第十四章胶体分散系统和大分子溶液 【复习题】 【1】用As2O3与略过量的H2S制成的硫化砷As2S3溶胶,试写出其胶团的结构式。用FeCl 在热水中水解来制备Fe(OH)3溶胶,试写出Fe(OH)3溶胶的胶团结构 【解析】H2S是弱酸,考虑它的一级电离,故其胶团结构式为: I(AS,S3)mnHS (n-x)H]".XH Fe(OH)溶胶的胶团结构式为{Fe(OH)]mnFe(OH)2+(n-xCl}xxCl。 【2】在以KI和AgNO3为原料制备AgI溶胶时,或者使K过量,或者使AgNO3过量,两 种情况所制得的Ag溶胶的胶团结构有何不同?胶核吸附稳定离子时有何规律? 【解析】(AgIm胶核在KI存在时吸附I离子,当AgI过量时则吸附Ag',胶核吸附离子的 规律为,首先吸附使胶核不易溶解的离子及水化作用较弱的离子。 【3】胶粒发生 Brown运动的本质是什么?这对溶胶的稳定性有何影响 【解析】 Brown运动的本质是质点的热运动,它使溶胶产生扩散、渗透压、沉降核沉降平衡。 【4】 Tyndall效应是由光的什么作用引起的?其强度与入射光波长有什么关系?粒子大小范 围落在什么区间内可以观察到 Tyndall效应?为什么危险信号要用红色灯显示?为什么早 霞、晚霞的色彩? 【解析】 Tyndall效应是由光散射作用形成的。其强度与入射光强度的关系为: 24z2A42w A为入射光的振幅;λ为入射光的波长;v为单位体积中的粒子数;V为单个粒子的体积, n和m2为分散相的分散介质的折射率。可见,Tndl效应的强度与入射光的波长的4次方 成反比。在1~100m范围内可观察到 lyndall效应。 危险信号要用红色灯显示的主要原因是红光的波长较长不易散射 当阳光穿过大气层时,波长较短的紫光散射衰减较多,透射后剩余”的日光中颜色偏于 波长较长的红光,因此,我们在太阳高度角很低的日出、日落时,看到的太阳光盘是橙红色 的,这种偏于红色的阳光再通过天空中散射粒子散射后仍然是波长较长的光居多,因此,霞 光大多偏于红、橙、黄等特别鲜艳的色彩 【5】电泳和电滲有何异同点?流动电势和沉降电势有何不同?这些现象有什么应用? 【解析】在外电场力作用下,胶体粒子在分散介质中作定向移动称为电泳:在外场力作用下
1 第十四章 胶体分散系统和大分子溶液 【复习题】 【1】用 As2O3 与略过量的 H2S 制成的硫化砷 As2S3 溶胶，试写出其胶团的结构式。用 FeCl3 在热水中水解来制备 Fe(OH)3 溶胶，试写出 Fe(OH)3 溶胶的胶团结构。 【解析】 H2S 是弱酸，考虑它的一级电离，故其胶团结构式为： - + x- + 2 3 [(As S )m nHS (n-x)H ] xH Fe(OH)3 溶胶的胶团结构式为{[Fe(OH)3]m·n Fe(OH)2 +·(n-x)Cl-} x-·xCl-。 【2】在以 KI 和 AgNO3 为原料制备 AgI 溶胶时，或者使 KI 过量，或者使 AgNO3 过量，两 种情况所制得的 AgI 溶胶的胶团结构有何不同？胶核吸附稳定离子时有何规律？ 【解析】(AgI)m胶核在 KI 存在时吸附 I -离子，当 AgI 过量时则吸附 Ag＋，胶核吸附离子的 规律为，首先吸附使胶核不易溶解的离子及水化作用较弱的离子。 【3】胶粒发生 Brown 运动的本质是什么？这对溶胶的稳定性有何影响？ 【解析】Brown 运动的本质是质点的热运动，它使溶胶产生扩散、渗透压、沉降核沉降平衡。 【4】Tyndall 效应是由光的什么作用引起的？其强度与入射光波长有什么关系？粒子大小范 围落在什么区间内可以观察到 Tyndall 效应？为什么危险信号要用红色灯显示？为什么早 霞、晚霞的色彩？ 【解析】Tyndall 效应是由光散射作用形成的。