Chapter-12.ppt

Chapter TwelveColloidal System and Surface PhenomenaDispersedSystemDispersed phase (NaCl)Dispersingphase(medium)(water)SolutionColloidSuspension100nm12-1 Colloidal Dispersions12-2 Formation of Colloidal Particles12-3 Properties of Colloidal Dispersions 12-4 Surface Tensiontheaveragediameterofparticle1nm1100nm双链DNA；环状DNA开环、线状DNA单链DNA双链DNA沉降速度：RNA环状DNA开环、线状DNA沉降分析法沉降分析法l 三、Electrophoresis（电泳）（电泳）The charged,dispersed particles in a colloidal system moves toward the electrode that has the opposite charge.This movement is called electrophoresis.Almost all colloidal particles have an electrical charge-either positive or negative.Why?1.Adsorption Sol:hasatremendousamountofsurface.Itisthatthemostimportantpropertiesofcolloidalmatterarethosewhicharedependentonsurfaceinteractionssuchasadsorption.SurfaceenergyspecificsurfaceenergytotalareaSurfacehavetendencytodecreaseE比表面能是使其表面增加单位面积所需要的能量adsorption1.胶核界面的选择性吸附：胶核界面的选择性吸附：胶粒中的胶核（原子、离子、分子的聚集体）常选胶粒中的胶核（原子、离子、分子的聚集体）常选择性地吸附电解质中与其择性地吸附电解质中与其组成类似组成类似的离子作为稳定的离子作为稳定剂，并使其界面带有一定的电荷剂，并使其界面带有一定的电荷。2.选择性吸附与反应物浓度有关：选择性吸附与反应物浓度有关：改变两种反应物的用量改变两种反应物的用量,可使制备的溶胶带有不同可使制备的溶胶带有不同符号的电荷符号的电荷3.若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。例1：AgNO3+KI(过量)KNO3+AgI(AgI)mnI(n-x)K+xxK+|_|_|negativecolloid胶团的结构表达式：例2：AgNO3(过量)+KIKNO3+AgI(AgI)mnAg+(n-x)NO3x+x NO3|_|_|positivecolloid电荷的电极作定向移动的现象电泳带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反水水Sb2S3溶溶胶胶水水Fe(OH)3溶胶溶胶四、Coagulation(聚沉聚沉)of ColloidalDispersionsItisoftendesirableduringchemicaloperationstocoagulatecolloidaldispersions.Severalmethodsofbringingaboutthecoagulation:1.Inmanycases,heatingisallthatisnecessary.2.ThemosteffectivewayofcoagulatingcolloidaldispersionsofthesolandemulsiontypeisbyaddinganelectrolyteElectrokineticpotential+-+-当胶粒移动时，其表面上的当胶粒移动时，其表面上的水合膜层水合膜层（即吸附层）（即吸附层）以及在此层里的离子都随之移动：以及在此层里的离子都随之移动：滑动面滑动面吸附层移动时与扩散层分开的界面，吸附层移动时与扩散层分开的界面，电势电势是滑动面与均匀液相之间的电势差是滑动面与均匀液相之间的电势差无论是正电溶胶还是负电溶胶：无论是正电溶胶还是负电溶胶：胶粒带电荷越多，胶粒带电荷越多，电势绝对值越大，水化双电层越厚，电势绝对值越大，水化双电层越厚，胶粒越不易合并变大，溶胶就越稳定。胶粒越不易合并变大，溶胶就越稳定。