1、第三章 溶膠的基本性質(zhì)動力學(xué)性質(zhì)；光學(xué)性質(zhì)；電學(xué)性質(zhì),一、膠體分散體系的動力學(xué)性質(zhì),膠體的擴散與滲透； 是膠體與分子分散體系所共有的性質(zhì)。 布朗運動； 膠體分散體系獨有的性質(zhì)。 穩(wěn)定與沉降； 是膠體與粗分散系所共有的性質(zhì)。,1、膠體的擴散與滲透, 擴散的定義與本質(zhì) 擴散是分子熱運動的必然結(jié)果。 分子熱運動并不需要存在著濃度差才能發(fā)生； 但在濃度差存在下， 分子從高濃度向低濃度遷移的數(shù)目大于從低向高遷移的數(shù)目，,高濃度,低濃度,總結(jié)果使物系呈現(xiàn)出從高濃度向低濃度的凈遷移，這就是擴散 擴散的本質(zhì)是分子的熱運動，擴散推動力是濃度梯度,膠粒的擴散 (diffusion),膠粒也有熱運動，因此也具有擴散

2、現(xiàn)象。 膠體粒子的熱運動，在微觀上表現(xiàn)為Brown運動， 在宏觀上表現(xiàn)為擴散。 溶膠粒子從高濃度區(qū)間向低濃度區(qū)間遷移的現(xiàn)象稱為膠粒的擴散。 物質(zhì)的擴散可用斐克第一定律和第二定律描述.,設(shè)通過A面的物質(zhì)質(zhì)量為m，則擴散速度為dm/dt， 它與濃度梯度和截面積A成正比。,斐克第一定律（Ficks first law）,設(shè)任一截面A上濃度是均勻的，垂直A方向上的濃度梯度為dc/dx,D為擴散系數(shù)，其物理意義為：單位濃度梯度、單位時間內(nèi)通過單位截面積的質(zhì)量。式中負(fù)號表示擴散朝濃度降低的方向進行，,斐克第一定律：, 膠體的滲透(osmosis)、滲透壓與Donnan平衡, 滲透壓是稀溶液的四個依數(shù)性之一

3、， 半透膜：只能透過溶劑、不透過溶質(zhì)。 對于理想稀溶液、理想半透膜： 滲透壓服從公式： VnRT, =P2-P1,純?nèi)軇?溶液,半透膜,P1,P2,T,實際情況：很難找到不能透過離子的半透膜 因此無法測定鹽和小分子引起的滲透壓。 高分子和膠粒不能通過半透膜， 所以可利用此法測算高分子和穩(wěn)定膠體的滲透壓。 獲得高分子的相對分子質(zhì)量和膠體的膠束聚集數(shù)., 滲透的應(yīng)用反滲透（超過濾）,利用超過滲透壓的壓力， 從相反方向?qū)⑷軇┳匀芤褐袎撼觯?稱為反滲透。 應(yīng)用于海水淡化、濃縮溶液 （果汁、放射性污水）。 海水在25時的滲透壓為25 atm， 相當(dāng)于210m 高水柱， 半透膜如何選擇？-膠體、大分子,半

4、透膜,淡水井,反滲透原理制造淡水井, Donnan平衡，膜平衡,Donnan平衡針對的是帶電粒子和帶電高分子的滲透現(xiàn)象。 如果膜的一側(cè)有膠粒或大分子，而且?guī)в须姾桑?則會產(chǎn)生Donnan平衡。,-,R Na c1 (c1+x) Cl-(x) (1),Na+ Cl- (c2-x) (c2-x) (2),堿液中的蛋白質(zhì)為Na-R, 兩容器間的膜可以透過Na, 但不能通過R；,據(jù)電中性原則， (1)區(qū)中的Na離子無法向(2)區(qū)擴散； 但(2)區(qū)中的Na、Cl可以擴散到(1)區(qū)。 由于膜的一側(cè)有了大分子，使能透過鹽的膜變成了半透膜 Donnan平衡就是研究此種情況下的滲透壓。,在含有凝膠的體系中，即使

