医用化学/溶胶的性质

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当光波投射到粒子上时,如果粒子大于波长,则光波以一定的角度从粒子表面反射出来。如果粒子远小于光波的波长,则光波绕过粒子前进不受阻碍。当粒子的大小和光波波长接近或稍小时,光波产生散射。溶胶粒子的大小在1-100nm之间,与普通光波波长接近,因此有一定强度的散射现象,称为丁铎尔(Tyndall)现象。即当一束强光投射到溶胶上,在暗室或黑暗背景下,从光束的垂直方向观察,可以清楚地观察到一条光带(图9-5),这是胶体溶液的特点。

溶胶中胶体粒子和溶液中溶质的粒子相似,也处于不停的运动状态,这种不停的无规则的运动称为布朗(Brown)运动(图9-6)。由此表现出与胶体粒子运动有关的性质,称为胶体的分子动力学性质,如扩散、渗透、沉降等。它们和胶体粒子的大小和形状有密切的关系。所以从分子动力学性质出发,可以研究胶体粒子的大小和形状。其次,溶胶由于分子动力学性质,可以保持胶体粒子不因重力作用而沉集在容器底部。这种保持分散相不从分散介质中分离出来的性质,称为动力学稳定性。

丁铎尔现象


图9-6 丁铎尔现象

布朗运动


图9-6 布朗运动

(一)电泳

1.电泳

在一U形管中,加入棕色的氢氧化铁溶胶(图9-7左),然后插上电极并通直流电,阴极附近颜色逐渐变深,表示氢氧化铁胶体粒子向阴极移动(图9-7右)。如果在U形管中换上硫化砷溶胶并通电,胶体粒子向阳极移动。这种胶体粒子在电场作用下向阳极或阴极移动的现象叫电泳。

2.胶粒带电的原因

(1)选择吸附由于溶胶胶核常常选择性地吸附作为稳定剂的某种离子,而使其表面带有电荷。溶胶胶核总是选择吸附与其组成相类似的离子。例如Fe(OH)3溶胶,其胶核吸附稳定剂FeO+CL-中的FeO+而带正电荷。

氢氧化铁溶胶电泳向负极


氢氧化铁胶团结构示意


图9-7 氢氧化铁溶胶电泳向负极 图9-8 氢氧化铁胶团结构示意

图α-吸附层,b-扩散层

Gmogzqnw.jpg


cl-则留在介质中。

在硫化砷溶胶中,其溶胶胶核吸附HS-而带负电荷。

As2O3+3H2S →As2S3+3H2O
H2SGmoh2hyh.gif


H++HS-

H+留在介质中。

(2)表面分子离解 胶体粒子与分散介质接触后,表面上的分子与介质作用而离解,某种离子将扩散到介质中去,因此胶体粒子带有和扩散离子符号相反的电荷。例如,硅胶的胶粒是由很多SiO2分子组成的。粒子表面上的SiO2分子和水接触形成硅酸H2SiO3,随后离解生成了SiO32-和H+,H+扩散到介质中成为反离子,胶体粒子则因保留有SiO32-而带负电荷。

3.胶团结构

现以Fe(OH)3溶胶为例来说明胶团的结构(图9-8)。

氢氧化铁溶胶是由许多Fe(OH)3分子构成的,其中心部分叫胶核。胶核的外边是由FeO+和一部分CL-所形成的吸附层,胶核和吸附层统称为胶粒。另一部分CL-借扩散作用而分布于离胶核较远处,形成扩散层。带有相反电荷的吸附层和扩散层电荷符号相反,电量相等,所以胶团是电中性的。胶团的结构可用下式表示。

Gmoh2gxj.jpg


Fe(OH)3胶粒包括胶核(设为m个Fe(OH)3分子组成)和吸附层。胶粒和扩散层合称为胶团,胶团分散在介质中乃是胶体体系。

(二)溶胶的稳定性和聚沉

由于溶胶是高度分散的多相体系,胶粒有自动聚结的趋势,是一个聚结不稳定体系。但在某种条件下,它又具有聚结的稳定性,胶粒并不合并变大。决定聚结稳定性的主要因素是溶胶胶粒表面的双电层结构,它使胶粒在碰撞时不致相互接触,同时双电层有水化离子,好像胶粒外面包上一层水化膜或溶剂化膜,这层膜就起到阻碍胶粒合并的作用。

凡是使溶胶的分散度降低,分散相颗粒变大,最后从介质中沉淀析出的现象叫聚沉。促使溶胶聚沉的因素有电解质,反电荷的胶体,温度等。溶胶对电解质的影响非常敏感,这是由于电解质中反离子的加入促使胶粒周围的扩散层被“压缩”,扩散层厚度迅速变薄,当电解质的量达到一定程度后,扩散层消失,胶粒变成电中性,同时水化膜也随之消失,这样胶粒就能迅速凝集而聚沉。例如,在氢氧化铁中加入少量K2SO4溶液,溶胶内立即发生聚沉作用,析出氢氧化铁沉淀。

不同的电解质,对溶胶的聚沉能力是不同的,通常用聚沉值来衡量电解质对溶胶聚沉能力的大小。聚沉值是指一定溶胶,在一定时间内完全聚沉所需电解质的最低浓度(mmol.L-1)。聚沉值越小,表示聚沉能力越大。

可以使溶胶聚沉的电解质的有效部分是与胶粒带有相反电荷的离子,这些离子称为反离子。根据叔尔采-哈迪(Schulze-Hardy)规则,反离子的价数越高,聚沉能力也越大。一般说来,一价反离子的聚沉值在25-150之间,二价的约在0.5-2之间,三价的约在0.01-0.1之间。

对于给定的溶胶,反离子为1,2,3价的电解质,其聚沉值的比约为(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6。

带有相反电荷的不同溶胶,可以相互聚沉。例如,将带有正电荷的氢氧化铁溶胶和带负电荷的As2S3溶胶混合,可以相互聚沉。

明矾的净水作用,是利用明矾的水解生成AL(OH)3正溶胶,而与带负电荷的胶体污物发生相互聚沉。

温度对溶胶的稳定性影响不大。温度升高时,由于溶胶的布朗运动增强,溶胶粒子之间的碰撞加剧,使溶胶的稳定性下降。

32 界面现象 | 高分子化合物溶液 32
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