葉明富，馬 亮，嚴菊芬，張 奎，吳芳輝，王詩生

（1.安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,安徽馬鞍山243002；2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,安徽馬鞍山243002；3.南開大學(xué)先進能源材料化學(xué)教育部重點實驗室,天津300071）

膠體[1-4]一詞最早是在1861年由英國科學(xué)家格雷厄姆（Thomas Graham，1805-1869）提出來的。他比較在水中不同物質(zhì)的擴散速度時，發(fā)現(xiàn)一些物質(zhì)如糖、無機鹽、尿素等易擴散，另一些物質(zhì)如Al（OH）3、Fe（OH）3、明膠等擴散很慢，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。多年后俄國科學(xué)家維伊曼經(jīng)過200 多次的實驗證實這樣的分類并不合適，因為許多晶體物質(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，德國科學(xué)家齊格蒙第（Richard Zsigmondy，1865-1929）和西登托夫（Henry Siedentopf，1872-1940）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)的這一根本問題。1907 年，德國化學(xué)家奧斯特瓦爾德（Friedrich Wilhelm Ostwald，1853-1932）創(chuàng)辦了第一個膠體化學(xué)雜志《膠體化學(xué)和工業(yè)雜志》，因而世人將1907 年視為膠體化學(xué)正式成為一門獨立學(xué)科的起點。近百年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，膠體化學(xué)這一門學(xué)科也逐漸趨于成熟，對于膠體化學(xué)的研究實現(xiàn)了從宏觀到微觀的躍進。

在膠體中含有兩種不同狀態(tài)的物質(zhì)，一種連續(xù)，另一種分散。分散的那一部分是由微小的粒子或液滴所組成（粒徑1～100 nm），即膠體粒子，稱之為分散相；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1～100 nm，則在不同狀態(tài)的分散介質(zhì)中均可形成膠體體系。若按分散介質(zhì)和分散相的聚集狀態(tài)進行分類，構(gòu)成的膠體體系如表1。

表1 不同聚集狀態(tài)分散相分散于不同介質(zhì)形成的不同膠體體系

傳統(tǒng)習(xí)慣將分散介質(zhì)為液體的膠體系統(tǒng)稱為液溶膠（簡稱為溶膠），如介質(zhì)為水則稱為水溶膠；介質(zhì)為固體時，稱為固溶膠。由此可見，存在多種多樣的膠體系統(tǒng)。

當(dāng)按穩(wěn)定性對膠體溶液進行分類，則可分為親液溶膠和憎液溶膠。親液溶膠是指半徑1～100 nm 的大分子溶解在合適的溶劑中，將溶劑蒸發(fā)后大分子化合物凝集，但再加入溶劑其又可形成溶膠，親液溶膠是熱力學(xué)上穩(wěn)定、可逆的系統(tǒng)。憎液溶膠是指半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的固態(tài)難溶物粒子分散在液體介質(zhì)中，有很大的相界面，是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定系統(tǒng)，易聚沉。一旦將介質(zhì)蒸發(fā)掉再加入介質(zhì)時，其無法再形成溶膠，是一個不可逆系統(tǒng)。

1 膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[4-8]

1.1 膠體的結(jié)構(gòu)

任何溶膠粒子的表面上總是帶有電荷，目前人們普遍認同的膠團結(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AgI膠體為例，來說明膠團的結(jié)構(gòu)。即：

AgNO3+KI→KNO3+AgI ↓

反應(yīng)生成的難溶物AgI聚集形成膠粒的中心，稱為膠核。剩余的KI 起穩(wěn)定性的作用，然后膠核選擇性地吸附穩(wěn)定劑中的I-，形成緊密的吸附層。由于正負電荷相吸，K+作為反離子，會在緊密層外形成反離子的包圍圈，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，擴散在膠粒周圍的K+構(gòu)成了擴散層，擴散層中的反離子與膠粒形成了一個電中性的膠團。碘化銀膠團的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 碘化銀膠團結(jié)構(gòu)示意圖

膠團的結(jié)構(gòu)表達式為：

[(AgI)mnI-,(n-x)K+]X-xK+

式中：m—膠核中AgI 的分子數(shù)；n—膠核所吸附的I-離子數(shù)；（n-x）—吸附層中的帶相反電荷的離子數(shù)；x—擴散層中的反號離子數(shù)。

應(yīng)當(dāng)指出，膠核選擇性地吸附離子，同離子效應(yīng)使膠核不易溶解，因此首先吸附與膠核中相同的某種離子；若無相同離子，則首先吸附水化能力較弱的負離子，自然界中的膠粒大多帶負電就是這個原因?qū)е碌?。不同溶膠的膠團可有各種不同的形狀，例如聚苯乙烯溶膠的膠團接近球形，而Fe(OH)3溶膠為針狀，V2O3溶膠為帶狀。膠粒的形狀對膠體性質(zhì)有重要的影響。