5、沒有膜也一樣， 各種凝膠的作用就像大分子，所結(jié)合的離子可以移動。 此時，即使沒有膜的存在效果也是一樣。,在大分子電解質(zhì)溶液中，因大離子不能透過半透膜，而小粒子受大離子電荷影響，能夠透過半透膜，當(dāng)滲透達(dá)到平衡時，膜兩邊小離子濃度不相等，這種現(xiàn)象叫唐南平衡或膜平衡。,土壤中，植物、動物的脫水收縮以及養(yǎng)分的吸收、鹽分的均衡均與Donnan平衡有關(guān)。,人的體液平衡,人體內(nèi)存在的液體稱為體液（body fluid）。 體液中有無機物和有機物， 無機物與部分以離子形式存在的有機物統(tǒng)稱為電解質(zhì)。 葡萄糖、尿素等不能解離的有機物稱為非電解質(zhì)。 體液以細(xì)胞膜為界，可分為兩大部分， 細(xì)胞內(nèi)液（ICF）和細(xì)胞外液（

6、ECF）。 細(xì)胞外液又可分為血漿和細(xì)胞間液（如淋巴液）。,各部位體液之間處于動態(tài)平衡， 部位內(nèi)部的水與電解質(zhì)也處于動態(tài)平衡， 這種平衡狀態(tài)，很易受外界或機體內(nèi)部因素的影響， 導(dǎo)致水電解質(zhì)平衡紊亂和酸堿平衡紊亂。,水平衡,成年人維持水的需要量，每日平均總進水量約2500ml， 通過飲水（約1200ml）， 攝食含的水（約1000ml） 體內(nèi)氧化時釋放出的水（約300ml） 攝入量等于排出量。,小兒每日水的攝入量（含體內(nèi)氧化產(chǎn)生的水）略大于排出量， 其中約有攝入量的0.5-3.0保留在體內(nèi)用以生長。 小兒水交換速度比成人快， 體重7.0kg嬰兒每日排出水約700ml，占細(xì)胞外液的1/3， 70kg

7、體重的成人水交換率只占細(xì)胞外液的1/7， 這就是小兒易引起脫水的原因。,鈉、氯平衡,氯和鈉是細(xì)胞外液的主要陰陽離子。 體內(nèi)Na+約50于細(xì)胞外液，40于骨骼，約10于細(xì)胞內(nèi) K+主要分布在細(xì)胞內(nèi)液,血漿中主要電解質(zhì)有Na+、Cl、K+。 細(xì)胞間液是血漿的超濾液， 血漿含有較多的蛋白質(zhì)， 由于蛋白質(zhì)是大分子量物質(zhì)，不易通過細(xì)胞膜， 故血漿蛋白含量高于細(xì)胞間液。 腦脊液就屬于細(xì)胞間液,Donnan平衡與人體,夏日補鹽還有很重要，否則就易產(chǎn)生頭昏等癥狀。 這與人的腦脊液中的氯化物濃度多少有關(guān)； 人腦脊液與血液之間滲透壓的平衡,根據(jù)Donnan平衡， 腦脊液中的蛋白質(zhì)含量較少，故氯化物較高 正常人腦脊

8、液中的氯化物含量比血液高約20%左右， 但腦脊液中的氯化物濃度隨血液中氯化物濃度而變；,在正常人血液中，血鈉為130150mmol/L， 血鉀為3.55.3mmol/L，血鈣為.252.75mmol/L， 血鎂為0.751.25mmol/L。氯化鈉是其主要成分。 為維持腦脊液與血液之間滲透壓的平衡，應(yīng)當(dāng)及時適度補鹽,2、膠體的沉降,分散于氣體或液體介質(zhì)中的顆粒，都受到兩種相反方向作用力。 重力：溶膠中顆粒的密度大于介質(zhì)時， 顆粒在重力場作用下有向下沉降的趨勢；稱為沉降。 沉降的結(jié)果使底部粒子濃度大于上部，即造成上下的濃差， 擴散力：由布朗運動引起，其作用促進介質(zhì)中粒子濃度均勻；,沉降與擴散達(dá)平

