胶体和表面化学必会的题目及解答.doc

胶体化学
研究胶体体系的科学。是重要的化学学科分支之一。
表面活性剂
使表面张力在稀溶液范围内随浓度的增加而急剧下降，表面张力降至一定程度后（此时溶液浓度仍很稀）便下降很慢，或基本不再下降，这种物质被称为表面活性剂。
3固体表面吸附
是固体表面对其他物质的捕获，任何表面都有自发降低表面能的倾向，由于固体表面难于收缩，所以只能靠降低界面张力的办法来降低表面能，这就是固体表面产生吸附作用的根本原因。
润湿
是用一种流体取代固体表面上存在的另一种流体的过程。
固体表面改性
通过物理或化学的方法，使固体表面性质发生改变的过程。
吸附剂
能够通过物理的或化学的作用，吸附其它物质的物质。
乳状液的变型
乳状液的变型也叫反相，是指O/W型（W/O型）乳状液变成W/O型（O/W型）乳状液的现象。
触变作用
凝胶振动时，网状结构受到破坏，线状粒子互相离散，系统出现流动性；静置时，线状粒子又重新交联形成网状结构。
净吸力
在气液界面，液体表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小，所以表面分子受到一个垂直于液体表面、指向液体内部的合吸力，称为“净吸力”。
Krafft 点
离子型表面活性剂在水中的溶解度随着温度的变化而变化。当温度升高至某一点时，表面活性剂的溶解度急剧升高，该温度称为krafft点。
浊点
加热非离子型表面活性剂的透明水溶液，其在水溶液中的溶解度随温度上升而降低，在升至一定温度值时出现浑浊，这个温度被称之为该表面活性剂的浊点。
表面张力
表面张力是为增加单位面积所消耗的功。
临界胶束浓度：
在表面活性剂溶液中，开始大量形成胶束的表面活性剂浓度。
起泡剂
在气液分散体系中，使泡沫稳定的表面活性剂，称为起泡剂。
凝胶
一定浓度的溶胶体系，在一定的条件下失去流动性而形成的半固体物质。
高分子溶液
分散相是高分子物质的分散体系。
比表面积
对于粉末或多孔性物质，1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面。
增溶作用
指难溶和不溶有机物在表面活性剂胶束水溶液中溶解度增大的现象
离浆作用
水凝胶在基本上不改变原来形状的情况下，分离出所包含的一部分液体，
使构成凝胶网络的颗粒相互收缩靠近，排列得更加有序。
聚沉值
使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度。对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。

丁达尔效应
一束强光射入溶胶后，在入射光的垂直方向可以看到一道明亮的光带，称为丁达尔效应.丁达尔效应可以认为是胶粒对光的散射作用的宏观表现.
影响乳状液变型的因素
（1）乳化剂的类型：1价金属皂为乳状液时，则得O/W型乳状液；若为高价金属皂，则得W/O型乳状液。
（2）相体积比在某些体系中，当内相体积在74%以下时体系是稳定的，当超过74%时则内相转变成外相，乳状液发生变型。
（3）温度
（4）电解质
影响溶胶稳定性的因素
（1）外加电解质的影响。这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使电位下降，促使胶粒聚结。
（2）浓度的影响。浓度增加，粒子碰撞机会增多。
（3）温度的影响。温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加。
（4）胶体体系的相互作用。带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。

人工降雨的原理
高空中如果没有灰尘，水蒸汽可以达到相当高的过饱和程度而不致凝结成水。因为此时高空中的水蒸汽压力虽然对平液面的水来说已是过饱和的了，但对将要形成的小水滴来说尚未饱和，因此，小水滴难形成。若在空气中撒入凝结中心，使凝聚水滴的初始曲率半径加大，其相应的饱和蒸汽压可变小，因此蒸汽会迅速凝结成水。
溶胶的颜色
溶胶产生各种颜色的主要原因是溶胶中的质点对可见光产生选择性吸收。若溶胶对可见光的各部分吸收很弱，且大致相同，则溶胶无色。若溶胶能较强的选择性吸收某一波长的光，则透过光该波长的光变弱，就会呈现该波长光的补色光。质点对光的吸收主要取决于其化学结构。每种分子都有其自己的特征吸收波长，若特征波长在可见光波长范围内，则该物质显色。

布朗运动
本质是分子的热运动，现象是分子处于不停的无规则运动中。由于布朗运动是无规则的，因此就单个粒子而言，它们向各方向运动的几率是相等的。在浓度高的区域，单位体积的粒子较周围多，造成该区域“出多进少”，使浓度降低，这就表现为扩散。扩散是布朗运动的宏观表现，布朗运动是扩散的微观基础.
