任务3.4　认识胶体溶液的性质

3.4.1　任务书

胶体分散系是分散系中分散质粒子直径在1～100nm之间的一类分散系，其广泛存在于石油、冶金、橡胶以及生命系统中，它对工业生产、生命现象和医学研究都非常重要。本次任务进行胶体的制备和性质、高分子化合物溶液的性质及其对胶体溶液的保护作用的实验，理解胶体溶液的性质特点，掌握制备胶体溶液的技巧，了解胶体溶液的保护和聚沉方法。

3.4.2　技能训练和解析　胶体溶液制备和性质实验

1.任务原理

溶胶中胶体粒子的直径是1～100nm，略小于可见光波长（400～700nm）。溶胶剂的制备方法有分散法和凝聚法，本实验采用的是化学凝聚法。

溶胶稳定的主要原因有胶粒带电、溶剂化膜的存在和布朗运动。

使溶胶聚沉的因素有很多，如加入电解质、加入带相反电荷的溶胶、加热等。

2.试剂材料

3.任务操作和记录

（1）溶胶的制备

Fe（OH）3溶胶的制备

（2）溶胶的性质

①溶胶的光学性质

②溶胶的电学性质

③溶胶的聚沉

电解质对溶胶的聚沉作用：

加热对溶胶的聚沉作用：

取1支试管，加入3mLFe（OH）3溶胶，用酒精灯加热至沸腾，观察现象，解释原因。

④高分子化合物溶液对溶胶的保护作用

取2支试管，各加入Fe（OH）3溶胶2mL，向1号管加蒸馏水2mL，向2号管加质量分数为1％的明胶溶液2mL，混匀后，分别向两管滴加0.02mol/LK2CrO4溶液，至沉淀析出为止，记下各加入K2CrO4的滴数，两管为什么不相同？

4.记录与报告单

（1）将手电筒从侧面照射Fe（OH）3溶胶时，在溶胶的正面可观察到的现象是________，解释原因是________。

（2）在溶胶的电学性质实验中，通电15min后观察到的现象是________，解释原因是________。

（3）0.1mol/L NaCl溶液、0.1mol/L Na2SO4溶液和0.1mol/L Na3PO4溶液对Fe（OH）3溶胶的聚沉时，消耗的滴数分别是________、________和________，这说明这三种电解质对Fe（OH）3溶胶的聚沉能力强弱顺序为________，解释原因是________。

（4）将Fe（OH）3溶胶继续加热至沸腾可观察到的现象是________，解释原因是________。

（5）高分子化合物溶液对溶胶的保护实验中，记下两试管中产生沉淀需各加入K2CrO4的滴数分别是________和________，解释原因是________。

5.注意事项

（1）在制备Fe（OH）3溶胶时，应注意缓慢加入FeCl3溶液，并边加边搅拌。

（2）在操作溶胶电泳实验时，U形管两端应缓慢注入一定量的KNO3溶液，使之与红棕色溶胶形成明显的界面。

（3）将石墨电极插入KNO3液层时切勿搅动界面。

6.问题与思考

（1）胶体分散系有哪些特点？

（2）溶胶有什么性质？

（3）胶粒带电的原因有哪些？

3.4.3　知识宝库　胶体

胶体分散系在自然界中普遍存在，如生物系统、石油、橡胶等，它与医学、工农业生产有着密切的联系。胶体分散系主要包括溶胶和高分子化合物溶液。

1.溶胶的基本性质

溶胶是难溶性固体分散在介质中形成的一种胶体分散系。按照分散介质的不同，溶胶又可分为液溶胶、气溶胶和固溶胶。液溶胶是指分散介质为液体的溶胶，通常简称为溶胶，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。

溶胶具有多相性、高分散性和聚集不稳定性的基本特征，其光学性质、动力学性质和电学性质都是由这些基本特征引起的。

（1）溶胶的光学性质　将溶胶和真溶液置于暗室中，用一束聚焦的可见光自侧面分别照射溶胶和真溶液，在与光束垂直的方向上可观察到溶胶中有一条明亮的光柱通过，而真溶液中是透明无光柱的，经比较，溶胶中能观察到一条明亮光柱的特有的现象称为丁达尔（Tyndall phenomenon）现象，如图3-8所示。

