第三节 胶体

实践活动

在校园附近的河流或湖泊中各取500mL的水，分别置于两个烧杯中。在其中一个烧杯中加入少量明矾晶体。两个烧杯放置片刻，观察两烧杯内水的状态的不同。

从实验结果看，加入明矾的水明显比没加明矾的水要清很多。并且在加入明矾的烧杯的底部有絮状沉淀出现。为什么两烧杯内的水会有如此大的区别？正如前面我们所介绍的明矾是净水剂，溶于水后与水发生反应生成Al（OH）3胶体，Al（OH）3胶体的吸附能力很强，可以吸附水中的悬浮杂质并形成沉淀，使水澄清。

什么是胶体？胶体的性质是什么？这一节我们将对胶体进行介绍。

一、分散系、胶体

1.分散系

把一种（或多种）物质分散在另一种（或多种）物质中所得到的体系称为分散系。被分散的物质称为分散质；容纳分散质的物质称为分散剂。

分散系按照分散质粒子的大小不同可以分为溶液、浊液和胶体，如表1-2所示。

表1-2 分散系分类

2.胶体

胶体又称溶胶即胶体溶液，分散质粒子大小为在1～100nm。胶体分散系的胶体粒子能透过滤纸，但不能透过半透膜。外观上，胶体溶液不浑浊，用肉眼或普通显微镜均不能辨别。根据分散剂的不同，胶体通常有以下几种：

另外，许多物质（如蛋白质、淀粉、糖原溶液及血液、淋巴液等）也都属于胶体溶液。

二、胶团的结构

溶胶的性质与其结构有关，根据大量实验，人们提出了溶胶的扩散双电层结构。下面以碘化银溶胶为例（设AgNO3过量），讨论胶团结构。

AgNO3与KI反应生成AgI分子，大量的AgI分子聚集成大小为1～100nm的颗粒，该颗粒称为胶核。由于胶核颗粒很小，分散度很高，因此具有较高的表面能。如果此时体系中存在过剩的离子，胶核就要有选择地吸附这些离子。假设此时体系中AgNO3过量，根据“相似相吸”的原则，胶核就会优先吸附Ag+而带上正电，被胶核吸附的离子称为电位离子。因为胶核表面带有较为集中的正电荷，故它会通过静电引力而吸引带负电荷的NO3-。通常，我们将这些带相反电荷的离子称为反离子。反离子与电位离子组成吸附层。胶核与吸附层组成胶粒，胶粒与部分反离子（分布在胶粒周围，称为扩散层）形成不带电的物质称为胶团。

胶团的结构表达式如下：

（1）｛（AgI）m·nAg+·（n-x）NO3-｝x+·xNO3-

如果KI过量，那么胶团的结构为：

（2）｛（AgI）m·nI-·（n-x）K+｝x-·xK+

上述两个胶团结构如图1-6所示。

三、胶体的重要性质

胶体与其他分散系除了分散质粒子大小不同之外，胶体还具备一些特殊的性质。例如：清晨，在茂密的树林中，常常可以看到从枝叶间透过的一道道光柱，如图1-7所示。

类似这种自然界的现象，其实我们在化学实验室里也可以看到。

实践活动

取一烧杯，加入20mL蒸馏水，加热至沸腾，然后向沸水中滴加FeCl3饱和溶液1～2mL。继续煮沸，待溶液呈红褐色后，停止加热，得到Fe（OH）3溶胶；与另一烧杯中的CuSO4溶液比较。把上述两个烧杯分别置于暗处，用手电筒光源照射射向两杯液体，从侧面观察现象。

从实验结果看，新制得的Fe（OH）3溶胶与CuSO4溶液除了颜色不同外，外观上看不到明显的差别，均为均一、稳定、透明的液体。

光束通过盛有Fe（OH）3溶胶的烧杯时，成一条光亮的“通路”。光束通过盛有CuSO4溶液的烧杯时，没有看到这样的现象。如果换用NaCl、KNO3等溶液代替CuSO4溶液做这同一实验，也不会看到形成光亮“通路”的现象。这种现象就是下述胶体的性质之一。

1.光学性质——丁达尔效应

当一束光照到溶胶上，在与光路垂直的方向上可以看到一条明亮的光柱，这种现象称为丁达尔效应，如图1-8所示。产生这一现象的原因是由于胶粒对光的散射而形成的。其他分散系也会产生这种现象，但远远不如胶体显著。因此，利用丁达尔效应可以区别溶液、浊液和溶胶。