其强度与入射光强度的关系为： 2 2 2 2 2 1 2 4 2 2 1 2 24 2 A V n n I n n − = + A 为入射光的振幅；λ 为入射光的波长；ν 为单位体积中的粒子数；V 为单个粒子的体积， n1 和 n2 为分散相的分散介质的折射率。可见， Tyndall 效应的强度与入射光的波长的 4 次方 成反比。在 1～100nm 范围内可观察到 Tyndall 效应。 危险信号要用红色灯显示的主要原因是红光的波长较长不易散射。 当阳光穿过大气层时，波长较短的紫光散射衰减较多，透射后“剩余”的日光中颜色偏于 波长较长的红光，因此，我们在太阳高度角很低的日出、日落时，看到的太阳光盘是橙红色 的，这种偏于红色的阳光再通过天空中散射粒子散射后仍然是波长较长的光居多，因此，霞 光大多偏于红、橙、黄等特别鲜艳的色彩。 【5】电泳和电渗有何异同点？流动电势和沉降电势有何不同？这些现象有什么应用？ 【解析】在外电场力作用下，胶体粒子在分散介质中作定向移动称为电泳；在外场力作用下
可观察到分散介质会通过多孔膜或极细的毛细管而移动,即固定相不动而液相移动称为电 渗。在外场作用下,使液体在毛细管中流经的孔膜时,在膜的两边会产生电势差,成为流动 电势,流动电势差使分散的粒子在分散介质中迅速沉降,则在液体表面层与底层之间产生电 势差,称为沉降电势。这些现象都称为电动现象,这些现象在电镀、电泳涂漆、石油乳液油 水分离以及不同条件下蛋白质的分离中都有广泛的应用 【6】在由等体积的008 mol- dm3的KI和0.10 mol-dm3的AgNO3溶液配制的AgI溶胶中 分别加入浓度相同的下述电解质溶液,请由大到小排出其聚沉能力的大小次序。 (1)NaCl;(2)Na2SO4:(3)Mg SO4;(4)K3[ Fe(CN)6) 【解析】其聚沉能力的大小次序为:(4)>(2)>(3)>(1) 【7】在两个充有0001modm3KCl溶液的容器之间放一个由AgQ晶体组成的多孔塞,其细 孔道中也充满KCl溶液在多孔塞两侧放两个直流电源的电极。问通电时,溶液将向哪一方 向移动?若该该用0.01 moldm3的KCl溶液,在相同的外加电场中,溶液流动的速度是变快还 是变慢?若用AgNO3溶液代替原来用的KCl溶液情形又将如何? 【解析】当多孔塞中充满KCl溶液时,AgQ晶体吸附CI,介质带正电而向负极移动,KCl 浓度增加,ξ电位下降,介质移动速度变慢。当改用AgNO3溶液时,移动方向相反,但增 加AgNO3溶液也使运动速度变慢。 【8】大分子溶液和(憎液)溶胶有哪些异同点?对外加电解质的敏感程度有何不同? 【解析】高分子溶液和憎液都是由直径在1~100nm的胶粒组成,都不能通过半透膜,但髙 分子溶液是单分子胶粒而后者是许多分子组成的胶粒,高分子溶液是热力学稳定体系,而后 者粒度大,丁泽尔效应弱,对外加电解质不敏感等 【9】大分子化合物有哪几种常用的平均摩尔质量?这些量之间的大小关系如何?如何用渗 透压法较准确的测定蛋白质(不在等电点)的平均摩尔质量? 【解析】数均摩尔质量Mn,质均分子量Mw,z均分子量M::一般大分子化合物的分子 大小是均匀的,M.>M>M,:若分子质量越不均,这三种平均值差别越大。 对大分溶液,有 +Ac,则以一对c作图,外推到c=0处,得 RT,从而 c M 可求得数均分子量,即摩尔质量 当蛋白质不在等电电时,z2=(z+1)c2RT 【10】试解释:①江河入海处,为什么常形成三角洲?②加明矾为何能使浑浊的水澄清?③ 2
