淺談膠體化學(xué)的發(fā)展史

時間：2023-05-30 19:51:16 化學(xué)畢業(yè)論文我要投稿

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淺談膠體化學(xué)的發(fā)展史

　　一．膠體化學(xué)的簡史與內(nèi)容

淺談膠體化學(xué)的發(fā)展史

　　膠體這個名詞史由英國科學(xué)家 Thomas Graham(1861 年 ) 提出來的。那時近代的分子運動理論才成立，其應(yīng)用只限于氣體。 Graham 最早將此新理論應(yīng)用于液體體系，他系統(tǒng)地研究物質(zhì)在液體中的擴散。他用的儀器極為簡單，將一塊羊皮紙縛在一個玻璃筒上，筒里裝著要試驗的溶液，并把筒浸在水中。 Graham 用此種裝置研究許多物質(zhì)的擴散速度，發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)，如糖、無機鹽、尿素等擴散快，很容易自羊皮紙滲析出來；另一下物質(zhì)，如明膠、氫氧化鋁、硅酸等擴散很慢，不能或很難透過羊皮紙。前一類物質(zhì)當(dāng)溶劑蒸發(fā)時易于形成晶體析出，后一類物質(zhì)則不能結(jié)晶，大多成無定形膠狀物質(zhì)。于是， Graham 把后一類物質(zhì)稱為膠體（ Colloid ），其溶液稱之為溶膠。膠體源自希臘文的 κολλα（膠）。

　　雖然膠體化學(xué)的歷史一般皆以 1861 年為開始，其實，在此之前已有一些化學(xué)家和物理學(xué)家作過膠體的研究，只是較為零星。例如，意大利化學(xué)家 Selmi （ 1845 年）曾制備了氯化銀、硫和普魯士藍在水中的假溶液，這些溶液外觀透亮或微呈混濁。他認為溶液中分散的質(zhì)點比通常的分子來得大。 Faraday （ 1858 年）曾制得紅色的金溶液，并發(fā)現(xiàn)溶膠對光有散射作用，此即所謂的 Tyndall 效應(yīng)。 Faraday 制備金溶液時，十分強調(diào)所用器皿與藥品必須非常干凈。經(jīng)他仔細制得的金溶膠保存到 20 世紀二十年代才沉淀出來。

　　在人類的生產(chǎn)實踐中，膠體的應(yīng)用可以追溯到更早，幾乎和人類的文明一樣悠久。在有歷史記載以前我們的祖先就會制造陶器；在夏禹之時就會釀酒；至少在周朝初期，人們就和用膠；在漢朝已出現(xiàn)用天然高聚物——纖維造出來的紙；在后漢又發(fā)明了墨。這些都是膠體應(yīng)用的生動實例，也充分說明我們的民族時富于創(chuàng)造性的。在古埃及史中有濕木裂石的記載；中古的煉丹家已知道制備金汁，這是懸于水中的微粒金。和許多古代勞動人民的創(chuàng)造一樣，這些發(fā)明者的姓名現(xiàn)在已不可考。

　　在 Graham 之后四十多年，俄國化學(xué)家 Benmaph 用 200 多種物質(zhì)做實驗，證明無論如何物質(zhì)既可制成晶體狀態(tài)也可制成真溶液，在酒精中則可形成膠體溶液。因此，晶體和膠體并不是不同的兩類物質(zhì)，而是物質(zhì)的兩種不同的存在狀態(tài)。由擴散慢和不能透過半透膜這些特性可以推斷，膠體溶液中的質(zhì)點不是以小分子，而是以大粒子的形式分散在介質(zhì)中。這些膠體溶液在重力場中不沉降或沉降極慢，表面分散的質(zhì)點額不會很大。總起來講，膠體質(zhì)點指的是至少在一個線度上，其大學(xué)在 1nm 至 1 μ m 之間的質(zhì)點，當(dāng)然這個大小的界線多少帶有點人為性。簡言之，膠體是指高度分散的分散體，膠體化學(xué)則是研究膠體體系的科學(xué)。膠體化學(xué)與化學(xué)的其他分支的不同之處是，后者的研究對象均屬小分子，而膠體化學(xué)除了分子之外，更注意膠體大小的質(zhì)點。