lTwo rules of coagulation1)Theeffectivecoagulatingelectrolytesareoppositeions.2)Thecoagulatingabilityofionswithidenticalchargesarethesameapproximately;thecoagulatingabilityofionsincreaseremarkablywithincreasingofelectrolyteioncharges(exponentially).聚沉值：聚沉值：是在一定条件下刚刚足够引起某种溶胶聚沉的是在一定条件下刚刚足够引起某种溶胶聚沉的电解质浓度，一般以毫摩电解质浓度，一般以毫摩/升表示。升表示。不同胶体的相互作用与加入电解质情况不同的是：当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。12-4 Surface Tensionproblem:Why,doeswaterbeaduponanewlywaxedcarinsteadofformingasheetoverit?solution:in intermolecular forces.Moleculeswithinaliquidarepulledinalldirections;thereisnotendencyforthemtobepulledinanyoneway.However,moleculesatthesurfacearepulledonlydownwardandsidewaysbutnotupwardsurface tension(r):Thesurfacetensionofaliquidistheamountofenergyrequiredtostretchorincreasethesurfacebyunitarea.Onnumber比表面能：是增加单位面积所需要的能量 一一、AdsorptionAdsorption,in(Chemistry)is a physical or chemical phenomenon or a process in which atoms,molecules,or ions enter some bulk phase gas,liquid or solid.adsorbent:liquid,gas,and solid adsorbate:atoms,molecules,or ions固体表面上吸附的固体表面上吸附的应用：应用：1g活性炭活性炭的总表面面积可达的总表面面积可达100m2。表面突出的原子处于价的不。表面突出的原子处于价的不饱和状态，具有吸引其它分子的能力。饱和状态，具有吸引其它分子的能力。将活性炭少许加入盛有将活性炭少许加入盛有溴蒸气溴蒸气（红色）的容器中，密塞后震荡活（红色）的容器中，密塞后震荡活性炭，则可观察到红色逐渐消失。这是由于性炭，则可观察到红色逐渐消失。这是由于Br2分子被活性炭吸附分子被活性炭吸附到它的表面上。到它的表面上。在在氢电极氢电极铂片上镀铂黑以吸附铂片上镀铂黑以吸附氢气氢气，就是由于光亮平板状的铂片，就是由于光亮平板状的铂片无吸附性能，而镀上一层疏松的铂原子，总的表面面积大大增加，无吸附性能，而镀上一层疏松的铂原子，总的表面面积大大增加，并且表面突出的原子多，利用突出原子的余价以吸附氢气。并且表面突出的原子多，利用突出原子的余价以吸附氢气。医药上常用活性炭来脱色、吸附微量杂质和热原。例如医药上常用活性炭来脱色、吸附微量杂质和热原。例如制备葡萄制备葡萄糖液体糖液体时，先配成叫浓溶液，加活性炭振荡后过滤，再冲稀到欲时，先配成叫浓溶液，加活性炭振荡后过滤，再冲稀到欲配浓度。配浓度。adsorption isotherm linear（中文中文 p287）Only at very low concentrations is the adsorption isotherm linear.固固-液界面吸附最主要的应用之一是液界面吸附最主要的应用之一是色谱法色谱法(或称层或称层析法析法)。色谱法色谱法是利用粉状吸附剂对混合液中各组分的吸附是利用粉状吸附剂对混合液中各组分的吸附能力不同使吸附质彼此分离的一种方法。能力不同使吸附质彼此分离的一种方法。二、Anotherwaythatsurfacetension润湿现象当润湿现象当液液体和体和固固体接触时界面出现的现象：体接触时界面出现的现象：同一种液体，对不同的固体来说，它可以是同一种液体，对不同的固体来说，它可以是润湿润湿的，的，也可以是也可以是不润湿不润湿的。的。附着力附着力(adhesion)液体分子和固体分子之间的吸引力。液体分子和固体分子之间的吸引力。内聚力（内聚力（cohesion）液体分子之间的吸引力；液体分子之间的吸引力；润湿和不润湿可以用其润湿和不润湿可以用其分子间相互作用力分子间相互作用力的大小来解释。的大小来解释。若若内聚力内聚力附着力，固体就被润湿附着力，固体就被润湿润湿现象。润湿现象。若若内聚力内聚力附着力，固体上的液滴不会展开附着力，固体上的液滴不会展开无不润湿现象。