胶体化学理论胶体化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、胶体化学及其应用第一篇:理论胶体化学第1页第一篇 理论胶体化学第一章 胶体化学概论 1.1 分散体系与胶体 1.2 胶体化学研究内容及意义 1.3 胶体化学广泛应用第二章 胶体体系基本性质 2.1 胶体动力学性质 2.2 胶体光学性质 2.3 胶体电学性质 2.4 胶体稳定与聚沉第2页第一篇 理论胶体化学第三章 界面现象与表面活性 3.1 表面张力 3.2 弯曲界面一些现象 3.3 固体表面上气体吸附 3.4 液体表面上吸附 3.5 固体在溶液中吸附 3.6 表面活性剂第四章 高分子溶液与凝胶 4.1 高分子溶液 4.2 凝胶第五章 胶体体系制备与净化 5.1 胶体体系制备 5.2 溶胶净化第
2、3页第六章 吸附剂 6.1 吸附剂结构特点和性能参数6.2 活性炭6.3 硅胶6.4 活性氧化铝6.5 粘土6.6 吸附树脂6.7 硅藻土6.8 分子筛 第二篇:应用胶体化学第4页第七章第七章 固体颗粒和固液分散体系固体颗粒和固液分散体系7.1 胶体制备7.2 颗粒平均粒径与粒度分布7.3 钻井液7.4 水泥浆7.5 陶瓷7.6 颜料、涂料和油墨7.7 牙膏磨料7.8 塑料和橡胶中填料7.9 水和污水处理7.10 浮选7.11 造纸 第二篇:应用胶体化学第5页第八章 乳状液与表面活性剂乳状液与表面活性剂 8.1 乳化与破乳技术8.2 乳状液性质测定8.3 化装品8.4 食品8.5 纺织与染整8
3、.7 农药8.8 原油乳化与脱水8.9 沥青乳状液8.10 微乳液与三次采油8.11 乳液聚合8.12 洗涤用具8.13 液膜分离第6页第九章第九章 表面改性表面改性 9.1 玻璃纤维表面处理9.2 填料表面改性9.3 改性硅胶9.4 活性炭改性9.5 粘土表面改性9.6 颜料表面改性 第二篇:应用胶体化学第7页第十章第十章 微胶囊微胶囊 10.1 基本概念10.2 微胶囊功效10.3 微囊化方法和步骤10.4 性能测试10.5 医药工业方面应用10.6 食品工业10.7 农业上应用10.8 染料与颜料包封举例 第二篇:应用胶体化学第8页第一章 胶体化学概论 比如:云 牛奶 珍珠 把一个或几个
4、物质分散在另一个物质中就组成份散体系。其中,被分散物质称为分散相 (dispersed phase),另一个物质称为分散介质(dispersing medium)。1.1 分散体系与胶体第9页 分散系分散系分散系 :一个或几个物质以一定分散程度分散在另:一个或几个物质以一定分散程度分散在另一个物质中所形成体系,称为分散体系。被分散物一个物质中所形成体系,称为分散体系。被分散物质称为分散质。另一个物质称为分散剂。最简单分质称为分散质。另一个物质称为分散剂。最简单分散体系总是由两相组成,比如大气层中尘埃、水滴散体系总是由两相组成,比如大气层中尘埃、水滴称为分散质,空气称为分散剂,又如工业废水中杂称
5、为分散质,空气称为分散剂,又如工业废水中杂质、泥砂等是分散质,水是分散剂。如此可见,分质、泥砂等是分散质,水是分散剂。如此可见,分散质是不连续相,分散剂是连续相。散质是不连续相,分散剂是连续相。分散系=分散质+分散剂 比如:云雾 水滴 空气 汽水 CO2 水 矿石 金属化合物 岩石 溶液 溶质 溶剂第10页 按分散相粒子直径大小,通常有三种分散系统 1、分子分散系统溶液分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶,没有界面,是均匀单相,分子直径在1 nm 以下。稳定、均匀、透明,能透过滤纸和半透膜,对光散射弱 2、胶体分散系统溶胶,高分子分散体系分散相粒子直径在1 nm100 nm之间,目测是均匀
