膠體化學(xué)知識(shí)點(diǎn)與練習(xí)題合集膠體化學(xué)作為物理化學(xué)的核心分支，聚焦分散相粒子尺寸（1~1000nm）的多相體系（膠體），其性質(zhì)、制備與應(yīng)用貫穿材料、環(huán)境、生物等領(lǐng)域。從日常的墨水、豆?jié){，到工業(yè)催化劑、藥物載體，膠體體系無處不在。本文系統(tǒng)梳理核心知識(shí)點(diǎn)，并配套針對(duì)性練習(xí)題，助力讀者深化理論、提升應(yīng)用能力。一、膠體的基本概念與分類（一）分散系的分類根據(jù)分散相粒子直徑，分散系分為三類：分子分散系：粒子直徑<1nm（如蔗糖溶液），均相、穩(wěn)定，擴(kuò)散快，能透半透膜。膠體分散系：粒子直徑1~1000nm，細(xì)分為三類：溶膠（憎液膠體）：分散相與介質(zhì)親和力弱（如Fe(OH)?溶膠），多相、熱力學(xué)不穩(wěn)定（易聚沉），但動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定（布朗運(yùn)動(dòng)阻礙沉降）。高分子溶液（親液膠體）：分散相為高分子（如蛋白質(zhì)溶液），與介質(zhì)親和力強(qiáng)，均相、熱力學(xué)穩(wěn)定。締合膠體（膠束溶液）：表面活性劑分子在臨界膠束濃度（CMC）以上締合形成膠束（如肥皂水溶液），均相、熱力學(xué)穩(wěn)定。粗分散系：粒子直徑>1000nm（如泥漿），多相、不穩(wěn)定，易沉降，不能透濾紙。（二）膠體的核心特征膠體的本質(zhì)是粒子尺寸（1~1000nm），這導(dǎo)致其具有獨(dú)特性質(zhì)：界面效應(yīng)顯著（比表面積大）、光學(xué)/動(dòng)力學(xué)/電學(xué)性質(zhì)異于分子分散系、熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性并存。二、膠體的制備與凈化（一）制備方法需將物質(zhì)分散或聚集成膠體粒子，分為分散法和凝聚法：1.分散法（大塊物質(zhì)→膠體粒子）機(jī)械分散：研磨、超聲波破碎（如石墨溶膠）。膠溶法：沉淀加少量電解質(zhì)重新分散（如Fe(OH)?沉淀加FeCl?得溶膠）。電弧法：金屬電極放電，汽化后冷凝成膠體（如Au溶膠）。2.凝聚法（分子/離子→膠體粒子）物理凝聚：過飽和、蒸氣凝聚（如硫的酒精溶液倒入水得硫溶膠）?；瘜W(xué)凝聚：通過反應(yīng)生成不溶物并控粒徑：復(fù)分解：KI（?。?AgNO?→AgI溶膠（控濃度/順序）。水解：FeCl?+沸水→Fe(OH)?溶膠。還原：AuCl?+HCHO→Au溶膠。（二）凈化方法溶膠含過量電解質(zhì)（如反應(yīng)副產(chǎn)物），需凈化避免聚沉：1.滲析利用半透膜（羊皮紙、火棉膠）允許小分子/離子透過、膠體粒子截留的性質(zhì)，除去電解質(zhì)?？杉与妶?chǎng)（電滲析）或加熱（熱滲析）加速。2.超過濾用超濾膜（壓力/離心）使溶劑和小分子透過，膠體粒子截留，可循環(huán)濃縮或凈化。三、膠體的光學(xué)性質(zhì)膠體的光學(xué)性質(zhì)源于光與粒子的相互作用，核心是丁達(dá)爾效應(yīng)和光散射。（一）丁達(dá)爾效應(yīng)強(qiáng)光通過膠體時(shí)，垂直光路可見“光徑”（粒子散射光）。真溶液粒子<1nm，散射弱；粗分散系粒子>1000nm，光反射無明顯光徑。應(yīng)用：區(qū)分溶膠與真溶液（如牛奶vs糖水）、解釋天空藍(lán)色（大氣膠體散射藍(lán)光）。（二）瑞利散射公式粒子直徑d<<光波長(zhǎng)λ（d<λ/20）、球形、非導(dǎo)電時(shí)，散射光強(qiáng)度：$$I=\frac{9\pi^2V^2n^2(n_0^2-n^2)^2I_0}{2\lambda^4l^2}\left(\frac{1+\cos^2\theta}{2}\right)$$（V：粒子體積；n/n?