乳状液类型的鉴别
（1）稀释法：将数滴乳状液滴入蒸馏水中，若在水中立即散开则为O/W型乳状液，否则为W/O型乳状液。
（2）染色法：向乳状液滴入水溶性染料（如亚基蓝溶液）若被染成蓝色为O/W类型乳状液，如内相变为蓝色则为W/O型乳状液
（3）导电法：O/W类型乳状液导电性好，而W/O型乳状液导电性能差。但使用离子型乳化剂时，即使是W/O型乳状液，或水相体积分数很大的W/O型乳状液，其导电性也颇为可观。
凝胶形成的方法
（1）改变温度，降低温度，质点因碰撞相互连结而形成凝胶。
（2）加入非溶剂，在Ca(Ac)2的饱和水溶液中加入酒精中，制成凝胶。
（3）加入盐类在亲水性较大和粒子形状不对称的溶胶中，加入适量的电解质可形成凝胶。
（4）化学反应，利用化学反应生成不溶物时，如果条件合适也可以形成凝胶。不溶物形成凝胶的条件是（1）在产生不溶物的同时生成大量的小晶体；(2)晶粒的形状以不对称的为好，这样有利于形成骨架。
影响乳状液的稳定性因素
（1）.乳状液是热力学不稳定体系
（2）.油-水间届面的形成
（3）.界面电荷
（4）.乳状液的黏度
（5）.液滴大小剂其分布
（6）.粉末乳化剂的稳定作用
物理吸附的特点
（1） 吸附力是由固体和气体分子之间的范德华引力产生的，一般比较弱。
（2） 吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个kJ/mol以下。
（3） 吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当然吸附量会有所不同。
（4） 吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快。
（5） 吸附可以是单分子层或是多分子层的。
（6） 吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快。
总之：物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。
影响表面张力的因素
a.物质的本性:表面张力源于净吸力，而净吸力取决于分子间的引力和分子结构，因此，表面张力于物质本性有关。例如20℃时，水的表面张力高达72.75mN/m，正己烷的表面张力只有18.4mN/m,水银在室温下的表面张力为最高，达485mN/m
b.相界面性质：通常所说的某种液体的表面张力是指该液体与含有本身蒸气的空气相接触时的测量值。两个液相之间的界面张力是两液体已相互饱和（尽管互溶度可能很小）时，两液体的表面张力之差。
c.温度：温度升高时一般液体的表面张力都降低。因为温度升高时物质膨胀，分子间距增大，故吸引力减弱，σ降低。
d.压力：表面张力随压力增大而减小，但压力改变不大时，压力对液体表面张力的影响很小。
影响增溶作用的因素
（1）表面活性剂的结构，同系的钾皂中碳氢链越长，増溶能力越大；对于烃类，2价金属烷基硫酸盐较之相应的钠盐有较大的增溶能力，因为前者具有较大的胶束聚集数和体积；但直链的表面活性剂较相同的碳原子数的支链表面活性剂的増溶能力大，因为后者的有效链长较短；极稀溶液中非离子型表面活性剂有较低的CMC，故较之粒子性表面活性剂有较强的増溶能力。当表面活性剂具有相同的亲油链长时，不同类型表面活性剂增溶烃类和极性化合物的顺序：非离子型>阳离子型>阴离子型
（2）被增溶物的结构：一般情况极性化合物比非极性化合物易于增溶；芳香族化合物比脂肪族化合物易于增溶；有支链的化合物比直链化合物易于增溶。
（3）电解质：往离子型表面活性剂中加入无机盐，能降低其CMC，有利于加大表面活性剂的増溶能力；往非离子型表面活性剂中加入电解质，能增加烃类的增溶量，这主要是加入电解质后胶束的聚集数增加。
