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微粒子合成化学・講義
http://res.tagen.tohoku.ac.jp/mura/kogi/
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村松淳司
コロイドとは何か
理化学辞典にみるコロイド
物質がふつうの光学顕微鏡では認められないが、
原子あるいは低分子よりは大きい粒子として分散
しているとき、コロイド状態にある、という。
コロイド粒子自体は定義が難しく、分散状態
にあるときのみを、コロイド状態、と定義で
きる
では、巨大分子が溶けているのと、何が違う
のだろうか？
粒子径による粒子の分類
100μm
1m
10cm
1cm
光
学
顕
微
鏡
パチンコ玉
微
粒
子
10μm
1mm
100μm
10μm
1μm
電
子
顕
微
鏡
ソフトボール
硬貨
100nm
小麦粉
花粉
タバコの煙
1Å
100nm
サ
ブ
ミ
ク
ロ
ン
粒
子
ウィルス
10nm
10nm
1nm
1μm
セロハン孔径
1nm
ナ
ノ
粒
子
超
微
粒
子
ク
ラ
ス
タ
ー
コ
ロ
イ
ド
分
散
系
分散と凝集
コーヒー牛乳に塩を入れる
乳脂肪が浮上している
1 mol/L KCl溶液
コーヒー牛乳だけ
なぜ、乳脂肪は浮上したか？
乳脂肪は水よりも軽い
牛乳は乳脂肪が分散したもの
塩を入れることで「凝集」して浮上し
た
分散と凝集
分散とは何か
溶媒中にコロイドが凝集せずにただよって
いる
凝集とは何か
コロイドがより集まってくる
物質は本来凝集するもの
分子間力→van der Waals力
分散と凝集
（平衡論的考察）
凝集
凝集
van der Waals力による相互作用
分散
静電的反発力
分散
粒子表面の電位による反発
分散と凝集
（速度論的考察）
分散するためには
平衡的に分散条件にあること
速度論的に分散条件にあること
ブラウン運動（熱運動）
分散
速度論：ブラウン運動
分散の平衡論的な解釈は、静電的反発力であ
るが、水の中を漂い、空気の中に分散する、
コロイド粒子の動き、つまり速度論的解釈は、
ブラウン運動 Brownian motion である。
x
分散
速度論：ブラウン運動
粒子がブラウン運動を起こして（不規
則な運動）いるとすると、ブラウン運
動は粒子の熱運動であるので、粒子１
個について、kTのエネルギーを持って
いる。これが運動エネルギーに変換さ
れているとすると
kT = 1/2 mv2
となる。
分散
速度論：ブラウン運動
Einsteinの統計的計算によると、粒子１個がブラウン
運動によって、t時間にx方向へ移動する平均距離xは、
x=
sDt
Dは、粒子の拡散定数。Einsteinは、さらに、拡散定
数に関する式
kT
D=
f
を提出した。ここで、fは摩擦係数と呼ばれるもので、
粒子が媒質の分子に比べて非常に大きいとき、Stoks
の法則がなりたつ。
分散
速度論：ブラウン運動
f = 6pha
ここで、ηは物質の粘度、aは粒子半径である。
結局、
x=
RTt
3phaN A
となる。Rは気体定数、NAはアボガドロ数。
分散
速度論：ブラウン運動
たとえば、20℃、蒸留水中において、粒子の
１秒後の変位xを計算すると、つぎのように
なる。
粒子半径 １秒後の変位（μm）
1 nm
20.7
10 nm
6.56
100 nm
2.07
1μm
0.656
分散
である。
分散するか凝集するか
平衡論
静電的反発力
コロイドの界面電位による
速度論
コロイド同士の衝突←熱運動と衝突確率
静電的反発力とは
力の源は、粒子の表面電位
表面電位が絡んでいる現象
電気泳動
電気浸透
沈降電位
電気泳動
電気泳動というのは、電気を帯びた分子（イ
オン）が、電圧によって動く現象のこと
－
＋
プラスの電気を帯びた分子はマイナス電極へ、
マイナスの電気を帯びた分子はプラスの電極
へ、引きつけられる
コロイドも同じ。電圧のかかっている場所
（電場）の中で、コロイド全体としての電荷
の反対符号の電極の方向へ動く
表面電荷
21
22
分散と凝集
DLVO理論へ
Derjaguin，Landau，Verway，Overbeek
B.V.Derjaguin and L.Landau;Acta Physicochim.,URSS, 14, 633 （1941）.
