第2章胶体分散体系的动力学性质.ppt

第二章 胶体分散体系的动力学性质 胶体质点的运动形式 热运动：扩散现象（宏观）、布朗运动（微观） 在外力场中做定向运动：在重力场及离心力场中的沉降作用 某些电动现象：外加电场中产生的质点与介质间的相对运动 流变性质…… 当存在浓差时，物质由高浓区域自发地移向低浓区域，此即扩散现象。 1. Fick第一定律 沿着x方向发生扩散时，在dt时间内经过截面积A的物质的量dm可用下式表示： D为扩散系数：单位浓度梯度下，在单位时间 内流经单位截面积的溶质量（m2 / s） 浓度梯度的存在是发生扩散作用的前提。 Fick 第一定律较多适用于各处浓度梯度恒定的情况。 而实际情况往往是扩散方向上各处的浓度或浓度梯度是变化的，所以仅用 Fick 第一定律难以推定扩散系数 D。 2. Fick 第二定律 在考虑 dt 时间内，此小体积元中溶质量的增加值为左方流入与右方流出之差 (dm – dm? ) 。 由Fick 第一定律 ： 由 (1)、(2) 式： 胶体的扩散系数:10-10～10-12 m2/s 小分子物质的扩散系数：10-9 m2/s 二、布朗运动 1. Brown运动的发现 1827年，英国植物学家Brown发现，在显微镜下能观察到悬浮在液面（水）上的花粉末不断地作不规则的运动。 后来又发现其它细粉末（如煤、化石、金属等粉末）也如此，这种无规则运动即Brown运动。 在很长一段时间里，Brown运动现象的本质没有得到阐明。 1903年，超显微镜的发明，为研究布朗运动提供了物质条件，能够观察比花粉细得多的胶体粒子的布朗运动，并得出重要的实验结论： 1）粒子越小，布朗运动越剧烈； 2）温度升高，布朗运动变剧烈。 1905年和1906年，爱因斯坦（Einstein）和斯莫鲁霍夫斯基（Smoluchowski）自不同的角度分别独立地提出了布朗运动理论： a）悬浮于液体中的质点的平均动能和一个小分子的一样。小粒子的质量小，因此其运动速度快。胶体粒子之所以不断地改变其运动方向，是因为不断地受到热运动的液体分子对微粒的碰撞。 b）在实验中不必苛求质点运动的实际路径或实际速度（也没有法测得），只需测定一定时间间隔（t）内质点（在 x 轴上）的平均位移 。 如图，一截面面积为A的流体，只考虑粒子在x方向上的位移。设粒子沿x方向浓度逐渐降低。考虑两个厚度为 的相邻液层，其平均浓度分别为 ， 即为粒子在时间 t 内沿x方向的平均位移。 对于每个质点，由于Brown运动，其沿 x 轴向左或向右移动的几率相等，故在时间 t 内经过平面A右移的质点量为： Einstein公式揭示了Brown运动与扩散的内在联系： 扩散是 Brown 运动的宏观表现； Brown 运动是扩散的微观基础。 对于扩散系数 D，Einstein 曾导出关系式： 这个公式把粒子的平均位移与粒子的大小（r）、介质的粘度（?）、温度（T）及观察间隔（t）联系起来了。 1908年，Perrin 等做了各种条件下的观察实验，根据 Einstein 公式求算的NA值为 5.5?1023 - 8?1023，结果已相当精确。 这说明用分子运动理论来阐明布朗运动十分成功，Brown 运动的本质是质点的热运动。 相应地，Perrin 的实验结果也为分子运动理论提供了实验依据，从而使分子运动论成为被普遍接受的理论，推动了科学的发展。 3. Brown 运动的平均速率 上两式表明： 例如：半径 r = 10?7 m 的不带电小球在水中 Brown 运动的平均位移 。 4．扩散的应用： 球形质点半径的计算 若已知粒子的密度为?，则 1mol 胶团质量 三、渗透压 考虑溶剂在左右两边由于活度不同引起的化学势差： 考虑溶剂在右边增压后半透膜两边化学势差： 半透膜两边：溶胶一侧的液压超过溶剂一侧的液压。事实上，只要有浓差，就有溶剂小分子的扩散作用，导致渗透压。 渗透压方向：高浓 ? 低浓。浓度↗，?↗；温度↗，?↗。 成立条件：稀溶胶（过浓则聚沉）。 当Z=0，即大分子不带电时，膜两侧的小离子浓度相等 Z 越大，膜两侧的小离子浓差越大 当m大m小时，膜两侧的小离子浓度近似相等 当m大 m小时，[小离子]膜外侧 [小离子]膜内侧，小离子几乎都在膜的外侧 渗透作用在生物学中是十分重要的，细胞膜可透过水、CO2、O2 和 N2 以及小的有机分子（例如氨基酸、葡萄糖），而不能透过大的高聚物分子（例如蛋白质、多糖）? 反渗透：如果把溶液的压力增至 P + ?，则溶剂就会由溶液向纯溶剂净流通，即所谓的反渗透