠體

固溶膠——以固體作為分散介質的分散體系。其分散質可以是氣態、液態或固態。如有色玻璃、煙水晶

分散質的不同可分為:粒子膠體、分子膠體

如:1.是氣溶膠,煙水晶,有色玻璃水晶是固溶膠,蛋白溶液,澱粉溶液是液溶膠;

2.澱粉膠體,蛋白質膠體是分子膠體土壤粒子膠體

註:20世紀初,明膠、蛋白質等容易與水形成膠體的溶液叫做親液膠體。現通常把親液膠體稱為大分子或(高分子)溶液,把憎液膠體稱為膠體分散體系(常簡稱為膠體)或溶膠。據此,中學常簡單認為蛋白質溶液是膠體,雖不能說錯誤(性質接近),但是也屬於過時的說法

常見膠體

Fe(OH)3膠體、Al(OH)3膠體、矽酸膠體、澱粉膠體、蛋白質膠體、豆漿、霧、墨水、塗料、AgI、Ag2S、As2S3,有色玻璃,果凍,雞蛋清,血液等。

套用

1.農業生產:土壤的保肥作用.土壤里許多物質如粘土腐殖質等常以膠體形式存在。

2.醫療衛生:血液透析,血清紙上電泳利用電泳分離各種胺基酸和蛋白質.13。醫學上越來越多地利用高度分散的膠體來檢驗或治療疾病,如膠態磁流體治癌術是將磁性物質製成膠體粒子,作為藥物的載體,在磁場作用下將藥物送到病灶,從而提高療效。

3.日常生活:制豆腐原理(膠體的聚沉)和豆漿牛奶,粥明礬淨水.

4.自然地理:江河入海口處形成三角洲,其形成原理是海水中的電解質使江河泥沙形成膠體發生聚沉.

5.工業生產:制有色玻璃(固溶膠),在金屬、陶瓷、聚合物等材料中加入固態膠體粒子,不僅可以改進材料的耐衝擊強度、耐斷裂強度、抗拉強度等機械性能,還可以改進材料的光學性質。有色玻璃就是由某些膠態金屬氧化物分散於玻璃中製成的。國防工業中有些火藥、炸藥須製成膠體。一些納米材料的製備,冶金工業中的選礦,石油原油的脫水,塑膠、橡膠及合成纖維等的製造過程都會用到膠體。

性質

能發生丁達爾現象,產生聚沉,鹽析電泳現象,滲析作用,吸附性等性質。

當陽光從窗隙射入暗室,或者光線透過樹葉間的縫隙射入密林中時,可以觀察到丁達爾效應;放電影時,放映室射到銀幕上的光柱的形成也屬於丁達爾效應。

膠體為分散系,是一些具有相同或相似結構的一個集合,存在有數個粒子組成一個膠粒,所以一般1mol的物質形成膠體時,膠粒數(膠體粒子數)小於1mol。膠體為混合物。

介穩性

膠體的穩定性介於溶液和濁液之間,在一定條件下能穩定存在,屬於介穩體系.

膠體具有介穩性的兩個原因:

原因一 膠體粒子可以通過吸附而帶有電荷,同種膠粒帶同種電荷,而同種電荷會相互排斥(要使膠體聚沉,就要克服排斥力,消除膠粒所帶電荷 )。

原因二 膠體粒子在不停地做布朗運動,與重力作用相同時便形成沉降平衡的狀態。

結構

根據Fajans規則(能與晶體的組成離子形成不溶物的離子將優先被吸附.優先吸附具有相同成分的離子),膠體粒子是膠粒,膠粒與擴散層在一起組成了膠團,而膠粒又包括膠核與吸附層

淨水原理

化學解釋

梵天梵天
膠體粒子的直徑一般在1nm——100nm之間,它決定了膠體粒子具有巨大的表面積,吸附力很強,能在水中吸附懸浮固體或色素形成沉澱,從而使水淨化,這就是膠體淨水的原理。

