3.3　胶体

胶体分散系的颗粒直径在10-9～10-7m，它可以分成两类：一类是由小分子化合物聚集而成的大颗粒多相系统，如常见的Fe（OH）3胶体溶液。另一类是由高分子化合物所组成的溶液。高分子化合物分子结构较大，可以表现出跟胶体相同的性质，因此在许多文献中，把高分子化合物溶液看成胶体的一部分，如淀粉溶液。实际上高分子溶液是一个均相的真溶液。

胶体与人体关系密切，人的皮肤、肌肉、血液、脏器、细胞、软骨甚至是毛发，都属于胶体分散系。江河入海口处形成三角洲，其形成原理是海水中的电解质使江河泥沙形成胶体发生聚沉。胶体与工业的关系也十分紧密，工程中使用的沥青就是一种高分子胶体。制有色玻璃（固溶胶），在金属、陶瓷、聚合物等材料中加入固态胶体粒子，不仅可以改进材料的耐冲击强度、耐断裂强度、抗拉强度等机械性能，还可以改进材料的光学性质。有色玻璃就是由某些胶态金属氧化物分散于玻璃中制成的。国防工业中有些火药、炸药需制成胶体。一些纳米材料的制备，冶金工业中的选矿，石油原油的脱水，塑料、橡胶及合成纤维等的制造过程都会用到胶体。本节重点讨论胶体及物质表面的一些重要性质。

3.3.1　胶体的表面吸附

胶体由于是一个多相系统，表面质点和内部质点所受到的作用力不同，表面质点的位能要高于内部，就产生了表面能。系统越分散，表面能越大，系统越不稳定，因此液体和固体都有自动降低表面能的趋势，其中一个手段就是表面吸附。

多孔的物质都具有强大的吸附能力，这也是因为它们的比表面积较大，表面能也较大。胶体的表面也具有这样的吸附能力，因此胶体可以形成一个巨大的结构。吸附是一个放热的过程，同时也是个自发过程。

3.3.2　胶团的性质

（1）溶胶的光学性质——丁达尔现象　当一束平行光线通过胶体时，从侧面看到一束光亮的“通路”。这是胶体中胶粒在光照时产生对光的散射作用形成的。对溶液来说，因分散质（溶质）微粒太小，当光线照射时，光可以发生衍射，绕过溶质，从侧面就无法观察到光的“通路”。因此可用这种方法鉴别真溶液和胶体。悬浊液和乳浊液，因其分散质直径较大，对入射光只反射而不散射，再有悬浊液和乳浊液本身也不透光，也不可能观察到光的通路。

（2）溶胶的动力学性质——布朗运动　胶体中胶粒不停地做无规则运动。其胶粒的运动方向和运动速率随时会发生改变，从而使胶体微粒聚集变难，这是胶体稳定的一个原因。布朗运动属于微粒的热运动现象，这种现象并非胶体独有的现象。

（3）溶胶的电学性质——电泳现象　几乎所有胶体体系的颗粒都带电荷。这是由于胶体本身电离，或胶体向分散介质选择的吸附一定量的离子，或与分散介质摩擦而带上某种电荷，又因为静电作用和离子热运动的结果在固-液界面上建立起一定电势的双电层，在电场或外力的作用下，双电层沿着移动界面分离开，胶粒在外加电场作用下，能在分散剂里向阳极或阴极做定向移动，这种现象叫电泳。电泳现象表明胶粒带电。胶粒带电荷是由于它们具有很大的总表面积，有过剩的吸附力，靠这种强的力吸附着离子。电泳仪如图3-6所示。

同种溶液的胶粒带相同的电荷，具有静电斥力，胶粒间彼此接近时，会产生排斥力，所以胶体稳定，这是胶体稳定的主要而直接的原因。利用电泳可以确定胶体微粒的电性质，向阳极移动的胶粒带负电荷，向阴极移动的胶粒带正电荷。一般来讲，金属氢氧化物、金属氧化物等胶体微粒吸附阳离子，带正电荷；非金属氧化物、非金属硫化物等胶体微粒吸附阴离子，带负电荷。因此，在电泳实验中，氢氧化铁胶体微粒向阴极移动，三硫化二砷胶体微粒向阳极移动。利用电泳可以分离带不同电荷的溶胶。

