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物理化学中胶体和表面化学及其应用的简单综述

14化工一班 1403021038 陈浩

摘要： 物理化学中胶体与表面化学是研究胶体分散体系物理化学性质及界面

现象的科学。虽然原属物理化学的一个分支，但其与生产和生活实际联系之紧密和应用之广泛是化学学科中任一分支不能比拟的。

关键词： 物理化学 胶体与界面 分散体系 应用

1 胶体

1.1胶体的由来及其认识的发展

胶体一词，来自1861年T.格雷姆研究物质在水中扩散的论文《应用于分析的液体扩散》。当时发现有些物质（如某些无机盐、糖和甘油等）在水中扩散很快，容易透过一些膜；而另一些物质，如蛋白质、明胶和硅胶类水合氧化物等，则扩散很慢或不扩散。前者容易形成晶态，称为晶质；后者不易形成晶态，多呈胶态，则称为胶体。此种分类并未说明胶体的本质，因为胶状的胶体在适当条件下可以形成晶态，而晶质也可以形成胶态。直到20世纪初超显微镜的发明以及后来电子显微镜的应用，对胶体才逐渐有较清楚的了解。

1.2胶体体系的特点

自质点大小这一特点考虑，高分子与胶体质点的大小差不多。例如，分子量为 36000的胰岛素（球状）直径约4.0纳米；分子量为42000的蛋白朊长椭球长约11纳米，与一般金溶胶和硅溶胶质点大小相近。有的高分子甚至长达100纳米以上。因此,与大小有关的性质，如扩散、沉降、渗透压、光散射（见胶体光散射）等性质，二者全都相似。胶体研究的许多结果可以应用于高分子体系，从而大大推动了高分子的研究，高分子化学的部分领域也就归入胶体化学的范畴。经典的胶体体系是热力学不稳定体系，是一相（质点）分布在另一相(介质)中的多相分散体系；而高分子质点分散在介质中的这种胶体体系却是热力学稳定的体系，是均相溶液，即高分子溶于溶剂而形成的溶液。如同小分子的溶液一样,只要溶剂不挥发,高分子溶液就可以永久存在。高分子溶液的溶剂挥发后，得到高分子化合物；但若把高分子放入溶剂中，则又自动溶解而形成溶液。于是就把高分子溶液称为可逆胶体，也叫做亲液胶体，以与疏液胶体相对照、相区别。

胶体质点与经典化学所研究的分子不同的另一特点，是其形状的千差万别，从完全对称的球形和比较对称的椭球形,到极不对称的不规则薄片,以至细长的线条。这将对体系的性质，特别是流变性质有重大影响。例如高分子溶液、钻井泥浆、油漆涂料、胶团溶液，以及乳状液、泡沫等的粘度、弹性、塑性及触变性等皆与质点的形状和结构有关（见非牛顿流体）。研究此种关系的学科即胶体化学中的流变学。

2. 表面化学

2.1表面化学表面的定义

物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面（interface），若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（surfase）。 2.2表面化学的简介及其应用

2.2.1埃特尔的表面化学

埃特尔的工作始于20世纪60年代，那时，由于半导体工业的兴起，真空技术得到发展，现代表面化学开始出现。固体表面的化学反应非常活跃，因而需要

先进的真空实验设备，格哈德·埃特尔是最先发现新技术潜力的科学家之一。 这一领域看似晦涩，其实并不遥远。合成氨的研究就是一例。合成氨是人工化肥的主要有效成分，可以说是现代农业的基础之一。将氢气和氮气在催化剂的作用下人工合成氨，叫做哈伯·博施(Haber－Bosch)法(这一方法的发明者弗里茨·哈伯曾获得1918年的诺贝尔化学奖)。传统催化剂用铁作为活性成分，氢气和氮气在上面发生反应，这正是表面化学的用武之地。然而传统的方法有一个步骤反应极慢，能耗很大。借助一些新的研究方法，埃特尔发现了这一过程的瓶颈所在，并完全阐明了氢气和氮气在铁催化剂表面反应的七个步骤。在了解反应过程之后，只要“疏通”最慢的那个环节，整个反应的效率就会大为改观。这就好比疏通了一个交通要道的堵车点。埃特尔的工作为研发新一代合成氨催化剂奠定了基础，具有重要的经济意义。 埃特尔的另一重要贡献是对在铂催化剂上一氧化碳氧化反应的研究。一氧化碳是汽车尾气中的有毒气体，在排到大气前，必须将其氧化成二氧化碳。埃特尔发现在反应的不同时相，几个反应步骤的速率变化很大，这一看似简单的过程比哈伯－博施反应还要复杂得多。埃特尔详尽研究了这一过程，他所使用的一些研究方法对于研究复杂介面上的化学反应具有极大的启示作用

