第一章 溶液和胶体
(Solution and Colloid )
§1.1 分 散 系
1. 分散系、分散质(相) 和分散剂(介质) 的概念
一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质里所形成的体系称分散系。被分散的物质称分散质(或称分散相) ，把分散质分散开来的物质称分散剂(或称分散介质) 。
2. 分散系的分类
按分散质粒子的大小，可将分散系分为分子分散系(粒子平均直径d ＜1 nm)，胶体分散系(d约为1～100 nm)和粗分散系(d＞100 nm)。
3. 体系和相(注意相和态的区别与联系)
常常把研究要对象称为体系或系统(以后还要讨论) 。
体系中具有相同的组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀部分称为相，相与相之间有明确的界面。超过此相界面，一定有某些宏观性质(如密度、折射率、组成等) 要发生突变。
只有一个相的体系叫做单相体系(或均相体系) ；有两个或两个以上相的体系叫做多相体系(或叫非均相体系) 。分子分散系为单相体系，胶体分散系和粗分散系为多相体系。
相与物态(物质的聚集状态) 不同，物态一般分为气态、液态、固态和等离子态。对相来说，通常任何气体均能无限混合，所以系统内不论有多少种气体都只有一个气相。液体则按其互溶程度可以是一相、两相或三相共存。例如，液态乙醇与水可以完全互溶，其混合液为单相系统；甲苯与水不互溶而分层，是相界面很清楚的两相系统。对于固体，如果系统中不同种固体达到了分子程度的均匀混合，就形成了“固溶体”，一种固溶体就是一个相；否则，不论这些固体研磨得多么细，其分散度亦远远达不到分子、离子级，系统中含有多少种固体物质，就有多少个固相。
§1.2 溶液浓度的表示方法
1. 物质的量浓度
物质的量浓度是指物质B 的物质的量除以混合物的体积。在不可能混淆时，可简称为浓度。用符号c B 表示，即
n B V
式中n B 为物质B 的物质的量，SI 单位为mol ；V 为混合物的体积，SI 单位为m 3。体积常用的非SI
－单位为L ，故浓度的常用单位为mol·L 1。
根据SI 规定，使用物质的量单位mol 时，要指明物质的基本单元。而物质的量浓度单位是由基本单位mol 推导得到的，所以在使用物质的量浓度时也必须注明物质的基本单元。
－－例如c (KMnO4) ＝0.10 mol·L 1与c (1/5KMnO4) ＝0.10 mol·L 1的两种溶液，它们浓度数值虽然
相同，但是它们所表示1 L溶液中所含KMnO 4的质量是不同的，分别为15.8g 与3.16g 。
2. 质量摩尔浓度
溶液中溶质B 的物质的量除以溶剂的质量，称为溶质B 的质量摩尔浓度。其数学表达式为 c B ＝
b B ＝n B m A
－式中b B 为溶质B 的质量摩尔浓度，其SI 单位为mol ·kg 1；m A 是溶剂的质量，SI 单位为kg 。
由于物质的质量不受温度的影响，所以溶液的质量摩尔浓度是一个与温度无关的物理量。
3. 摩尔分数
B 的物质的量与混合物的物质的量之比，称为B 的摩尔分数(mole fraction)，其数学表达式为
x B ＝n B n
式中x B 量纲为一。
对于一个两组分的溶液系统来说，溶质的摩尔分数与溶剂的摩尔分数分别为
n B n A x B ＝x A ＝n A ＋n B n A ＋n B
所以 x A ＋x B ＝1。
若将这个关系推广到任何一个多组分系统中，则∑x i ＝1。
4. 质量分数
B 的质量与混合物的质量之比，称为B 的质量分数，其数学表达式为
m w B ＝B m
式中m B 为B 的质量，m 为混合物的质量，w B 为B 的质量分数，量纲为一。
5. 几种溶液浓度之间的关系
1). 物质的量浓度与质量分数
如果已知溶液的密度ρ，同时已知溶液中溶质B 的质量分数w B ，则该溶液的浓度可表示为
n m m B m ρw ρc B ＝B ＝B ＝＝B ＝B V M B V M B m /ρM B m M B
式中M B 为溶质B 的摩尔质量。
2). 物质的量浓度与质量摩尔浓度
如果已知溶液的密度ρ和溶液的质量m ，则有
n n n ρc B ＝B ＝B ＝B V m /ρm
若该系统是一个两组分系统，且B 组分的含量较少，则m 近似等于溶剂的质量m A ，上式可近似成为
n ρn ρc B ＝B ＝B ＝b B ρ m m A
若该溶液是稀的水溶液，则