丁达尔现象产生的原因是由于溶胶中胶体粒子对光的散射而形成。溶胶中胶体粒子的直径是1～100nm，略小于可见光波长（400～700nm）。当光照射在溶胶上时，光从胶粒向各个方向发生散射，千万个胶粒的散射光组成了一条明亮的光柱。当分散相粒子直径大于入射光波长时，主要发生反射，此时观察到分散系是浑浊的，如粗分散系；当分散相粒子小于入射光波长时，则发生透射，可观察到分散系为透明的，如真溶液。因此，利用丁达尔现象可以区别溶胶和其他分散系。

（2）溶胶的动力学性质

在超显微镜下可观察到胶体粒子在介质中不停地作无规则运动，这种运动由英国植物学家布朗观察花粉颗粒运动时发现，故称为布朗运动，如图3-9所示。

布朗运动是分子热运动的结果，是由于分散介质分子不断地从各个方向撞击胶体粒子，使胶粒在每一瞬间受到碰撞的合力大小和方向不断改变，从而导致胶粒运动的无序性。

当溶胶中的胶粒存在浓度差时，由于布朗运动，胶粒能自动地从高浓度区域向低浓度区域移动，这称为胶粒的扩散。胶粒的扩散使其不易下沉，故溶胶具有一定的动力学稳定性。溶胶浓度差越大，黏度越小，温度越高，则越容易扩散。

（3）溶胶的电学性质

如图3-10所示，在U形管中注入红棕色的Fe（OH）3溶胶，在溶胶上面小心地注入适量NaCl溶液。然后分别在U形管两端插入电极，此时，U形管两端的溶胶液面高度保持一致，接通直流电源，一段时间后，可以观察到在负极一端的溶液颜色逐渐变深，且红棕色界面上升，而正极一端的颜色逐渐变浅，红棕色界面下降，这是由于Fe（OH）3溶胶粒子在电场作用下向负极移动导致，说明Fe（OH）3溶胶粒子是带正电荷的。若改用黄色的硫化砷溶胶，则能观察到在正极附近溶液颜色逐渐变深，液面上升，而负极颜色变浅，液面下降，说明硫化砷溶胶粒子在电场中向正极移动，其胶粒带负电。这种在外电场作用下，溶胶粒子的定向移动现象称为电泳。

电泳现象证明溶胶粒子是带电的，从电泳的方向可以判断胶粒所带电荷的性质。溶胶粒子向正极移动，则胶粒带负电，称为负溶胶，如大多数金属硫化物、非金属氧化物、硅胶、金、银等为负溶胶；溶胶粒子向负极移动，则胶粒带正电，称为正溶胶，如大多数金属氢氧化物溶胶。研究电泳现象，不仅有助于了解溶胶的结构及其电学性质，而且在临床上，电泳法在分离和鉴定蛋白质、多肽、核酸和氨基酸等物质时有着广泛的应用。

胶粒的胶核选择性地吸附溶液中与其组成相似的带电离子在其表面，致使胶粒带电。如AgI溶胶在含有过量AgNO3的溶液中，优先吸附Ag+，使胶粒带正电；而在含有过量KI的溶液中，则优先吸附I-，使胶粒带负电。胶粒对离子的选择性吸附是胶粒带电的主要原因。有些固体胶粒与分散介质接触时，表面分子与介质作用而发生部分解离，也会使胶粒带电。如硅溶胶是由许多硅酸分子聚合而成的，其表面分子可以解离成H+和，其中H+扩散到介质中去，而则留在胶核表面，从而使硅溶胶带负电。