：粒子/介質(zhì)折射率；λ：光波長(zhǎng)）規(guī)律：I與V2、(n?2-n2)2成正比，與λ?成反比（短波長(zhǎng)光散射強(qiáng)，解釋天空藍(lán)、落日紅）。四、膠體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究粒子的布朗運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散、沉降與沉降平衡，核心是熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（一）布朗運(yùn)動(dòng)花粉顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)是介質(zhì)分子對(duì)膠粒的不平衡撞擊。愛因斯坦-布朗運(yùn)動(dòng)公式粒子在時(shí)間t內(nèi)的均方位移：$$\langlex^2\rangle=\frac{RTt}{3\pi\etarN_A}$$（R：氣體常數(shù)；η：介質(zhì)粘度；r：粒子半徑；N_A：阿伏伽德羅常數(shù)≈6.02×1023mol?1）意義：<x2>與T、t成正比，與η、r成反比。觀測(cè)均方位移可算粒子半徑。（二）擴(kuò)散粒子因濃度差自發(fā)移動(dòng)，遵循菲克第一定律：$$\frac{dN}{dt}=-DA\frac{dc}{dx}$$（D：擴(kuò)散系數(shù)；A：截面積；dc/dx：濃度梯度）愛因斯坦擴(kuò)散公式$$D=\frac{RT}{6\pi\etarN_A}$$結(jié)合布朗運(yùn)動(dòng)，<x2>=2Dt（一維擴(kuò)散）。（三）沉降與沉降平衡粒子受重力沉降，同時(shí)因布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，平衡時(shí)濃度隨高度指數(shù)分布（巴羅方程）：$$\frac{c}{c_0}=\exp\left[-\frac{4\pir^3(\rho-\rho_0)gN_A(h-h_0)}{3RT}\right]$$（ρ/ρ?：粒子/介質(zhì)密度；g：重力加速度）應(yīng)用：測(cè)粒子半徑（或高分子分子量）。五、膠體的電學(xué)性質(zhì)源于膠粒表面電荷和雙電層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為電泳、電滲等“電動(dòng)現(xiàn)象”。（一）雙電層結(jié)構(gòu)膠粒帶電（如AgI吸附I?帶負(fù)電），溶液中反離子因靜電吸引和熱運(yùn)動(dòng)，形成雙電層：斯特恩模型（現(xiàn)代雙電層核心）反離子分兩部分：斯特恩層（緊密層）：部分反離子強(qiáng)吸附于膠粒表面（滑動(dòng)面內(nèi)）；擴(kuò)散層（古依-查普曼層）：剩余反離子擴(kuò)散分布，厚度隨離子濃度減小而增大。ζ電勢(shì)：滑動(dòng)面與溶液本體的電勢(shì)差，反映膠粒聚結(jié)穩(wěn)定性（ζ絕對(duì)值大，體系穩(wěn)定）。（二）電動(dòng)現(xiàn)象1.電泳膠粒在電場(chǎng)中向相反電荷電極移動(dòng)（如Fe(OH)?膠粒帶正電，向負(fù)極移動(dòng)）。哈迪-斯莫魯霍夫斯基公式（r>>雙電層厚度時(shí)）：$$\zeta=\frac{\etav}{\varepsilon_0\varepsilon_rE}$$（v：電泳速率；ε?/ε?：真空/介質(zhì)介電常數(shù)；E：電場(chǎng)強(qiáng)度）2.電滲膠粒固定時(shí)，介質(zhì)在電場(chǎng)中移動(dòng)（如帶負(fù)電的硅膠膜，水向負(fù)極移動(dòng)）。3.流動(dòng)電勢(shì)/沉降電勢(shì)液體流過固定膠粒產(chǎn)生電勢(shì)（機(jī)械能→電能）；膠粒沉降產(chǎn)生電勢(shì)（重力能→電能）。