c B ≈b B
§1.3 稀溶液的通性
1. 液体
1) 液体的蒸气压
当把纯液体放在敞开容器中，液体表面上某些能量较大的分子将克服液体分子间的吸引力而逸出表面，成为蒸气分子，这个过程称为蒸发。蒸发过程一直进行到液体完全蒸发完为止。如果把液体放在密闭容器中，当温度恒定时，液体将以一定的速度蒸发，同时，蒸气分子中能量较低的分子撞击液面重新变为液体，这一过程叫做凝聚。开始时，由于没有蒸气分子凝聚速度为零，随着气相蒸气分子数的增多，撞回至液面的机会就越多，凝聚的速度也就越快，最后当凝聚的速度和蒸发的速度达到相等时，液体(液相) 和它的蒸气(气相) 便处于平衡状态。这是动态平衡，即在单位时间内，从气相中回到液面上的分子数与逸出同一液面的分子数相等，宏观上气相中蒸气分子数目不再变化，我们把这时的蒸气称为饱和蒸气。饱和蒸气所产生的压力叫做饱和蒸气压，简称蒸气压。
图1-1 液体的蒸气压示意图
在一定温度下各种液体的蒸气压是不同的，蒸气压的大小取决于液体的本性，与液体的量无关。通常把蒸气压大的叫做易挥发性物质，蒸气压小的叫做难挥发性物质。
2) 液体的沸点
液体的沸点，是指液体的饱和蒸气压与外界压力相等时的温度。在此温度下，气化在整个液体中进行，称为液体的沸腾；而在此温度以下，则气化仅限于在液体表面上进行，即为蒸发。这就是达到沸点时和在沸点以下液体气化之间的区别。
图1-2 几种液体的蒸气压曲线
液体的蒸气压随温度的上升而迅速增大，将液体的蒸气压对温度作图就得到该液体的蒸气压曲线。如图1-2所示，很显然，液体的沸点同外界气压密切相关。外界气压升高，液体的沸点升高；外界气压下降，液体的沸点也下降。当外界气压为101.325KPa 时，液体的沸点称之为正常沸点。图1-2可见水的正常沸点为100℃，当外界气压高于101.325KPa 时，水的沸点高于100℃，外界气压低于101.325KPa 时，水的沸点低于100℃。在高山上，由于空气稀薄，大气低于101.325kPa ，水在100℃以下就沸腾了。例如，在珠穆朗玛峰上，大气压力只有32.4KPa ，水在7l ℃就沸腾了。
2. 稀溶液的通性。
不同的溶质和溶剂组成的溶液往往有不同的性质，如颜色、密度、导电性等。但是溶液有一些性质如蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降以及溶液的渗透压等，只和溶液中溶质的微粒数有关，它们随溶质微粒数的改变而改变，与溶质的本性无关，故又称为溶液的依数性。
1) 溶液的蒸汽压下降
若往溶剂(如水) 中加入任何一种难挥发的溶质，使它溶解而形成溶液时，由实验可以测出溶剂的蒸气压便下降。即在同一温度下，溶有难挥发溶质B 的溶液中，溶液的蒸气压总是低于纯溶剂A 的蒸气压。在这里，所谓溶液的蒸气压实际是指溶液中溶剂的蒸气压(因为溶质是难挥发的，其蒸气压可忽略不计) 。同一温度下，纯溶剂蒸气压力与溶液蒸气压力之差叫做溶液的蒸气压下降。
溶液的蒸气压比纯溶剂的要低的原因可以理解如下：由于溶剂中溶解了难挥发的溶质后，溶剂的一部分表面或多或少地被溶质的微粒所占据，从而使得单位时间内从溶液中蒸发出的溶剂分子数比原来从纯溶剂中蒸发出的分子数要少，以致溶剂与其蒸气在较低的溶剂蒸气压力下即可以达到平衡，因此，难挥发溶质的溶液中溶剂的蒸气压力低于纯溶剂的蒸气压力。显然，溶液的浓度越大，溶液的蒸气压下降就越多。
图1-3 溶液蒸气压下降示意图
实验证明，在一定温度时，难挥发的非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂在溶液中的摩尔分数，即
*p ＝p B x B
式中p 为溶液的蒸气压，p B *为纯溶剂的蒸气压，x B 为溶剂的摩尔分数。将x B ＝1－x A (xA 为溶质的摩尔分数) 代入上式，得
*p ＝p B (1－x A )
** p ＝p B －p ＝p B x A
上式表明，在一定温度下，难挥发的非电解质稀溶液中溶剂的蒸气压下降(△p) 与溶质的摩尔分数成正比，这通常称为拉乌尔定律。此定律只适用于稀溶液，溶液越稀，越符合定律。
2) 溶液的沸点上升和凝固点下降
溶液的沸点是指溶液的蒸气压等于外界压力时，溶液沸腾时的温度。而凝固点是物质固液两相平衡时的温度，也就是固相蒸气压和液相蒸气压相等时的温度。—切纯物质都有一定的沸点和凝固点，而溶液的沸点和凝固点不同于纯溶剂。如果在溶剂中加入难挥发的溶质，溶液的沸点比纯溶剂高，溶液的凝固点比纯溶剂低。这些现象都是溶液的蒸气压下降的必然结果。现在通过水溶液的例子来说明这个问题。
