膠體化學(xué)的發(fā)展史略述

張艷秋

【摘要】膠體化學(xué)是一門古老而又年輕的學(xué)科，在人們的生產(chǎn)和生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。本文首先講述膠體化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史和膠體理論，接著進(jìn)一步對(duì)膠體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)敘述，最后對(duì)膠體化學(xué)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】膠體化學(xué)：膠體理論;膠體結(jié)構(gòu);膠體性質(zhì);實(shí)際應(yīng)用

膠體這一同最早是在1861年由英國(guó)科學(xué)家格雷厄姆（ Thomas Graham）提出的。他通過比較在水中不同物質(zhì)的擴(kuò)散速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些物質(zhì)如糖、無機(jī)鹽、尿素等易擴(kuò)散，另一些物質(zhì)如A1（OH）3、Fe（OH）3、明膠等擴(kuò)散很慢，而當(dāng)蒸去水分后，前一類物質(zhì)析出晶體，后一類物質(zhì)則得到膠狀物，因此他把后一類物質(zhì)稱為膠體。俄國(guó)科學(xué)家維伊曼經(jīng)過200多次的實(shí)驗(yàn)證實(shí)這樣的分類并不合適，因?yàn)樵S多晶體物質(zhì)在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中也能得到具有膠體特征的體系，所以應(yīng)當(dāng)把膠體看成在一定分散范圍內(nèi)物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，而不是某一類物質(zhì)固有的特性。直到1903年，德國(guó)科學(xué)家齊格蒙第（ Zsigmondy）和西登托夫（Siedentopf）發(fā)明了超顯微鏡，肯定了膠體系統(tǒng)的多相性，從而明確了膠體化學(xué)是界面化學(xué)這一根本問題。

一、膠體是指具有高度分散的分散體系

在膠體中含有兩種不同狀態(tài)的物質(zhì)，一種分散，另一種連續(xù)。分散的一部分即膠體粒子稱為分散相，是南微小的粒子或液滴組成，分散相粒子直徑在1 -1OO nm之間;連續(xù)的一部分起分散作用，稱為分散介質(zhì)。膠體體系的重要特征之一是以分散相粒子的大小為依據(jù)，顯然，只要不同分散相的顆粒大小在1 - 1OO nm之間，那么在不同狀態(tài)的分散介質(zhì)中均可形成膠體體系。

當(dāng)按膠體溶液的穩(wěn)定性分類時(shí)，可分為憎液溶膠和親液溶膠。憎液溶膠是指半徑在1 -1OO nm之間的難溶物固體粒子分散在液體介質(zhì)中，有很大的相界面，易聚沉，是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定系統(tǒng)。一旦將介質(zhì)蒸發(fā)掉，再加入介質(zhì)時(shí)無法再形成溶膠，是一個(gè)不可逆系統(tǒng);親液溶膠是指半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的大分子溶解在合適的溶劑中，一旦將溶劑蒸發(fā)，大分子化合物凝集，再加入溶劑，又可形成溶膠，親液溶膠是熱力學(xué)上穩(wěn)定、可逆的系統(tǒng)。

二、膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

（一）膠體的結(jié)構(gòu)

任何溶膠粒子的表面上總是帶有電荷，目前人們普遍認(rèn)同的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)為雙電層結(jié)構(gòu)。由于膠粒的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，下面以稀AgNO3與過量的稀KI溶液反應(yīng)制備Agl膠體為例說明膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)。即：

AgNO3+KI→KNo3+Agl ↓

反應(yīng)生成的難溶物Agl聚集形成膠粒的中心，稱為膠核。剩余的KI起穩(wěn)定性作用，然后膠核選擇性吸附穩(wěn)定劑中的I，形成緊密的吸附層;K+為反離子，南于正負(fù)電荷相吸，會(huì)在緊密層外形成反離子的包圍罔，膠核表面的I-和靠近的K+構(gòu)成吸附層，膠核與吸附層統(tǒng)稱為膠粒。另一方面，擴(kuò)散在膠粒周圍的K+構(gòu)成了擴(kuò)散層，膠粒與擴(kuò)散層中的反離子形成一個(gè)電中性的膠團(tuán)。