无不润湿现象。Adhesioncohesion,concaveAdhesioncohesion,convex 以肥皂（脂肪酸钠）为例以肥皂（脂肪酸钠）为例（肥皂）（肥皂）小于小于（水）（水）肥皂分子可以部分的代替肥皂分子可以部分的代替水分子聚集在溶液表面，使水分子聚集在溶液表面，使（水）（水）降低。降低。研究发现研究发现：溶质在水溶液中的：溶质在水溶液中的分布是不均匀的；分布是不均匀的；c表面表面（肥皂）（肥皂）c内部内部（肥皂）（肥皂）正吸附正吸附三、液体表面的吸附和表面活性物质三、液体表面的吸附和表面活性物质在一定温度下，在一定温度下，纯水中加入不同种类的溶质纯水中加入不同种类的溶质:1.液体表面上的吸附液体表面上的吸附反之，若加入的溶质将增高溶剂的表面张力增高溶剂的表面张力，则溶液表面层将排斥溶质分子(或离子)，使其尽可能进入溶液内部，此时溶液表面层的浓度小于小于其内部浓度，这种吸附称为负吸附。反之为负吸附无机盐类，糖类，淀粉类等多羟基有机物，大于大于（水）（水）c表面表面c内部内部l EmulsionsThechemicaldefinitionofanemulsionisastablemixtureoftwoormoreimmiscible(不能混合的)liquidswhereoneliquid(intheformofdropletsorglobules)isdispersedintheother.ShakeplacedwateroilNotstabilitysystem2.Addedassociation colloid1.temporaryemulsionEmulsionsOilcannotdissolveinwaternomaterhowdrasticallyyoustirred.Surfaceactiveagent(small)Adsorption表面活性物质与表面吸附表面活性物质与表面吸附表面非活性物质表面非活性物质凡是能够增大溶液表面张力的物质凡是能够增大溶液表面张力的物质表面活性物质表面活性物质凡是能够降低溶液表面张力的物质凡是能够降低溶液表面张力的物质特点特点：是它的：是它的较较大大，即单位面积上的表面能较纯，即单位面积上的表面能较纯溶剂的表面能大。它所引起液体表面的吸附溶剂的表面能大。它所引起液体表面的吸附是负吸附。是负吸附。特点特点：是它的：是它的较较小小，即单位面积上的表面能较纯，即单位面积上的表面能较纯溶剂的表面能小。它所引起液体表面的吸附溶剂的表面能小。它所引起液体表面的吸附是正吸附。是正吸附。表面活性物质结构特征：具有两亲性基团一类是极性基团(亲水基或疏油基)，如OH、COOH、NH2、SH、COONa、SO3Na等；另一类是非极性基团（亲油基或疏水基）如直链或带支链的有机羟基The surfactant(表 面 活 性)molecules that have both a hydrophobic and a hydrophilic end are dispersed in water.CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-CH2CH2CH2CH2CH2COO-hydrophobicendhydrophilicend降低了油降低了油-水的界面张力水的界面张力加加乳化剂乳化剂，乳化剂乳化剂在分散相液滴的周围形成在分散相液滴的周围形成坚固的坚固的保护膜。保护膜。形成形成双电层双电层，产生电互斥力。，产生电互斥力。乳状液稳定的主要原因乳状液稳定的主要原因表面活性剂的表面活性剂的HLB值值26亲油性亲油性W/O型乳状液型乳状液;HLB值值1218亲水性亲水性O/W型乳状液，型乳状液，HLB值值_表面活性剂为具有亲水基团和亲油基团的两亲分子,表面活性剂分子中亲水基和亲油基之间的大小和力量平衡程度的量,定义为表面活性剂的亲水亲油平衡值。thermodynamically stable systems in which the dispersed phase consists of aggregates of amphiphilic molecules or ions(micelles)at low concentration,these molecules exist in true solutionat higher concentrations,they aggregate to form micellesnAssociation Colloids常用的乳化剂是一些表面活性物质，如肥皂、蛋常用的乳化剂是一些表面活性物质，如肥皂、蛋白质、磷脂、胆固醇等。白质、磷脂、胆固醇等。乳化剂使乳状液稳定的原因：乳化剂使乳状液稳定的原因：是由于乳化剂是一种表面活性物质。是由于乳化剂是一种表面活性物质。表面活性物质与生命科学有密表面活性物质与生命科学有密切关系。