9、衡時，粒子的分布達(dá)到平衡，稱為沉降平衡。 此時，顆粒濃度自上而下增加， 隨高度不同有一定的濃度梯度， 梯度不隨時間而變。, 在重力場中的沉降； 在離心力場中的沉降； 離心力場中的沉降主要是在離心機中進行 普通離心機：3000r/min, 產(chǎn)生的離心力比地心引力大2000倍 超速離心機：轉(zhuǎn)速可達(dá)1016萬轉(zhuǎn)/min, 產(chǎn)生的離心力約為重力的100萬倍,3、布朗運動, 膠體布朗運動的獨特性 分子分散體系和粗分散系為什么沒有布朗運動？ 膠體分散體系為什么能觀察到布朗運動？ 布朗運動是分子熱運動的必然結(jié)果。 大顆粒：每秒鐘在各個方向上都承受數(shù)百萬次撞擊, 各個方向幾率均等，相互抵消； 顆粒較大，難以發(fā)

10、生位移。,直徑小于4m的粒子在分散介質(zhì)中都呈現(xiàn)出連續(xù)不斷的、無規(guī)則的運動，這就是布朗運動。,當(dāng)半徑大于5 m，Brown運動消失。,粒子如果較小，受到分子熱運動撞擊的次數(shù)就要小的多，各個方向的撞擊不能彼此抵消 小粒子就發(fā)生了不斷改變方向的、無規(guī)則的運動。 從運動性質(zhì)來看，溶液與膠體無本質(zhì)上的區(qū)別， 溶液中，是單個分子的熱運動； 溶膠的布朗運動是許多分子熱運動沖擊的綜合結(jié)果。,液體分子對溶膠粒子的撞擊,粗分散系,布朗運動產(chǎn)生的原因： 分散質(zhì)粒子本身處于不斷的熱運動中。 分散劑分子對分散質(zhì)粒子的不斷撞擊。,為什么顆粒越小，布朗運動越明顯？, 布朗運動是Robert Brown于1827年發(fā)現(xiàn)， 但

11、是到了1905年Einstein和Smaluchowski由分子運動論觀點分別提出了布朗運動理論。,NA阿伏加德羅常數(shù) 介質(zhì)粘度 r 粒子半徑,Perrin 證實了EinsteinBrown位移公式 通過觀察藤黃粒子的布朗運動，多次測定NA值。 粒子數(shù)50個，r=0.212um, T=287K, =0.0012Pas, t=120s 觀察位移次數(shù)50次；測得平均位移13.96um 求得NA6.121023；與實際值非常接近。,Einstein,愛因斯坦：一個世紀(jì)的神話,1905年，是堪稱奇跡的一年。 這種年份僅在16651666年有過一次, (牛頓為了躲避黑死病而呆在自己的家鄉(xiāng)，開始著手微積分

12、、萬有引力定律和顏色理論的基礎(chǔ)工作) 除此之外，科學(xué)史上沒有哪一階段可以與1905年的科學(xué)成就相媲美。,1905年，年僅26歲的愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了關(guān)于： 量子論、 相對論 布朗運動等方面的論文， 這些論文都可以稱為-革命性的論文 開啟了自然科學(xué)的新紀(jì)元。 為了紀(jì)念物理學(xué)史上這一空前絕后的“奇跡年” 聯(lián)合國教科文組織將2005年定為“世界物理年”,2005年4月18日是愛因斯坦逝世50周年，世界各國都在以各種方式紀(jì)念這位繼牛頓之后最為大的科學(xué)家。 在全球舉行了光束穿越活動，,我校泰達(dá)應(yīng)用物理學(xué)院博士生樓慈波， 獲得了為紀(jì)念這一活動所設(shè)立的愛因斯坦獎， 全國獲獎?wù)吖?0名。 該獎項由德國與瑞士政府