2.动力学性质——布朗运动

1827年，英国植物学家布朗把花粉悬浮在水里，用显微镜观察，发现花粉的小颗粒在做不停的、无秩序的运动，这种现象称为布朗运动，如图1-9所示。同样，用超显微镜观察胶体，可观察到胶体粒子也在做布朗运动。这是因为水分子从各个方面撞击胶体粒子，而每一瞬间胶体粒子在不同方向受的力是不相同的，所以胶体运动的方向在每一瞬间都在改变，因而形成不停的、无秩序的运动。

3.电学性质——电泳

在盛有红褐色Fe（OH）3胶体的U形管的两个管中，各插入一个电极，如图1-10所示。通直流电后，发现阴极附近的颜色逐渐变深，阳极附近的颜色逐渐变浅。这表明Fe（OH）3胶体粒子带正电荷，在电场作用下向阴极移动。这种在外加电场作用下，胶体粒子在分散剂里向阴极或阳极做定向移动的现象，称为电泳。

胶体的电泳特性，有广泛的实用价值。例如，生物化学中常利用电泳来分离各种氨基酸和蛋白质；医学上利用血清的纸上电泳进行某些疾病的诊断；电泳电镀则是利用电泳将油漆、乳胶、橡胶等粒子均匀地沉积在镀件上。

4.透析

胶体粒子的直径比分子或离子的直径大得多，分子和离子能够透过半透膜，胶体粒子则不能透过半透膜。半透膜是一种可以让小分子物质透过，而大分子物质不能通过的薄膜。利用该性质可以将分子或离子从溶胶中分离出来从而达到纯化目的。这种利用半透膜将分子或离子与溶胶进行分离的操作过程称为透析。

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血液透析

血液透析俗称洗肾，是医学上治疗由肾功能衰竭等疾病引起的血液中毒的最常用的血液净化手段。血液透析的原理同胶体的渗析类似。透析时，病人的血液与透析液分别经过人造的半透膜管的透析器，膜上的孔洞会将大分子物质保留，如血球，而使身体血液中的小分子物质通过，如尿素氮、肌酸酐、磷等，以排除身体中的有害物质及水分、调整电解质、校正血液的酸碱值。该方法可以取代部分肾脏的功能，能协助患者维持身体健康。

拓展与提高

胶体的聚沉

许多胶体粒子带电荷。由于同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，如果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，这种吸附有效地减少了粒子表面的电荷，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。

胶体发生聚沉作用在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，这类物质称为凝胶。例如，日常食用的豆腐就是以盐卤（主要成分是MgCl2·6H2O）或石膏（CaSO4·2H2O）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。

实践活动

自制豆腐

取适量石膏粉（聚沉剂）用生豆浆调拌均匀，加到煮沸后的豆浆中，所用石膏与豆浆的质量比约为1∶20。边加边搅拌，豆浆中的蛋白质会聚沉，与水分离，成豆腐花。稍冷后，用一湿布包好豆腐花，放入一可漏水的容器中，稍加压，使水渗出，即成豆腐。

拓展与提高

土壤胶体

土壤胶体是土壤固体颗粒中最细微的部分，也是土壤中物理化学性质最活泼的部分。土壤胶体的性质与土壤的保肥性、供肥性、缓冲性能，以及土壤的结构等密切相关。土壤胶体的性质主要有以下几个方面。

1.巨大的比表面积和表面能

颗粒小，有巨大的比表面积。表面巨大的表面能能吸附大量的水分子、养分和其他分子态物质。有些微生物也被吸附在表面。

2.带电性和离子吸收代换性能

一般胶体带负电，可吸附大量的阳离子。而且大部分的离子，具有代换能力。这对养分的供应、保存以及土壤的酸碱、缓冲性有很大的意义。例如，土壤胶体中的粒子带负电荷，可以吸附带正电的离子，NH4+、K+、H+易被吸附，NO3-、H2PO4-、PO43-与土壤胶体中的粒子带电相同而排斥，不易吸附。在土壤里施用含氮量相同的肥料NH4NO3、（NH4）2SO4、尿素时，肥效较差的是NH4NO3，因为NO3-不易被吸附，其中的氮元素也就被损失掉了。

3.分散性和凝聚性

在一定条件下，土壤胶体可以分散在介质中，呈溶胶状态。有时，又可以相互凝聚，呈凝胶状态。这种凝聚一般是在阳离子的作用下产生的。在生产上，灌水要适量、施肥种类和次数要适宜，始终保持胶体多呈凝胶状态，才能有利于良好结构的形成和养分的保蓄。