2.胶团的结构

以AgI溶胶为例来讨论胶团的结构。当AgNO3的稀溶液与KI稀溶液缓慢混合，若其中任何一种稀溶液适当过量，则能制备得到AgI溶胶。由于选择性吸附的作用，过量不同的溶液，得到的溶胶分别为正溶胶和负溶胶。这里以KI稀溶液过量为例，制得的是AgI负溶胶，其结构如图3-11所示。

AgI溶胶由许多（设为m个）AgI分子聚集在一起形成大小为1～100nm的颗粒，构成了胶体的核心，称为胶核；当体系中有KI过量时，胶核选择性地吸附了若干个I-（设为n个，n比m小得多）而带负电荷，被吸附的I-又吸引部分（设为n-x个）分散介质中带相反电荷K+，构成了吸附层，胶核与吸附层组成了胶粒，在外电场作用下，胶粒作定向移动；在吸附层外，还有x个与胶粒带相反电荷的K+分布在胶粒周围，形成扩散层。胶粒和扩散层一起总称为胶团。胶团是电中性的，其分散在液体介质中便形成溶胶。

胶团的结构式表示如下：

若AgNO3的稀溶液过量，则形成AgI正溶胶，其胶团的结构式可表示为：

3.溶胶的相对稳定性和聚沉

（1）溶胶的相对稳定性

溶胶是高度分散、具有高表面能的热力学不稳定体系，其分散相粒子有自发合并成大粒子、降低分散度的倾向。但事实上，经纯化的溶胶却相当稳定，具有动力学稳定性，这种能够在相对较长的时间内稳定存在的性质称为溶胶的相对稳定性。溶胶具有相对稳定性的因素有以下三种。

①胶粒带电　在溶胶体系中，同种胶粒带相同电荷，使胶粒之间互相排斥，从而阻止了胶粒相互接近而聚沉。胶粒带电越多，斥力越大，溶胶越稳定，这是溶胶稳定的主要因素。

②溶剂化膜的存在　胶团的双电层中吸附的离子和反离子都具有很强的溶剂化能力，使胶粒外面包围一层保护性的水化膜，从而阻止胶粒互相聚集而能保持稳定。水化膜越厚，胶粒越稳定。

③布朗运动　胶粒剧烈的布朗运动能使胶粒克服重力影响而不聚沉，使体系具有一定的稳定性。但是，当布朗运动过于激烈时，粒子间的相互碰撞也增多，可能使胶粒相互合并增大，从而不能克服重力影响导致体系不稳定。布朗运动不是溶胶稳定性的主要因素。

（2）溶胶的聚沉

溶胶的稳定性是相对的。当溶胶的稳定因素被破坏时，溶胶粒子会聚集成较大的颗粒从分散介质中沉淀析出，这种现象称为聚沉。使溶胶聚沉的主要方法如下。

①加入电解质　溶胶对电解质非常敏感，在溶胶中加入少量电解质就能中和胶粒电荷，粒子聚集变大而迅速沉降，引起溶胶聚沉。电解质对溶胶的聚沉作用主要是由电解质中与胶粒带相反电荷的离子中和了胶粒所带的电荷，胶粒之间的排斥减小，发生碰撞后聚集成大颗粒，当增大到一定程度时不能克服重力影响便沉降下来。如在Fe（OH）3溶胶中加入少量的Na2SO4，由于所带的负电荷与带正电荷的Fe（OH）3胶粒中和，其水化膜也被破坏，溶胶立即发生聚沉，析出Fe（OH）3沉淀；又如在豆浆中加入少量石膏（CaSO4），使豆浆胶粒的电荷被中和发生聚沉，从而制得了豆腐。

电解质对溶胶的聚沉能力主要取决于与胶粒带相反电荷的离子（反离子）的价数。反离子的价数越高，聚沉能力越强。

②加入带相反电荷的溶胶：将两种带相反电荷的溶胶混合时，由于带相反电荷的胶粒相互中和而发生聚沉。例如，人们常用明矾净水的方法就是溶胶相互聚沉的实际应用。明矾加入水中后，水解生成Al（OH）3正溶胶，遇到悬浮在水中带负电荷的泥沙等杂质时，便互相中和发生聚沉，从而达到净水的目的。

