3.3　膠體

膠體分散系的顆粒直徑在10-9～10-7m，它可以分成兩類：一類是由小分子化合物聚集而成的大顆粒多相系統，如常見的Fe（OH）3膠體溶液。另一類是由高分子化合物所組成的溶液。高分子化合物分子結構較大，可以表現出跟膠體相同的性質，因此在許多文獻中，把高分子化合物溶液看成膠體的一部分，如淀粉溶液。實際上高分子溶液是一個均相的真溶液。

膠體與人體關系密切，人的皮膚、肌肉、血液、臟器、細胞、軟骨甚至是毛發，都屬于膠體分散系。江河入海口處形成三角洲，其形成原理是海水中的電解質使江河泥沙形成膠體發生聚沉。膠體與工業的關系也十分緊密，工程中使用的瀝青就是一種高分子膠體。制有色玻璃（固溶膠），在金屬、陶瓷、聚合物等材料中加入固態膠體粒子，不僅可以改進材料的耐沖擊強度、耐斷裂強度、抗拉強度等機械性能，還可以改進材料的光學性質。有色玻璃就是由某些膠態金屬氧化物分散于玻璃中制成的。國防工業中有些火藥、炸藥需制成膠體。一些納米材料的制備，冶金工業中的選礦，石油原油的脫水，塑料、橡膠及合成纖維等的制造過程都會用到膠體。本節重點討論膠體及物質表面的一些重要性質。

3.3.1　膠體的表面吸附

膠體由于是一個多相系統，表面質點和內部質點所受到的作用力不同，表面質點的位能要高于內部，就產生了表面能。系統越分散，表面能越大，系統越不穩定，因此液體和固體都有自動降低表面能的趨勢，其中一個手段就是表面吸附。

多孔的物質都具有強大的吸附能力，這也是因為它們的比表面積較大，表面能也較大。膠體的表面也具有這樣的吸附能力，因此膠體可以形成一個巨大的結構。吸附是一個放熱的過程，同時也是個自發過程。

3.3.2　膠團的性質

（1）溶膠的光學性質——丁達爾現象　當一束平行光線通過膠體時，從側面看到一束光亮的“通路”。這是膠體中膠粒在光照時產生對光的散射作用形成的。對溶液來說，因分散質（溶質）微粒太小，當光線照射時，光可以發生衍射，繞過溶質，從側面就無法觀察到光的“通路”。因此可用這種方法鑒別真溶液和膠體。懸濁液和乳濁液，因其分散質直徑較大，對入射光只反射而不散射，再有懸濁液和乳濁液本身也不透光，也不可能觀察到光的通路。

（2）溶膠的動力學性質——布朗運動　膠體中膠粒不停地做無規則運動。其膠粒的運動方向和運動速率隨時會發生改變，從而使膠體微粒聚集變難，這是膠體穩定的一個原因。布朗運動屬于微粒的熱運動現象，這種現象并非膠體獨有的現象。

（3）溶膠的電學性質——電泳現象　幾乎所有膠體體系的顆粒都帶電荷。這是由于膠體本身電離，或膠體向分散介質選擇的吸附一定量的離子，或與分散介質摩擦而帶上某種電荷，又因為靜電作用和離子熱運動的結果在固-液界面上建立起一定電勢的雙電層，在電場或外力的作用下，雙電層沿著移動界面分離開，膠粒在外加電場作用下，能在分散劑里向陽極或陰極做定向移動，這種現象叫電泳。電泳現象表明膠粒帶電。膠粒帶電荷是由于它們具有很大的總表面積，有過剩的吸附力，靠這種強的力吸附著離子。電泳儀如圖3-6所示。

同種溶液的膠粒帶相同的電荷，具有靜電斥力，膠粒間彼此接近時，會產生排斥力，所以膠體穩定，這是膠體穩定的主要而直接的原因。利用電泳可以確定膠體微粒的電性質，向陽極移動的膠粒帶負電荷，向陰極移動的膠粒帶正電荷。一般來講，金屬氫氧化物、金屬氧化物等膠體微粒吸附陽離子，帶正電荷；非金屬氧化物、非金屬硫化物等膠體微粒吸附陰離子，帶負電荷。因此，在電泳實驗中，氫氧化鐵膠體微粒向陰極移動，三硫化二砷膠體微粒向陽極移動。利用電泳可以分離帶不同電荷的溶膠。