以蒸气压力为纵坐标，温度为横坐标，画出水和冰的蒸气压曲线，如图1-4所示。水在正常沸点(100℃即373.15K) 时其蒸气压恰好等于外界压力(101.325 kPa)。如果水中溶解了难挥发性的溶质，其蒸气压就要下降。因此，溶液中溶剂的蒸气压力曲线就低于纯水的蒸气压力曲线，在373.15K 时溶液的蒸气压就低于101.325 kPa。要使溶液的蒸气压与外界压力相等，以达到其沸点，就必须把溶液的温度升到373.15K 以上。从图1-4可见，溶液的沸点比水的沸点高△T bp (沸点上升度数) 。
图1-4 水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图
从图1-4还可以看到，在273.16K 时冰的蒸气压曲线和水的蒸气压曲线相交于一点，即此时冰的蒸气压力和水的蒸气压相等，均为611Pa 。由于溶质的加入使所形成的溶液的溶剂蒸气压下降。这里必须注意到，溶质是溶于水中而不溶于冰中，因此只影响水(液相) 的蒸气压，对冰(固相) 的蒸气压则没有影响。这样在273.16K 时、溶液的蒸气压必定低于冰的蒸气压力，冰与溶液不能共存，冰要转化为水，所以溶液在273.16K 时不能结冰。如果此时溶液中放入冰，冰就会融化，而融化是吸热过程，因此系统的温度就会降低。在273.16K 以下某一温度时，冰的蒸气压曲线与溶液的蒸气压曲线可以相交于一点，此温度就是溶液的凝固点。它比纯水的凝固点要低△T fp (凝固点下降度数) 。
溶液的蒸气压下降程度与溶液浓度有关，而溶液的蒸气压下降又是溶液沸点上升和凝固点下降的根本原因，因此，溶液的沸点上升和凝固点下降也必然与溶液的浓度有关。
难挥发的非电解质稀溶液的沸点上升和凝固点下降与溶液的质量摩尔浓度成正比，可用下列数学式表示：
∆T b ＝K b ⋅b
∆T f ＝K f ⋅b
式中，K b 与K f 分别称做溶剂的摩尔沸点上升常数和溶剂的摩尔凝固点下降常数(SI单位K·kg·mol 1) 。
在生产和科学实验中，溶液的凝固点下降这一性质得到广泛的应用。例如，汽车散热器(水箱) 的用水中，在寒冷的季节，通常加入乙二醇C 2H 4(OH)2使溶液的凝固点下降以防止结冰。
溶液沸点上升和凝固点下降都与加入的溶质的质量摩尔浓度成正比；而质量摩尔浓度又与溶质的相对分子质量有关。因此，可以通过对溶液沸点上升和凝固点下降的测定来估算溶质的相对分子质量大小。由于同一物质的溶液凝固点下降常数要比沸点升高常数大，而且溶液凝固点的测定也要比沸点测定容易，因此通常用测凝固点的方法来估算溶质的相对分子质量。由于凝固点的测定是在低温下进行的，所以被测试样的组成与结构不会遭到破坏。因此，该方法通常用于生物体液及易被破坏的试样体系中可溶性物质浓度的测定。
现代科学研究表明，植物的抗旱性和抗寒性与溶液蒸气压下降和凝固点下降规律有关。当植物所处的环境温度发生较大改变时，植物细胞中的有机体就会产生大量的可溶性碳水化合物来提高细胞液的浓度，细胞液浓度越大，其凝固点下降越大，使细胞液能在较低的温度环境中不冻结，从而表现出一定的抗寒能力。同样，由于细胞液浓度增加，细胞液的蒸气压下降较大，使得细胞的水分蒸发减少，因此表现出植物的抗旱能力。
3) 渗透压
① 渗透及渗透压
扩散(diffusion)
溶质在溶剂中的溶解是由于溶质粒子扩散运动的结果，这种粒子的热扩散运动使得溶质从高浓度处向低浓度处迁移，同时溶剂粒子也发生类似的迁移。当双向迁移达到平衡时，溶质在溶剂中的溶解达到最大程度。这种物质自发地由高浓度处向低浓度处迁移的现象称为扩散。扩散现象不但存－在于溶质与溶剂之间，也存在于任何不同浓度的溶液之间。
半透膜(semipermeable membrane) ：一种能有选择地通过或阻止某些粒子的物质即一种只允许溶剂的分子通过，而不允许溶质的分子通过的膜。
图1-5 产生渗透压示意图
如图1-5，在一个连通器的两边各装着蔗糖溶液与纯水，中间用半透膜将它们隔开。在扩散开始之前，连通器两边的玻璃柱中的液面高度是相同的。经过一段时间的扩散，玻璃柱内的液面高度不再相同，蔗糖溶液一边的液面比纯水的液面要高。这是因为半透膜能够阻止蔗糖分子向纯水一边扩散，却不能阻止水分子向蔗糖溶液的扩散。由于单位体积内纯水中水分子比蔗糖溶液中的水分子多，因此进入溶液中的水分子比离开的水分子多，所以蔗糖溶液的液面升高。这种由物质粒子通过半透膜单向扩散的现象称为渗透(osmosis)。随着蔗糖溶液液面的升高，液柱的静压力增大，使蔗糖溶液中水分子通过半透膜的速度加快。当压力达到一定值时，在单位时间内从两个相反方向通过半透膜
