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膠體和表面化學

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膠體一詞,來自1861年T.格雷姆研究物質在水中擴散的論文《應用於分析的液體擴散》。當時發現有些物質(如某些無機鹽、糖和甘油等)在水中擴散很快,容易透過一些膜;而另一些物質,如蛋白質、明膠和硅膠類水合氧化物等,則擴散很慢或不擴散。前者容易形成晶態,稱為晶質;後者不易形成晶態,多呈膠態,則稱為膠體。此種分類並未說明膠體的本質,因為膠狀的膠體在適當條件下可以形成晶態,而晶質也可以形成膠態。直到20世紀初超顯微鏡的發明以及後來電子顯微鏡的應用,對膠體才逐漸有較清楚的了解。

1 膠體和表面化學 -膠體和表面化學

 

2 膠體和表面化學 -正文

  研究分散體系(除小分子分散體系以外的膠體分散體系和一般粗分散體系)和界面現象的物理化學分支學科。膠體和表面化學的研究和應用,實際上可追溯到遠古時代。如中國史前時期陶器的製造;4000年以前巴比倫楔形文字碑文中有關油膜(不溶單分子膜)的記載;肥皂以及皂角一類天然表面活性劑(洗滌劑)的應用;毛細現象的研究等等。但作為一種科學,直到20世紀才得到具有本身特色的迅速發展。
  膠體的定義   
  經典的膠體體系由無數大小在10-7~10-4厘米之間的質點所組成,這種質點遠大於一般經典化學所研究的分子,可以是膠狀,也可以是晶質。由這一概念出發,膠體體系的不穩定、不易擴散、滲透壓很低等不同於經典分子分散體系的性質,即可得到明確解釋。
  在膠體體系中,膠體質點成為一個相,周圍的介質為另一相。此種質點分佈於介質中的體系稱為分散體系:膠體質點分散於介質中的體系即為膠體分散體系;固體質點分散於液體介質中的膠體分散體系稱為溶膠,例如,三價鐵鹽稀溶液水解而得的氫氧化鐵溶膠,還有硫化砷溶膠、硫溶膠、金溶膠等等(介質不一定必須是水)。氣體為分散介質的膠體分散體系稱為氣溶膠,例如煙(固體質點)和霧(液體質點)。乳狀液(液體質點分散在液體介質中)、泡沫(氣體分散在液體介質中)、泥漿等也屬於分散體系,但質點較大,穩定性差,容易破壞,稱為粗分散體系。
  從膠體分散體系的熱力學特點考慮,溶膠是熱力學不穩定的體系,體系中的界面(質點與介質之間的相界面)總是要減少、膠體質點趨向於聚集在一起,有發生聚沉而使分散體系破壞的傾向(粗分散體系更易如此)。破壞之後,分散體系不能自動形成,故溶膠這種膠體稱為不可逆膠體,也叫做疏液膠體,取其質點與分散介質(液體)不親合(不溶)之意。
  膠體體系的特點  自質點大小這一特點考慮,高分子與膠體質點的大小差不多。例如,分子量為 36000的胰島素(球狀)直徑約4.0納米;分子量為42000的蛋白朊長橢球長約11納米,與一般金溶膠和硅溶膠質點大小相近。有的高分子甚至長達100納米以上。因此,與大小有關的性質,如擴散、沉降、滲透壓、光散射(見膠體光散射)等性質,二者全都相似。膠體研究的許多結果可以應用於高分子體系,從而大大推動了高分子的研究,高分子化學的部分領域也就歸入膠體化學的範疇。經典的膠體體系是熱力學不穩定體系,是一相(質點)分佈在另一相(介質)中的多相分散體系;而高分子質點分散在介質中的這種膠體體系卻是熱力學穩定的體系,是均相溶液,即高分子溶於溶劑而形成的溶液。如同小分子的溶液一樣,只要溶劑不揮發,高分子溶液就可以永久存在。高分子溶液的溶劑揮發后,得到高分子化合物;但若把高分子放入溶劑中,則又自動溶解而形成溶液。於是就把高分子溶液稱為可逆膠體,也叫做親液膠體,以與疏液膠體相對照、相區別。