6、,但实际是多相不均匀系统。稳定,能透过滤纸但不能透过半透膜 高分子溶液(单相):对光散射弱;溶胶(多相):对光散射强 第11页 分散系3、粗分散系统悬浊液和乳状液当分散相粒子直径大于100 nm,目测是混浊不均匀系统,放置后会沉淀或分层。多相:包含悬浊液和乳状液。不稳定,不能透过滤纸和半透膜,无光散射第12页 胶体分类 本世纪初,人们依据胶体系统性质把胶体区分为两类:亲液胶体和憎液胶体。如蛋白质、明胶等轻易与水形成胶体溶液叫作亲液胶体,而那些本质上不溶于介质物质必须经过适当处理后,才能够将它分散在某种介质中,叫作憎液胶体。比如金溶胶、硫砷溶胶等等,都是经典憎液胶体。第13页胶体分类 依据胶体系
7、统性质分类:(1)憎液溶胶 系统含有很大相界面,很高表面Gibbs自由能,很不稳定,极易被破坏而聚沉 简称溶胶,由难溶物分散在分散介质中所形成,粒子都是由很大数目分子构成,大小不等 聚沉之后往往不能恢复原态,因而是热力学中不稳定和不可逆系统。本章主要讨论憎液溶胶第14页(2)亲液溶胶 大(高)分子化合物溶液通常属于亲液溶胶 它是分子溶液,但其分子大小已经抵达胶体范围,所以含有胶体一些特征(比如:扩散慢,不透过半透膜,有Tyndall效应等等)若设法去除大分子溶液溶剂使它沉淀,重新再加入溶剂后大分子化合物又能够自动再分散,因而它是热力学中稳定、可逆系统。第15页胶体分类 若依据分散相和分散介质聚
8、集状态进行分类 1.液溶胶 将液体作为分散介质所形成溶胶。当分散相为不一样状态时,则形成不一样液溶胶:A.液-固溶胶 如油漆,AgI 溶胶B.液-液溶胶 如牛奶,石油原油等乳状液C.液-气溶胶 如泡沫第16页 若依据分散相和分散介质聚集状态进行分类 2.固溶胶 将固体作为分散介质所形成溶胶。当分散相为不一样状态时,则形成不一样固溶胶:A.固-固溶胶 如有色玻璃,不完全互溶合金B.固-液溶胶 如珍珠,一些宝石C.固-气溶胶 如泡沫塑料,沸石分子筛胶体分类第17页胶体分类 若依据分散相和分散介质聚集状态进行分类 3.气溶胶 将气体作为分散介质所形成溶胶。当分散相为固体或液体时,形成气-固或气-液溶
9、胶,但没有气-气溶胶,因为不一样气体混合后是单相均一系统,不属于胶体范围。A.气-固溶胶 如烟,含尘空气B.气-液溶胶 如雾,云第18页胶体分类 若依据分散相和分散介质聚集状态进行分类 第19页憎液溶胶特征(1)特有分散程度 粒子大小在1100 nm之间,因而扩散较慢,不能透过半透膜,渗透压低但有较强动力稳定性 和乳光现象。(2)多相不均匀性 含有纳米级粒子是由许多离子或分子聚结而成,结构复杂,有保持了该难溶盐原有晶体结构,而且粒子大小不一,与介质之间有显著相界面,比表面很大。(3)易聚结不稳定性 因为粒子小,比表面大,表面自由能高,是热力学不稳定系统,有自发降低表面自由能趋势,即小粒子会自动
10、聚结成大粒子。第20页胶团结构 形成憎液溶胶必要条件是:(1)分散相溶解度要小;(2)还必须有稳定剂存在,不然胶粒易聚结而 聚沉。第21页胶团结构 胶粒结构比较复杂,先有一定量难溶物分子聚结形成胶粒中心,称为胶核;然后胶核选择性吸附稳定剂中一个离子,形成紧密吸附层;因为正、负电荷相吸,在紧密层外形成反号离子包围圈,从而形成了带与紧密层相同电荷胶粒;胶粒与扩散层中反号离子,形成一个电中性胶团。胶核吸附离子是有选择性,首先吸附与胶核中相同某种离子,用同离子效应使胶核不易溶解第22页胶团结构例1:AgNO3+KIKNO3 +AgI (AgI)m n I (n-x)K+x xK+胶核胶粒胶团胶团图示式