的水分子数相等，此时渗透达到平衡，两侧液面高度不再发生变化。这种为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力叫渗透压(osmosis pressure) 。换句话说渗透压就是阻止渗透作用进行时所需加给溶液的额外压力。对于由两个不同浓度溶液构成的体系来说，渗透现象也会发生。
② 定量关系
难挥发的非电解质稀溶液的渗透压与溶液的浓度及热力学温度成正比。若以П表示渗透压，c 表示浓度，T 表示热力学温度，n 表示溶质的物质的量，V 表示溶液的体积，则
П＝cRT ＝(n/V)RT
或 ПV ＝nRT
这一方程的形式与理想气体方程完全相似，R 的数值也完全一样，但气体的压力和溶液的渗透压产生的原因是不同的。气体由于它的分子运动碰撞容器壁而产生压力，但溶液的渗透压是溶剂分子渗透的结果。
③ 应用
渗透压在生物学中具有重要意义。有机体的细胞膜大多具有半透膜的性质，渗透压是引起水在
－生物体中运动的重要推动力。渗透压的数值相当可观，298.15K 时0.100 mol·L 1溶液的渗透压为
248 kPa。一般植物细胞汁的渗透压约可达2000kPa ，所以水分可以从植物的根部运送到数十米高的顶端。化学家则常利用渗透压法测定大分子化合物的摩尔质量。
人体血液平均的渗透压约为780 kPa。由于人体有保持渗透压在正常范围的要求，因此，对人体注射或静脉输液时，应使用渗透压与人体内的基本相等的溶液，在生物学和医学上这种溶液称为等
－渗溶液，例如临床常用的是质量分数5.0％(0.28 mol·L 1) 葡萄糖溶液或含0.9％NaCl 的生理盐水，
否则由于渗透作用，可产生严重后果。如果把血红细胞放入渗透压较大(与正常血液的相比) 的溶液中，血红细胞中的水就会通过细胞膜渗透出来，甚至能引起血红细胞收缩并从悬浮状态中沉降下来；如果把这种细胞放入渗透压较小的低渗溶液中，溶液中的水就会通过血红细胞的膜流入细胞中，而使细胞膨胀，甚至能使细胞膜破裂。
④ 反渗透
如果外加在溶液上的压力超过了渗透压，则反而会使溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动，使纯溶剂的体积增加，这个过程叫做反渗透。反渗透的原理广泛应用于海水淡化、工业废水或污水处理和溶液的浓缩等方面。
通过以上有关稀溶液的一些性质的讨论，可以总结出一条关于稀溶液的定理：难挥发、非电解质稀溶液的某些性质(蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压) 与一定量的溶剂中所含溶质的物质的量成正比，而与溶质的本性无关。这就是稀溶液的依数性定律。
应该指出，稀溶液的依数性定律不适用于浓溶液和电解质。因为在浓溶液中情况比较复杂，溶质浓度大，溶质粒子之间的相互影响大为增加，简单的依数性的定量关系不再适用。电解质溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压的变化要比相同浓度的非电解质都大。这是因为相同浓度的电解质溶液在溶液中会电离产生正负离子，因此它所具有总的粒子数就要多。此时稀溶液的依数性取决于溶质分子、离子的总粒子数，稀溶液通性所指定的定量关系不再存在，必须加以校正。
§1.4 胶体溶液
溶胶定义及特征：
分散质的粒子直径在1～100nm 之间的分散体系。
溶胶的基本特征是：多相性、高分散性和热力学不稳定性。
1. 分散度和表面吸附
由于溶胶体系是一个多相体系，因此相与相之间就会存在界面，有时也将相与相之间的界面称为表面。分散系的分散度(dispersion degree) 常用比表面积(specific surface) 来衡量，所谓比表面积就是单位体积分散质的总表面积。其数学表达式为
s ＝
S V
式中s 为分散质的比表面积，单位是m 1；S 为分散质的总表面积，单位是m 2；V 为分散质的体积，单位是m 3。
从上面的公式中可以看出，单位体积的分散质表面积越大，即分散质的颗粒越小，则比表面积
－越大, 因而体系的分散度越高。例如, 一个1 cm3的立方体，其表面积为6cm 2，比表面积为6×102 m1。
－－如果将其分成边长为107cm 的小立方体, 共有1021个, 则其总面积为6×107cm 2，比表积为6×109 m1.