能在水中自然形成濃度較大的膠體,並且對水質無明顯副作用的物質有KAl(SO4)2·12H2O(明礬)、FeCl3·6H2O等(註:長期飲用明礬淨化的水有引發老年痴呆症等疾病的風險),這樣的物質被稱為淨水劑,其形成膠體的化學原理是使其發生水解反應:

FeCl3 + 3H2O===△===Fe(OH)3(膠體)+3HCl

註:Fe(OH)3膠體呈紅褐色,在自來水淨化中常用,另外也可用來淨化被重金屬污染的水源,高效廉價。

2Al3++ 6H2O===(可逆號)===2Al(OH)3(膠體)+6H+

具體操作

為了回答什麼是膠體這一問題,我們做如下實驗:將一把泥土放到水中大粒的泥沙很快下沉,渾濁的細小土粒因受重力的影響最後也沉降於容器底部而土中的鹽類則溶解成真溶液.但是,混雜在真溶液中還有一些極為微小的土壤粒子它們既不下沉,也不溶解人們把這些即使在顯微鏡下也觀察不到的微小顆粒稱為膠體顆粒,含有膠體顆粒的體系稱為膠體體系.膠體化學,狹義的說就是研究這些微小顆粒分散體系的科學.通常規定膠體顆粒的大小為1~1000nm(按膠體顆粒的直徑計).小於1nm的幾顆粒為分子或離子分散體系,大於1000nm的為粗分散體系.既然膠體體系的重要特徵之一是以分散相粒子的大小為依據的顯然,只要不同聚集態分散相的顆粒大小在1~1000nm之間則在不同狀態的分散介質中均可形成膠體體系.例如,除了分散相與分散介質都是氣體而不能形成膠體體系外其餘的8種分散體系均可形成膠體體系.

習慣上,把分散介質為液體的膠體體系稱為液溶膠如介質為水的稱為液溶膠;介質為固態時,稱為固溶膠.

由此可見膠體體系是多種多樣的.溶膠是物質存在的一種特殊狀態,而不是一種特殊物質不是物質的本性.任何一種物質在一定條件下可以晶體的形態存在,而在另一種條件下卻可以膠體的形態存在.例如氯化鈉是典型的晶體,它在水中溶解成為真溶液若用適當的方法使其分散於苯或醚中,則形成膠體溶液.同樣硫磺分散在乙醇中為真溶液,若分散在水中則為硫磺水溶膠.

由於膠體體系首先是以分散相顆粒有一定的大小為其特徵的故膠粒本身與分散介質之間必有一明顯的物理分界面.這意味著膠體體系必然是兩相或多相的不均勻分散體系.

另外,有一大類物質(纖維素、蛋白質、橡膠以及許多合成高聚物)在適當的溶劑中溶解雖可形成真溶液,但它們的分子量很大(常在1萬或幾十萬以上,故稱為高分子物質),因此表現出的許多性質(如溶液的依數性黏度電導等)與低分子真溶液有所不同,而在某些方面(如分子大小)卻有類似於溶膠的性質,所以在歷史上高分子溶液一直被納入膠體化學進行討論。30多年來,由於科學迅速地發展,它實際上已成為一個新的科學分支——高分子物理化學,所以近年來在膠體表面專著(特別是有關刊物)中,一般不再過多地討論這方面內容。

——摘自《膠體與表面化學(第三版)》,化學化工出版社

如何辨別

利用丁達爾效應

膠體粒子對光線散射而形成光亮的“通路”的現象,叫做丁達爾現象。(原因是光被膠體粒子散射,而不是膠體粒子本身發光。)

膠粒帶有電荷

膠粒具有很大的比表面積(比表面積=表面積/顆粒體積),因而有很強的吸附能力,使膠粒表面吸附溶液中的離子。這樣膠粒就帶有電荷。不同的膠粒吸附不同電荷的離子。一般說,金屬氫氧化物、金屬氧化物的膠粒吸附陽離子,膠粒帶正電,非金屬氧化物金屬硫化物的膠粒吸引陰離子,膠粒帶負電。