③加热：很多溶胶在加热时都能发生聚沉。因为随着温度的升高，胶粒的运动速度加快，碰撞机会也增加，同时胶粒对反离子的吸附能力降低，溶剂化能力减弱，从而使胶粒在碰撞时发生聚集而导致聚沉。如将Fe（OH）3溶胶加热至沸，便会析出红棕色的Fe（OH）3沉淀。

3.4.4　知识宝库　表面现象

1.表面能与表面张力

两相接触的分界面称为界面。按相互接触的两相物质状态，可将界面分为气-液、气-固、液-液、液-固和固-固五种类型，其中若有一相为气相，则称为表面。物质在界面和内部性质的差异，以及由此而引发的物理和化学现象称为界面现象，也称为表面现象。

溶胶的吸附作用、胶粒带电、肥皂去污、活性炭的吸附作用等都与表面现象有关。

任何两相界面上的分子与相内部分子所处的环境不一样，状态不同，能量也不同。以气-液界面为例，如图3-12所示。

液体内部分子A受到相邻周围分子的引力在各个方向是对称的，可以互相抵消，合力为零，因此，液体内部分子可以自由移动而不做功。而界面分子B受到周围的力是不对称的，液体内部分子对它的引力远远大于上方气相分子对它的引力，合力不为零，且该合力方向指向液体内部，并与液面垂直。这种合力力图将表面分子拉入液体内部，使表面积收缩减小，因此，表面分子总是趋向于形成球形而使表面积最小，如洒落的汞珠、荷叶上的水珠、肥皂泡等现象。这些现象表明液体表面分子存在着一种使液面紧缩而抵抗扩张的力，这种力称为表面张力，用σ表示。表面张力是垂直作用于单位长度相界面上的力。

表面张力是分子间相互作用的结果，不同的物质分子间的作用力不同，表面张力也不同，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。不同物质，表面张力不同；分子间作用力越大，表面张力也越大。

如果要将液体内部的分子移到表面，使液体表面扩展，就必须克服内部分子的引力而作功，即表面功，它转化为移到表面层的分子的势能，这种表层分子比内层分子多出的能量称为表面能，用符号E表示，单位是J/m2。

实验表明，在一定条件下，表面能E等于表面张力σ与表面积A的乘积：

E=σA　　（3-17）

从上式可知，一定质量的物质分散得越细，表面积越大，表面能越高，体系越不稳定，自发降低表面能的趋势就越大。

表面能的减小可通过减小表面积A和表面张力σ来实现。对于纯液体，在一定温度下σ是一个常数，因此只能通过减小表面积来降低表面能，如荷叶上的水珠，小水珠相遇时，总是能自动合并成大的液珠，通过减小表面积来达到降低其表面能的目的；对于固体和盛放在固定容器中的液体来说，其表面积是一定的，因此只能通过吸附作用或加入表面活性剂来改变表面组成，从而减小表面张力σ，达到降低表面能的目的。

2.吸附现象

吸附是指固体或液体表面吸引其他物质分子、原子或离子聚集在其表面的现象。吸附现象可发生在固体物质表面，也可发生在液体表面，具有吸附能力的物质称为吸附剂，如活性炭、硅胶、铂黑等，被吸附的物质称为吸附质，如溴蒸气。在充满红棕色溴蒸气的玻璃瓶中加入活性炭，可观察到瓶中的红棕色迅速消失或变浅，这是由于大量溴蒸气被活性炭吸附所致。

（1）固体表面的吸附

由于表面积无法自动变小，固体常通过吸附气体或液体分子以降低其表面能。固体表面的吸附作用可分为物理吸附（范德华力）和化学吸附（化学键力）。固体表面的吸附作用在工业、医药等领域有着广泛的应用。如利用活性炭等可除去大气中的甲醛等有毒气体，药用活性炭可经口服后吸附肠道中的毒素、细菌等。