2 可观察到分散介质会通过多孔膜或极细的毛细管而移动，即固定相不动而液相移动称为电 渗。在外场作用下，使液体在毛细管中流经的孔膜时，在膜的两边会产生电势差，成为流动 电势，流动电势差使分散的粒子在分散介质中迅速沉降，则在液体表面层与底层之间产生电 势差，称为沉降电势。这些现象都称为电动现象，这些现象在电镀、电泳涂漆、石油乳液油 水分离以及不同条件下蛋白质的分离中都有广泛的应用。 【6】在由等体积的 0.08mol·dm-3 的 KI 和 0.10 mol·dm-3 的 AgNO3 溶液配制的 AgI 溶胶中, 分别加入浓度相同的下述电解质溶液,请由大到小排出其聚沉能力的大小次序。 (1) NaCl; (2)Na2SO4; (3)Mg SO4; (4)K3[Fe(CN)6] 【解析】其聚沉能力的大小次序为：(4)＞(2)＞(3)＞(1) 【7】在两个充有 0.001 mol·dm-3KCl 溶液的容器之间放一个由 AgCl 晶体组成的多孔塞,其细 孔道中也充满 KCl 溶液.在多孔塞两侧放两个直流电源的电极。问通电时，溶液将向哪一方 向移动？若该该用0.01 mol·dm-3 的KCl溶液,在相同的外加电场中,溶液流动的速度是变快还 是变慢? 若用 AgNO3 溶液代替原来用的 KCl 溶液,情形又将如何? 【解析】当多孔塞中充满 KCl 溶液时，AgCl 晶体吸附 Cl－，介质带正电而向负极移动，KCl 浓度增加，ξ 电位下降，介质移动速度变慢。当改用 AgNO3 溶液时，移动方向相反，但增 加 AgNO3 溶液也使运动速度变慢。 【8】大分子溶液和（憎液）溶胶有哪些异同点？对外加电解质的敏感程度有何不同？ 【解析】高分子溶液和憎液都是由直径在 1～100nm 的胶粒组成，都不能通过半透膜，但高 分子溶液是单分子胶粒而后者是许多分子组成的胶粒，高分子溶液是热力学稳定体系，而后 者粒度大，丁泽尔效应弱，对外加电解质不敏感等。 【9】大分子化合物有哪几种常用的平均摩尔质量？这些量之间的大小关系如何？如何用渗 透压法较准确的测定蛋白质（不在等电点）的平均摩尔质量？ 【解析】数均摩尔质量 M n − ，质均分子量 M w − ，z 均分子量 M z − ；一般大分子化合物的分子 大小是均匀的， M M M z w n − − − ；若分子质量越不均，这三种平均值差别越大。 对大分溶液，有 n RT Ac c M = + ，则以 c 对 c 作图，外推到 c＝0 处，得 n RT M ，从而 可求得数均分子量，即摩尔质量； 当蛋白质不在等电电时， 2 2 = (z+1)c RT 【10】试解释：①江河入海处，为什么常形成三角洲？②加明矾为何能使浑浊的水澄清？③
使用不同型号的墨水,为什么有时使钢笔堵塞而写不出字来?④重金属离子中毒的病人,为 什么喝了牛奶可使症状减轻?⑤做豆腐时“点浆”的原理是什么?哪些盐溶液可用来“点 浆”?⑥常用的微球形硅胶做填充料的玻璃珠是如何制备的?用了胶体和表面化学中的哪些 原理?请尽可能多的列举出日常生活中的有关胶体的现象及其应用 【解析】这些现象都可以用胶体的聚沉来解释,影响溶胶稳定性的因素是多方面的,例如电 解质的作用,胶体体系的相互作用,溶胶的浓度、温度等等。例如江河入海时,由于海是中 含有NaCl、MgCl2等电解质,使泥沙溶胶聚沉下来形成三角洲。其他有关胶体的现象如丁 泽尔现象、瑞利散射使天空呈蓝色等。 【1]】憎液溶胶是热力学上不稳定系统,但它能在相当长时间内稳定存在,试解释原因? 【解析】溶胶能稳定存在的原因有三:①溶胶粒子较小,有较强的布郎运动,能阻止其在重 力作用下的沉降,即具有动力稳定性:②胶粒表面具有双电层结构,当胶粒相互接近时, 性电荷的静电斥力及离子氛的重叠区由于过剩离子产生的渗透压,阻碍胶粒的聚结,即具有 聚结稳定性:③由于带电离子都是溶剂化的,在胶粒表面形成一层溶剂化膜,有一定的弹性, 其中的溶剂有较高的粘度,使之成为胶粒相互接近时的机械障碍。聚结稳定性是溶胶能稳定 存在的重要因素 【12】试从胶体化学的观点解释,在进行重量分析时为了使沉淀完全,通常要加入相当数量 的电解质(非反应物)或将溶液加热。 