（4）温度：升温能增加极性和非极性物质在离子型表面活性剂中的增溶作用量，这主要是由于温度升高后热扰动增强，从而增大了胶束中提供增溶的空间。

固-气界面吸附的影响因素
（1）.温度：无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时吸附量减少
（2）.压力：无论吸附是物理吸附还是化学吸附，压力增加，吸附量增加，吸附速率也随压力的增大而增大。
（3）.吸附剂和吸附质性质；（a）极性吸附剂易于吸附极性吸附质；（b）非极性吸附剂易吸附非极性吸附质；（c）无论是非极性吸附剂还是极性吸附剂，一般吸附质分子结构越复杂，沸点越高，被吸附的能力越强。这是因为结构越复杂范德华力越大，沸点越高，气体的凝结越大，越有利于吸附。（d）酸性吸附剂易吸附碱性吸附质，反之亦然。
（4）.吸附剂的孔结构
乳化剂的作用
（1）降低油-水界面张力：乳化剂吸附在油水界面上，亲水的极性基团浸在水中，亲油的非极性基团伸向油中，形成定向的界面膜，降低了油水体系的界面张力，使乳状液变得较为稳定。
（2）在分散相(内相)周围形成坚固的保护膜；乳化剂分子在油水界面上的定向排列，形成一层具有一定机械强度的界面膜，可以将分散相液滴相互隔开，防止其在碰撞过程中聚结变大，从而得到稳定的乳状液。
（3）液滴双电层的排斥作用由于同性电荷之间的静电斥力，阻碍了液滴之间的相互聚结，从而使乳状液稳定。
（4）固体粉末的稳定作用：固体粉末作乳化剂时，粉末在油水界面上形成保护膜而使乳状液稳定。亲水性固体如二氧化硅、蒙脱土等可作为制备O/W型乳化液的乳化剂；亲油性固体如石墨可作为W/O型乳化剂。
凝胶的结构及特点
（1）.结构分类:（a）球形质点相互联结，由质点联成的链排成三维的网架,（b）棒状或片状质点搭成的网架,（c）线性大分子构成的凝胶，在骨架中一部分分子链有序排列构成微晶区,（d）线性大分子因化学交联而形成凝胶
(2).凝胶结构间的区别主要表现在质点的形状、质点的刚性或柔性和质点之间联结的特殊方式。
（a）质点的形状：质点形状对形成凝胶所需的最低浓度值有明显的影响。形状越不对称，所需的浓度越低。
（b）质点的刚性或柔性：柔性大分子通常形成弹性凝胶，而刚性质点形成非弹性凝胶，这两类凝胶的许多性质都不一样。
（c）网状结构中质点联结的性质,①靠质点间的分子吸引力形成的结构，这类结构不稳定，往往具有触变性，在外里作用下结构遭到破坏，静置后又可复原。②靠氢键形成结构，主要是蛋白质，结构较前类牢固些，比较稳定。③靠化学键形成网状结构，这类结构非常稳定。这类凝胶在吸收液体后只能发生有限膨胀，加热后也不会变成无限膨胀。
杜南平衡
小离子既能通过半透膜，又要受到不能透过半透膜的大分子的影响，从而使小离子在膜的内外两边分布不均匀，这种不均匀的分布平衡称为Ｄｏｎｎａｎ平衡。
凝胶的分类
（1）弹性凝胶：由柔性的线性大分子物质形成的凝胶。
这类凝胶的干胶在水中加热溶解后，在冷却过程中便胶凝成凝胶。此凝胶经脱水干燥又成干胶，并可如此反复下去，说明这一过程是完全可逆的，故又称为可逆凝胶。
（2）非弹性凝胶：由刚性质点溶胶所形成的凝胶。在吸收或脱除溶剂后刚性凝胶的骨架基本不变，所以体积也无明显变化
这类凝胶脱水干燥再置水中加热一般不形成原来的凝胶，更不能形成产生此凝胶的溶胶，因此，此类凝胶也称为不可逆凝胶。
沉降
溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度。
自然界中气泡、小液滴都呈球形
液膜和液体表面都具有表面自由能，表面自由能越低，系统越稳定，所以为了降低表面自由能，液体表面都有自动收缩的趋势。而球形是相同体积的物体具有表面积最小的一种形式，所以气泡和小液滴都呈球形。
5.Rayleigh散射定律

c为单位体积中质点数，v为单个粒子的体积，为入射光波长，n1、n2分别为分散介质和分散相的折射率.