（2）液体表面的吸附

液体表面会由于某种溶质的加入而产生吸附，液体的表面张力也因此而发生改变。如硬脂酸钠、合成洗涤剂、胆汁酸盐等。若加入的溶质倾向于自动富集在溶液表面层，使表面浓度大于其内部浓度，从而降低表面能，使体系趋于稳定，这种吸附称为正吸附，简称吸附；反之，若加入的溶质受表面层排斥，使表面浓度小于其内部浓度，从而增大表面能，这种吸附称为负吸附。

3.表面活性剂

表面活性剂是指能显著降低溶液的表面张力，产生正吸附的物质，也称为表面活性物质；反之，能使溶液的表面张力增大，产生负吸附的物质称为表面非活性物质或表面惰性物质。

表面活性剂在分子结构上具有共同的特征：都由亲水的极性基团和憎水的非极性基团两部分组成，如图3-13所示，其分子结构是不对称的。常见的亲水基团有羟基—OH、氨基—NH2、羧基—COOH、磺酸基—SO3H等；疏水基团有烃基、苯基等。表面活性剂的结构决定了表面活性剂具有表面吸附、分子定向排列以及形成胶束等基本性质，从而能降低表面张力，使体系趋于稳定。

高级脂肪酸钠盐（肥皂）是应用最早、最普遍的表面活性剂。以肥皂为例，将其溶于水后，亲水基团受水分子吸引进入溶液内部，而憎水基团受水分子排斥而向溶液表层聚集，伸向空气。表面活性剂分子便聚集在溶液表面，呈定向排列，形成单分子膜，如图3-14所示，从而降低了水的表面张力和体系的表面能。当浓度加大到一定程度时，在溶液表面形成单分子膜的同时，溶液内部的表面活性剂也逐渐聚集，形成憎水基向内而亲水基向外的直径在胶体范围的缔合体，这种缔合体称为胶束，如图3-14所示。开始形成胶束时所需表面活性剂的最低浓度称为临界胶束浓度，用CMC表示。由于胶束的形成，减少了憎水基与水的表面积，从而使体系稳定。

表面活性剂具有润湿、乳化、增容、消泡等作用，在化工、医药等方面有着广泛的应用。

4.表面活性剂的应用——乳状液

乳状液也称为乳剂，是将两种互不相溶的液体（油和水）剧烈振摇后，一种液体以微小液滴分散在另一种液体中形成的体系。若将少量油加入水中剧烈振荡，使油以小液滴分散在水中形成乳状液，当振荡停止后，小油滴便会自动聚集，最终使油水分层，说明该体系是不稳定的。这是由于乳状液的形成使表面积增大，表面能升高所致，因此，为了得到稳定的乳状液，必须加入表面活性剂——乳化剂。乳化剂的加入，能在被分散的小液滴表面作定向排列，从而降低了表面张力，并且乳化剂在两相界面上呈定向排列形成的单分子层保护膜，阻止了小液滴之间的聚集，从而提高了乳状液的稳定性。

油和水形成的乳状液，根据其连续相是水相还是油相可分为两类：一类是油分散在水中，称为水包油型乳状液，用符号O/W表示；另一类是油包水型乳状液，用符号W/O表示，如图3-15所示。

表面活性剂的乳化作用在医学上具有重要意义。如临床上使用的青霉素注射液有油剂（W/O）和水剂（O/W）两种，水剂易被人体吸收，但也易被排泄；油剂吸收慢，在体内维持时间长。

3.4.5　知识宝库　高分子溶液

高分子化合物是指由成千上万个原子所组成的，相对分子质量在10000以上的化合物，又称为大分子化合物。如天然存在的蛋白质、核酸、纤维素、蚕丝、淀粉、橡胶和人工合成的高聚物尼龙、塑料、涂料、有机玻璃等。