11、:胶核 胶粒(带负电)胶团(电中性)胶团结构表示式:过量 KI 作稳定剂 第23页胶团结构例2:AgNO3+KI KNO3 +AgI (AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3 胶核胶粒胶团 胶团图示式:过量 AgNO3 作稳定剂 胶团结构表示式:胶核 胶粒(带正电)胶团(电中性)第24页胶粒形状 作为憎液溶胶基本质点胶粒并非都是球形,而胶粒形状对胶体性质有主要影响。质点为球形,流动性很好;若为带状,则流动性较差,易产生触变现象。在溶胶中胶粒是独立运动单位,通常所说溶胶带电系指胶粒而言 胶团没有固定直径和质量,同一个溶胶值也不是一个固定数值 第25页胶团形状比如:(1)聚苯乙烯胶乳
12、是球形质点(2)V2O5 溶胶是带状质点(3)Fe(OH)3 溶胶是丝状质点球形质点 带状质点 丝状质点第26页 胶体体系特点 胶体是物质存在一个特殊状态,而不是一个特殊物质。任何一个物质在一定条件下能够制备成真溶液,而在另一条件下又能够制备成胶体溶液。比如晶体氯化钠它在水中溶解成为真溶液。若用适当方法使它分散于苯或醚中,则形成胶体溶液。一样,硫磺分散在乙醇中为真溶液,若分散在水中则成为硫磺水溶液。第27页胶体系统特点胶体系统特点(1)它是多相不均匀体系,分散相与分散介质之间存在着物理界面。胶体粒子是由大量原子或分子组成,胶团量能够是几万到几百万。(2)它与真溶液不一样,它在热力学上是不稳定系
13、统,有自动聚结倾向;(3)因为胶粒无规则热运动使胶体表现出反聚沉动力学稳定性。总之高度分散多相性,动力学稳定性和热力学不稳性是胶体体系三大特征,也是胶体其它特征依据。第28页胶体化学研究内容胶体化学是研究胶体分散体系和粗分散体系性质一门科学,主要包含三个领域:1、分子胶体 分子胶体是指高聚物溶液,也叫亲液胶体。聚合物在溶液中呈分子无规线团状态存在。这些线团尺寸绝大部分符合上述胶体颗粒尺寸。不过它们同溶剂之间没有清楚界面。整个体系是热力学稳定体系。尽管该体系当前已属于高聚物科学研究领域,但因为它许多性质同胶体化学相关,所以它仍作为胶体化学一个方面来进行研究。第29页胶体化学研究内容 2、溶胶 在
14、此我们是指分散质同分散剂有显著界面体系,习惯上也叫憎液胶体。它是热力学不稳定体系。是胶体化学主要研究对象。普通胶体溶液与高分子化合物溶液有着许多共同特征。但它们之间也存在着本质区分,高分子溶液都是热力学稳定均相体系,而胶体溶液和悬浮液都是热力学不稳定体系。第30页胶体化学研究内容 3、缔合胶体 表面活性剂在溶液中浓度高于某一数值后,多个表面活性剂分子形成胶束在胶束中还能够溶进一些特定性质物质,形成所谓微乳液或液晶。这种体系叫做缔合胶体。缔合胶体在形成过程中因为使整个体系界面能降低而成为热力学稳定体系。这个体系当前含有主要实用意义。第31页胶体化学研究内容 应用胶体化学主要研究内容:制备分散体系
15、、稳定分散体系和破坏分散体系,还要研究利用分散体系各种性质如电性质、力学性质、光学性质和流变学性质等。有些场所我们希望得到稳定分散体系,比如油漆、牙膏、喷雾型药剂形成一定大小液珠,食品和化装品也要求制成稳定乳状液,但在另一个场所则希望破坏分散体稳定性,比如沉淀分离、天空大雾,原油在炼制前必须有效地破乳,以除去其中水分等。第32页胶体化学研究意义1.油田开发:钻井液中颗粒大小控制、絮凝作用;稠油乳化降粘开采 原油脱水与破乳、污水处理、油品降凝、降粘输送等。2农业:土壤中离子交换、农药乳化与分散等。3生物学与医学:生物流变学、血液学、电泳、渗透与膜、各种凝胶、病毒 蛋白质、制药与药理学等。4日用具