2.2.2表面化学应用

埃特尔的研究领域很广。他还用表面科学的方法和手段来研究很多相关领域的科学问题，包括燃料电池、臭氧层破坏等。他所发展出来的方法，广泛影响了表面化学的进展，而且他的实际影响并不仅仅在于学术研究，还涉及到农业和化学工业研发的多个方面。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）表面生成。

3．胶体和表面化学

3.1 交替和表面化学的定义

多相(胶体)分散体系中，由于质点很小，相与相间的界面面积极大,故有很可观的界面自由能,体系易于向降低界面自由能的方向发生变化。根据界面热力学，物质分子在界面上的富集必然导致界面自由能的降低,即大的界面自由能的存在使吸附现象得以产生。大面积的体系最易发生吸附，因此活性炭、硅胶、活性氧化铝、白土、分子筛等就成了广义的胶体体系。基于同一原因，前述的粗分散体系，如泡沫、乳状液、泥浆、水煤浆等等也成为胶体化学的研究对象。物质世界中，界面是无所不在的，上述体系有着大的表面积或界面积，表面或界面上

发生变化必然影响整个体系的性质。因此研究表（界）面性质科学的表面化学，是胶体化学中极其重要和不可分割的一部分，二者常被联系在一起而名为胶体和表面化学。

3.2胶体和表面化学的应用

表面化学促进了许多工业和技术的发展，如能源开发、催化、矿物浮选、胶片生产、印染、色谱、液膜分离、海水淡化、农药的分散和乳化及其应用、“轻水”泡沫灭火、以及人工降雨等。

物质世界中的生命现象也与胶体和表面化学密切相关，可以说生物体即是一种高级的极其复杂的胶体体系，其中存在着各式各样的胶体和各种界面。所以胶体化学和表面化学的规律在生命现象中有重要的作用；而研究胶体化学和表面化学的许多方法和原理也常用以研究生命科学。生物膜的研究即为一典型例子。胶体和表面化学中关于表面吸附膜、单（双）分子膜、胶团以及囊泡的研究,就是对细胞膜很好的模拟(或半模拟),由此可以了解成膜分子在膜中的定向排列，以及膜在传质、传能过程中所起的作用，进而探索生命的奥秘。生物体中存在的表面活性物质,如胆盐及其与磷脂的混合物,以及肺表面活性剂等，可以称之为生物表面活性剂。它们在生物体内所起的作用和发生的变化过程，在许多方面实际上就是典型的胶体和表面化学的作用和过程。

在物质世界中，无处不有分散体系，表面和界面也无所不在，故胶体和表面化学与其他学科以及生产有着广泛而密切的联系。大至宇宙、天文、气象、地理，小至细胞，皆有胶体和界面存在；在所有工、农业生产中，几乎很难找到与胶体和表面化学无关的现象。

参考文献：

1.《胶体与表面化学》 作者:沈钟等编著 出版社：化学工业出版社 出版日期:2004.05

2. 《应用胶体与界面化学》 作者:赵振国 出版社：化学工业出版社 出版日期:2008.06

3.《胶体与界面化学》 作者:陈宗淇、王光信、 徐桂英 出版社：高等教育出版社 出版日期:2001.08

4.《造纸过程的胶体与界面化学》 作者:何北海、胡芳、 赵丽红 出版社：化学工业出版社 出版日期:2009.06

5.《胶体与界面化学》 作者:张玉亭、 吕彤 出版社：中国纺织出版社 出版日期:2008.11

6.《物理化学及胶体化学》 作者:叶非 出版社：中国农业出版社 出版日期:2004.08