例如，陶瓷工业中用的黏土，往往带有氧化铁，要除去氧化铁，可以把黏土和水一起搅拌成悬浮液，由于黏土粒子带负电荷，氧化铁粒子带正电荷，通电后在阳极附近会聚集出很纯净的黏土。工厂除尘也用到电泳。利用电泳还可以检出被分离物，在生化和临床诊断方面发挥重要作用。20世纪40年代末到50年代初相继发展利用支持物进行的电泳，如滤纸电泳、醋酸纤维素膜电泳、琼脂电泳；50年代末又出现淀粉凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳等。

3.3.3　溶胶的结构

根据双电层理论，就可以设想溶胶的胶团结构。我们把构成胶粒的分子和原子的聚集体称为胶核。一般情况下，胶核具有晶体结构。胶核不带电。由于胶核有很大的比表面积，故易于在界面上有选择性地吸附某种与胶核有相同的组分而容易建成胶核晶格的那些离子。由胶核和紧密层所组成的部分称为胶粒，胶粒带电。胶粒和扩散层一起称为胶团，胶团不带电。在电场中，胶粒向某一电极移动，扩散层内的异电离子向另一极移动，这就是电泳的实质。

以AgI溶胶为例，当AgNO3的稀溶液与KI的稀溶液作用时，就能制得稳定的AgI溶胶。实验表明，胶核由m个AgI分子构成，当AgNO3过量时，它的表面就吸附Ag+，因而可制得带正电荷的AgI胶粒；而当KI过量时，它的表面就吸附I-，因而制得带负电荷的AgI胶粒。这两种情形的胶团结构如图3-7所示。

m表示胶核中物质的分子数，一般来说它是一个很大的数目，约为103左右；n表示胶核所吸附的离子数，n的数字要小得多；（n-x）是包含在紧密层中过剩的异电离子数。胶团结构也可用图3-8表示。

3.3.4　溶胶的聚沉

向胶体中加入电解质溶液时，加入的阳离子（或阴离子）中和了胶体粒子所带的电荷，使胶体粒子聚集成较大颗粒，从而形成沉淀从分散剂里析出，这个过程叫做聚沉。

能够使溶胶发生聚沉的因素如下。

（1）加入电解质　在溶液中加入电解质，这就增加了胶体中离子的总浓度，而给带电荷的胶体粒子创造了吸引相反电荷离子的有利条件，从而减少或中和了原来胶粒所带电荷，使它们失去了保持稳定的因素。这时由于粒子的布朗运动，在相互碰撞时，可以聚集起来，迅速沉降。

如由豆浆做豆腐时，在一定温度下，加入CaSO4（或其他电解质溶液），豆浆中的胶体粒子带的电荷被中和，其中的粒子很快聚集而形成胶冻状的豆腐（称为凝胶）。

一般说来，在加入电解质时，高价离子比低价离子使胶体凝聚的效率大。聚沉能力：Fe3+>Ca2+>Na+，。

江河入海口的三角洲的形成，正是因为河流中带有负电荷的胶态黏土被海水中带正电荷的钠离子、镁离子等中和后沉淀，经过数千年的沉积而形成。

（2）加入带相反电荷的胶粒，也可以起到和加入电解质同样的作用，使胶体聚沉　如把Fe（OH）3胶体加入硅酸胶体中，两种胶体均会发生凝聚。我国自古以来沿用的明矾［KAl（SO4）2·12H2O］净水法就是用Al2（SO4）3水解后产生Al（OH）3胶体，遇到悬浮的带负电荷的泥土中和后发生聚沉，达到净水目的。

（3）加热胶体　加热使胶粒运动加剧，它们之间的碰撞机会增多，而使胶核对离子的吸附作用减弱，即减弱胶体的稳定因素，导致胶体凝聚。如长时间加热时，Fe（OH）3胶体就发生凝聚而出现红褐色沉淀。

溶胶的聚沉是溶胶的特殊性质，有时候溶胶是必需的，就需要保护溶胶，不让胶团聚集形成沉淀，比如加入大分子化合物，以增加胶粒的溶剂化保护膜，或者通过渗析减少电解质的浓度。

有时候溶胶的生成也会带来一些麻烦。比如分离沉淀的时候如果沉淀形成了溶胶，就会对过滤造成影响，分离效率低下；工厂排放的烟气是炭粒和尘粒组成的气体溶胶，这些粒子都带有电荷，为了消除大气污染，可以让气体通过一个带电的通道，中和电荷，让气体溶胶聚沉；污水中含有的大量大分子化合物也会形成溶胶，污水二级处理的时候可以外加絮凝剂来加速这些物质的聚沉。