胶体化学第4章-分散体系的物化性质演示教学.ppt

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1、胶体化学第4章-分散体系的物化性质设一体积为V，分散相颗粒密度为ρ，分散介质密度为ρ0的分散体系。在重力场中颗粒所受得力F为重力Fg与浮力Fb之差，即F=Fg－Fb=V(ρ－ρ0)g式中g为重力加速度。这样就有当　ρ>ρ0时，Fg>Fb，颗粒下沉；当　ρ<ρ0时，Fg

2、，r是颗粒半径。球的体积V=4πr3/3，于是得到粒子沉降运动速度，即粒子运动阻力系数由此得粒子半径粒子质量上述结果的条件是：⑴粒子运动速度很慢，保持层流状态；⑵粒子是刚性的，无溶剂化作用；⑶粒子间无相互作用；⑷与粒子相比，流体可看作连续介质。若颗粒是多孔的絮状块或有溶剂化作用存在，ρ就不再是纯颗粒的密度，而是介于颗粒与分散介质两个纯组分的密度之间。所以其沉降速度变慢。这种现象也可归因于阻力因子f增大。如果f0表示未溶剂化的阻力因子，f表示溶剂化的阻力因子，则f/f0称为阻力因子比。显然，在有溶剂化情况下，f/f0>1。另一方面，在现实中球形的质点是不多的，这样

3、Stokes公式的应用就受到了限制。实际上，我们可以把溶剂化和不规则颗粒的效应都归于使f增大。把按Stokes公式计算的颗粒半径称为等效球半径,这样有因此，对于任何形状的溶剂化的颗粒，采用未溶剂化时的密度，进行沉降与扩散试验的粒度分析，可得到等效球体的平均半径3.2.2分散相的扩散宏观上来看，粒子的扩散就是布朗运动的结果。这种运动最终使小粒子从高浓度区向低浓度区运动。从分子水平上看，粒子以无序分布并占有全部空间时，体系的熵最大。所以扩散是现实中的运动。可以应用Fick第一定律和Fick第二定律对平动扩散作以研究。在dt时间内，向x方向通过截面积为A，扩散物质量d

4、m与截面A处的浓度梯度dc/dx服从Fick第一定律，即其中D是扩散系数（可近似看作常数）。扩散方向上某一位置的浓度随时间的变化率则服从Fick第二定律，即扩散系数D是单位浓度梯度、单位时间通过单位截面积扩散的物质量，单位是m2s-1。它表征物质的扩散能力。通过实验可以测定系统的扩散系数。常用的方法有三种：孔片法、自由交界法和光子相关谱法。式中，△m为△t时间内扩散的溶质（胶粒）质量；L是隔膜中孔的有效长度，s是孔的截面积。L/s要用已知扩散系数的溶液进行标定。1、孔片法孔片法是采用多孔性材料，如烧结玻璃或陶瓷做成隔膜，把溶液（或溶胶）和纯溶剂隔开，隔膜孔径为5

5、~15μm。两边液体都持续进行搅拌以保持浓度均匀，隔膜孔中液体是不流动的且不受搅动。溶质或胶粒则通过孔扩散到溶剂中，测定不同时间两边的浓度差△c，就可以按Fick第一定律计算扩散系数D：优点：简单，不怕振动，不受分析方法的限制。注意：隔膜孔中的气泡对溶质的吸附有影响，标定L/s的物质与被测物质性质的差别会影L/s的可信度。获得明显界面的方法如上图示。通过光学方法不断测定某一位置x（界面处x=0）的浓度或浓度梯度，就可得到该点浓度或浓度梯度随时间t的变化。2.自由交界法这个方法也称为自由扩散法，是使溶液同溶剂（或两种不同浓度的溶液）形成一个明显的交接面，然后测定不

6、同时间溶液浓度或浓度梯度的变化。只要能严格控制的恒温（±0.001℃），则两种溶液就不会发生对流，这样浓度或浓度梯度的变化就纯属扩散所引起的。这样就可以由Fick定律计算出扩散系数。再由实验测得的t,h,计算出扩散系数：设A,B两部分体积相同，A为溶剂，B为溶液。可得在x位置处时间t与浓度c的关系：当t=0,有x<0,c=0。当t=0,有x>0,c=c0。当t=∞,有x为任意值,c=1/2c0。有在界面处，x=0，浓度梯度最大，令则得本方法测定结果精确，但实验条件严格，样品必须是均分散体系。所以样品要根据粒度分级来进行测定。当然多分散体系的各级分布仍服从高斯分布

7、曲线，上式仍可用。如下图示：3.光子相关谱法这是一种新方法。原理是在光散射过程中，由于布朗运动使运动着的粒子的散射光频率与入射光频率相比要产生一个展宽效应。如下图示。ω0为入射光的原频率，Γ为线宽，为图中的半高半宽值。Γ通过精密的激光光散射仪测出。它同扩散系数存在如下关系：Γ=DK2K是散射矢量，其值为（4πn/λ0）sin(θ/2)。其中λ0为入射光波长，θ是散射角，n是折光指数。式中，NA为Avogadro常数。扩散系数的应用1． 计算质点运动的阻力系数f和球形质点的半径Einstein导出了扩散系数与质点运动的阻力系数存在一下定量关系：T是绝对温度，k玻尔

8、兹曼常量。这里D为无限稀