淺談膠體化學的發展史

時間：2024-09-28 16:31:33 化學畢業論文我要投稿

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淺談膠體化學的發展史

　　一．膠體化學的簡史與內容

淺談膠體化學的發展史

　　膠體這個名詞史由英國科學家 Thomas Graham(1861 年 ) 提出來的。那時近代的分子運動理論才成立，其應用只限于氣體。 Graham 最早將此新理論應用于液體體系，他系統地研究物質在液體中的擴散。他用的儀器極為簡單，將一塊羊皮紙縛在一個玻璃筒上，筒里裝著要試驗的溶液，并把筒浸在水中。 Graham 用此種裝置研究許多物質的擴散速度，發現有些物質，如糖、無機鹽、尿素等擴散快，很容易自羊皮紙滲析出來；另一下物質，如明膠、氫氧化鋁、硅酸等擴散很慢，不能或很難透過羊皮紙。前一類物質當溶劑蒸發時易于形成晶體析出，后一類物質則不能結晶，大多成無定形膠狀物質。于是， Graham 把后一類物質稱為膠體（ Colloid ），其溶液稱之為溶膠。膠體源自希臘文的 κολλα（膠）。

　　雖然膠體化學的歷史一般皆以 1861 年為開始，其實，在此之前已有一些化學家和物理學家作過膠體的研究，只是較為零星。例如，意大利化學家 Selmi （ 1845 年）曾制備了氯化銀、硫和普魯士藍在水中的假溶液，這些溶液外觀透亮或微呈混濁。他認為溶液中分散的質點比通常的分子來得大。 Faraday （ 1858 年）曾制得紅色的金溶液，并發現溶膠對光有散射作用，此即所謂的 Tyndall 效應。 Faraday 制備金溶液時，十分強調所用器皿與藥品必須非常干凈。經他仔細制得的金溶膠保存到 20 世紀二十年代才沉淀出來。

　　在人類的生產實踐中，膠體的應用可以追溯到更早，幾乎和人類的文明一樣悠久。在有歷史記載以前我們的祖先就會制造陶器；在夏禹之時就會釀酒；至少在周朝初期，人們就和用膠；在漢朝已出現用天然高聚物——纖維造出來的紙；在后漢又發明了墨。這些都是膠體應用的生動實例，也充分說明我們的民族時富于創造性的。在古埃及史中有濕木裂石的記載；中古的煉丹家已知道制備金汁，這是懸于水中的微粒金。和許多古代勞動人民的創造一樣，這些發明者的姓名現在已不可考。

　　在 Graham 之后四十多年，俄國化學家 Benmaph 用 200 多種物質做實驗，證明無論如何物質既可制成晶體狀態也可制成真溶液，在酒精中則可形成膠體溶液。因此，晶體和膠體并不是不同的兩類物質，而是物質的兩種不同的存在狀態。由擴散慢和不能透過半透膜這些特性可以推斷，膠體溶液中的質點不是以小分子，而是以大粒子的形式分散在介質中。這些膠體溶液在重力場中不沉降或沉降極慢，表面分散的質點額不會很大。總起來講，膠體質點指的是至少在一個線度上，其大學在 1nm 至 1 μ m 之間的質點，當然這個大小的界線多少帶有點人為性。簡言之，膠體是指高度分散的分散體，膠體化學則是研究膠體體系的科學。膠體化學與化學的其他分支的不同之處是，后者的研究對象均屬小分子，而膠體化學除了分子之外，更注意膠體大小的質點。

　　自上述內容可知，膠體的一個重要特點就是分散的質點和介質之間由很多的相界面。以直徑為10nm 的球形質點來說（例如金溶膠或者二氧化硅溶膠），當質點總體積為 1cm 3 時，其面積為 600m 2 ，這是一個相當可觀的數目。膠體的許多性質，如穩定性和電學性質等，與界面能有密切關系。因此，對界面性質的研究很早就成為膠體化學的內容。后來表（界）面研究的范圍日益擴大，凡事與界面有關連的體系與過程皆成為其研究對象，例如從人工造雨、礦石浮選、染色、防毒、水土保持到吸附與催化等，所以有一段時期膠體化學被稱為表面化學。現在我們知道，二者的關系非常密切，但各有側重。當我們把注意力放在物質的界面特性上，此即表面化學。倘若我們把細分割的物質當成一群質點構成的分散體加以研究，即為膠體化學。