　　自上述內(nèi)容可知，膠體的一個重要特點就是分散的質(zhì)點和介質(zhì)之間由很多的相界面。以直徑為10nm 的球形質(zhì)點來說（例如金溶膠或者二氧化硅溶膠），當(dāng)質(zhì)點總體積為 1cm 3 時，其面積為 600m 2 ，這是一個相當(dāng)可觀的數(shù)目。膠體的許多性質(zhì)，如穩(wěn)定性和電學(xué)性質(zhì)等，與界面能有密切關(guān)系。因此，對界面性質(zhì)的研究很早就成為膠體化學(xué)的內(nèi)容。后來表（界）面研究的范圍日益擴大，凡事與界面有關(guān)連的體系與過程皆成為其研究對象，例如從人工造雨、礦石浮選、染色、防毒、水土保持到吸附與催化等，所以有一段時期膠體化學(xué)被稱為表面化學(xué)。現(xiàn)在我們知道，二者的關(guān)系非常密切，但各有側(cè)重。當(dāng)我們把注意力放在物質(zhì)的界面特性上，此即表面化學(xué)。倘若我們把細分割的物質(zhì)當(dāng)成一群質(zhì)點構(gòu)成的分散體加以研究，即為膠體化學(xué)。

　　雖然膠體質(zhì)點可以是由許多分子組成的，但這并不意味著質(zhì)點中不能只有一個分子。將明膠溶于水中或?qū)⑾鹉z溶于甲苯，皆分散成單獨的分子。這些分子的大小合乎膠體質(zhì)點的標(biāo)準。由于大小相近，這些大分子溶液（分子溶膠）與膠體溶液（相膠體）有許多相似的性質(zhì)

　　和相同的研究方法，例如動力性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、流變性等，因為這些性質(zhì)往往只和質(zhì)點的大小、形狀有關(guān)，與相界面存在與否卻是無關(guān)的。因此，大分子無聊化學(xué)（包括蛋白質(zhì)、核酸、多糖化合物等生物大分子）很自然地成了膠體研究的重要內(nèi)容。但是，此種體系與經(jīng)典膠體，如膠狀金、 As 2 S 3 溶膠也有很多不同之處。以金溶膠為例，金必須加工方能成為膠體；褶子膠體只是暫時穩(wěn)定，遲早要沉淀出來；將沉淀再懸浮于水中，不能再得到膠狀金。甲苯中的橡膠卻可長期穩(wěn)定，不會沉淀；幾時蒸干溶劑，得到的固體再溶于甲苯中，又可以得到原來的溶液。換言之，金溶膠是不可逆的，橡膠體系則是可逆的。自熱力學(xué)觀點，前者是不穩(wěn)定的，后者是穩(wěn)定的，是真溶液。自質(zhì)點與介質(zhì)的親和性來看，前者為憎液膠體，后者是親液膠體。

　　由于高分子材料的迅速發(fā)展與日益重要，大分子物理化學(xué)已擴展成為獨立的學(xué)科分支。但是，由于歷史的傳統(tǒng)原因和性質(zhì)上的緊密練習(xí)，大分子溶液仍是膠體化學(xué)研究的一個重要部分。從德國化學(xué)會主辦的歷史悠久的刊物“膠體雜志“更名為”膠體與聚合物雜志 “，讀者當(dāng)可體會到它們直接的既密切又相對獨立的關(guān)系。近年來聚合物膠體有了較大的發(fā)展，一是用乳膠聚合制成單分散的、即質(zhì)點大小均一的膠乳（如聚苯乙烯分散在水中）可以作為膠體基礎(chǔ)研究的模型分散體；二是制成微晶聚合物分散體（如纖維素在水中），有很大的潛在實用重要性。這些離子還說明，憎液膠體與親液膠體都是物質(zhì)的一種狀態(tài)，是可以相互轉(zhuǎn)化的。在液體介質(zhì)中，膠體質(zhì)點也可以由許多比較小的兩親分子（分子由沁水的極性基團和親油的碳氫鏈組成）締合而成，此即膠團。膠團有正膠團（里面為烴核，外層為極性基團，分散在非極性介質(zhì)中）和逆膠團（里面為極性基團，外層為碳氫鏈，分散在非極性介質(zhì)中）之分。與高聚物的不同之處是此種締合是可逆的。此類膠體叫締合膠體，是熱力學(xué)穩(wěn)定體系。表面活性劑分子具有兩親分子結(jié)構(gòu)，其主要特點是在界面上的吸附和在溶液內(nèi)部形成膠體。因此，無論自膠體的觀點，還是從界面的角度，表面活性劑是膠體與表面化學(xué)的重要研究對象。