①散射光强度与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。
②分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作用亦愈显著。若n1=n2 则无散射现象
③散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。
④散射光强度与粒子体积的平方成正比。在低分子溶液中，散射光极弱，因此利用丁道尔现象可以鉴别溶胶和真溶液。
固体表面的特点
a．固体表面分子（原子）移动困难，固体可能存在各向异性，向不同方向施力以形成新表面所做的功不同。
b. 固体表面组成不同于体相内部，固体表面因原子间距离的改变而引起表面积的变化，不需对体相原子做功将其拉到表面。
c. 固体表面是不均匀的，表面不均匀性表示不同表面区域原子所处微环境有差异，因而受周围原子的作用力也就不同。

溶胶体系的稳定性
a．热力学上为不稳定体系：胶体体系是多相分散体系，有巨大的界面能。
b．动力学上的稳定体系：溶胶粒子较小，布朗运动激烈，因此在重力场中不易沉降，即具有动力学稳定性。
c．聚结稳定性：由于胶团双电层结构的存在，胶粒都带有相同的电荷，相互排斥，故不易聚沉。这是溶胶稳定存在的最重要原因
d．水化膜：在胶团的双电层中反离子都是水化的，因此在胶粒外有一层水化膜，它阻止了胶粒的相互碰撞而导致胶粒结合变大。
表面活性剂的结构特点
表面活性剂结构分两部分，一部分是与油有亲和性的亲油基（也称憎水基），另一部分是与水有亲和性的亲水基（也称憎油基）。这种结构使它溶于水后，亲水基受到水分子的吸引，而亲油基受到水分子的排斥。虽然表面活性剂的结构是两亲分子，但并不是所有两亲分子都是表面活性剂，只有亲油部分有足够长度的两亲性物质，才是表面活性剂。
乳化剂的选择
（1）选择的一般原则：
①乳化剂大多有良好的表面活性，能降低表面张力，在欲形成的乳状液外相中有良好的溶解能力
②乳化剂在油水界面上能形成稳定的和紧密排列凝聚膜
③水溶性和油溶性乳化剂的混合使用有更好的乳化效果
④乳化剂应能适当增大外相黏度，以减小液滴的聚集速度
⑤满足乳化体系的特殊要求
⑥要能用最小的浓度和最低的成本达到乳化效果；乳化工艺简单。
（2）选择乳化剂的常用方法:
①HLB法
②PIT法
化学吸附的特点：
（1）. 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。
（2）. 吸附热较高，接近于化学反应热，一般在40kJ/mol以上。
（3）. 吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附可与之发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。
（4）. 吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。
（5）. 吸附是单分子层的。
（6）. 吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。
总之：化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外或可见光谱中会出现新的特征吸收带。
高分子溶液与憎液溶胶的异同点：
（1）.相同点:
①颗粒尺寸在1nm-1μm
②扩散速度缓慢
③不能透过半透明
（2）.不同点：
①聚合物同溶剂有亲和力，能自动溶解在溶剂中；溶胶是不会自动分散到分散介质中。
②高分子溶液是真溶液，溶解后聚合物以分子形式均匀分散在溶剂中，无明确界面，溶解、沉淀是热力学可逆的，浓度不随时间而变，处于热力学稳定状态。溶胶是热力学不稳定体系，添加稳定剂后才会有一定程度的动力学稳定性。