【解析】在溶胶中加入电解质,只要浓度达到某一定数值,都会使溶胶聚沉。温度的增加也 将会使溶胶粒子互碰更为频繁,因而降低其稳定性,所以在重量分析时为了使沉淀完全,通 常要加入相当数量的电解质(非反应物)或将溶液加热 【13】何谓乳状液?有哪些类型?乳化剂为何能使乳状液稳定?通常鉴别乳状液的类型有哪 些方法?其根据是什么?何谓破乳?何谓破乳剂?有哪些常用的破乳方法? 【解析】乳状液是由两种液所构成的分散系统,有水包油乳状液(OW),油包水(WO) 乳化剂作用在于使机械分散所得的液滴不相互聚结:鉴别乳状液的方法有稀释法,染色法和 电导法:根据乳状液的内相(成形时彼此分散的相)和外相(作为分散介质的相)破乳,两 种液体完全分离;常用的破乳的方法有加热破乳,高压电破乳和化学破乳等 【14】溶胶中分散相颗粒间相互联结形成骨架,按其作用力可以分为哪几种?各种稳定性如 何?什么是触变现象? 【解析】溶胶按照形成骨架的作用力可分为:弹性凝胶,钢性凝胶等。泥浆、油漆、药膏、 Al(OH)3Ⅴ2O5及白土等凝胶,受到搅拌变为流体,停止搅拌后又逐渐恢复成凝胶,这种溶胶
3 使用不同型号的墨水，为什么有时使钢笔堵塞而写不出字来？④重金属离子中毒的病人，为 什么喝了牛奶可使症状减轻？⑤做豆腐时“点浆”的原理是什么？哪些盐溶液可用来“点 浆”？⑥常用的微球形硅胶做填充料的玻璃珠是如何制备的？用了胶体和表面化学中的哪些 原理？请尽可能多的列举出日常生活中的有关胶体的现象及其应用。 【解析】这些现象都可以用胶体的聚沉来解释，影响溶胶稳定性的因素是多方面的，例如电 解质的作用，胶体体系的相互作用，溶胶的浓度、温度等等。例如江河入海时，由于海是中 含有 NaCl、MgCl2 等电解质，使泥沙溶胶聚沉下来形成三角洲。其他有关胶体的现象如丁 泽尔现象、瑞利散射使天空呈蓝色等。 【11】憎液溶胶是热力学上不稳定系统，但它能在相当长时间内稳定存在，试解释原因？ 【解析】溶胶能稳定存在的原因有三：①溶胶粒子较小，有较强的布郎运动，能阻止其在重 力作用下的沉降，即具有动力稳定性；②胶粒表面具有双电层结构，当胶粒相互接近时，同 性电荷的静电斥力及离子氛的重叠区由于过剩离子产生的渗透压，阻碍胶粒的聚结，即具有 聚结稳定性；③由于带电离子都是溶剂化的，在胶粒表面形成一层溶剂化膜，有一定的弹性， 其中的溶剂有较高的粘度，使之成为胶粒相互接近时的机械障碍。聚结稳定性是溶胶能稳定 存在的重要因素。 【12】试从胶体化学的观点解释，在进行重量分析时为了使沉淀完全，通常要加入相当数量 的电解质（非反应物）或将溶液加热。 【解析】在溶胶中加入电解质，只要浓度达到某一定数值，都会使溶胶聚沉。温度的增加也 将会使溶胶粒子互碰更为频繁，因而降低其稳定性，所以在重量分析时为了使沉淀完全，通 常要加入相当数量的电解质（非反应物）或将溶液加热。 【13】何谓乳状液？有哪些类型？乳化剂为何能使乳状液稳定？通常鉴别乳状液的类型有哪 些方法？其根据是什么？何谓破乳？何谓破乳剂？有哪些常用的破乳方法？ 【解析】乳状液是由两种液所构成的分散系统，有水包油乳状液（O/W）,油包水（W/O）； 乳化剂作用在于使机械分散所得的液滴不相互聚结；鉴别乳状液的方法有稀释法，染色法和 电导法；根据乳状液的内相（成形时彼此分散的相）和外相（作为分散介质的相）破乳，两 种液体完全分离；常用的破乳的方法有加热破乳，高压电破乳和化学破乳等。 【14】溶胶中分散相颗粒间相互联结形成骨架，按其作用力可以分为哪几种？各种稳定性如 何？什么是触变现象？ 【解析】溶胶按照形成骨架的作用力可分为：弹性凝胶，钢性凝胶等。泥浆、油漆、药膏、 Al(OH)3,V2O5 及白土等凝胶，受到搅拌变为流体，停止搅拌后又逐渐恢复成凝胶，这种溶胶