膠核吸附離子是有選擇件的，首先吸附與膠核中相同的某種離子，同離子效應(yīng)使膠核不易溶解。若無相同離子，則首先吸附水化能力較弱的負(fù)離子，所以自然界中的膠粒大多帶負(fù)電。不同溶膠的膠團(tuán)可有各種不同的形狀，例如聚苯乙烯溶膠的膠團(tuán)接近球形，而Fe（OH）。溶膠為針狀，V2O3溶膠為帶狀，膠粒的形狀對(duì)膠體性質(zhì)有重要影響。

（二）膠體的性質(zhì)

膠體的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)有關(guān)，在討論膠體的性質(zhì)時(shí)，必須綜合考慮膠粒的分散程度、多相性以及穩(wěn)定性三個(gè)方面的特性才能得到正確的概念，只有典型的憎液溶膠才能全面表現(xiàn)出膠體的特件。總結(jié)起來，其基本特件可以歸納為特有的分散程度、不均勻性和聚集不穩(wěn)定性。目前人們歸納的膠體基本性質(zhì)主要分為溶膠的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、溶膠的光學(xué)性質(zhì)、溶膠的電學(xué)性質(zhì)、肢體系統(tǒng)的流變性質(zhì)、膠體穩(wěn)定件等幾個(gè)方面。

南于膠粒帶電，而溶膠是電中性的，則介質(zhì)帶與膠粒相反的電荷。在外電場(chǎng)作用下，膠粒和介質(zhì)分別向帶相反電荷的電極移動(dòng)，就產(chǎn)生了電泳和電滲的電動(dòng)現(xiàn)象，這是因電運(yùn)動(dòng);膠粒在重力場(chǎng)作用下發(fā)生沉降，而產(chǎn)生沉降電勢(shì)，帶電的介質(zhì)發(fā)生流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)，這是因動(dòng)而產(chǎn)生電，這些都是溶膠的電學(xué)性質(zhì)。1829年，英國(guó)植物學(xué)家布朗（ Brown）觀察到花粉的布朗運(yùn)動(dòng)，即在花粉顆粒的水溶液中觀察到花粉不停頓的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)是膠體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，布朗運(yùn)動(dòng)是分子熱運(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果，是大粒子所具有的熱運(yùn)動(dòng)。熱運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，它使粒子從高濃度向低濃度區(qū)移動(dòng)，而最終趨于均勻。1869年丁達(dá)爾（Tyndall）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有一束光通過溶膠時(shí)，在與光束垂直的方向可以看到溶膠中有明亮的光線軌道，這就是丁達(dá)爾效應(yīng)，是膠體的光學(xué)性質(zhì)的重要體現(xiàn)，實(shí)際上丁達(dá)爾效應(yīng)已經(jīng)成為判別溶膠與分子溶液最簡(jiǎn)便的方法。

三、膠體化學(xué)的應(yīng)用

膠體化學(xué)的知識(shí)和研究成果在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有廣泛應(yīng)用，尤其在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)前沿領(lǐng)域，如環(huán)境科學(xué)與工程中的絮凝、吸附，并且在環(huán)境科學(xué)方面，空氣中氣溶膠與氣候變遷的關(guān)系，各種親液溶膠的性質(zhì)、表面催化和吸收對(duì)環(huán)境的影響等深層次的問題，正是現(xiàn)在人們討論的熱門話題;在仿生科學(xué)中的生物膜模擬方面，各種膜的微觀結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞、蛋白質(zhì)和在生理過程中實(shí)現(xiàn)物質(zhì)吸收、維持新陳代謝等作用的各種膜的精巧功能的深入研究，都是在不斷進(jìn)步的膠體技術(shù)帶動(dòng)下進(jìn)行的;在材料科學(xué)中的納米材料領(lǐng)域，均勻膠體的研究已成為研制新材料的主要方向之一，大小形狀均勻的納米材料磁性粒子具有優(yōu)異的記錄和記憶功能，是制作高密度高保真器材的理想材料。