1、 胶体综述胶体与界面化学的概述胶体（英语：Colloid）又称胶状分散体（colloidal dispersion）是一种均匀混合物，在胶体中含有两种不同状态的物质，一种分散，另一种连续。分散的一部分是由微小的粒子或液滴所组成，分散质粒子直径在 1nm100nm 之间的分散系；胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系胶粒带有电荷 胶粒具有很大的比表面积(比表面积= 表面积颗粒体积)，因而有很强的吸附能力，使胶粒表面吸附溶液中的离子。这样胶粒就带有电荷。不同的胶粒吸附不同电荷的离子。一般说，金属氢氧化物、金属氧化物的胶粒吸附阳离子，胶粒带正
2、电，非金属氧化物、金属硫化物的胶粒吸引阴离子，胶粒带负电。 胶粒带有相同的电荷，互相排斥，所以胶粒不容易聚集，这是胶体保持稳定的重要原因。 由于胶粒带有电荷，所以在外加电场的作用下，胶粒就会向某一极(阴极或阳极) 作定向移动，这种运动现象叫电泳。 胶体的种类很多，按分散剂状态的不同可分为液溶胶、气溶胶和固溶胶。如：云、烟为气溶胶，有色玻璃为固溶胶。中学研究的胶体一般指的是液溶胶。胶体的性质体现在以下几方面 ： 有丁达尔效应 当一束光通过胶体时，从入射光的垂直方向上可看到有一条光带，这个现象叫丁达尔现象。利用此性质可鉴别胶体与溶液、浊液。 有电泳现象 由于胶体微粒表面积大，能吸附带电荷的离子，使
3、胶粒带电。当在电场作用下，胶体微粒可向某一极定向移动。 利用此性质可进行胶体提纯。 胶粒带电情况：金属氢氧化物、金属氧化物和 AgI 的胶粒一般带正电荷，而金属硫化物和硅酸的胶粒一般带负电荷。 可发生凝聚 加入电解质或加入带相反电荷的溶胶或加热均可使胶体发生凝聚。加入电解质中和了胶粒所带的电荷，使胶粒形成大颗粒而沉淀。一般规律是电解质离子电荷数越高，使胶体凝聚的能力越强。用胶体凝聚的性质可制生活必需品。如用豆浆制豆腐，从脂肪水解的产物中得到肥皂等。 发生布朗运动 含义：无规则运动（离子或分子无规则运动的外在体现） 产生原因：布朗运动是分子无规则运动的结果 布朗运动是胶体稳定的一个原因 胶体的知
4、识与人类生活有着极其密切的联系。除以上例子外还如： 土壤里发生的化学过程。因土壤里许多物质如粘土、腐殖质等常以胶体形式存在。 国防工业的火药、炸药常制成胶体。 石油原油的脱水、工业废水的净化、建筑材料中的水泥的硬化，都用到胶体的知识。食品工业中牛奶、豆浆、粥都与胶体有关。 总之，人类不可缺少的衣食住行无一不与胶体有关，胶体化学已成为一门独立的学科。表面化学 凡是在相界面上所发生的一切物理化学现象统称为界面现象（interfase phenomena）或表面现象（surfase phenomena） 。 研究各种表面现象实质的科学称为表面化学。表面化学在 20 世纪 40 年代前，得到了迅猛发展
5、，大量的研究成果被广泛应用于各生产部门，如涂料、建材、冶金、能源等行业；但就学科来说它只是作为物理化学的一个分支胶体化学。到了 60 年代末 70 年代初，人们从微观水平上对表面现象进行研究，使得表面化学得到飞速发展，表面化学作为一门基础学科的地位被真正确立。胶体的应用胶体在自然界尤其是生物界普遍存在，它与人类的生活及环境有着密切的联系；胶体的应用很广，且随着技术的进步，其应用领域还在不断扩大。工农业生产和日常生活中的许多重要材料和现象，都在某种程度上与胶体有关。例如，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，也可以改进材料的光
