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膠體
來源:互聯網

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于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。膠體不一定都是膠狀物,也不一定是液體。

膠體可以通過丁達爾效應鑒別,膠體擁有的多種特性在人類生活中如凈水、保肥、醫療透析等領域被廣泛應用。

制備膠體

分散法

分散法是將大尺度的物料分散成膠體粒子,分散法主要有3種方式,即機械研磨、超聲分散和溶膠分散。

凝聚法

凝聚法就是用物理或化學方法使分子或離子聚集成膠體粒子,主要包括化學反應法和更換介質法。這兩種方法的基本原則都是由分子(原子或離子)的分散狀態凝聚為膠體尺度。

原膠體實驗采用化學凝聚法,利用FeCl3溶液在沸水中水解制備得到Fe(OH)3膠體。Fe(OH)3膠體制備具體實驗步驟:將蒸餾水加熱至沸騰,向沸水中緩慢滴入氯化鐵飽和溶液,繼續煮沸至溶液呈紅褐色,停止加熱,即可得到氫氧化鐵膠體

膠體的分類

分散劑(也稱為分散介質)

按照分散劑的不同:

氣溶膠

懸浮在氣體介質中的固態或液態顆粒所組成的氣態分散系統,顆粒大小一般在0.01至10微米之間。它們能作為水滴和冰晶的凝結核(見大氣凝結核、大氣冰核)、太陽輻射的吸收體和散射體,并參與各種化學循環,是大氣的重要組成部分。

常見的云、煙、霧、霾都是天然的或人為的原因造成的大氣氣溶膠。

固溶膠

分散在在固體介質中的氣態、固態或液態顆粒所組成的固態分散系統;

在金屬、陶瓷、聚合物等材料中加入固態膠體粒子,可改進耐沖擊強度、耐斷裂強度、抗拉強度等機械性能及光學性質;常見的如由膠態金屬氧化物分散于玻璃中制成的有色玻璃,還有煙水晶、瑪瑙;此外,國防工業中有些火藥、炸藥也須制成膠體。

液溶膠

分散在在液體介質中的氣態、固態或液態顆粒所組成的液態分散系統。液溶膠也叫溶膠,通過水解和聚合作用,形成的有機或無機化合物的納米或微米級的粒子。

常見的有稀牛奶、豆漿、墨水、淀粉溶液。

分散質(也稱為分散相)

按照分散質不同:

粒子膠體

Fe(OH)3膠體膠粒是由許多Fe(OH)3等小分子聚集一起形成的微粒,其直徑在1nm~100nm之間,這樣的膠體叫粒子膠體。

分子膠體

淀粉屬高分子化合物,其單個分子的直徑在1nm~100nm范圍之內,這樣的膠體叫分子膠體。由于分子質量大的原因,在某些方面也是表現出與溶膠類似的性質,如擴散慢 、不能通過半透膜

締合膠體

利用表面活性劑等雙親分子組裝作用可以形成尺寸在膠體分散系的尺寸范圍內的組裝體,如膠束、囊泡和膠囊等。這種組裝體的粒子由于是通過雙親分子間的締合作用得到的,所以稱為締合膠體。締合膠體也屬于熱穩定體系。

粒子間相互作用

膠體粒子間的相互用作決定膠體的穩定性、流變性質、以及相行為。膠體粒子間的相互作用包括相互吸引力與相互排斥力,通常情況下,相互吸引力為分子間作用力,而相互排斥力主要包括靜電排斥力和位阻排斥力。

膠體的性質

膠體的特性可以概括為熱力學不穩定性、多相不均勻性、多相分散性、粒子組成和結構的不同一性。

光學性質

當膠體粒子尺度小于可見光波長(400–760 nm)時,通過膠體的入射光會發生明顯的散射現象,在與入射光垂直的方向上,可以觀察到散射光即產生一條光亮的通路,稱為丁達爾(Dindal)效應。膠體的光學性質是膠體高度分散性和不均勻性的反應。