1.2 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，必須綜合考慮膠粒的分散程度、多相性以及穩(wěn)定性三個基本方面特性才會得到正確的概念，只有典型的憎液溶膠才能全面表現(xiàn)膠體的所有特性?？偟膩碚f，其基本特性可以歸納為特有的分散程度、聚集不穩(wěn)定性和不均勻性。目前人們歸納的膠體基本性質(zhì)主要分為溶膠的運動性質(zhì)、溶膠的光學(xué)性質(zhì)、溶膠的電學(xué)性質(zhì)、膠體系統(tǒng)的流變性質(zhì)、膠體穩(wěn)定性等幾個方面。

1809 年，俄國化學(xué)家Scheele 發(fā)現(xiàn)了土粒的電泳現(xiàn)象(電泳是指帶電膠?；虼蠓肿釉谕饧与妶龅淖饔孟孪驇喾措姾傻碾姌O定向移動的現(xiàn)象)。由于溶膠是電中性的，而膠粒帶電，則介質(zhì)必然帶與膠粒相反的電荷。膠粒在重力場作用下發(fā)生沉降，從而產(chǎn)生沉降電勢；帶電的介質(zhì)發(fā)生流動，會產(chǎn)生流動電勢，這是因動而產(chǎn)生電；因外加電場作用，膠粒和介質(zhì)分別向帶相反電荷的電極移動，就產(chǎn)生了電泳和電滲的電動現(xiàn)象，這是因電運動。上述都是溶膠的電學(xué)性質(zhì)。1829 年，英國植物學(xué)家布朗（Robert Brown，1773-1858）觀察到花粉的布朗運動，即在花粉顆粒的水溶液中觀察到花粉不停頓地?zé)o規(guī)則運動。布朗運動是膠體的運動性質(zhì)，是分子熱運動的必然結(jié)果，是大粒子所具有的熱運動。熱運動的本質(zhì)是分子的不規(guī)則運動，它使粒子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動，而最終趨于平衡。即由于布朗運動的存在，當(dāng)溶膠中的膠粒存在濃度差時，就會發(fā)生擴散。1869 年丁達爾（John Tyndall, 1820～1893）發(fā)現(xiàn)當(dāng)一束光通過溶膠時，在與光束垂直的方向可以看到溶膠中有明亮的光線軌道，這就是丁達爾效應(yīng)（Tyndall Effect），是膠體的光學(xué)性質(zhì)的重要體現(xiàn)，實際上丁達爾效應(yīng)已經(jīng)成為判別溶膠與分子溶液的最簡便的方法。

2 膠體化學(xué)的應(yīng)用[8-11]

直到二十世紀初膠體化學(xué)才真正成為一門獨立學(xué)科。膠體化學(xué)不僅要了解膠體體系本身的許多基本性質(zhì)，而且要研究與這些基本性質(zhì)相聯(lián)系的許多實際問題。只要涉及分散體系的形成、破壞以及它們的物理化學(xué)性質(zhì)等問題都是膠體化學(xué)所要研究的。因此，膠體化學(xué)的研究內(nèi)容包括分散體系和界面現(xiàn)象。

界面現(xiàn)象是發(fā)生在物理界面上的各種物理化學(xué)行為、過程及其性質(zhì)，研究界面現(xiàn)象的科學(xué)就稱為界面化學(xué)，界面化學(xué)以多相體系為研究對象。隨著分散體系分散度的增加，物體的比表面積也相應(yīng)增大，膠體的各種性質(zhì)與比表面積密切相關(guān)，所以對表面現(xiàn)象的研究也是膠體化學(xué)的主要內(nèi)容之一。

膠體化學(xué)的知識和研究成果在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用廣泛，尤其在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的各個前沿領(lǐng)域，如環(huán)境科學(xué)與工程中的絮凝、吸附，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)、表面催化和吸收對環(huán)境的影響等深層次問題，正是目前人們研究的熱點；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)以及細胞、蛋白質(zhì)和在生理過程中實現(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，都是在不斷進步的膠體技術(shù)帶動下進行的；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，由均勻納米陶粒制作的材料，其耐磨、耐溫、絕緣性能是普通材料無法比擬的；形狀、大小均一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；醫(yī)療與醫(yī)藥領(lǐng)域的微膠囊技術(shù)，成為醫(yī)藥在人體中儲存和傳輸?shù)哪z體方式；此外在能源科學(xué)中的三次采油和水煤漿技術(shù)以及膜科學(xué)中的LB膜、BLM和自組裝膜等領(lǐng)域中，膠體化學(xué)都起著重要作用。

3 結(jié)束語

中國著名膠體化學(xué)家博鷹院士說過“一種科學(xué)的歷史是那門科學(xué)的最寶貴的一部分，科學(xué)只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧”。膠體化學(xué)作為一門應(yīng)用性極強的學(xué)科，教學(xué)過程中首先通過介紹膠體化學(xué)的發(fā)展簡史以及膠體概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，接著引出對膠體結(jié)構(gòu)的探討，并且以具體的例子詳細解析了其結(jié)構(gòu)特性，從而又發(fā)現(xiàn)膠體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)有關(guān)，并對其進行詳細論述。在介紹基本概念時，通過理論結(jié)合實際，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。最后又結(jié)合膠體化學(xué)的實際應(yīng)用，使學(xué)生對膠體化學(xué)的理解更加深刻，有效提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。