溶胶的电动现象有哪些？其相互关系如何

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  3sF7IQGNHKV 2017-06-27 00:00:00

  溶胶是高度分散的多相系统，具有较高的表面能，是热力学不稳定系统，因此溶胶粒子有自动聚结变大的趋势。但事实上很多溶胶可以在相当长的时间内稳定存在而不聚结。经研究得知，这与溶胶粒子带有电荷密切相关。也就是说，粒子带电是溶胶相对稳定的重要因素。 （1）电动现象 在外电场作用下，分散相与分散介质发生相对移动的现象，称为溶胶的“电动现象”。电动现象是溶胶粒子带电的Z好证明。电动现象主要有“电泳”和“电渗”两种。 在电场作用下，固体的分散相粒子在液体介质中作定向移动，称为“电泳”。观察电泳现象的仪器是带有活塞的U形管，如图8.17所示。实验时，旋开活塞1、2，将溶胶经漏斗4放入管中，关上活塞1、2，倾出活塞上方的余液，在管的两臂中各放少许比重较溶胶轻的某种电解质溶液，慢慢旋开活塞1、2，再由漏斗放入溶胶，使溶胶液面上升，同时将上方电解质溶液顶到管端直至浸没电极5。正确的操作可使溶胶与电解质溶液之间保持一清晰的界面。停止放入溶胶后，给电极接上100—300V直流电源，即可观察溶胶移动情况。 对各种溶胶进行观察的结果发现，有的是溶胶液面在负极一侧下降而在正极一侧上升，证明该溶胶的粒子荷负电，例如硫溶胶、金属硫化物溶胶及贵金属溶胶通常属于这种情况；有的是溶胶在正极一侧下降而在负极一侧上升，证明该溶胶的粒子荷正电，例如金属氧化物溶胶通常属于这种情况。但有些物质，既可形成荷负电的溶胶，也可形成荷正电的溶胶。 图8.17 电泳仪 图8.18 电渗 溶胶粒子的电泳速度与粒子所荷电量及外加电势梯度成正比，而与介质粘度及粒子大小成反比。溶胶粒子比离子大得多，但实验表明溶胶电泳速率与离子电迁移速率数量级大体相当，由此可见溶胶粒子所带电荷的数量是相当大的。 研究电泳现象不仅有助于了解溶胶粒子的结构及电性质，在生产和科研实验中也有许多应用。例如根据不同蛋白质分子、核酸分子电泳速率的不同来对它们进行分离，已忧为生物化学中一项重要实验技术。又如利用电泳的方法使橡胶的乳状沧液凝结而浓缩；利用电泳使橡胶电镀在金属模具上，可得到易于硫化、弹性及拉力均好的产品，通常医用的橡皮手套就是这样制成的。 与电泳现象相反，使固体胶粒不动而液体介质在电场中发生定向移动的现象称为“电渗”。把溶胶充满在具有多孔性物质如棉花或凝胶中，使溶胶粒子被吸附而固定，利用如图8.18所示的仪器，在多孔性物质两侧施加电压之后，可以观察到电渗现象。如胶粒荷正电而介质荷负电，则液体介质向正极一侧移动；反之亦然。观察侧面刻度毛细管中液面的升或降，就可分辨出介质移动的方向。 电渗现象在工业上也有应用。例如在电沉积法涂漆操作中使漆膜内所含水分排到膜外以形成致密的漆膜、工业及工程中泥士或泥炭脱水、水的净化等，都可借助电渗法实现。 （2）溶胶粒子带电的原因 溶胶粒子带电主要有两种可能的原因： 1、吸附。胶体分散系统比表面大、表面能高，所以很容易吸附杂质。如果溶液中有少量电解质，溶胶粒子就会吸附离子。当吸附了正离子时，溶胶粒子荷正电；吸附了负离子则荷负电。不同情况下溶胶粒子容易吸附何种离子，这与被吸附离子的本性及溶胶粒子表面结构有关。法扬斯（Fajans）规则表明：与溶胶粒子有相同化学元素的离子能优先被吸附。以AgI溶胶为例，当用AgNO3和KI溶液制备AgI溶胶时，若KI过量，则AgI粒子会优先吸附I－，因而荷负电；若AgNO3过量AgI粒子则优先吸附Ag+，因而荷正电。 2、电离。当分散相固体与液体介质接触时，固体表面分子发生电离，有一种离子溶于液相，因而使固体粒子带电。 （3）溶胶粒子的双电层 由于吸附或电离，溶胶粒子带有电荷，而整个溶胶一定保持电中性，因此分散介质亦必然带有电性相反的电荷。与电极一溶液界面处相似，溶胶粒子周围也会形成双电层，其反电荷离子层也由紧密层与分散层两部分构成。紧密层中反号离子被束缚在粒子的周围，若处于电场之中，会随着粒子一起向某一电极移动；分散层中反号离子虽受到溶胶粒子静电引力的影响，但可脱离溶胶粒子而移动，若处于电场中，则会与溶胶粒子反向而朝另一电极移动。 分散相固体表面与溶液本体之间的电势差称为“热力学电势”，记作ε；由于紧密层外界面与溶液本体之间的电势差决定溶胶粒子在电场中的运动速率，故称为“电动电势”，记作z（读作Zeta），所以也常称电动电势为z电势。与电化学中电极一溶液界面电势差相似，热力学电势ε只与被吸附的或电离下去的那种离子在溶液中的活度有关而与其他离子的存在与否及浓度大小无关。电动电势z只是热力学电势e的一部分，而且对其他离子十分敏感，外加电解质浓度的变化会引起电动电势的显著变化。因为外加电解质浓度加大时会使进入紧密层的反号离子增加，从而使分散层变薄，z 电势下降（见图 8.19）当电解质浓度增加到一定程度时，分散层厚度可变为零。这就是溶胶电泳速率随电解质浓度加大而变小，甚至变为零的原因。 图8.19 双电层示意图——电解质对电动势的影响 溶胶的电泳或电渗速率与热力学电势ε无直接关系，而与电动电势z直接相关。电泳速率u（单位m·s-1）与电动电势z 单位V的定量关系为： （8.32） 其中Dr是介质相对于真空的介电常数，ε0是真空的介电常数（8.85×10-12F·m-1），h是介质的粘度（单位Pa·s），E是电势梯度（单位V·m-1）。 （4）溶胶粒子的结构 依据上述溶胶粒子带电原因及其双电层知识，可以推断溶胶粒子的结构。以AgNO3和KI 溶液混合制备AgI溶胶为例，如图8.20所示。固体粒子AgI称为“胶核”。若制备时KI过量，则胶核吸附I-而荷负电，反号离子K+一部分进入紧密层，另一部分在分散层；若制备时AgNO3过量，则胶核吸附Ag+荷正电，反号离子NO3-1一部分进入紧密层，另一部分在分散层。胶核、被吸附的离子以及在电场中能被带着一起移动的紧密层共同组成“胶粒”，而“胶粒”与“分散层”一起组成“胶团”，整个胶团保持电中性。可以用下列简式表示胶团的结构： [（AgI）m·nI－·(n-x)K+]x－·xK+ [(AgI)m·nAg+·(n-x)NO3－]x－·xNO3－] 123 14243 123 胶核 紧密层 分散层 胶粒 胶团 图8.20 AgI溶胶料子结构示意图

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