16、生产与使用:洗涤剂、化装品、各种饮料中香料乳化、乳制品、冰激凌、食品、胶囊制品等。5轻工业:造纸中表面处理、纺织上浆、织物表面整理、印染、油漆、制糖与油脂脱色精制、涂料、颜料、粘合剂等。第33页胶体化学研究意义6环壤科学:气溶胶、烟雾、水净化、污水处理、毒气与毒 剂吸附、人工降雨等。7分析化学:离子交换、胶束增溶、浊度、吸附指示剂、脱色等。8材料:水泥、超细粉材料、单分散胶粒、合金、磁性材料 特种陶瓷、纤维、橡胶与塑料中填料和助剂、液晶等。9海洋科学:稀有元素吸附提取、污染油膜处理、海水淡化膜研究等。10.其它:各仲吸附剂制备、测试和使习;吸附催化利 制备、检测和应用技术等。第34页胶体化学研
17、究意义6环境科学:气溶胶、烟雾、水净化、污水处理、毒气与毒 剂吸附、人工降雨等。7分析化学:离子交换、胶束增溶、浊度、吸附指示剂、脱色等。8材料:水泥、超细粉材料、单分散胶粒、合金、磁性材料 特种陶瓷、纤维、橡胶与塑料中填料和助剂、液晶等。9海洋科学:稀有元素吸附提取、污染油膜处理、海水淡化膜研究等。10.其它:各种吸附剂制备、测试和使习;吸附催化剂 制备、检测和应用技术等。第35页第二章 胶体基本性质 2.1 胶体动力学性质 2.2 胶体光学性质 2.3 胶体电学性质 2.4 胶体稳定与聚沉第36页第二章 胶体基本性质 2.1 胶体动力学性质 溶胶中粒子分散在介质中呈显出连续不停、无规则运动
18、。粒子热运动在微观上表现出来是布朗运动,而在宏观性质上表现出来是扩散和渗透。布朗运动是本质扩散与渗透是同一本质表现出两种不一样现象。布朗运动、扩散、渗透等问题都属于溶质动力学性质。第37页一、布朗一、布朗运动(Brownian motion)1827 年植物学家 Brown 用显微镜观察到悬浮在液面上花粉粉末不停地作不规则运动。以后又发觉许多其它物质如煤、化石、金属等粉末也都有类似现象。人们称微粒这种运动为Brown运动。但在很长一段时间里,这种现象本质没有得到说明。第38页 19创造了超显微镜,为研究Brown运动提供了物质条件。用超显微镜能够观察到溶胶粒子不停地作不规则“之”字形运动,从而
19、能够测出在一定时间内粒子平均位移。经过大量观察,得出结论:粒子越小,Brown运动越激烈。其运动激烈程度不随时间而改变,但随温度升高而增加。第39页 19和19Einstein和Smoluchowski分别阐述了Brown运动本质。认为Brown运动是分散介质分子以不一样大小和方向力对胶体粒子不停撞击而产生。当半径大于5 m,Brown运动消失。因为受到力不平衡,所以连续以不一样方向、不一样速度作不规则运动。伴随粒子增大,撞击次数增多,而作用力抵消可能性亦大。第40页二、扩散和渗透压 胶粒也有热运动,所以也含有扩散和渗透压。只是溶胶浓度较稀,这种现象很不显著。如图所表示,在CDFE桶内盛溶胶,
20、在某一截面AB两侧溶胶浓度不一样,c1c2 因为分子热运动和胶粒Brown运动,能够观察到胶粒从c1区向c2区迁移现象,这就是胶粒扩散作用。第41页 设经过AB面扩散质量为m,则扩散速度为 ,它与浓度梯度和AB截面积A成正比。斐克第一定律(Ficks first law)如图所表示,设任一平行于AB面截面上浓度是均匀,但水平方向自左至右浓度变稀,梯度为 。第42页斐克第一定律(Ficks first law)这就是斐克第一定律。式中负号表示扩散发生在浓度降低方向,0。用公式表示为:式中D为扩散系数,其物理意义为:单位浓度梯度、单位时间内经过单位截面积A质量。第43页斐克第一定律(一)扩散系数一