13、聯(lián)合頒發(fā)， 訪問了瑞士與德國的科研機構(gòu)。,Einstein的四篇著名論文,1.關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個有啟發(fā)性觀點 論文完成于1905年3月，6月發(fā)表在德文刊物物理學(xué)年鑒(Annalen der Physik)上。 該文并且延伸了Marx Plank的量子思想， 即高溫物體僅以特定離散束的形式發(fā)射或吸收能量， 認(rèn)為光束是由粒子組成。 它為量子力學(xué)基石的光的波粒二重性獲得廣泛接受鋪平了道路。,2.分子大小的新測定,該文完成于1905年4月30日。 當(dāng)時愛因斯坦還沒有獲得博士學(xué)位， 1901年曾經(jīng)提交過一篇關(guān)于氣體分子運動論的論文，被蘇黎世大學(xué)駁回； 1905年初，再次提交關(guān)于狹義相對論的論文，又

14、被認(rèn)為是“荒誕不經(jīng)”而駁回； 于是，便提交了這篇.分子大小的新測定,完成于1905年5月； 于1905年7月發(fā)表在物理學(xué)年鑒(Annalen der Physik)上。 該文創(chuàng)立了支配布朗運動的數(shù)學(xué)定律 是對現(xiàn)代統(tǒng)計力學(xué)的一項重大貢獻(xiàn)， 其導(dǎo)出的方法可以用于空氣污染物的行為或者股票市場漲落走勢。,3、上文的續(xù)篇關(guān)于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動,4. 論動體的電動力學(xué),此文為獲得諾貝爾獎的貢獻(xiàn)論文。,愛因斯坦研究布朗運動的起因與結(jié)果,1927年，植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)并引起人們注意這種現(xiàn)象； 此后的多年，這種現(xiàn)象就一直困擾著許多科學(xué)家； 許多人把水滴中花粉顆粒總是做著隨機運動的現(xiàn)象

15、，解釋為這些花粉顆粒是有生命的。 然而，布朗將研磨的精細(xì)巖石粉末懸浮于水中時也有類似現(xiàn)象。 有人又認(rèn)為是電力場推動，有人傾向于蒸發(fā)、對流、光效應(yīng)。,布朗寫下了這樣的一段文字：“我確信這種運動不是由于液體流動所引起，也不是由液體的逐漸蒸發(fā)所引起，而是屬于粒子本身的運動”,布朗,英國,植物學(xué)家,為了進一步證實這種看法， 布朗把觀察的對象擴大到一切物質(zhì)的微小顆粒，發(fā)現(xiàn)， 一切懸浮在液體中的微小顆粒， 都會作無休止的不規(guī)則運動。,愛因斯坦提出， 懸浮于液體中的顆粒的四處運動， 主要是分子從各個方向與其撞擊造成的。 這些現(xiàn)象事實上是關(guān)于熱的本質(zhì)理論的有力證據(jù)（當(dāng)時正在爭論）。 導(dǎo)出了決定布朗運動基本數(shù)學(xué)規(guī)律。 最近，科學(xué)家應(yīng)用愛因斯坦的這些數(shù)學(xué)規(guī)律，設(shè)計出了“布朗棘輪”：,這些設(shè)備利用了一個事實，即布朗運動中小粒子移動的距離比大粒子遠(yuǎn)。 利用微觀化的絞盤內(nèi)鋸齒型齒輪， 布朗棘輪把粒子的隨機運動轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫墓ぷ?例如： 按大小分離病毒， 除掉水中的污染雜質(zhì)。,2003年， 利用類似于制造微芯片的技術(shù)，普林斯頓大學(xué)的C. Sturm及其合作者建造了兩臺這樣的布朗棘輪。 它看上去有點像大拇指大小。 在一塊二氧化硅薄片中刻蝕出一條通道， 在通道中等間隔地留下若干微小支柱， 間隔足以使液體流過。 微支柱寬6微米，高3微米，成