③高分子溶液是均相体系，丁达尔效应弱。溶胶是多相体系，丁达尔效应强。
④高分子溶液的黏度比溶胶的大得多。
⑤高分子溶液性质依赖于分子量，而聚合物的多分散性又使溶液性质的研究复杂化。溶胶的很大一部分性质是与颗粒大小有关的，颗粒大小的多分散同样使溶胶性质的研究复杂化。
在滴管内的液体，必须给橡胶帽加压时液体才能滴出，并呈球形
因在滴管下端的液面呈凹形，即液面的附加力是向上的，液体不易从滴管滴出。若要使液滴从管端滴下，必须在橡胶帽加以压力，使这压力大于附加压力，此压力通过液柱而传至管下端液面而超过凹形表面的附加压力，使凹形表面变成凸形表面，最终使液滴滴下。刚滴下的一瞬间，液滴不成球形，上端呈尖形，这时液面各部位的曲率半径都不一样，不同部位的曲面上所产生附加压力也不同，这种不平衡的压力迫使液滴自动调整成球形，使液滴具有最小的表面积以降低能量。
在进行蒸馏实验时，要在蒸馏烧瓶中加些碎瓷片或沸石，以防止暴沸
若无碎磁片或沸石，液体内部不易形成新相(气相)，因形成新相的刹那，该新气泡相的凹形表面的曲率很小，则根据开尔文公式，该微小气泡便自发消失，因此体系便不能在正常情况下沸腾，便会升高温度形成局部过热的亚稳定状态导至暴沸。如果在液体内加上沸石，则在沸石表面的尖端有较大的凸端，此处pr(气泡内压强)>>p*(液体饱和蒸气压)，因而容易沸腾，并且沸石内部吸附的空气，也因受热而脱附，成为形成气泡气核，又因沸石与瓶底紧密相接，而成为局部过热处，两者相接处的液膜在瞬间过热，pr＞p*，便成为微泡，使沸石跳动，结果便成为一新气泡上升。
质点表面的电荷的来源
（1）电离：对于可能发生电离的大分子的溶胶而言，则胶粒带电主要是其本身发生电离引起的。蛋白质分子，当它的羧基或胺基在水中解离时，整个大分子就带负电或正电荷。当介质的pH较低时，蛋白质分子带正电，pH较高时，则带负电荷。当蛋白质分子所带的净电荷为零时，这时介质的pH称为蛋白质的等电点。在等电点时蛋白质分子的移动已不受电场影响，它不稳定且易发生凝聚。
（2）离子吸附：凡经化学反应用凝聚法制得的溶胶，其电荷亦来源于离子吸附。胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电，如在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过量，则优先吸附I -离子，胶粒带负电。能和组成质点的离子形成不溶物的离子，最易被质点表面吸附，这个规则通常被称为Fajans规则。
（3）晶格取代：黏土晶格中的铝离子往往有一部分被钙离子或镁离子取代，从而使黏土带负电，为维持电中性，必然要吸附某些正离子，这些离子又因水化而离开表面，形成双电层。
（4）非水介质中质点带电的原因：当两种不同的物质接触时，相对介电常数D较大的一相带正电，另一相带负电。
STM的优点
(1)具有原子级的高分辨率。在平行与垂直于试样表面方向的分辨率分别为0.1nm和0.01nm，即可分辨出单个原子。
(2)可实时地得到空间中表面的三维图像，可用来研究具有周期性或不具有周期性的表面结构、表面吸附和表面扩散等动态过程。
(3)能观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。
(4)可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对试样无损伤。这些特点特别适用于研究生物试样和在不同实验条件下对试样表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测、LB膜缺陷的检测等。
(5)配合扫描隧道谱可以得到有关表面电子结构的信息，如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变位和能隙结构等。