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时间:2018-04-27
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1、一、概述 1.关于胶体化学的几个基本概念 (1)相和相界面 相是指那些物质的物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分。体系中有两个或两个以上的相,称为多相体。相与相之间的接触面称为相接面。 (2)分散相与分散介质 在多相分散体系中,被分散的物质叫做分散相。包围分散相的另一相,称为分散介质。例如,水基钻井液中,粘土颗粒分散在水中,粘土为分散相,水为分散介质。 (3)分散度和比表面 分散度是某一分散程度的量度,通常用分散相颗粒平均直径或长度的倒数来表示。如果用D表示分散度,用a表示颗粒的平均直径或长度,则分散度可表示为D=1/a
2、。比表面是物质分散度的另一种量度,其数值等于全部分散相颗粒的总面积与总质量(或总体积)之比。如果用S代表总表面积,用V表示总体积,用m表示总质量,则比表面可表示为: S比=S/V(m-1) (2-2) 或S比=S/m(m-1/kg) (2-3) 物质的颗粒愈小,分散度愈高,比表面愈大,界面能与界面性质就会发生惊人的变化。所有颗粒分散体系的共性是具有极大的比表(界)面。 按分散度不同,可将分散体系分为细分散体系与粗分散体系。胶体实际上是细分散体系,其分散相的比表面≥104m2/kg,
3、其颗粒长度在1nm~1μm之间。悬浮体则属于粗分散体系,其比表面大致不超过104m2/kg分散相的颗粒直径在1~40/μm之间。钻井液是复杂的胶体分散体系。水基钻井液基本上是溶胶和悬浮体的混合物,本书中统称为胶体分散体系。 (4)吸附作用 物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部浓度)的现象,称为吸附。被吸附的物质称为吸附质,吸附吸附质的物质称为吸附剂。按吸附的作用力性质不同,可将吸附分为物理吸附和化学吸附两类。仅由范德华引力引起的吸附,是物理吸附。这类吸附一般无选择性,吸附热较小,容易脱附。若吸附质与吸附剂之间的作用力为化学键力,这类吸附叫化学吸附
4、。化学吸附具有选择性,吸附热较大,不易脱附。 2.沉降与沉降平衡 钻井液中的粘土粒子,在重力场的作用下会沉降。由于粒子沉降,下部的粒子浓度增加,上部浓度低,破坏了体系的均匀性。这样又引起了扩散作用,即下部较浓的粒子向上运动,使体系浓度趋于均匀。因此,沉降作用与扩散作用是矛盾的两个方面。 若胶体粒子为球形,半径为r,密度为ρ,分散介质的密度为ρ0,则下沉的重力F1为: F1=(4/3)πr3(ρ-ρ0)g (2-4) 式中 g-重力加速度; r-粒子半径。 若粒子以速度υ下沉,按斯托克斯(st
5、okes)定律,粒子下沉时所受的阻力F2为: F2=6πηrν (2-5) 式中η-介质粘度。 当F1=F2时,粒子匀速下沉,则: ν=(2r2/9η)(ρ-ρ0)g (2-6) 这就是球形质点在介质中的沉降速度公式。 3.粘土-水胶体分散体系中的电动现象 胶体的电动现象包括电泳、电渗、流动电位与沉降电位的产生。电泳是在外加电场作用下,带电的胶体粒子在分散介质中,向与其本身电性的电极移动的现象。电渗是在外加电场作用下,液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象。流动电位
6、是不加外电场而用机械力促使两相间发生相对移动时,由于正负电荷分布不均,两相间就会产生电位。沉降电位是由于胶粒的重力而在介质中下沉所产生的电位。电动现象的存在,说明了胶粒表面总带有电荷。胶粒表面电荷的主要来源有:电离作用、晶格取代作用、离子吸附作用以及未饱和键等。 4.胶团结构 溶胶粒子大小在1nm一1pm之间,所以每个溶胶粒子是由许多分子或原子聚集而成的。例如,用稀AgNO3,溶液与KI溶液制备AgI溶胶时,首先形成不溶于水的AgI粒子,它是胶团的核心。研究表明,AgI也具有晶体结构,它的比表面很大,所以,如果AgNO3过量,按法扬斯(Faja
7、ns)法则,AgI易从溶液中选择吸附Ag+而构成胶核,被吸附的Ag+称为定势离子。留在溶液中的NO3-离子,因受胶核的吸引围绕于其周围,称为反离子。但反离子本身有热运动,结果只有部分NO3-离子靠近胶核,并与被吸附的Ag+一起组成所谓"吸附层",而另一部分NO3-则扩散到较远的介质中去,形成所谓"扩散层"。胶核与吸附层NO3-组成"胶粒"。由胶粒与扩散层中的反离子NO3-组成"胶团"。胶团分散于液体介质中,便是溶胶。AgI的胶团结构可表示如下: 若KI过量,则I-优先被吸附,此时其胶团结构为: 从胶团结构式可以看出,构成胶粒的核心
8、物质,决定
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