胶体和表面化学

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》内容

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。

简介

研究分散体系（除小分子分散体系以外的胶体分散体系和一般粗分散体系）和界面现象的物理化学分支学科。胶体和表面化学的研究和应用，实际上可追溯到远古时代。如中国史前时期陶器的制造；4000年以前巴比伦楔形文字碑文中有关油膜(不溶单分子膜)的记载；肥皂以及皂角一类天然表面活性剂（洗涤剂）的应用；毛细现象的研究等等。但作为一种科学，直到20世纪才得到具有本身特色的迅速发展。

胶体定义

经典的胶体体系由无数大小在10～10厘米之间的质点所组成，这种质点远大于一般经典化学所研究的分子，可以是胶状，也可以是晶质。由这一概念出发，胶体体系的不稳定、不易扩散、渗透压很低等不同于经典分子分散体系的性质，即可得到明确解释。

在胶体体系中，胶体质点成为一个相，周围的介质为另一相。此种质点分布于介质中的体系称为分散体系：胶体质点分散于介质中的体系即为胶体分散体系；固体质点分散于液体介质中的胶体分散体系称为溶胶，例如，三价铁盐稀溶液水解而得的氢氧化铁溶胶，还有硫化砷溶胶、硫溶胶、金溶胶等等(介质不一定必须是水)。气体为分散介质的胶体分散体系称为气溶胶，例如烟（固体质点）和雾（液体质点）。乳状液（液体质点分散在液体介质中）、泡沫（气体分散在液体介质中）、泥浆等也属于分散体系，但质点较大，稳定性差，容易破坏，称为粗分散体系。

从胶体分散体系的热力学特点考虑，溶胶是热力学不稳定的体系，体系中的界面（质点与介质之间的相界面）总是要减少、胶体质点趋向于聚集在一起，有发生聚沉而使分散体系破坏的倾向（粗分散体系更易如此）。破坏之后，分散体系不能自动形成，故溶胶这种胶体称为不可逆胶体，也叫做疏液胶体，取其质点与分散介质（液体）不亲合（不溶）之意。

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。

有古老历史的肥皂和现代的合成表面活性剂，其溶液（一般是水溶液）浓度达到一定程度后，离子（离子型表面活性剂）或分子(非离子型表面活性剂)即缔合成有一定聚集数(表面活性离子数或分子数)的胶团，其大小与经典胶体质点及高分子质点相似。在20世纪初，J.W.麦克贝恩冲破传统偏见，根据实验事实的分析，首先提出此类物质在溶液中形成胶团的概念，将具有此种性质的肥皂以及离子型表面活性剂一类物质称为胶体电解质。非离子型表面活性剂在溶液中也能形成胶团，但非胶体电解质，在溶液中不能电离。此类由离子或分子缔合而成胶团的胶体体系即称为缔合胶体。与高分子溶液一类亲液胶体相似，缔合胶体是热力学稳定的胶体体系，也是一种可逆胶体──分散介质挥发后剩下的物质，仍可自发地分散于介质中（溶解），在一定浓度的溶液中形成胶团。但是，在一定浓度以下，表面活性离子或分子未发生缔合，体系中尚无胶团质点，体系中仍为一般的电解质或小分子溶液，不是胶体体系，这是缔合胶体与高分子溶液一类亲液胶体体系的明显不同之处。

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。

表面化学多相(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（虽然这些体系与原来胶体的定义并不相符）。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。

表面化学促进了许多工业和技术的发展，如能源开发（包括石油开采、煤流态化即水煤浆和油煤混合物、太阳能利用）、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。

胶体和表面化学的应用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（亲液胶体、缔合胶体、乳状液以及凝胶等）和各种界面 (生物膜-体液界面是其中重要的一种)。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。

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