溶膠

溶膠是膠體顆粒的直徑大小為1-100nm(也有人主張1-1000nm)。並把直徑為1-100nm的分散相粒子均勻分佈在分散介質裏的分散質。溶膠是多相分散體系，在介質中不溶，有明顯的相界面，為疏液膠體。

膠體系統(1~100nm)依照分散介質分為三類：

以氣體作為分散介質（分散劑）的膠體，稱為氣溶膠，如霧靄，固態納米顆粒漂浮在空氣中形成的。

以液體作為分散介質（分散劑）的膠體，分散體系稱為液溶膠或溶膠，如氫氧化鐵溶膠。

以固體作為分散介質（分散劑）的膠體，稱為固溶膠，如珍珠、合金、有色玻璃等。

溶膠一般是指液溶膠，液溶膠是指通過水解和聚合作用，形成的有機或無機的納米或微米級的粒子。這些粒子通常帶有電荷，並由於電荷作用，吸附一層溶劑分子，形成由溶劑包覆的納米或微米粒子，即膠體粒子，這些膠體粒子由於帶有電荷而相互排斥，從而能以懸浮狀態存在於溶劑中，即形成溶膠；膠體粒子由於失去電荷，或者包覆在外圈的溶劑層被破壞，膠體粒子發生聚合，溶膠發生固化即形成凝膠。

溶膠一般有三個特徵：

溶膠具有丁達爾效應的光學性質，即用一束光從側面照射溶膠，在與光路垂直的方向可以清楚地看見一條發亮的光柱，這種現象稱為丁達爾效應，又稱丁鐸爾(Tyndall)效應，如右圖1所示。

丁達爾效應就是光的散射現象，它的產生與分散質離子的大小和入射光的波長有關。當溶質粒子大於入射光波長，如粗分散系主要發生光的反射，觀察不到散射光，所以無丁達爾現象；當溶質粒子小於入射光的波長，如膠體溶液中溶膠粒子直徑為1~100nm，小於可見光波長(400~760nm)，當可見光通過溶膠時，散射現象十分明顯。真溶液中由於分散粒子太小，散射現象很弱。所以丁達爾效應是溶膠獨有的光學性質。 ^[1] 

在超顯微鏡下觀察膠體，可以看到代表溶膠離子的發光點在不斷地做不規則運動，這種運動稱為布朗運動。如圖2所示

布朗運動的產生，是分散體系中分散質離子受周圍分散劑分子不斷撞擊的結果。粗分散機體系中，粒子較大，每一瞬間可以從各個方向受到無數次的衝擊，結果衝擊都互相抵消，難以推動顆粒運動，即使這些撞擊力不能完全抵消，由於顆粒的質量大，產生的運動也不易被察覺到。但是，對於較小的溶膠離子，每一瞬間受到的衝擊次數要少得多，不易彼此完全抵消，撞擊力的合力在不同瞬間的大小和方向都不同，因此，溶膠顆粒就會發生不斷改變方向和速度的布朗運動。

溶膠粒子的布朗運動導致它具有擴散作用，可以自發地從粒子濃度大的區域向濃度小的區域擴散，只是溶膠粒子比一般分子或離子要大得多，因而擴散較慢。

在外加電場下，溶膠粒子在分散劑的定向移動稱為電泳，帶電顆粒在電場作用下，向着與其電性相反的電極移動。

例如，將新鮮的深紅棕色Fe(OH)₃溶膠加入U型電泳管中，並在溶膠上面緩緩加入少量水，出現清洗的界面。當插入電極接通直流電源，發現U形關內陰極一邊溶膠-水界面上升，陽極一邊溶膠-水界面下降，這表明通往陰極的Fe(OH)₃溶膠粒子是帶正電荷的。如果用As₂S₃溶膠做同樣的電泳實驗，會得到相反的結果，説明As₂S₃溶膠粒子帶負電。 ^[2] 

因為溶膠的膠粒具有很大的表面積，總是有聚集成更大的顆粒的傾向。當顆粒達到一定程度以後就要沉澱，所以他是不穩定的。溶膠中粒子合併、長大這一過程叫做聚沉。聚沉可以有各種原因，其中電解質的作用人們瞭解的最多。