构成细胞膜的磷脂、血切关系。构成细胞膜的磷脂、血液中的某些蛋白质、胆汁中的胆液中的某些蛋白质、胆汁中的胆汁酸盐等都是表面活性物质。汁酸盐等都是表面活性物质。饱和脂肪酸饱和脂肪酸不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸脂肪酸的结构特点：常常 见见 的的 不不 饱饱 和和 脂脂 肪肪 酸酸生物膜的重要结构成分生物膜的重要结构成分 作为细胞膜的主要成分作为细胞膜的主要成分作为细胞膜的主要成分作为细胞膜的主要成分,几乎细胞所含的磷脂都几乎细胞所含的磷脂都几乎细胞所含的磷脂都几乎细胞所含的磷脂都集中在生物膜中，是生物膜结构的基本组成成分。集中在生物膜中，是生物膜结构的基本组成成分。集中在生物膜中，是生物膜结构的基本组成成分。集中在生物膜中，是生物膜结构的基本组成成分。极性头部：磷酸基、醇基、含氮碱极性头部：磷酸基、醇基、含氮碱疏水尾部：烃链疏水尾部：烃链磷脂（甘油磷脂和鞘磷脂），胆固醇，糖脂磷脂（甘油磷脂和鞘磷脂），胆固醇，糖脂生物膜生物膜:以液态的脂质双分子层为基架，其中镶以液态的脂质双分子层为基架，其中镶嵌着具有不同生理功能的蛋白质（主要以嵌着具有不同生理功能的蛋白质（主要以-螺旋螺旋或球形蛋白质的形式存在）或球形蛋白质的形式存在）表面活性物质在呼吸过程中起着重要的作用：表面活性物质在呼吸过程中起着重要的作用：肺泡的表面张力肺泡的表面张力1、稳定肺泡；、稳定肺泡；2、减少呼吸功。、减少呼吸功。肺泡的表面液层中分布着有一定量的、由饱和卵肺泡的表面液层中分布着有一定量的、由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性物质，起降低表面磷脂和脂蛋白组成的表面活性物质，起降低表面张力系数的作用。张力系数的作用。l Protein solution.StructureofProteinsolutionaminoacidpeptideprotein.PropertiesofProteinsolutionstructureofaminoacid蛋白质的四级结构.PropertiesofProteinsolutionproperties1.stability2.viscosity3.osmoticpressure4.charges5.bufferaction6.Saltingoutactionofelectrolyte7.Protectionofproteinsolutionforcolloid1.StabilityofproteinsolutionTohydrate2.Viscosityofprotein4.Charges of protein solution:.Isoelectric protein The isoelectric point(or pI)of a protein is the pH at which the protein has an equal number of positive and negative charges Positive electric protein Negative electric protein3.Osmotic pressurePrCOOHNH2PrCOO-NH3+Isoelectricpoint(pI)PrCOO-COOHNH3+NH3+PrPositivePr.+H+PrCOO-NH3+NH2COO-+OH-PrnegativePr.pH=pI、pH effect of mediumFigure11.Acomparisonofpositionsoftheproteinbovineserumalbumin(BSA)duringIEFatdifferentinitialvaluesofthebufferpH.ThepIofBSAis4.6;focusingissharpestwhenthestartingpHisnearthepIoftheprotein,andthepKaofthebufferisclosetothatoftheinitialpH.Saltingoutactionofelectrolyteforprotein.protectionofproteinsolutionforcolloid某些大分子溶液对溶胶作用，由于加入的量不同，会出现两种作用：敏化作用：加入大分子溶液太少时，会促使溶胶的聚沉；保护作用：保护作用：加入大分子溶液的量足够多时，会保护溶胶不聚沉.当加入的大分子物质的量不足时，溶胶的胶粒粘附在大分子上，大分子起了一个桥梁作用，把胶粒联系在一起，使之更容易聚沉。1.敏化作用 例如，对SiO2进行重量分析时，在SiO2的溶胶中加入少量明胶，使SiO2的胶粒粘附在明胶上，便于聚沉后过滤，减少损失，使分析更准确。当溶胶中加入足量大分子溶液后，大分子吸附在胶粒周围起到保护溶胶的作用。2.保护溶胶的作用保护溶胶的作用