中学化学如何用物理知识理解胶体性质

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  在中学化学中,《胶体》这一单元篇幅较短,对胶体的性质没有很详细地说明原因,一般教学中教师们常采用的处理方法是用生活、生产中常见的胶体及可能出现的实验现象导出胶体的某些性质,然后要求学生记忆这些性质,如通过夜空中的一束光柱引出胶体具有丁达尔现象,通过实验发现其他胶体存在此现象,从而证明和记忆这一胶体用以区别溶液的特有性质,在教学中并未说明清楚这种性质产生的本质。这样做的主要原因是很多教师认为“胶体”的深入理解很难,应当在大学《物理化学》这门学科中透彻学习。但我们应当看到如果学生不能了解产生各种性质的原因,则可能导致学生记忆不清,同时难以理解胶体稳定性被破坏的原因及产生的结果。
  胶体化学作为化学的一个小分支,在大学中将较详细地阐述清楚,以学生目前掌握的物理知识,学生能利用物理中的光学、力学和电学知识理解胶体的丁达尔效应、布朗运动和电泳现象,下面分别加以说明。
  1.胶体的光学性质
  如图1所示,在暗室里,将一束光线透过溶胶,在光束的垂直方向观察,可以在光透过溶胶的途径上看到一个光柱,這就是丁达尔效应。
  图1
  丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。可见光的波长在400~760nm的范围,略大于一般溶胶粒子的尺寸。当可见光(电磁波)照射在微粒上时,向各个方向发射与可见光有相同频率的电磁波即散射光波。由溶胶的高分散度和多相性,入射光照射在溶胶粒子上,必然会产生散射光。当然,由于分子热运动引起密度或浓度涨落,会造成光学的不均匀性,产生光的散射。从而使每一个被光照射的胶粒成为一个个“小太阳”,如此在光线上排列一组“小太阳”,形成一条“光的通路”,这就是丁达尔效应。
  2.胶体的力学性质
  溶胶是一种高度分散的多相系统,在热力学上是不稳定的。溶胶会自动聚结为大粒子,使整个胶体系统遭到破坏。但溶胶能稳定地存在,主要原因是溶胶的动力学性质。
  在物理课中“分子热运动”这个知识点上就提到过这种动力学性质——布朗运动。
  图2
  产生布朗运动的原因是分散质分子对胶粒的撞击结果,受介质分子热运动的撞击,在某一瞬间,它所受的来自各个方向的撞击力不会相互抵消,如图3所示,加上粒子自身的热运动。因而,它在不同时刻以不同速度、不同方向做无规则运动。
  图3
  溶胶粒子的布朗运动会引起溶胶中分散相粒子的扩散作用。所谓扩散,指溶胶粒子从高浓度区向低浓度区定向迁移现象,扩散的推动力是浓度梯度。即胶粒从高浓度处向低浓度处扩散是自发的。
  3.胶体的电学性质
  在外加电场的作用下,带电的分散相粒子在分散介质中向相反符号电极移动的现象,就是溶胶的电学性质——电泳。如图4所示。
  图4 电泳
  产生电泳的主要原因是胶粒是带电的,即在固液界面层上会呈现带电现象。究其原因可有数种,其中之一是固体表面上的物质粒子,在溶液中发生电离,可导致固体表面带电。固体表面上的带电离子不论是如何产生的,皆应视其为固体粒子的组成部分,带电的固体粒子表面由于静电吸引力的存在(简称反离子或异电离子)环绕在固体粒子的周围,这样在固液两相之间形成双电层结构。
  以KI溶液滴加至AgNO 溶液中形成AgI溶胶(正溶胶)为例,形成的胶核吸附溶液中的过量的NO 离子,而胶粒带正电荷:
  图5
  以上就是在高中阶段我们介绍的胶体的三大主要性质——丁达尔效应、布朗运动和电泳。如此,以中学物理知识理解化学中的胶体性质,不但可以让学生在理解的基础上记忆清楚胶体的性质,而且可以让学生真正从本质上理解外界某些条件的改变,胶体的稳定性被破坏而产生聚沉的原因,还可以在化学教学中复习已经学过的物理知识,这是“一举三得”的好事。
  参考文献:
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