　　許多重要的分散體，如乳狀液、懸浮液、泡沫等，其質(zhì)點大小雖不合乎經(jīng)典的膠體標(biāo)準，單體系具有很大的界面，和憎液膠體一樣屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。因此，它們也屬于膠體化學(xué)討論的內(nèi)容。

　　親液膠體和憎液膠體有著本質(zhì)上的區(qū)別。前者屬于熱力學(xué)穩(wěn)定體系，后者是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。至于在擴散等性質(zhì)上的相同，僅僅是表觀上的類似，不能因此而混淆二者的本質(zhì)區(qū)別。所以從二十世紀五十年代起，就開始把親液膠體改稱為大分子溶液，把憎液膠體稱為膠體分散體系或溶膠。

　　近年來，隨著分子生物學(xué)等氣體學(xué)科的發(fā)展，對蛋白質(zhì)一類物質(zhì)的溶液，有了比較深入的認識。認為應(yīng)當(dāng)把膠體體系分為以下三大類才比較確切。

　　（ 1 ）分散體系：包括粗分散體系和膠體分散體系。由于體系有很高的表面自由能，是屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。

　　（ 2 ）大分子物質(zhì)的真溶液：因為沒有界面，體系無界面能存在，所以是熱力學(xué)穩(wěn)定體系，與上述分散體系不同，能自動形成大分子溶液。

　　（ 3 ）締合膠體，即膠體電解質(zhì)。它也是熱力學(xué)穩(wěn)定體系。現(xiàn)在工業(yè)上用得最到的表面活性劑，就屬于締合膠體。

　　二、膠體化學(xué)的發(fā)展前景

　　膠體化學(xué)是密切結(jié)合實際，并與其它學(xué)科息息相關(guān)的學(xué)科，它涉及的范圍廣，研究的內(nèi)容豐富。從它的發(fā)展歷程也可以看出，膠體化學(xué)的內(nèi)容是不斷深入、面貌在不斷更新，開拓的領(lǐng)域也越來越廣。在自身的發(fā)展過程仲，也繁殖出一些新的學(xué)科，或豐富了其他學(xué)科的內(nèi)容。可以預(yù)期，膠體化學(xué)將繼續(xù)沿著這個方向發(fā)展。

　　促進膠體化學(xué)向前發(fā)展的主要因素，歸納有以下幾個方面：

　　（ 1 ）因為膠體化學(xué)是一門與實際應(yīng)用密切結(jié)合的學(xué)科，現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為膠體化學(xué)的發(fā)展提供了廣闊的前景。可以預(yù)期，工農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展中將會更廣泛地運用膠體化學(xué)的基本原理和研究方法，特別是石油的開采和煉制，油漆、印染和選礦，甚至土壤改良和人工降雨等，都需要膠體化學(xué)。二工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中所提出來的問題，又進一步推動著膠體化學(xué)學(xué)科理論的發(fā)展。

　　（ 2 ）現(xiàn)代科學(xué)儀器的發(fā)展為膠體化學(xué)的研究提供了新的手段。例如，近年來各種波譜研究，如紅外、核磁共振（ NMR ）、電子自旋共振（ ESR ）、電子能譜、拉曼光譜以及穆斯堡爾譜等的發(fā)展，對吸附在固體表面上分子狀態(tài)的本質(zhì)，有了更深入的了解。又如使用激光光散射、超離心技術(shù)研究蛋白質(zhì)大分子的構(gòu)型，也取得了驚人的成功。