　　雖然膠體質點可以是由許多分子組成的，但這并不意味著質點中不能只有一個分子。將明膠溶于水中或將橡膠溶于甲苯，皆分散成單獨的分子。這些分子的大小合乎膠體質點的標準。由于大小相近，這些大分子溶液（分子溶膠）與膠體溶液（相膠體）有許多相似的性質

　　和相同的研究方法，例如動力性質、光學性質、流變性等，因為這些性質往往只和質點的大小、形狀有關，與相界面存在與否卻是無關的。因此，大分子無聊化學（包括蛋白質、核酸、多糖化合物等生物大分子）很自然地成了膠體研究的重要內容。但是，此種體系與經典膠體，如膠狀金、 As 2 S 3 溶膠也有很多不同之處。以金溶膠為例，金必須加工方能成為膠體；褶子膠體只是暫時穩定，遲早要沉淀出來；將沉淀再懸浮于水中，不能再得到膠狀金。甲苯中的橡膠卻可長期穩定，不會沉淀；幾時蒸干溶劑，得到的固體再溶于甲苯中，又可以得到原來的溶液。換言之，金溶膠是不可逆的，橡膠體系則是可逆的。自熱力學觀點，前者是不穩定的，后者是穩定的，是真溶液。自質點與介質的親和性來看，前者為憎液膠體，后者是親液膠體。

　　由于高分子材料的迅速發展與日益重要，大分子物理化學已擴展成為獨立的學科分支。但是，由于歷史的傳統原因和性質上的緊密練習，大分子溶液仍是膠體化學研究的一個重要部分。從德國化學會主辦的歷史悠久的刊物“膠體雜志“更名為”膠體與聚合物雜志 “，讀者當可體會到它們直接的既密切又相對獨立的關系。近年來聚合物膠體有了較大的發展，一是用乳膠聚合制成單分散的、即質點大小均一的膠乳（如聚苯乙烯分散在水中）可以作為膠體基礎研究的模型分散體；二是制成微晶聚合物分散體（如纖維素在水中），有很大的潛在實用重要性。這些離子還說明，憎液膠體與親液膠體都是物質的一種狀態，是可以相互轉化的。在液體介質中，膠體質點也可以由許多比較小的兩親分子（分子由沁水的極性基團和親油的碳氫鏈組成）締合而成，此即膠團。膠團有正膠團（里面為烴核，外層為極性基團，分散在非極性介質中）和逆膠團（里面為極性基團，外層為碳氫鏈，分散在非極性介質中）之分。與高聚物的不同之處是此種締合是可逆的。此類膠體叫締合膠體，是熱力學穩定體系。表面活性劑分子具有兩親分子結構，其主要特點是在界面上的吸附和在溶液內部形成膠體。因此，無論自膠體的觀點，還是從界面的角度，表面活性劑是膠體與表面化學的重要研究對象。

　　許多重要的分散體，如乳狀液、懸浮液、泡沫等，其質點大小雖不合乎經典的膠體標準，單體系具有很大的界面，和憎液膠體一樣屬于熱力學不穩定體系。因此，它們也屬于膠體化學討論的內容。

　　親液膠體和憎液膠體有著本質上的區別。前者屬于熱力學穩定體系，后者是熱力學不穩定體系。至于在擴散等性質上的相同，僅僅是表觀上的類似，不能因此而混淆二者的本質區別。所以從二十世紀五十年代起，就開始把親液膠體改稱為大分子溶液，把憎液膠體稱為膠體分散體系或溶膠。

　　近年來，隨著分子生物學等氣體學科的發展，對蛋白質一類物質的溶液，有了比較深入的認識。認為應當把膠體體系分為以下三大類才比較確切。

　　（ 1 ）分散體系：包括粗分散體系和膠體分散體系。由于體系有很高的表面自由能，是屬于熱力學不穩定體系。

　　（ 2 ）大分子物質的真溶液：因為沒有界面，體系無界面能存在，所以是熱力學穩定體系，與上述分散體系不同，能自動形成大分子溶液。

　　（ 3 ）締合膠體，即膠體電解質。它也是熱力學穩定體系。現在工業上用得最到的表面活性劑，就屬于締合膠體。

　　二、膠體化學的發展前景

　　膠體化學是密切結合實際，并與其它學科息息相關的學科，它涉及的范圍廣，研究的內容豐富。從它的發展歷程也可以看出，膠體化學的內容是不斷深入、面貌在不斷更新，開拓的領域也越來越廣。在自身的發展過程仲，也繁殖出一些新的學科，或豐富了其他學科的內容。可以預期，膠體化學將繼續沿著這個方向發展。