－－由此可见，其表面积增加了107倍。而胶体的粒子大小处在109～107m ，所以溶胶粒子的比表面积
非常大，正是由于这个原因使溶胶具有某些特殊的性质。
处在物质表面的质点，如分子、原子、离子等，其所受的作用力与处在物质内部的相同质点所受的作用力大小和方向并不相同。对于处在同一相中的质点来说，其内部质点由于同时受到来自其周围各个方向并且大小相近的作用力，因此它所受到的总的作用力为零。而处在物质表面的质点就不同，由于在它周围并非都是相同的质点，所以它受到的来自各个方向的作用力的合力就不等于零。该表面质点总是受到一个与界面垂直方向的作用力。这个作用力的方向根据质点所处的状态及性质，可以是指向物质的内部，也可以是指向外部。所以，物质表面的质点处在一种力不稳定状态，它有要减小自身所受作用力的趋势。换句话说，就是处在物质表面的质点比处在内部的质点能量要高。－表面质点进入物质内部就要释放出部分能量，使其变得相对稳定。而内部质点要迁移到物质表面则就需要吸收能量，因而处在物质表面的质点自身变得相对不稳定。这些表面质点比内部质点所多余的能量称为表面能(surface energy) 。不难看出，若物质的表面积越大，表面分子越多，其表面能越高，表面质点就越不稳定。而物质的表面质点要减小其表面能，除了进入物质内部以外，它还可能通过吸附其他质点，以减小其所受的作用力，并释放出部分能量使其自身处于稳定状态。因此，表面吸附过程是一个放热过程，也是一个自发的过程。
2. 胶团结构
胶体的性质与其结构有关。现以稀AgNO 3与过量的稀KI 溶液反应制备AgI 溶胶为例，说明其结构。图1-6是这种AgI 溶胶的胶团结构示意图。
图1-6 KI 过量时形成的AgI 胶团结构示意图
小圆圈表示胶核，m 表示胶核中所含AgI 的分子数，通常是一个很大的数值(约103左右) 。由于
＋－－KI 是过量的，溶液中还有K ，NO 3，I 等离子。因胶核有选择性地吸附与其组成相类似离子的倾
－＋向，所以I 在其表面优先吸附，使胶核带上负电荷。溶液中与其电性相反的K (称为反离子) ，它一
方面受胶核电荷的吸引有靠近胶核的趋势，另一方面本身的热运动有远离胶核的趋势，在这种情况下一部分反离子也被吸附在胶核表面而形成吸附层，图中用中圆圈表示。胶核和吸附层构成胶粒，在溶胶中胶粒是独立运动的单位。剩下的其余反离子松散地分布在胶粒外面，形成了扩散层。扩散层和胶粒一起组成胶团。以上的胶团结构也可用如下简式表示：
3. 溶胶的性质
1) 动力学性质：布朗运动
在超显微镜下观察到溶胶中的胶粒在不断地作不规则运动。布朗运动是由于不断热运动的液体介质分子对胶粒撞击的结果。
2) 光学性质：丁铎尔效应
若使一束聚光通过溶胶，则从侧面(与光束垂直的方向) 可以看到一个发光的圆锥体，此即为丁铎尔效应。可以用丁铎尔效应来区别溶胶和真溶液。
3) 电学性质：电泳
在电场中，溶胶体系的溶胶粒子在分散剂中能发生定向迁移，这种现象称为溶胶的电泳
(electrophoresis)。可以通过溶胶粒子在电场的迁移方向来判断溶胶粒子的带电性。
使溶胶粒子带电的主要原因如下：
吸附作用 溶胶体系具有较高的表面能，而这些小颗粒为了减小其表面能就要根据相似相吸的原则对体系中的物质进行吸附。以氢氧化铁溶胶为例，该溶胶是用FeCl 3溶液在沸水中水解而制成
＋＋的。在整个水解过程中，有大量的FeO 存在，由于Fe(OH)3对FeO 的吸附因而溶胶带正电。又如
硫化砷溶胶的制备通常是将H 2S 气体通入饱和H 3AsO 4溶液中，经过一段时间以后，生成淡黄色As 2S 3
－－溶胶。由于H 2S 在溶液中电离产生大量的HS ，所以As 2S 3吸附HS 以后，该溶胶就带有负电。
电离作用 有部分溶胶粒子带电是由于自身表面电离所造成的。例如，硅胶粒子带电就是因为H 2SiO 3电离形成HSiO 3或SiO 32，并附着在表面而带负电。其反应式为 －－
H 2SiO 3HSiO 3－＋H ＋SiO 32－＋H ＋
应该指出，溶胶粒子带电原因十分复杂，以上两种情况只能说明溶胶粒子带电的某些规律。至于溶胶粒子究竟怎样带电，或者带什么电荷都还需要通过实验来证实。