六、膠體的穩(wěn)定性與聚沉膠體穩(wěn)定分動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定（布朗運(yùn)動(dòng)阻礙沉降）和聚結(jié)穩(wěn)定（雙電層、溶劑化膜阻礙聚結(jié)）。破壞聚結(jié)穩(wěn)定的過程為聚沉。（一）電解質(zhì)的聚沉作用1.聚沉值（臨界聚沉濃度）使溶膠明顯聚沉的最低電解質(zhì)濃度，聚沉值越小，聚沉能力越強(qiáng)。2.舒爾茨-哈迪規(guī)則反離子價(jià)數(shù)越高，聚沉值越小（聚沉值∝1/z?）。例：As?S?負(fù)溶膠，聚沉能力Al3?>Ca2?>Na?。3.感膠離子序同價(jià)反離子的聚沉能力順序（與水化半徑、吸附能力有關(guān)）。例：負(fù)溶膠，聚沉能力Cs?>Rb?>K?>Na?>Li?（水化半徑小，聚沉強(qiáng)）。（二）高分子的作用1.絮凝少量高分子（如聚丙烯酰胺）通過橋聯(lián)作用（鏈吸附多膠粒）使溶膠聚沉，效率高。2.保護(hù)作用足量高分子（如明膠）吸附膠粒，形成溶劑化吸附層，阻礙聚結(jié)（如金溶膠加明膠后穩(wěn)定）。3.敏化作用少量高分子使膠粒更易聚沉（鏈短，無法橋聯(lián)，反而破壞雙電層）。（三）溶膠的相互聚沉帶相反電荷的溶膠混合，電荷中和導(dǎo)致聚沉（如Fe(OH)?正溶膠+As?S?負(fù)溶膠）。七、膠體化學(xué)練習(xí)題與解析（一）概念題1.區(qū)分“憎液膠體”與“親液膠體”的核心依據(jù)是什么？解析：核心是分散相與介質(zhì)的親和力：憎液膠體（如溶膠）親和力弱，多相、熱力學(xué)不穩(wěn)定；親液膠體（如高分子溶液）親和力強(qiáng)，均相、熱力學(xué)穩(wěn)定。2.為什么晴朗天空呈藍(lán)色，落日呈紅色？解析：大氣膠體對(duì)太陽光（可見光）產(chǎn)生瑞利散射，I∝1/λ?（λ為光波長(zhǎng)）。藍(lán)光（λ≈450nm）散射強(qiáng)，使天空呈藍(lán)；落日時(shí)，光穿厚大氣層，藍(lán)光散射殆盡，剩余紅光（λ≈650nm）透射，故落日紅。（二）計(jì)算題1.某金溶膠粒子半徑r=1.0nm，介質(zhì)粘度η=1.0×10?3Pa·s，T=298K。求：（1）擴(kuò)散系數(shù)D；（2）1秒內(nèi)的均方位移<x2>。解析：（1）愛因斯坦擴(kuò)散公式：$$D=\frac{RT}{6\pi\etarN_A}$$代入R=8.314J·mol?1·K?1、N_A≈6.02×1023mol?1、r=1.0×10??m：$$D≈\frac{8.314×298}{6×3.14×1.0×10?3×1.0×10??×6.02×1023}≈2.1×10?11m2·s?1$$（2）均方位移<x2>=2Dt（一維擴(kuò)散）：$$\langlex^2\rangle=2×2.1×10?11×1≈4.2×10?11m2$$2.某Fe(OH)?溶膠ζ=30mV，η=1.0×10?3Pa·s，ε?=80，E=100V·m?1。求電泳速率v（ε?=8.85×10?12F·m?1）。解析：哈迪-斯莫魯霍夫斯基公式變形：$$v=\frac{\varepsilon_0\varepsilon_rE\zeta}{\eta}$$代入ζ=30×10?3V、E=100V·m?1：$$v≈\frac{8.85×10?12×80×100×30×10?3}{1.0×10?3}≈2.1×10??m·s?1$$（三）應(yīng)用題1.實(shí)驗(yàn)室制備的Fe(OH)?溶膠含過量FeCl?，如何凈化？簡(jiǎn)述步驟。解析：采用滲析法：（1）溶膠裝入半透膜袋，扎緊；（2）袋浸入蒸餾水，定期換水（或電滲析加速）；（3）AgNO?檢測(cè)外液，無Cl?則凈化完成。2.解釋“明膠保護(hù)的金溶膠可穩(wěn)定存在于NaCl溶液，未加明膠的金溶膠遇NaCl聚沉”的原因。解析：未加明膠：金膠粒帶電形成雙電層，ζ電勢(shì)高，靜電斥力穩(wěn)定。NaCl中Na?壓縮雙電層，ζ降低，膠粒因范德華力聚