例如，陶瓷工業中用的黏土，往往帶有氧化鐵，要除去氧化鐵，可以把黏土和水一起攪拌成懸浮液，由于黏土粒子帶負電荷，氧化鐵粒子帶正電荷，通電后在陽極附近會聚集出很純凈的黏土。工廠除塵也用到電泳。利用電泳還可以檢出被分離物，在生化和臨床診斷方面發揮重要作用。20世紀40年代末到50年代初相繼發展利用支持物進行的電泳，如濾紙電泳、醋酸纖維素膜電泳、瓊脂電泳；50年代末又出現淀粉凝膠電泳和聚丙烯酰胺凝膠電泳等。

3.3.3　溶膠的結構

根據雙電層理論，就可以設想溶膠的膠團結構。我們把構成膠粒的分子和原子的聚集體稱為膠核。一般情況下，膠核具有晶體結構。膠核不帶電。由于膠核有很大的比表面積，故易于在界面上有選擇性地吸附某種與膠核有相同的組分而容易建成膠核晶格的那些離子。由膠核和緊密層所組成的部分稱為膠粒，膠粒帶電。膠粒和擴散層一起稱為膠團，膠團不帶電。在電場中，膠粒向某一電極移動，擴散層內的異電離子向另一極移動，這就是電泳的實質。

以AgI溶膠為例，當AgNO3的稀溶液與KI的稀溶液作用時，就能制得穩定的AgI溶膠。實驗表明，膠核由m個AgI分子構成，當AgNO3過量時，它的表面就吸附Ag+，因而可制得帶正電荷的AgI膠粒；而當KI過量時，它的表面就吸附I-，因而制得帶負電荷的AgI膠粒。這兩種情形的膠團結構如圖3-7所示。

m表示膠核中物質的分子數，一般來說它是一個很大的數目，約為103左右；n表示膠核所吸附的離子數，n的數字要小得多；（n-x）是包含在緊密層中過剩的異電離子數。膠團結構也可用圖3-8表示。

3.3.4　溶膠的聚沉

向膠體中加入電解質溶液時，加入的陽離子（或陰離子）中和了膠體粒子所帶的電荷，使膠體粒子聚集成較大顆粒，從而形成沉淀從分散劑里析出，這個過程叫做聚沉。

能夠使溶膠發生聚沉的因素如下。

（1）加入電解質　在溶液中加入電解質，這就增加了膠體中離子的總濃度，而給帶電荷的膠體粒子創造了吸引相反電荷離子的有利條件，從而減少或中和了原來膠粒所帶電荷，使它們失去了保持穩定的因素。這時由于粒子的布朗運動，在相互碰撞時，可以聚集起來，迅速沉降。

如由豆漿做豆腐時，在一定溫度下，加入CaSO4（或其他電解質溶液），豆漿中的膠體粒子帶的電荷被中和，其中的粒子很快聚集而形成膠凍狀的豆腐（稱為凝膠）。

一般說來，在加入電解質時，高價離子比低價離子使膠體凝聚的效率大。聚沉能力：Fe3+>Ca2+>Na+，。

江河入海口的三角洲的形成，正是因為河流中帶有負電荷的膠態黏土被海水中帶正電荷的鈉離子、鎂離子等中和后沉淀，經過數千年的沉積而形成。

（2）加入帶相反電荷的膠粒，也可以起到和加入電解質同樣的作用，使膠體聚沉　如把Fe（OH）3膠體加入硅酸膠體中，兩種膠體均會發生凝聚。我國自古以來沿用的明礬［KAl（SO4）2·12H2O］凈水法就是用Al2（SO4）3水解后產生Al（OH）3膠體，遇到懸浮的帶負電荷的泥土中和后發生聚沉，達到凈水目的。

（3）加熱膠體　加熱使膠粒運動加劇，它們之間的碰撞機會增多，而使膠核對離子的吸附作用減弱，即減弱膠體的穩定因素，導致膠體凝聚。如長時間加熱時，Fe（OH）3膠體就發生凝聚而出現紅褐色沉淀。

溶膠的聚沉是溶膠的特殊性質，有時候溶膠是必需的，就需要保護溶膠，不讓膠團聚集形成沉淀，比如加入大分子化合物，以增加膠粒的溶劑化保護膜，或者通過滲析減少電解質的濃度。

有時候溶膠的生成也會帶來一些麻煩。比如分離沉淀的時候如果沉淀形成了溶膠，就會對過濾造成影響，分離效率低下；工廠排放的煙氣是炭粒和塵粒組成的氣體溶膠，這些粒子都帶有電荷，為了消除大氣污染，可以讓氣體通過一個帶電的通道，中和電荷，讓氣體溶膠聚沉；污水中含有的大量大分子化合物也會形成溶膠，污水二級處理的時候可以外加絮凝劑來加速這些物質的聚沉。