E.J.W.Verwey and J.Th G Overbeek; Theory of the Stability of Lyophobic Colloids, 193 （1948）.
23
24
分散と凝集
分散とは何か
溶媒中にコロイドが凝集せずにただよって
いる
凝集とは何か
コロイドがより集まってくる
物質は本来凝集するもの
分子間力→van der Waals力
25
分散と凝集
（平衡論的考察）
凝集
van der Waals力による相互作用
分散
静電的反発力
凝集
分散
粒子表面の電位による反発
26
分散と凝集
考え方
van der Waals力による相互作用
静電的反発力
Vtotal = VH + Vel
VH : van der Waals力による相互作用エネルギ
ー
Vel : 静電的反発力による相互作用エネルギー
27
分散と凝集
考え方
Vtotal = VH + Vel
VH : van der Waals力による相互作用エネルギ
ー
Vel : 静電的反発力による相互作用エネルギー
Vtotalが正→粒子は分散
Vtotalが負→粒子は凝集
28
静電的反発力
29
静電的反発力
粒子表面は電荷を帯びている
証拠：電気泳動など
これが静電的反発力の源ではない
か
ここからスタートする
30
表面電荷
31
粒子表面の電荷
イオンの周りの電子雲と同じ
離れるほど電位は小さくなる
では、なぜ電荷を帯びるのか
32
粒子が電荷を帯びる理由
酸化物の場合
-Si-O-H → -Si-O– + H+
プロトンが解離して負電荷
空気の場合
何らかのイオンが吸着
33
34
35
36
電位は遠ざかると下がる
Helmholtz理論
Gouy-Chapman理論
Stern理論
37
Helmholtz理論
38
Gouy-Chapman理論
拡散二重層
39
直線で下がる
Stern理論
Stern面
拡散二重層
Slip面
40
現実的にはどう考えるか
実測できるのはζ電位
ζ電位＝Stern電位と置ける
それなら、ζ電位＝Stern電位を表面電位
と見なして考えよう
Stern理論ではなく、Gouy-Chapmanの
拡散二重層理論を実社会では適用
41
42
表面電荷
拡散層だけを考える43
１．拡散層中のイオンの濃度はボルツマン分布に従う
æ - z + ey ö
(1)
n + = n0+ expç
÷
è kT ø
æ z - ey ö
n - = n0- expç
÷
è kT ø
n: 拡散層中のイオンの個数濃度
n0: バルク溶液中のイオンの個数濃度
z: イオンの価数
k: ボルツマン定数
T: 温度
y: 問題にしている点における電位
+,-: 陽イオン、陰イオンを表す
44
表面の電位：
y0 は電位決定イオンのバルク活量c によって、
RT
c
y0 =
ln
(2)
zF
c0
R: 気体定数
c0: c at y0 = 0
45
拡散層内における電位は、Poisson の式
¶ 2y ¶ 2y ¶ 2y
r
Dy = div (grad y ) =
+
+ 2 =2
2
¶x
¶y
¶z
e re 0
を基礎にして求められる。
er: 溶液の比誘電率
e0: 真空の誘電率
r: 電荷密度
(3)
46
r: 電荷密度
は、対称型電解質（ z + = z - = z, n0 + = n0 - = n ）に対して、
r = ze( n + -n- )
ì
æ zey ö
æ zey
= nze íexpç ÷ - expç
è kT ø
è kT
î
æ zey ö
= -2nze sinhç
÷
è kT ø
öü
÷ý
øþ
(4)
47
従って、
平板電気二重層に対する、Poisson-Boltzmann 式は、
(3),(4)式から x 方向だけを考えて
d 2y 2nze
zey
=
sinh
(5)
2
dx
e re 0
kT
(5)式を積分して、
zey
æ zey 0 ö
tanh
= tanh ç
(6)
÷ exp( -kx )
4kT
è 4kT ø
48
zey kT << 1 なら、(5)式は、
d 2y
2
=
k
y
2
dx
2 2
2
nz
e
2
ただし、k =
e re 0 kT
(7)
(8)
25℃水溶液では特に
k = 3.3 ´ 109 z c
(9)
(7)式を解くと、
y = y 0 exp( -kx )
(10)
このκは、Debye-Huckelパラメータと呼ばれる。
49
次に平板電気二重層間の相互作用を
考える
平板間の相互作用をまず考えよう
50
溶液中の２枚の平行平板（板間距離: h）に
作用する力 P は
P = PE + PO
(15)
静電気成分 ＋ 浸透圧成分