溶膠對電解質很敏感，加入極少量的電解質就可以引起溶膠聚沉。電解質的聚沉能力用聚沉值表示。聚沉值是一定條件下剛剛足以引起某種溶膠聚沉的電解質濃度，一般用 mmol/dm³ 表示。

研究發現，決定電解質的聚沉能力的是電解質中與溶膠電荷相反的離子的價態，而離子種類則影響不大。

由表可見，一價、二價三價無機離子的聚沉能力的差別。電解質的聚沉能力主要由異號離子的價態決定，價態越高聚沉能力越大。這一規律稱為叔爾採—哈迪（Schulze—Hardy）規則。

兩種電解質的混合物對溶膠的聚沉的研究指出，兩種與溶膠粒子相反電荷的離子對溶膠的聚沉作用有時有加和性，有時又是相互對抗的。例如，向As2S₃負溶膠中加入少量的LiCl後再加入MgCl2使As2S3聚沉，發現這時MgCl₂用量遠遠大於單獨使用MgCl₂。説明鋰離子和鎂離子對於As2S3聚沉作用是彼此對抗的

兩種溶膠僅以某一特定比例混合時才會完全聚沉，將極少量的一種溶膠加入另一種溶膠並不發生聚沉。具體特定比例的存在原因仍在研究。

從熱力學的角度來看，溶膠是高度分散的多相體系，分散相具有極大的界面，因此具有極大的表面能，溶膠體系不是真正的穩定體系。

但是短時間內小粒子不會自動合併使得體系能量降低的原因正是膠體具有穩定性，原因有三個：一是布朗運動和擴散作用阻止了膠粒的下沉，所以重力、沉降、對流都足以使得粒子之間具有許多相遇的機會，説明溶膠就有動力學穩定性。二是同種電荷的排斥作用，同一種溶膠的膠核粒子和擴散層帶有同種電荷，當兩個膠粒間的距離縮短到它們的擴散層部分重疊時，包圍着膠核粒子的雙電層的靜電作用會阻礙粒子的充分接近，阻止了溶膠粒子的凝結合並，使之穩定。三是溶劑化作用，吸附層中離子的水化作用使得膠體被水包圍，溶膠粒子周圍形成了一層溶劑化保護膜，因而既可以降低膠粒的表面能，也會阻止膠粒之間的相互接近，因此膠體具有一定的穩定性。 ^[1] 

為了得到溶膠，我們需要製備與淨化。

由於製備溶膠要求分散質以交替狀態分佈於介質中，而且這種分散體系能在穩定劑存在下能夠穩定下來。從粒子大小看，由於溶膠粒子小於可濾出的粒子，而大於一般溶液的小分子，故可採用兩種途徑達到：將大塊物質利用膠體磨等手段，磨成直徑0.1—1μm的粒子，即分散法；或使更小粒子凝聚成膠體粒子，即凝聚法。

分散法：可以採取機械研磨，超聲作用，電分散或化學法等。

凝聚法：使小分子聚集成膠體粒子最簡單的辦法是更換溶劑法，例如將乙醇的硫磺溶液倒入水中，形成硫磺的水溶液；也可以利用化學反應生成難溶性產物。在此，難溶性化合物從飽和溶液中析出的過程中，使其停留在膠粒大小階段。因為晶體粒子成長決定於兩個因素：晶核生長速度W和晶體生長速度Q，所得粒子分散度與W/Q之比值成正比，那些有利於晶核大量生長而減慢晶體生長速度的因素都有利於溶膠形成（不利於得到大晶體）

用各種方法制得的溶膠都會含有一定的電解質分子或離子的雜質。這些雜質會影響溶膠的穩定性，因而需要淨化。一般有兩種方法：

透析法：利用溶膠粒子不能透過半透膜的性質，分離出電解質。透析時將溶膠裝在透析袋中，並將其放入流水。長時間後，大部分電解質穿過膜隨水流去。可以通過檢查膜外流水中的離子來監視透析情況。

超過濾法：膠體粒子可以透過濾紙，用半透膜代替濾紙，在減壓或加壓下使得溶膠過濾，可以將溶膠與其中小分子雜質過濾開來。 ^[1]