6、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。在医学上，越来越多地利用高度分散的胶体来检验或治疗疾病，如胶态磁流体治癌术是将磁性物质制成胶体粒子，作为药物的载体，在磁场作用下将药物送到病灶，从而提高疗效。另外，血液本身就是由血球在血浆中形成的胶体分散系，与血液有关的疾病的一些治疗、诊断方法就利用了胶体的性质，如血液透析、血清纸上电泳等。土壤里许多物质如粘土、腐殖质等常以胶体形式存在，所以土壤里发生的一些化学过程也与胶体有关。国防工业上有些火药、炸药必须制成胶体，冶金工业上的选矿，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知识。胶体的聚沉 许多胶体粒子带电荷，由于同
7、种胶体粒子带同种电荷，在一般情况下，它们之间的相互排斥使它们不易聚集，并可以保存较长的时间。但是，如往某些胶体里加入少量电解质，由于电解质电离生成的阳离子或阴离子中和了胶体粒子所带的电荷，使胶体粒子聚集长大，形成了颗粒较大的沉淀从分散剂里析出，这个过程叫做聚沉。除了加入电解质可使某些胶体聚沉外，将两种带相反电荷的胶体混合，也能发生聚沉。通常使用的无机聚沉剂大多为铝盐或铁盐，它们的水解产物是带正电荷的胶体粒子，对很多固体表面有强烈的吸附作用，由于水中悬浮物表面大多带有负电，这种吸附有效地减小了粒子表面的电荷，并造成聚沉。例如，明矾净水就是利用明矾水解后产生的带正电的 Al(OH)3 胶体与带负电
8、的水中悬浮物、泥沙等聚沉，达到净水的目的。胶体发生聚沉作用一般情况下都生成沉淀，但有些胶体聚沉后，胶体粒子和分散剂凝聚在一起，成为不流动的冻状物，这类物质叫凝胶。例如，日常食用的豆腐就是以盐卤(主要成分是 MgCl26H2O)或石膏 (CaSO42H2O)为聚沉剂，使豆浆里的蛋白质和水等物质一起聚沉而制成的一种凝胶。渗析 渗析又称透析。利用半透膜能透过小分子和小离子但不能透过胶体粒子的性质从溶胶中除掉作为杂质的小分子或离子的过程。 渗析时将胶体溶液置于由半透膜构成的渗析器内，器外则定期更换胶体溶液的分散介质（通常是水） ，即可达到纯化胶体的目的。渗析时外加直流电场常常可以加速小离子自膜内向膜外
9、的扩散，为电渗析(electrodialysis) 。 利用半透膜的选择透过性分离不同溶质的粒子的方法。在电场作用下进行溶液中带电溶质粒子（如离子、胶体粒子等）的渗析称为电渗析。电渗析广泛应用于化工、轻工、冶金、造纸、海水淡化、环境保护等领域；近年来更推广应用于氨基酸、蛋白质、血清等生物制品的提纯和研究。电渗析器种类较多，W.鲍里的三室型具有代表性，其构造见图。电渗析器由阳极室、中间室及阴极室三室组成，中间 DD 为封接良好的半透膜， E 为 Pt、Ag、Cu等片状或棒状电极，F 为连接中间室的玻璃管，作洗涤用，S 为 pH 计。电渗析实质上是除盐技术。电渗析器中正、负离子交换膜具有选择透过性
10、，器内放入含盐溶液，在直流电的作用下，正、负离子透过膜分别向阴、阳极迁移。最后在两个膜之间的中间室内，盐的浓度降低，阴、阳极室内为浓缩室。电渗析方法可以对电解质溶质或某些物质进行淡化、浓缩、分离或制备某些电解产品。实际应用时，通常用上百对以上交换膜，以提高分离效率。电渗析过程中，离子交换膜透过性、离子浓差扩散、水的透过、极化电离等因素都会影响分离效率。表面化学应用1、清洗铂金表面的碳氧化物。 2、空调系统中的氟利昂，通过小冰晶体表面化学反应破坏臭氧层。 3、金属表面暴露在空气中时生锈。 4、电子工业中，制作半导体元件。 5、人造肥料中所含的氨，是通过氮和氢在金属（如教科书中提到的铂铑合金网）表