4. 溶胶的稳定性与聚沉
1) 溶胶的稳定性
溶胶具有动力学稳定性和聚结稳定性。溶胶的动力学稳定性(kinetic stability) 是指分散粒子在重力作用下，不会从分散剂中分离出来。在溶胶体系中，溶胶粒子由于布朗运动，不断地在做无规则的运动。因为溶胶粒子的质量较小，其受重力的作用也较小，溶胶粒子主要受布朗运动的控制，因此不发生沉淀。对粗分散系来说，由于其分散质粒子质量较大，因此它所受重力的作用要比布朗运动大。所以粗分散系就会发生沉淀。例如，在20℃的水中，直径为l mm的石英砂在25s 内，在分散剂中沉降2.5cm ；而将其分散成直径为100nm 时，沉降同样的高度需一个月时间；直径为1 nm时，沉降2.5cm 需要280年。由此可见，布朗运动是溶胶稳定存在的重要因素。
溶胶的聚结稳定性(coagulation stability) 是指溶胶在放置过程中，不会发生分散质粒子的相互聚结而产生沉淀。由于溶胶粒中的双电层结构，当两个带同种电荷的胶粒相互靠近时，胶粒之间就会产生静电排斥作用，从而阻止胶粒的相互碰撞，使溶胶趋向稳定。因此，尽管布朗运动会增加胶粒之间的碰撞机会，而胶粒要克服双电层结构也并非是一件容易的事。另外，由于溶胶粒子中的带电离子和极性溶剂通过静电引力的相互作用，使得溶剂分子在胶粒表面形成一个溶剂化膜，该溶剂化膜也起到阻止胶粒相互碰撞的作用。所以，溶胶的聚结稳定性的产生主要是胶粒的双电层结构和溶剂化膜共同作用的结果。
2) 溶胶的聚沉
若溶胶的动力学稳定性与聚结稳定性遭到破坏，胶粒就会因碰撞而聚结沉淀，澄清透明的溶胶就会变得混浊。这种胶体分散系中的分散质从分散剂中分离出来的过程称为聚沉(coagulation)。
造成溶胶聚沉的因素很多，如溶胶本身浓度过高，溶胶被长时间加热，以及在溶胶中加入强电解质等。
① 电解质的聚沉作用
电解质加入，增加了胶体中离子的总浓度，使扩散层中部分带异号电荷的离子被挤压进入吸附层内，从而使胶粒原来带的电荷减少，或者完全被(电性) 中和，同时还会使溶剂化层变薄，而有利于胶体聚沉。
电解质的聚沉效率可用聚沉值(使溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度，单位常用－mmol·L 1) 表示。聚沉效率越大，聚沉值越小，反之亦然。
电解质中与胶粒异号电荷离子的价数越高，对溶胶的聚沉效率就越大。例如，要使带负电荷的
＋＋＋＋＋硫化砷溶胶聚沉，所需的Al 3浓度小于Ba 2的，更远小于Na 的浓度，即Al 3的聚沉值最小，Na
的聚沉值最大。
在自然界中，电解质使胶体聚沉的例子很多。例如，在江河入海处常形成大量淤泥沉积的三角洲，其原因之一就是河水与海水相混合时，河水中所携带的胶体物质(淤泥) 遇到电解质(海水中的盐类) 而引起了聚沉。
② 将两种带异号电荷的溶胶以适当的数量相互混合时，由于电性中和，也能发生相互聚沉作用。 例如，净化天然水的时候，常常在水中加入适量的明矾[KAl(SO4) 2·12H 2O]，因为天然水中的悬浮粒子和胶体粒子在大多数情况下都是带负电荷的；而明矾在水中水解产生的所谓Al(OH)3溶胶粒子却是带正电荷的，从而能引起相互聚沉而使水净化。
③ 适当加热往往也可促使溶胶聚沉。这主要是因为加热可以使胶体粒子的运动加快，增多胶粒相互接近或碰撞的机会，而且加热会使胶核减弱对离子的吸附作用和水合程度，从而有利于溶胶聚沉。
由于溶胶具有某些溶液所没有的特殊性质，因此在许多情况下需要对溶胶进行保护。保护溶胶的方法有很多，可以通过对溶胶进行渗析，以减小溶胶中所含电解质的浓度；也可以通过加入适量的保护剂，如动物胶之类的物质，以增加胶粒的溶剂化保护膜，从而防止胶粒的碰撞聚沉。
有时溶胶的生成也会带来许多麻烦。例如，分离沉淀时，如果该沉淀是一胶状的沉淀，它不但能够透过滤纸，而且还会使过滤时间大为增加。因此，有时要设法破坏已形成的胶体。一些工厂烟囱排放的气体中的碳粒和尘粒呈胶体状态，这些粒子都带有电荷。为了消除这些粒子对大气的污染，可让气体在排放前经过一个带电的平板，中和烟尘的电荷，使其聚沉。
§1.5 高分子溶液和乳浊液