  有古老歷史的肥皂和現代的合成表面活性劑,其溶液(一般是水溶液)濃度達到一定程度后,離子(離子型表面活性劑)或分子(非離子型表面活性劑)即締合成有一定聚集數(表面活性離子數或分子數)的膠團,其大小與經典膠體質點及高分子質點相似。在20世紀初,J.W.麥克貝恩衝破傳統偏見,根據實驗事實的分析,首先提出此類物質在溶液中形成膠團的概念,將具有此種性質的肥皂以及離子型表面活性劑一類物質稱為膠體電解質。非離子型表面活性劑在溶液中也能形成膠團,但非膠體電解質,在溶液中不能電離。此類由離子或分子締合而成膠團的膠體體系即稱為締合膠體。與高分子溶液一類親液膠體相似,締合膠體是熱力學穩定的膠體體系,也是一種可逆膠體──分散介質揮發后剩下的物質,仍可自發地分散於介質中(溶解),在一定濃度的溶液中形成膠團。但是,在一定濃度以下,表面活性離子或分子未發生締合,體系中尚無膠團質點,體系中仍為一般的電解質或小分子溶液,不是膠體體系,這是締合膠體與高分子溶液一類親液膠體體系的明顯不同之處。
  膠體質點與經典化學所研究的分子不同的另一特點,是其形狀的千差萬別,從完全對稱的球形和比較對稱的橢球形,到極不對稱的不規則薄片,以至細長的線條。這將對體系的性質,特別是流變性質有重大影響。例如高分子溶液、鑽井泥漿、油漆塗料、膠團溶液,以及乳狀液、泡沫等的粘度、彈性、塑性及觸變性等皆與質點的形狀和結構有關(見非牛頓流體)。研究此種關係的學科即膠體化學中的流變學。
  表面化學  多相(膠體)分散體系中,由於質點很小,相與相間的界面面積極大,故有很可觀的界面自由能,體系易於向降低界面自由能的方向發生變化。根據界面熱力學,物質分子在界面上的富集必然導致界面自由能的降低,即大的界面自由能的存在使吸附現象得以產生。大面積的體系最易發生吸附,因此活性炭、硅膠、活性氧化鋁、白土、分子篩等就成了廣義的膠體體系(雖然這些體系與原來膠體的定義並不相符)。基於同一原因,前述的粗分散體系,如泡沫、乳狀液、泥漿、水煤漿等等也成為膠體化學的研究對象。物質世界中,界面是無所不在的,上述體系有著大的表面積或界面積,表面或界面上發生變化必然影響整個體系的性質。因此研究表(界)面性質科學的表面化學,是膠體化學中極其重要和不可分割的一部分,二者常被聯繫在一起而名為膠體和表面化學。
  表面化學促進了許多工業和技術的發展,如能源開發(包括石油開採、煤流態化即水煤漿和油煤混合物、太陽能利用)、催化、礦物浮選、膠片生產、印染、色譜、液膜分離、海水淡化、農藥的分散和乳化及其應用、「輕水」泡沫滅火、以及人工降雨等。
  膠體和表面化學的應用  物質世界中的生命現象也與膠體和表面化學密切相關,可以說生物體即是一種高級的極其複雜的膠體體系,其中存在著各式各樣的膠體(親液膠體、締合膠體、乳狀液以及凝膠等)和各種界面 (生物膜-體液界面是其中重要的一種)。所以膠體化學和表面化學的規律在生命現象中有重要的作用;而研究膠體化學和表面化學的許多方法和原理也常用以研究生命科學。生物膜的研究即為一典型例子。膠體和表面化學中關於表面吸附膜、單(雙)分子膜、膠團以及囊泡的研究,就是對細胞膜很好的模擬(或半模擬),由此可以了解成膜分子在膜中的定向排列,以及膜在傳質、傳能過程中所起的作用,進而探索生命的奧秘。生物體中存在的表面活性物質,如膽鹽及其與磷脂的混合物,以及肺表面活性劑等,可以稱之為生物表面活性劑。它們在生物體內所起的作用和發生的變化過程,在許多方面實際上就是典型的膠體和表面化學的作用和過程。
  在物質世界中,無處不有分散體系,表面和界面也無所不在,故膠體和表面化學與其他學科以及生產有著廣泛而密切的聯繫。大至宇宙、天文、氣象、地理,小至細胞,皆有膠體和界面存在;在所有工、農業生產中,幾乎很難找到與膠體和表面化學無關的現象。

 

3 膠體和表面化學 -配圖

 

4 膠體和表面化學 -相關連接

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