11、面生成。胶体电池与纳米硅胶体电池及其特性 胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。 广义而言，胶体电池与常规铅酸电池的区别不仅仅在于电液改为胶凝状。例如非凝固态的水性胶体，从电化学分类结构和特性看同属胶体电池。又如在板栅中结附高分子材料，俗称陶瓷板栅，亦可视作胶体电池的应用特色。近期已有实验室在极板配方中添加一种靶向偶联剂，大大提高了极板活性物质的反应利用率，据非公开资料表明可达到 70wh/kg 的重量比能量水平，这些都是现阶段工业实践及有待工业化的胶体电池的应用范例。 胶体电池与常规铅酸电池的区别，从
12、最初理解的电解质胶凝，进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究，以及在板栅和活性物质中的应用推广。 胶体蓄电池的内部主要是 SiO2 多孔网状结构，存在大量微小缝隙，能使电池正极产生的氧顺利的迁移到负极极板上，便于负极吸收化合； 胶体电池的性能和特点：密封结构，电液凝胶，无渗漏；充放电无酸雾、无污染，是国家大力推广应用的环保产品；容量高，与同级铅酸电池相比增加 10-20%容量；充电接收能力强；自放电小，耐存放；过放电恢复性能好，大电流放电容量比铅酸电池增加 30%以上；低温性能好，满足-30至-50起动电流要求；高温特性稳定，满足 65甚至更高温环境使用要求；循环使用寿命长，可达到 800
13、-1500 充放次；单位容量工业成本低于铅酸电池，经济效益高。 纳米硅胶体电池生产使用过程不会产生腐蚀性气体，实现了制造过程、使用过程均无污染。该电池在比能量、接受大电流放电与充电（实现快充） 、回充性能、耐高、低温、使用寿命长等性能，均大大优于传统的铅酸蓄电池。尤其在电动汽车用动力电池、太阳能储能电池、UPS 户外应急电源等领域其优越的性能突出。电解质凝胶，无渗漏；充放电无气体析出、无酸雾、水分析出几乎为）0，对环境无污染（对防爆、井下电机车的安全使用其优越性能更为突出） ，不含“鎘” ，出口无限制，是国家大力推广应用的环保产品。 纳米硅胶体电池特性： （1 ）绿色环保: 生产和使用过程气体
14、析出量接近“0” ，全密封，无电解液泄漏，无污染。 （2 ）长寿命: 在 255C 环境、电池循环寿命大于 1000 次；深充放循环寿命大于 800 次。 （3 ） 耐高、低温：+65C 正常使用，-40C 低温环境下，放电容量仍可高达电池初始容量的 80%以上。室外充电实测为-30环境下，充电容量达80%以上，是传统铅酸电池和锂电池不能实现的。 （4 ） 大电流充放电和小电流浮充性能优越：与纳米硅胶体电池充电设备配套产品正确使用，可实现大电流充放电，大幅提高电池充电接受能力；降低温升及保证电池的循环使用寿命，同时可接受长时间微电流充电和长时间放电，在没有完全充电情况下，可进行放电并不对电池构
15、成损坏等（详见具体充电器产品介绍） （5 ） 容量恢复性能强：深度放电后回充性能保证，甚至在放电后未及时补充电情况下，容量仍能 100%得到回充。 （6 ） 自放电率极低：常温下，日自放电率小于 0.17%。电池 3个月内，只需要刷新充电，故长途运输，电池不会受影响。使用时补充电即可 。 （7） 免维护：在 402C 环境下，水损耗仅为 0.025g/Ah 远远低于国家标准的 3g/Ah、大延长电池的寿命，真正做到免维护。 。 （8 ）内阻小：电池采用紧装配，内阻极小，使其具有优良的充电接受能力和高倍率放电性能。较传统的铅酸电池充电时间短。 （9 ） 无流动性的胶体电解液：使电解质在电池内部不产生分层现象。提高了电池寿命。 （10） 高精确度的酸控制：有效保护了正极板并极大提高电池寿命。 （11 ） 无需平行充电：特别适合于太阳能，风能等充电方式。 （12） 高比能量：与等同容量的传统阀控式铝酸蓄电池比较，重量约轻 20%。 1. 热学常树人编著，南开大学出版社， 2001 年版 2. 物理化学上册，王正烈编著，高等教育出版社， 2001 版 3. http： / 4. http： /