高分子溶液和乳浊液都属于液态分散系，前者为胶体分散系，后者为粗分散系。
1. 高分子溶液
1) 高分子溶液概念及特性
高分子化合物(polymers)是指相对分子质量在1000以上的有机大分子化合物。许多天然有机物如蛋白质、纤维素、淀粉、橡胶以及人工合成的各种塑料等都是高分子化合物。
大多数高分子化合物的分子结构呈线状或线状带支链。虽然它们分子的长度有的可达几百纳米，但它们的截面积却只有普通分子的大小。当高分子化合物溶解在适当的溶剂中，就形成高分子化合物溶液，简称高分子溶液。
高分子溶液由于其溶质的颗粒大小与溶胶粒子相近，属于胶体分散系，所以它表现出某些溶胶的性质，例如，不能透过半透膜、扩散速率慢等。然而，它的分散质粒子为单个大分子，是一个分子分散的单相均匀的热力学稳定体系，因此它又表现出溶液的某些性质，与溶胶的性质有许多不同之处。高分子溶液具有溶解的可逆性，例如，蔗糖和动物胶分别溶于水中形成溶液，加热蒸发掉水，重新得到蔗糖和动物胶，再加水，又能形成溶液。溶胶却不同，它一旦聚沉后很难简单地再成为溶胶。高分子溶液其溶质与溶剂之间没有明显的界面，因而对光的散射作用很弱，丁铎尔效应不像溶胶那样明显。另外高分子化合物还具有很大的粘度，这与它的链状结构和高度溶剂化的性质有关。
2) 高分子溶液的盐析和保护作用
高分子溶液具有一定的抗电解质聚沉能力，加入少量的电解质，它的稳定性并不受影响。这是因为在高分子溶液中，本身带有较多的可电离或已电离的亲水基团，如－OH ，－COOH ，－NH 2等。这些基团具有很强的水化能力，它们能使高分子化合物表面形成一个较厚的水化膜，能稳定地存在于溶液之中，不易聚沉。要使高分子化合物从溶液中聚沉出来，除中和高分子化合物所带的电荷外，更重要的是破坏其水化膜，因此，必须加入大量的电解质。电解质的离子要实现其自身的水化，就要大量夺取高分子化合物水化膜上的溶剂化水，从而破坏水化膜，使高分子溶液失去稳定性，发生聚沉。像这种通过加入大量电解质使高分子化合物聚沉的作用称为盐析(salting out) 。加入乙醇、丙
酮等溶剂，也能将高分子溶质沉淀出来。因为这些溶剂也像电解质的离子一样有强的亲水性，会破坏高分子化合物的水化膜。在研究天然产物时，常常用盐析和加入乙醇等溶剂的方法来分离蛋白质和其他的物质。
在溶胶中加入适量的高分子化合物，就会提高溶胶对电解质的稳定性，这就是高分子化合物对溶胶的保护作用(protective effect) 。在溶胶中加入高分子，高分子化合物附着在胶粒表面，一来可以使原先憎液胶粒变成亲液胶粒，从而提高胶粒的溶解度；二来可以在胶粒表面形成一个高分子保护膜，以增强溶胶的抗电解质的能力。所以高分子化合物经常被用来作胶体的保护剂。保护作用在生理过程中具有重要的意义。例如，在健康人的血液中所含的碳酸镁、磷酸钙等难溶盐，都是以溶胶状态存在，并被血清蛋白等保护着。当生病时，保护物质在血液中的含量减少了，这样就有可能使溶胶发生聚沉而堆积在身体的各个部位，使新陈代谢作用发生故障，形成肾脏、肝脏等结石。
如果溶胶中加入的高分子化合物较少，就会出现一个高分子化合物同时附着几个胶粒的现象。此时非但不能保护胶粒，反而使得胶粒互相粘连形成大颗粒，从而失去动力学稳定性而聚沉。这种由于高分子溶液的加入，使得溶胶稳定性减弱的作用称为絮凝作用。生产中常利用高分子对溶胶的絮凝作用进行污水处理和净化、回收矿泥中的有效成分以及产品的沉淀分离。
2. 表面活性剂
两种极性相差很大的物质，通过机械分散方式很难形成一个均匀混合的稳定单相体系，这两种物质只有在它们接触表面积最小时才能够稳定存在，即两物质各成一相。水和油就是如此，水是一种强极性的化合物，而油通常是直链碳氢化合物，其极性较弱。因此，将这两种物质通过机械方式混在一起后，无须多时，油水就会自动分层，因为此时它们之间的接触面最小，所以体系最稳定。而表面活性剂(surface active substance) 是这样一类物质，当它被加入到某一物质中后，能够显著降低其表面张力，从而使一些极性相差较大的物质也能相互均匀分散、稳定存在。上面所述的水油体系中，倘若加入适量的表面活性剂以后，水油之间不再分层，即形成一个相对稳定的混合体系。