膠粒帶有相同的電荷,互相排斥,所以膠粒不容易聚集,這是膠體保持穩定的重要原因。

由於膠粒帶有電荷,所以在外加電場的作用下,膠粒就會向某一極(陰極陽極)作定向移動,這種運動現象叫電泳。

電性製備

膠體電性

1.正電

一般來說,金屬氫氧化物、金屬氧化物的膠體粒子帶正電荷,如Fe(OH)3,Al(OH)3,Cr(OH)3,H2TiO3,Fe2O3,ZrO2,Th2O3

2.負電

非金屬氧化物,非金屬硫化物,金屬硫化物,非金屬含氧酸的膠體粒子帶負電荷,如As2S3,Sb2S3,As2O3,H2SiO3,Au,Ag,Pt。(另外土壤粒子也帶負電)

3.不帶電:像澱粉膠體,聚乙二醇膠體。

4.膠體粒子可以帶電荷,但整個膠體呈電中性

膠體的製備

A物理法:如研磨(制豆漿,研墨),直接分散(制蛋白質膠體)

B水解法:

如將25毫升的蒸餾水加熱至沸騰,再逐滴加入1-2毫升的飽和氯化鐵溶液,繼續煮沸至溶液呈紅褐色。

相關化學式:FeCl3 +3H20 = Fe(OH)3(膠體)+3HCl

相關離子式:Fe3+ +3H2o=Fe(OH)3(膠體)+3H+

注意:1.不可過度加熱,否則膠體發生聚沉,生成Fe(OH)3沉澱

2.不可用自來水,自來水中有電解質會使膠體發生聚沉,套用蒸餾水

3.複分解+劇烈震盪法

4.FeCl3不能過量,過量的也能使膠體發生聚沉

5.書寫製備膠體的化學方程式時,生成的膠體不加沉澱符號“↓”

6.為了製得濃度較大的膠體,要用FeCl3的飽和溶液,一般不用稀溶液。

7.不能用玻璃棒攪拌,否則會使膠體顆粒碰撞成大顆粒形成沉澱。

膠體提純

與溶液分離(膠體提純)

滲析法

滲析又稱透析。原理:利用半透膜能透過小分子和小離子但不能透過膠體粒子的性質從溶膠中除掉作為雜質的小分子或離子的過程。

滲析時將膠體溶液置於由半透膜構成的滲析器內,器外則定期更換膠體溶液的分散介質(通常是水),即可達到純化膠體的目的。滲析時外加直流電場常常可以加速小離子自膜內向膜外的擴散,為電滲析(electrodialysis)。

利用半透膜的選擇透過性分離不同溶質的粒子的方法。在電場作用下進行溶液中帶電溶質粒子(如離子、膠體粒子等)的滲析稱為電滲析電滲析廣泛套用於化工、輕工、冶金、造紙、海水淡化、環境保護等領域;近年來更推廣套用於胺基酸、蛋白質、血清等生物製品的提純和研究。電滲析器種類較多,W.鮑里的三室型具有代表性,其構造見圖。電滲析器由陽極室、中間室及陰極室三室組成,中間DD為封接良好的半透膜,E為Pt、Ag、Cu等片狀或棒狀電極,F為連線中間室的玻璃管,作洗滌用,S為pH計。電滲析實質上是除鹽技術。電滲析器中正、負離子交換膜具有選擇透過性,器內放入含鹽溶液,在直流電的作用下,正、負離子透過膜分別向陰、陽極遷移。最後在兩個膜之間的中間室內,鹽的濃度降低,陰、陽極室內為濃縮室。電滲析方法可以對電解質溶質或某些物質進行淡化、濃縮、分離或製備某些電解產品。實際套用時,通常用上百對以上交換膜,以提高分離效率電滲析過程中,離子交換膜透過性、離子濃差擴散、水的透過、極化電離等因素都會影響分離效率

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