　　促進膠體化學向前發展的主要因素，歸納有以下幾個方面：

　　（ 1 ）因為膠體化學是一門與實際應用密切結合的學科，現代工農業生產為膠體化學的發展提供了廣闊的前景。可以預期，工農業進一步發展中將會更廣泛地運用膠體化學的基本原理和研究方法，特別是石油的開采和煉制，油漆、印染和選礦，甚至土壤改良和人工降雨等，都需要膠體化學。二工農業生產實踐中所提出來的問題，又進一步推動著膠體化學學科理論的發展。

　　（ 2 ）現代科學儀器的發展為膠體化學的研究提供了新的手段。例如，近年來各種波譜研究，如紅外、核磁共振（ NMR ）、電子自旋共振（ ESR ）、電子能譜、拉曼光譜以及穆斯堡爾譜等的發展，對吸附在固體表面上分子狀態的本質，有了更深入的了解。又如使用激光光散射、超離心技術研究蛋白質大分子的構型，也取得了驚人的成功。

　　（ 3 ）近代化學和近代物理上的成就，進一步促進對膠體化學中某些理論的探討。例如以量子力學及固體物理為基礎研究吸附和催化現象；用統計力學和電子計算機技術研究高分子溶液性質、搞分子在固體表面上細故以及聚沉過程；用示蹤原子驗證某些吸附動力學過程、兩維膜的性質。在這些方面都已取得了良好的結果，開拓了膠體化學研究的新領域。

　　（ 4 ）近二十多年來，生物物理、生物化學和分子生物學的研究，取得了巨大的成就。眾所周知，它們的發展是吸取了膠體化學的理論和方法的。同時，這些學科的發展，為膠體化學提供了更廣闊的研究領域和視野，推動了膠體化學的進一步發展。

　　慣上,把分散介質為液體的膠體體系稱為液溶膠,如介質為水的稱為水溶膠;介質為固態時,稱為固溶膠.

　　由此可見,膠體體系是多種多樣的.溶膠是物質存在的一種特殊狀態,而不是一種特殊物質,不是物質的本性.任何一種物質在一定條件下可以晶體的形態存在,而在另一種條件下卻可以膠體的形態存在.例如,氯化鈉是典型的晶體,它在水中溶解成為真溶液,若用適當的方法使其分散于苯或醚中,則形成膠體溶液.同樣,硫磺分散在乙醇中為真溶液,若分散在水中則為硫磺水溶膠.

　　由于膠體體系首先是以分散相顆粒有一定的大小為其特征的,故膠粒本身與分散介質之間必有一明顯的物理分界面.這意味著膠體體系必然是兩相或多相的不均勻分散體系.

　　另外,有一大類物質(纖維素、蛋白質、橡膠以及許多合成高聚物）在適當的溶劑中溶解雖可形成真溶液，但它們的分子量很大（常在1萬或幾十萬以上，故稱為高分子物質），因此表現出的許多性質（如溶液的依數性、黏度、電導等）與低分子真溶液有所不同，而在某些方面（如分子大小）卻有類似于溶膠的性質，所以在歷史上高分子溶液一直被納入膠體化學進行討論。30多年來，由于科學迅速地發展，它實際上已成為一個新的科學分支——高分子物理化學，所以近年來在膠體表面專著（特別是有關刊物）中，一般不再過多地討論這方面內容。

　　——摘自《膠體與表面化學（第三版）》，化學化工出版社

　　膠體

　　定義；分散質粒子大小在1nm~100nm的分散系。

　　膠體與溶液、濁液在性質上有顯著差異的根本原因是分散質粒子的大小不同。

　　常見的膠體：Fe(OH)3膠體、Al(OH)3膠體、硅酸膠體、淀粉膠體、蛋白質、血液、豆漿、墨水、涂料、肥皂水、AgI、Ag2S、As2S3

　　分類：按照分散劑狀態不同分為：

　　氣溶膠——分散質、分散劑都是氣態物質：如SO2擴散在空氣中

　　液溶膠——分散質、分散劑都是液態物質：如Fe(OH)3膠體

　　固溶膠——分散質、分散劑都是固態物質：如有色玻璃、煙水晶

　　3、區分膠體與溶液的一種常用物理方法——利用丁達爾效應

　　膠體粒子對光線散射而形成光亮的“通路”的現象，叫做丁達爾現象。

　　膠粒帶有電荷