21、)扩散系数上式百分比系数D称为扩散系数,在一定温度和压力下是一个与浓度无关,仅决定于物性常数。扩散系数愈大,质点扩散能力愈大。此式即为EinsteinStokes方程.式中 粒子密度;介质粘度。普通、可查表得到。NA为阿伏加德罗常数。用试验测得粒子扩散系数D便可求出其胶团质量M。它表明扩散系数D受温度T、粘度及粒子大小r影响,粒子愈大扩散系数愈小。第44页扩散系数应用扩散系数应用用试验测得粒子扩散系数D便可求出其胶团质量M第45页(二)(二)扩散系数测定扩散系数测定测定扩散系数试验方法通常有以下两种2、多孔塞法、多孔塞法 该法是将两种液体用一块孔径为该法是将两种液体用一块孔径为515m烧结玻璃
22、板分隔烧结玻璃板分隔开,浓度较大者放在上面并保持搅匀状态。烧结玻璃板孔开,浓度较大者放在上面并保持搅匀状态。烧结玻璃板孔中液体基本上是不流动,也不受外部液体干扰,所以溶质经中液体基本上是不流动,也不受外部液体干扰,所以溶质经过烧结玻璃板迁移全靠扩散过程。在一定时间内经过该边界过烧结玻璃板迁移全靠扩散过程。在一定时间内经过该边界层层(烧结板烧结板)扩散量,可用任何分析方法确定。扩散量,可用任何分析方法确定。1 1、自由界面法、自由界面法 为了研究粒子自由扩散,必须首先在适当扩散池中在溶液与溶剂之间(或在两种不一样浓度溶液之间)形成一个显著界面。第46页溶胶渗透压 因为胶粒不能透过半透膜,而介质分
23、子或外加电解质离子能够透过半透膜,所以有从化学势高一方向化学势低一方自发渗透趋势。溶胶渗透压能够借用稀溶液渗透压公式计算:因为憎液溶胶不稳定,浓度不能太大,所以测出渗透压及其它依数性质都很小。不过亲液溶胶或胶体电解质溶液,能够配制高浓度溶液,用渗透压法能够求它们摩尔质量。第47页三、沉降和沉降平衡 溶胶是高度分散系统,胶粒一方面受到重力吸引而下降,其次由于Brown运动促使浓度趋于均一。当这两种效应相反力相等时,粒子分布到达平衡,粒子浓度随高度不一样有一定梯度,如图所表示。这种平衡称为沉降平衡。第48页以恒定速度沉降时经过沉降速度测定,能够求得粒子大小 沉降时粒子所受阻力为 为摩擦系数对于球形
24、粒子 第49页2.2 溶胶光学性质Tyndall 效应和 Rayleigh 公式 超显微镜基本原理和粒子大小测定第50页一、Tyndall效应和Rayleigh公式 Tyndall效应已成为判别溶胶与分子溶液最简便方法。1869年Tyndall发觉,若令一束会聚光经过溶胶,从侧面能够看到一个发光圆锥体,这就是Tyndall效应。其它分散体系也会产生一点散射光,但远不如溶胶显著。Tyndall效应另一特点是,不一样方向观察到 光柱有不一样颜色第51页Tyndall效应效应光源光源Fe(OH)3溶胶第52页光散射现象 当光束经过分散系统时,一部分自由地经过,一部分被吸收、反射或散射。可见光波长约在
25、400700 nm之间。(1)当光束经过粗分散系统,因为粒子大于入射光波长,主要发生反射,使系统展现混浊。(2)当光束经过胶体溶液,因为胶粒直径小于可见光波长,主要发生散射,能够看见乳白色光柱。(3)当光束经过分子溶液,因为溶液十分均匀,散射光因相互干涉而完全抵消,看不见散射光。溶液透明第53页光散射本质 光是一个电磁波,照射溶胶时,分子中电子分布发生位移而产生偶极子,这种偶极子向各个方向发射与入射光频率相同光,这就是散射光。分子溶液十分均匀,这种散射光因相互干涉而完全抵消,看不到散射光。溶胶是多相不均匀系统,在胶粒和介质分子上产生散射光不能完全抵消,因而能观察到散射现象。假如溶胶对可见光中某
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