表面活性剂的分子结构大致相同，它们的分子是由极性基团(亲水) 和非极性基团(疏水) 两大部分
＋构成。极性部分通常是由－OH ，－COOH ，－NH 2，＝NH ，－NH 3等基团构成。而非极性部分主
要是由碳氢组成的长链或芳香基团所构成。
由于表面活性剂特殊的分子结构，所以它具有一种既能进入水相又能进入油相的能力。因此，它能很好地在水相或油相的表面形成一个保护膜，降低水相或油相的表面能，起到防止被分散的物质重新碰撞而聚结的作用。
3. 乳浊液
乳浊液(emulsion)是分散质和分散剂均为液体的粗分散系。牛奶、豆浆、某些植物茎叶裂口渗出的白浆(例如橡胶树的胶乳) 、人和动物机体中的血液、淋巴液都是乳浊液。在乳浊液中被分散的液滴的直径约在0.1～50μm 之间。根据分散质与分散剂的不同性质，乳浊液又可分为两大类：一类是“油”(通常指有机物) 分散在水中所形成的体系，以油/水型表示，如牛奶、豆浆、农药乳化剂等；另一类是水分散在“油”中形成的水/油型乳浊液，例如石油。
将油和水一起放在容器内猛烈震荡，可以得到乳浊液。但是这样得到的乳浊液并不稳定，停止震荡后，分散的液滴相碰后会自动合并，油水会迅速分离成两个互不相溶的液层。可见乳浊液也像溶胶那样需要有第三种物质作为稳定剂，才能形成一种稳定的体系。在油水混合时加入少量肥皂，则形成的乳浊液在停止震荡后分层很慢，肥皂就起了一种稳定剂的作用。乳浊液的稳定剂称为乳化剂(emulsifying agent) ，许多乳化剂都是表面活性剂。因此，表面活性剂有时也称为乳化剂。而乳化剂可根据其亲和能力的差别分为亲水性乳化剂和亲油性乳化剂。常用的亲水性乳化剂有：钾肥皂、钠肥皂、蛋白质、动物胶等。亲油性乳化剂有钙肥皂、高级醇类、高级酸类、石墨等。
在制备不同类型的乳浊液时，要选择不同类型的乳化剂。例如，亲水性乳化剂适合制备油/水型乳浊液，不适合制备水/油型乳浊液。这是因为亲水性乳化剂的亲水基团结合能力比亲油基团的结合能力大，乳化剂分子的大部分分布在油滴表面。因此，它在油滴表面形成一较厚的保护膜，防止油滴之间相互碰撞而聚结。相反该乳化剂不能在水滴表面较好地形成保护膜，因为表面活性剂分子大部分被拉入水滴中，因此水滴表面的保护膜厚度不够，水滴之间碰撞后，容易聚结而分层。同理，在制备水/油型乳浊液时，最好选用亲油性乳化剂。可以用通过向乳浊液中加水的方法来区分不同类
型的乳浊液。加水稀释后，乳浊液不出现分层，说明水是一种分散剂，则为油/水型乳浊液；加水稀释后，乳浊液出现分层，则为水/油型乳浊液。牛奶是一种油/水型乳浊液，所以加水稀释后不出现分层。
极细的固体粉末也可以起乳化剂的作用。非极性的亲油固体粉末，例如炭黑，是一种水/油型乳化剂，而二氧化硅等亲水粒子是油/水型乳化剂。去污粉(主要是碳酸钙细粉) 或细炉灰(碳酸盐或二氧化硅细粉) 等擦洗器皿油污后，用水一冲器皿便很干净，就是因为形成了油/水型乳浊液。
乳浊液及乳化剂在生产中的应用非常广泛，绝大多数有机农药、植物生长调节剂的使用都离不开乳化剂。例如，有机农药水溶性较差，不能与水均匀混合。为了能使农药与水较好地混合，加入适量的乳化剂，以减小它们的表面张力，从而达到均匀喷洒、降低成本、提高杀虫治病的目的。在人体的生理活动中，乳浊液也有重要的作用。例如，食物中的脂肪在消化液(水溶液) 中是不溶解的，但经过胆汁中胆酸的乳化作用和小肠的蠕动，使脂肪形成微小的液滴，其表面积大大增加，有利于肠壁的吸收。此外乳浊液在日用化工、制药、食品、制革、涂料、石油钻探等工业生产中都有许多应用。
根据生活、生产的需要，有时又必须设法破坏天然形成的乳浊液。例如，在溶液萃取、处理石油和橡胶类植物的乳浆时，为了使水、油两相分层完全，就要通过破坏乳化剂的方法来破坏乳浊液。常用的方法有，加入不能生成牢固保护膜的表面活性剂来取代原来的乳化剂，例如加入异戊醇等就能起到这种作用。加入无机酸，可以破坏皂类乳化剂，使皂类变成脂肪酸而析出。此外，升高温度等方法也能破坏乳浊液。
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