第一节　胶体与界面

一、分散系统

一种物质以细分状态分散在另一种物质中构成的系统称为分散系统，也称分散体系（disperse system）。在分散系统中被分散的不连续相称为分散相（disperse phase），分散系统中的连续相称为分散介质（disperse medium）。

根据被分散物质的分散程度（分散相粒子大小）可将分散系统分为粗分散系统、胶体分散系统和分子分散系统（表1-1）。

根据分散相和分散介质的聚集状态进行的分类如表1-2所列。

在以气体为分散介质时，分散相为固体粒子的称为烟或尘。烟比尘的固体粒子小。雾、尘和烟均可称为气溶胶（aerosol）。

在以液体为分散介质时，分散相为气体的称为泡沫（foam）；分散相为不相混溶的液体的称为乳状（浊）液（emulsion）；分散相为固体小粒子的称为溶胶；分散相为较大固体粒子（如＞200nm或更大）称为悬浮液（体）（suspension）。

在以固体为分散介质时，分散相为气体的称为固体泡沫（solid foam），气凝胶（aerogel）；分散相为液体的称为凝胶（gel），固体乳状液（solid emulsion）；分散相为固体的称为固体溶胶（solid sol）。孔性固体与固体泡沫之区别在于前者有双连续相结构，后者的分散相是气体。

二、胶体

由表1-1可知，分散相粒子至少在一个尺度上的大小处在1～100nm（也有人将此范围放宽至200nm或1000nm）范围内的分散系统称为胶体分散系统，或胶体系统，或胶体（colloid）。

习惯上，把分散介质为液体的胶体系统称为液溶胶或溶胶（sol），如介质为水的称为水溶胶；介质为固体时，称为固溶胶。

由此可见，胶体系统是多种多样的。胶体是物质存在的一种特殊状态，而不是一种特殊的物质，不是物质的本性。任何一种物质在一定条件下可以晶体的形态存在，而在另一种条件下却可以胶体的形态存在。例如，氯化钠是典型的晶体，它在水中溶解成为真溶液，若用适当方法使其分散于苯或醚中，则形成胶体溶液。同样，硫黄分散在乙醇中为真溶液，若分散在水中则为硫黄水溶胶。

由于胶体系统首先是以分散相颗粒有一定的大小为其特征的，故胶粒本身与分散介质之间必有一明显的物理分界面。这意味着胶体系统必然是两相或多相的不均匀分散系统。

另外，有一大类物质（如纤维素、蛋白质、橡胶以及许多合成高聚物）在适当的溶剂中溶解虽可形成真溶液，但它们的分子量很大（常在1万或几十万以上，故称为高分子物质），因此表现出的许多性质（如溶液的依数性、黏度、电导等）与低分子真溶液有所不同，而在某些方面（如分子大小）却有类似于胶体的性质，所以在历史上高分子溶液一直被纳入胶体化学进行讨论。40多年来，由于科学迅速地发展，它实际上已成为一个新的科学分支——高分子物理化学，所以近年来在胶体表面专著（特别是有关刊物）中，一般不再过多地讨论这方面的内容。

根据分散相粒子与分散介质亲和性的不同，可将胶体分为亲液胶体（如前述的大分子溶液系统）和疏液胶体。亲液胶体（lyophilic colloid）是指分散相与分散介质有较强亲和力的胶体系统。疏液胶体（lyophobic colloid）则相反，如大多数无机物的水溶胶。

当多个分子的缔合体构成胶体分散相时，所形成的胶体称为缔合胶体（association colloid），如表面活性剂的胶束溶液即是。

疏液胶体系统是热力学不稳定系统，有自发聚沉的趋势；有大的相界面；胶体粒子一般没有确定的组成和结构。但胶体粒子小，使得胶体有独特的电学、光学、动力学、流变学等性质。这些性质对胶体的形成、破坏和稳定性有重大影响。

三、表面与表面自由能

界面是不相混溶的两相间的边界区域。一般将两个凝聚相（液-液，液-固，固-液，固-固）间的边界区域称为界面（interface）。凝聚相与气相（液-气，固-气）间的边界区域称为表面（surface）。表面与界面二术语常可通用。界面也可视为系统的性质从界面一侧到界面另一侧变化的过渡区域。界面有一定的厚度。许多系统中界面的厚度只有一两个分子或几个分子厚，此厚度与界面两侧的体相相比较是微不足道的，故为了研究方便有时将界面作为二维或准二维的几何面处理。在实际生活和科学实验中有的界面可直接触及或观察到（如固体的表面、乳状液的液珠与介质的界面），这种界面可称为宏观界面；还有一些界面难以直接感知（如表面活性剂在溶液中的各种聚集体与介质的界面、生物膜等），可称为微观界面。

胶体系统中分散相粒子都很小，因而相界面面积很大：粒子越小，界面面积越大。界面面积的大小可用比表面（积）表示。比表面（specific surface area）是指单位质量（1克）或单位体积（1cm 3 ）分散相物质所具有的面积。无孔实体（如金属、液珠）只有外表面，多孔性固体（如活性炭、分子筛）还有孔隙内壁的面积，即为内表面。

为制出胶体系统，必以不同形式做功，才能使分散相达到高度分散状态，因此系统必有大的界面自由能。系统的界面自由能应等于界面总面积与单位表面（自由）能之乘积。以1cm 3 水的立方体分割成边长不同的小立方体所得小立方体水的总面积和系统中总界面自由能如表1-3所示（0℃）。0℃时水的单位表面（自由）能为75.6mJ·m -2 。由表1-3数据可知，当1cm 3 的水分割成边长为1nm的立方体小水粒子时，界面自由能达454J。如此大的能量可使约110cm 3 的0℃水温度升高1度。

大的界面和大的界面自由能存在，使胶体系统有许多独特的物理化学性质。首先，在界面区域内可发生不同于体相中的化学和生物化学过程（如吸附作用、界面化学反应、模拟生物膜的许多作用等）；其次，使得胶体系统中分散相有自动聚集的趋势。