丁達爾效應是區分溶液和膠體的最常用的物理方法。

布朗運動

懸浮在液體或氣體中的微粒做不停的、無秩序的運動。膠體的粒子在不停地做無規則運動,這使膠體不容易聚集成質量較大的顆粒而沉降下來,這是布朗運動是膠體具有介穩性的次要原因。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。

電學性質

由于膠體本身的電離或膠粒對某些離子的選擇性吸附,使膠粒的表面帶有一定電荷。在外電場作用下,固-液兩相可以發生相對運動,電場作用下膠粒向異性電極的定向移動稱為電泳,這也是膠體具有介穩性的主要原因。

膠體中帶相同電荷的膠粒能穩定存在,而膠粒再吸附帶相反電荷離子的能力相對較小,吸附的離子容易分離,膠團是電中性的。所以說膠粒是帶電的,而膠體則是電中性的。

常見帶正電的膠粒:Fe (OH)3、Al (OH)3等;常見帶負電的膠粒:土壤膠體、硅酸膠體等;不帶電的膠粒:淀粉膠體等。

膠體聚沉

膠體在一定條件下、一定時間內穩定,與所帶電荷的排斥作用、表面溶劑效應以及布朗運動有關,膠體顆粒相互聚結進而沉淀的現象稱為聚沉。

影響膠體聚沉的條件:

1.加入合適的電解質

2.改變其pH

3.加熱

4.長時間放置

5.加入與原膠體粒子帶有相反電荷的另一種膠體

膠體的應用

膠體凈水

利用膠體的聚沉性質,可以實現凈水的功能。

對于自來水的凈化,就是利用硫酸鋁鉀硫酸鋁鉀)改變水質的,被廣泛應用,當從水庫取水并加入明礬攪拌片刻后,就會以肉眼可見的速度清澈起來,這個過程叫沉降。明礬以及高鐵酸鹽都能通過金屬離子水解形成膠體,吸附水中的泥沙以及其他雜質,既能凈化水源,還可達到一定的消毒作用。膠體的這種強吸附性在工業上還可用來吸附色素,從而達到褪色的作用。

膠體的聚沉應用非常廣泛,可以說涉及日常生活的大部分領域。在生活中的例子:鹵水點豆腐、三角洲的形成、不同品牌墨水不能混合使用。

農業生產

土壤膠體的存在對土壤結構、酸堿性和保肥能力起著關鍵作用。土壤膠體帶有負電荷,土壤表面附著著大量陽離子,陽離子可以與土壤溶液中陽離子進行交換,從而起到保肥作用。常見土壤膠體有黏土礦物和腐殖質

利用膠體的電學性質,還膠體可以應用在靜電除塵電泳電鍍;利用電泳將油漆、乳膠、橡膠等粒子均勻地沉積在鍍件上。

血液透析

膠體無法通過半透膜,而人體的血液、組織液等都是含水的膠體。臨床上,運用血液透析治療尿毒癥等腎功能方面的疾病,用以糾正體內的代謝失衡。透析膜與腎臟中血管壁都是半透膜,利用膠體的彌散作用,能阻止膜兩側的大分子如蛋白質多肽等物質通過,卻能使小分子如各種離子、尿素等在兩側進行物質交換,利用膠體的滲透作用,迅速進行膜兩側的物質交換,緩解腎功能衰竭導致酸中毒、高尿素氮等血液中毒癥狀。

膠體的提純

膠體的提純最常用到滲析法,其原理和方法: 將膠體放入半透膜袋中,再將此袋放入水中,并定期更換水(分散介質),由于膠粒直徑大于半透膜的微孔,不能透過半透膜,而小分子或離子可以透過半透膜,使雜質分子或離子進入水中而除去。

常見膠體

金屬氫氧化物:Fe(OH)3膠體、Al(OH)3膠體

金屬硫化物:Ag2S膠體、As2S3膠體

硅酸膠體、淀粉膠體、蛋白質膠體、豆漿、霧、墨水、涂料、AgI膠體、有色玻璃、果凍、雞蛋清、血液等

膠體相關概念

參考資料 >

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