高分子化合物溶液是指高分子化合物溶解在适当的溶剂中所形成的均相体系。高分子化合物溶液中，溶剂分子能进入高分子化合物的分子链空隙中而使其高度溶剂化，两者之间没有界面存在，形成稳定的高分子溶液。由于高分子化合物溶液的溶质离子直径在胶体范围内，因此，高分子溶液属于胶体分散系，具有胶体分散系的某些特征，如扩散慢，分散质粒子不能透过半透膜等，同时它也具有自身的特征。

1.高分子化合物溶液的性质

（1）稳定性强

高分子化合物溶液比溶胶更稳定，它可以长期放置而不沉淀，其稳定性与真溶液相似。高分子化合物具有许多亲水基团，如蛋白质、核酸中的—COOH、—OH、—NH2等，当溶于水中时，它们会强烈地吸引水分子，在高分子化合物表面形成一层水化膜，使分散质粒子不易靠近，从而阻碍高分子化合物的聚集，增加了体系的稳定性。

（2）黏度大

高分子化合物溶液的黏度比一般溶液或溶胶大得多，这是由高分子化合物溶液的特殊结构决定的。高分子化合物在溶液中相互接近，形成链状、枝状和网状结构，结合后的高分子化合物受到介质的牵引而在流动时的阻力增大，使部分液体失去流动性，故其表现出高黏度，如蛋白质溶液、淀粉溶液等。

（3）盐析

盐析是指当高分子溶液加入大量电解质时，高分子溶质的溶解度降低而析出的现象。盐析是由于加入的电解质离子强烈的水合作用破坏了高分子化合物的水化膜，致使高分子溶液的稳定性因素被破坏而使沉淀析出。

2.高分子溶液对溶胶的保护作用

在溶胶中加入一定量的高分子溶液，可以显著提高溶胶的稳定性，这就是高分子溶液对溶胶的保护作用。这是由于高分子化合物能吸附在胶粒表面，形成一层高分子保护膜，阻止胶粒之间及胶粒与电解质离子之间的直接接触，从而增加了溶胶的稳定性。如在金溶胶中加入少量电解质就会使其聚沉，但若在金溶胶中加入一定量的明胶，则再加入电解质后金溶胶仍然不会聚沉。

高分子溶液对溶胶的保护作用有着广泛的应用。如在生理过程中，人体血液中的微溶性碳酸钙、磷酸钙等在蛋白质的保护下可以溶胶的形式存在，并且其浓度比在水中的浓度提高了近5倍，若这些保护蛋白质减少，则碳酸钙等微溶性盐类就会沉积在胆、肾等器官中，形成结石。

3.凝胶

在一定条件下，如增大浓度、降低温度等，大多数高分子化合物溶液的黏度会增大，失去流动性，称为具有立体网状结构的弹性半固态物质，这种物质称为凝胶。例如将明胶、琼脂、动物胶等溶解在热水中，冷却后即变成了凝胶。

凝胶可分为弹性凝胶和脆性凝胶两大类。弹性凝胶是凝胶在干燥后体积缩小很多，但仍保持弹性，可以拉长而不断裂，如明胶、琼脂、指甲、毛发、肌肉、软骨等；脆性凝胶是凝胶在烘干后体积缩小不多，但失去弹性，容易被磨碎，如氢氧化铝、硅酸凝胶等。

将干燥的弹性凝胶放入合适的溶剂中时，能自动吸收溶剂而使体积增大，这个过程称为膨润或溶胀。而脆性凝胶则无此性质。有的弹性凝胶膨润到一定程度体积便不再增大，称为有限膨润，而有的则能无限地吸收溶剂，最后形成溶液，称为无限膨润。

将新制备的凝胶放置一段时间后，一部分液体会自动地从凝胶中分离出来，使凝胶本身的体积缩小，这种现象称为离浆或脱水收缩。如细胞失水、腺体分泌、老年皮肤出现皱纹等。

凝胶对生物体有着极其重要的意义。生物体中的肌肉组织、皮肤、脏器、细胞膜等都可看作是凝胶。它们具有的一定强度的网状骨架使其既能够维持某种形态，又能够具有物质交换的功能。