　　（ 3 ）近代化學(xué)和近代物理上的成就，進一步促進對膠體化學(xué)中某些理論的探討。例如以量子力學(xué)及固體物理為基礎(chǔ)研究吸附和催化現(xiàn)象；用統(tǒng)計力學(xué)和電子計算機技術(shù)研究高分子溶液性質(zhì)、搞分子在固體表面上細故以及聚沉過程；用示蹤原子驗證某些吸附動力學(xué)過程、兩維膜的性質(zhì)。在這些方面都已取得了良好的結(jié)果，開拓了膠體化學(xué)研究的新領(lǐng)域。

　　（ 4 ）近二十多年來，生物物理、生物化學(xué)和分子生物學(xué)的研究，取得了巨大的成就。眾所周知，它們的發(fā)展是吸取了膠體化學(xué)的理論和方法的。同時，這些學(xué)科的發(fā)展，為膠體化學(xué)提供了更廣闊的研究領(lǐng)域和視野，推動了膠體化學(xué)的進一步發(fā)展。

　　慣上,把分散介質(zhì)為液體的膠體體系稱為液溶膠,如介質(zhì)為水的稱為水溶膠;介質(zhì)為固態(tài)時,稱為固溶膠.

　　由此可見,膠體體系是多種多樣的.溶膠是物質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài),而不是一種特殊物質(zhì),不是物質(zhì)的本性.任何一種物質(zhì)在一定條件下可以晶體的形態(tài)存在,而在另一種條件下卻可以膠體的形態(tài)存在.例如,氯化鈉是典型的晶體,它在水中溶解成為真溶液,若用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ蛊浞稚⒂诒交蛎阎?則形成膠體溶液.同樣,硫磺分散在乙醇中為真溶液,若分散在水中則為硫磺水溶膠.

　　由于膠體體系首先是以分散相顆粒有一定的大小為其特征的,故膠粒本身與分散介質(zhì)之間必有一明顯的物理分界面.這意味著膠體體系必然是兩相或多相的不均勻分散體系.

　　另外,有一大類物質(zhì)(纖維素、蛋白質(zhì)、橡膠以及許多合成高聚物）在適當(dāng)?shù)娜軇┲腥芙怆m可形成真溶液，但它們的分子量很大（常在1萬或幾十萬以上，故稱為高分子物質(zhì)），因此表現(xiàn)出的許多性質(zhì)（如溶液的依數(shù)性、黏度、電導(dǎo)等）與低分子真溶液有所不同，而在某些方面（如分子大小）卻有類似于溶膠的性質(zhì)，所以在歷史上高分子溶液一直被納入膠體化學(xué)進行討論。30多年來，由于科學(xué)迅速地發(fā)展，它實際上已成為一個新的科學(xué)分支——高分子物理化學(xué)，所以近年來在膠體表面專著（特別是有關(guān)刊物）中，一般不再過多地討論這方面內(nèi)容。

　　——摘自《膠體與表面化學(xué)（第三版）》，化學(xué)化工出版社

　　膠體

　　定義；分散質(zhì)粒子大小在1nm~100nm的分散系。

　　膠體與溶液、濁液在性質(zhì)上有顯著差異的根本原因是分散質(zhì)粒子的大小不同。

　　常見的膠體：Fe(OH)3膠體、Al(OH)3膠體、硅酸膠體、淀粉膠體、蛋白質(zhì)、血液、豆?jié){、墨水、涂料、肥皂水、AgI、Ag2S、As2S3

　　分類：按照分散劑狀態(tài)不同分為：

　　氣溶膠——分散質(zhì)、分散劑都是氣態(tài)物質(zhì)：如SO2擴散在空氣中

　　液溶膠——分散質(zhì)、分散劑都是液態(tài)物質(zhì)：如Fe(OH)3膠體

　　固溶膠——分散質(zhì)、分散劑都是固態(tài)物質(zhì)：如有色玻璃、煙水晶

　　3、區(qū)分膠體與溶液的一種常用物理方法——利用丁達爾效應(yīng)