与凝胶相互转化的性质称为凝胶的触变性 【15】何谓纳米材料?纳米材料通常可分为哪些类型?目前有哪些常用的制备方法?纳米材 料有何特性?有哪些应用前景? 【解析】纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺寸的材料:可分为:纳米粒子;纳米 固体:纳米组装系统;制备方法主要有:沉淀法,浸渍法,水热法,微波辐射法,超声波辐 射合成法等:特性:小尺寸效应,表面效应,量子尺寸效应,宏观隧道效应等:在光学材料, 催化材料,贮氢材料,磁性材料等领域有广泛的应用。 【习题】 【1】在碱性溶液中用HCIO还原 HAuLe,以制备金溶胶,反应可表示为 HAuCl,+5Na0H-NaAuo+4NaC/+3.0 2NaAuo +3HCHO+NaoH-2Au+3HCOONa+2H.0 此处NaAO是稳定剂,试写出胶团的结构式,并标出胶核、胶粒和胶团 【解析】胶核(Au加优先吸附与其具有共同组成的AuO2,故胶团的结构为 [(AumnAuO, (n-x)Na]-xNa 胶粒 【2】某溶胶中粒子的平均直径42m,设其黏度和纯水相同,=0001PaS。试计算: (1)298K时,胶体的扩散系数D (2)在2s的时间里,由于 Brown运动,粒子沿ⅹ轴方向的平均位移x。 【解析】(1)由爱因斯坦方程,得 RT 8.314×298 L6x602×106×3.14×1.0×10-3×2.10×101.04×10-0m (2)由爱因斯坦布朗方程,得,D=2 x2=√2D=√2×104×1010×1=144×105m 【3】已知某溶胶中的黏度η=0.001PaS,其粒子的密度近似为p=lmgm3,在ls时间内粒 子沿ⅹ轴的平均位移x=14×105m。试计算:
4 与凝胶相互转化的性质称为凝胶的触变性。 【15】何谓纳米材料？纳米材料通常可分为哪些类型？目前有哪些常用的制备方法？纳米材 料有何特性？有哪些应用前景？ 【解析】纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺寸的材料；可分为：纳米粒子；纳米 固体；纳米组装系统；制备方法主要有：沉淀法，浸渍法，水热法，微波辐射法，超声波辐 射合成法等；特性：小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应，宏观隧道效应等；在光学材料， 催化材料，贮氢材料，磁性材料等领域有广泛的应用。 【习 题】 【1】在碱性溶液中用 HClO 还原 HAuCl4，以制备金溶胶，反应可表示为： 4 2 2 HAuCl NaOH NaAuO NaCl H O + → + + 5 4 3 2 2 2 3 2 3 2 NaAuO HCHO NaOH Au HCOONa H O + + → + + 此处 NaAuO2 是稳定剂，试写出胶团的结构式，并标出胶核、胶粒和胶团。 【解析】胶核(Au)m优先吸附与其具有共同组成的 AuO2 - ,故胶团的结构为： 2 [( ) ( ) ]x Au nAuO n x Na xNa m + − + − 胶核 胶粒 胶团 【2】某溶胶中粒子的平均直径 4.2nm，设其黏度和纯水相同， =0.001Pa·S。试计算： （1）298K 时，胶体的扩散系数 D； （2）在 2s 的时间里，由于 Brown 运动，粒子沿 x 轴方向的平均位移 x − 。 【解析】（1）由爱因斯坦方程，得 10 2 1 23 3 9 1 8.314 298 1 1.04 10 6 6.02 10 6 3.14 1.0 10 2.10 10 RT D m s L r − − − − = = = （2）由爱因斯坦-布朗方程，得， 2 2 x D t − = 2 -10 5 x Dt m 2 2 1.04 10 1 1.44 10 − − = = = 【3】已知某溶胶中的黏度 =0.001Pa·S，其粒子的密度近似为 =1mg·m-3，在 1s 时间内粒 子沿 x 轴的平均位移 x − =1.4×10-5m。试计算：
(1)298K时,胶体的阔酸系数D (2)胶粒的平均直径d (3)胶团的摩尔质量M。 4×10-35 【解析】(1)由爱因斯坦布朗方程,得,D= 2×1=9 810×m2·s 2t RT (2)D= L6丌7 RT18.314×298 =2229×10-m L6mD602×10236×3.14×98×10-1×0.001 d=2r=446×10-m=446mm (3) M=3rpL=3×314×(229×0°)×10×103×602×103 =2.79×103g·mor 【4】设某溶胶中胶粒的大小是均一的球形粒子,已知在298K时胶体的扩散系数 D=104×104m2S1,其黏度=000PaS。试计算: (1)粒的半径r; (2)由于 Brown运动,粒子沿ⅹ轴方向的平均位移x=1.44×10-m时所需的时间 (3)318K时胶体的扩散系数D,假定该胶粒的黏度不受温度的影响 【解析】由爱因斯坦方程,得 RT18.314×298 =2.1×10m L6mD602×10-36×3.14×0001×1.04×10 144×10-5 (2)由爱因斯坦布朗方程,得,D=2则V2D2×104x10-0≈099715 (3)由爱因斯坦方程,得 RT18314×318 L6mr602×1036×314×0.01×2.10×1051×10-1m2"s-1 【5】在298K时,某粒子半径r=30nm的金溶胶,在地心力场中达到沉降平衡后,在高度
5 （1）298K 时，胶体的阔酸系数 D； （2）胶粒的平均直径 d； （3）胶团的摩尔质量 M。 【解析】（1）由爱因斯坦-布朗方程，得， ( ) 2 5 2 11 2 1 1.4 10 9.810 2 2 1 x D m s t − − − − = = = （2） 1 6 RT D L r = 9 23 11 1 8.314 298 1 2.229 10 6 6.02 10 6 3.14 9.8 10 0.001 RT r m L D − − − = = = 9 d r m nm 2 4.46 10 4.46 − = = = （3） ( ) 3 3 9 3 23 5 1 4 4 3.14 2.229 10 1.0 10 6.02 10 3 3 2.79 10 M r L g mol − − − − = = = 【4】设某溶胶中胶粒的大小是均一的球形粒子，已知在 298K 时胶体的扩散系数 D=1.04×10-4m2·S-1，其黏度 =0.001Pa·S。试计算： （1）粒的半径 r； （2）由于 Brown 运动，粒子沿 x 轴方向的平均位移 x − =1.44×10-5m 时所需的时间； （3）318K 时胶体的扩散系数 D /，假定该胶粒的黏度不受温度的影响。 【解析】由爱因斯坦方程，得 1 6 RT D L r = 9 23 10 1 8.314 298 1 2.1 10 6 6.02 10 6 3.14 0.001 1.04 10 RT r m L D − − − = = = （2）由爱因斯坦-布朗方程，得， 2 2 x D t − = ，则 ( ) 2 5 2 10 1.44 10 0.997 1 2 2 1.04 10 x t s s D − − − = = = （3）由爱因斯坦方程，得 / / 10 2 1 23 9 1 8.314 318 1 1.11 10 6 6.02 10 6 3.14 0 001 2.10 10 RT D m s L r − − − = = = . 【5】在 298K 时，某粒子半径 r =30nm 的金溶胶，在地心力场中达到沉降平衡后，在高度