（電気力線により内側に引かれる力）＋
（対イオンの浸透圧により外側へ押される力）
PE = -
e r e 0 æ dy ö
2
ç
÷
2 è dx ø
PO = ( n + + n - )kT - 2nkT
(16)
51
PO は常に PE よりも大きく、板は反発力を受ける
板の接近過程で表面の電位y0 が変化しなければ、
PE の寄与を無視して、(1)と(16)の PO の式から、
板の受ける反発力 PR(h)は単位面積あたり
（このときの考え方は、２つの平板の丁度中間の
面と無限遠の面を考え、中間の面上では、対称性
から電場は零、無限遠の平面でも電場は零である
から、浸透圧成分のみを考えればよい、というこ
とになる）
zey h / 2
ì
ü
PR ( h ) = 2nkT ícosh
- 1ý
kT
î
þ
y2/h: 板間の中央における電位
(17)
52
相互作用が弱ければ、yh/2 は単独の電気二重層の
電位ys(h/2)の２倍と考えて、
zey / 4kT << 1 then tanh( zey / 4kT ) @ zey / 4kT
より、(6)式から、
（この近似は、後述するように、
y<20 mV のとき成立する）
8kT
hö
æ
y (h / 2) =
g expç - k ÷
ze
2ø
è
æ zey 0 ö
g = tanhç
÷
è 4kT ø
(18)
(19)
53
(17)式で
zey h / 2 / kT << 1 then PR ( h ) @ nkT {zey h / 2 / kT }2
より、これに(18)式を代入して、
（この近似は、kh>1、つまり、h が電気二重層の厚さ
よりも長いところで成り立つ
2
近似には cosh y @ 1 + y を使用した）
すると、
PR ( h ) = 64nkTg 2 exp( -kh )
(20)
54
従って、平板間の電気二重層の相互作用エネルギーは
h
64nkT
¥
k
VR ( h ) = - ò PR ( h ) dh =
g 2 exp( -kh )
(21)
55
次に球形粒子間の相互作用を考える
次に球形粒子間の相互作用を考えよう
56
Derjaguin近似から球形粒子の相互作用力へ
Derjaguin 近似:
半径 a1 と a2 の球形粒子の最近接距離 H のとき
（H<<a1,a2）
æ a1a 2
PR ( H ) = 2p çç
è a1 + a 2
ö
÷÷VR ( H )
ø
(22)
(21)と(22)より a1=a2=a のとき、
PR ( H ) =
64pankT
k
g 2 exp( -kh )
(23)
57
従って、半径 a の球形粒子の相互作用エネルギーは
H
VR ( H ) = - ò PR ( H ) dH
¥
=
64pankT
k
2
g exp( -kh )
2
(24)
58
いま、
zey 0 / 4kT << 1 then tanh( zey 0 / 4kT ) @ zey 0 / 4kT
のとき、(23),(24)式は
（zey0=4kT は、1:1 電解質で 25℃で、
y0=103 mV のとき成立、
y0=20 mV 以上では、zey0/4kT と tanh{ zey0/4kT}に、
1%以上のずれが生じる
ので、20mV 以下でこの近似は成り立つとしてよい）
PR ( H ) = 2pae r e 0ky 0 exp( -kh )
2
V R ( H ) = 2pae r e 0y 0 exp( -kh )
(25)
2
(13)式を使うと、
(26)
59
PR ( H ) = 2pae r e 0ky 0 exp( -kh )
(25)
V R ( H ) = 2pae r e 0y 0 exp( -kh )
(26)
2
2
(13)式を使うと、
PR ( H ) =
VR ( H ) =
2pas
2
ke re 0
2pas
2
k e re 0
2
exp( -kH )
exp( -kH )
s 0 = e re 0ky 0 (13)
(27)
(28)
60
van der Waals相互作用
凝集の源
van der Waals力の近似式
aA
PA ( H ) = 12 H 2
aA
VA (H ) = 12 H
(29)
(30)
A は Hamaker 定数
61
全相互作用エネルギーは
PT ( H ) =
2pas 2
ke re 0
aA
exp( -kH ) 2
12 H
(31)
2pas 2
aA
VT ( H ) = 2
exp( -kH ) k e re 0
12 H
(32)
が得られる。
あるいは、
VT ( H ) = 2pae r e 0y 0
2
aA
exp( -kh) 12 H
(33)
62