　　膠體粒子對光線散射而形成光亮的“通路”的現(xiàn)象，叫做丁達爾現(xiàn)象。

　　膠粒帶有電荷

　　膠粒具有很大的比表面積(比表面積=表面積／顆粒體積)，因而有很強的吸附能力，使膠粒表面吸附溶液中的離子。這樣膠粒就帶有電荷。不同的膠粒吸附不同電荷的離子。一般說，金屬氫氧化物、金屬氧化物的膠粒吸附陽離子，膠粒帶正電，非金屬氧化物、金屬硫化物的膠粒吸引陰離子，膠粒帶負電。

　　膠粒帶有相同的電荷，互相排斥，所以膠粒不容易聚集，這是膠體保持穩(wěn)定的重要原因。由于膠粒帶有電荷，所以在外加電場的作用下，膠粒就會向某一極(陰極或陽極)作定向移動，這種運動現(xiàn)象叫電泳。

　　膠體的種類很多，按分散劑狀態(tài)的不同可分為液溶膠、氣溶膠和固溶膠。如：云、煙為氣溶膠，有色玻璃為固溶膠。中學(xué)研究的膠體一般指的是液溶膠。膠體的性質(zhì)體現(xiàn)在以下幾方面：

　　①有丁達爾效應(yīng)

　　當(dāng)一束光通過膠體時，從入射光的垂直方向上可看到有一條光帶，這個現(xiàn)象叫丁達爾現(xiàn)象。利用此性質(zhì)可鑒別膠體與溶液、濁液。

　　②有電泳現(xiàn)象

　　由于膠體微粒表面積大，能吸附帶電荷的離子，使膠粒帶電。當(dāng)在電場作用下，膠體微粒可向某一極定向移動。

　　利用此性質(zhì)可進行膠體提純。

　　膠粒帶電情況：金屬氫氧化物、金屬氧化物和AgI的膠粒一般帶正電荷，而金屬硫化物和硅酸的膠粒一般帶負電荷。

　　③可發(fā)生凝聚

　　加入電解質(zhì)或加入帶相反電荷的溶膠或加熱均可使膠體發(fā)生凝聚。加入電解質(zhì)中和了膠粒所帶的電荷，使膠粒形成大顆粒而沉淀。一般規(guī)律是電解質(zhì)離子電荷數(shù)越高，使膠體凝聚的能力越強。用膠體凝聚的性質(zhì)可制生活必需品。如用豆?jié){制豆腐，從脂肪水解的產(chǎn)物中得到肥皂等。

　　④發(fā)生布朗運動

　　含義：無規(guī)則運動（離子或分子無規(guī)則運動的外在體現(xiàn)）

　　產(chǎn)生原因：布朗運動是分子無規(guī)則運動的結(jié)果

　　布朗運動是膠體穩(wěn)定的一個原因

　　膠體的知識與人類生活有著極其密切的聯(lián)系。除以上例子外還如：

　　①土壤里發(fā)生的化學(xué)過程。因土壤里許多物質(zhì)如粘土、腐殖質(zhì)等常以膠體形式存在。②國防工業(yè)的火藥、炸藥常制成膠體。

　　③石油原油的脫水、工業(yè)廢水的凈化、建筑材料中的水泥的硬化，都用到膠體的知識。④食品工業(yè)中牛奶、豆?jié){、粥都與膠體有關(guān)。

　　總之，人類不可缺少的衣食住行無一不與膠體有關(guān)，膠體化學(xué)已成為一門獨立的學(xué)科。Fe(OH)3膠體制備:將25毫升的蒸餾水加熱至沸騰，再逐滴加入1-2毫升的飽和氯化鐵溶液，繼續(xù)煮沸至溶液呈紅褐色。

　　相關(guān)化學(xué)式：FeCl3 +3H20 = Fe(OH)3(膠體)+3HCl

　　相關(guān)離子式：Al3+ +3H2o=Al(OH)3(膠體)+3H+

　　膠體電性

　　（1）正電: