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布朗運動與保護膠體

科目:專技 - 藥劑學(包括生物藥劑學)|題數:14
布朗運動與保護膠體
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建立於 2026年10月25日

學習重點 布朗運動是隨機、無方向性的運動,由分散介質分子的熱運動撞擊粒子所造成。 在其他條件相同時,布朗運動位移隨絕對溫度、觀察時間增加而增大,隨粒徑、介質黏度增加而減小;基本關係式不含濃度。 可利用丁道爾效應的光散射觀察皂土扁平質粒的布朗運動;布朗運動與沉降競爭所涉及的臨界半徑,最不相關的因素是分配係數。 金數是標準條件下,防止紅色金溶膠凝聚變藍所需保護膠體的最小乾重,以 mg 表示;金數越小,保護能力越強。 某些高分子足量時可保護疏水性膠體,低濃度時卻促進凝結,稱為敏化作用(sensitization)。 核心觀念 一、布朗運動:單一粒子沒有固定方向 布朗運動(Brownian motion)是粒子受到周圍介質分子從各方向不均等撞擊,所呈現的持續、不規則運動。其路徑曲折,沒有固定方向,不能描述成一律向下、往低濃度處,或往高滲透壓處移動。 應區分「單一粒子的隨機運動」與「大量粒子的淨移動」。粒子可以各自隨機運動,但在存在濃度梯度時,整體仍可呈現由高濃度往低濃度的淨擴散。 現象判斷關鍵 布朗運動粒子受熱運動撞擊,隨機、無固定方向。 擴散整體淨移動通常由高濃度往低濃度。 滲透溶劑經半透膜,淨移向較高滲透壓側。 重力沉降密度大於介質的粒子,在重力作用下向下移動。 電泳帶電粒子受外加電場作用而移動。 小粒子的布朗運動較顯著,有助於維持分散;但不是產生固定向上的力量,也不代表粒子永遠不會沉降。 二、布朗運動位移的影響因素 對稀分散系統中的球形粒子,Stokes–Einstein 關係為:D=kT/(6πηr)。其中 D 為擴散係數、k 為波茲曼常數、T 為絕對溫度、η 為介質黏度、r 為粒子半徑。 沿單一座標方向的均方根位移=√(2Dt),因此與√[Tt/(ηr)]成正比。這是位移大小的統計量,不應與可能互相抵消的有正負號平均位移混為一談。 絕對溫度越高:熱運動越強,相同時間內的均方根位移越大。 粒徑越大:受到的流體阻力越大,位移越小。 介質黏度越高:粒子移動阻力越大,位移越小。 觀察時間越長:均方根位移越大,與時間平方根成正比。 濃度:不在上述基本關係式中,是與溫度、粒徑、黏度並列時的無關因素。此判斷以基本模型及其他條件相同為前提。 三、丁道爾效應:利用散射光觀察運動 丁道爾效應(Tyndall effect)是膠體粒子散射入射光的現象。利用適當照明與超顯微鏡的暗視野觀察,可見暗背景中的散射亮點,並追蹤其不規則移動。 皂土(bentonite)分散液中的扁平質粒(platelet),可藉此觀察布朗運動。所見亮點是散射光的表現,不等於直接解析出粒子的完整形狀。 丁道爾效應提供觀察依據;布朗運動本身則源自介質分子的熱運動撞擊。擴散、滲透與電泳均不是這項觀察所依據的光學效應。 四、臨界半徑:布朗運動與沉降的競爭 粒子越大,重力沉降通常越顯著;粒子越小,布朗運動越顯著。此處的臨界半徑,用來描述兩者相對重要性轉換的界線,不能視為所有劑型都通用的固定粒徑。 討論此界線時,須考慮黏度、重力、溫度等影響粒子運動的條件,以及粒子與介質的密度差。黏度影響移動阻力,重力影響沉降,溫度影響熱運動。 分配係數描述物質在兩相間的平衡分布,並非判斷布朗運動與沉降競爭的直接參數。因此,與黏度、重力、溫度比較時,分配係數是最不會影響臨界半徑的選項。 五、保護膠體與金數 疏水性膠體可藉粒子間的電性排斥維持分散。加入電解質後,排斥作用可能減弱而發生凝聚。適量親水性高分子如明膠(gelatin)吸附於粒子表面,可形成保護層,降低電解質引起的凝聚,稱為保護作用(protective action)。 金數(gold number,亦稱金指數)是衡量保護能力的指標:為防止10 mL 紅色金溶膠因加入1 mL、10% NaCl 溶液而凝聚變成藍色,所需乾燥保護膠體的最小毫克數。 定義項目必記內容 金溶膠10 mL,原為紅色。 加入的鹽溶液1 mL 的 10% NaCl。 防止的變化凝聚所伴隨的紅色變藍色。 測量的量乾燥保護膠體的最小重量。 單位mg;不是體積、濃度或電位。 標準條件下,若明膠的最低有效用量為0.01 mg,金數即為0.01,不需再用金溶膠體積、鹽溶液體積或鹽濃度乘除。金數是標準化試驗的結果,不能任意將不同試驗條件作簡單比例換算。 金數越大,表示需要越多保護膠體才能防止變色,保護能力越弱;金數越小,保護能力越強。它測量的是「防止凝聚所需的保護膠體量」,不是「造成凝聚所需的鹽量」。 六、高分子的保護作用與敏化作用 某些高分子在足夠濃度時,可充分覆蓋粒子表面而提供保護;在低濃度時,表面覆蓋不足,反而可能藉高分子鏈在粒子間架橋等作用,促進凝結。這種低濃度反而促凝的現象稱為敏化作用(sensitization)。 名詞意義 Sensitization 敏化作用某些高分子低濃度時,反而促進疏水性膠體凝結。 Protective action 保護作用足量保護膠體降低電解質所致的凝聚。 Steric stabilization 立體穩定表面高分子層以立體障礙阻止粒子接近。 Charge stabilization 電荷穩定利用粒子間的靜電排斥維持分散。 常考陷阱 把布朗運動寫成有固定方向:沿重力方向、由高濃度往低濃度、往高滲透壓側,都不是其定義;判斷關鍵是「隨機、無方向性」。 混淆濃度與黏度:布朗運動基本位移公式不含濃度,但包含黏度;溫度須以絕對溫度表示。 混淆觀察原理與運動原因:丁道爾效應是光散射,熱運動撞擊才是布朗運動的原因。 把分配係數當成沉降參數:它描述兩相分布;與黏度、重力、溫度並列時,應選為最不相關因素。 顛倒金數的目的與顏色:是保護紅色金溶膠不變藍,不是防止變紅,也不是添加物質使其沉澱。 弄錯金數的數字與單位:金溶膠是 10 mL,鹽溶液是 1 mL、10%;保護膠體最低乾重以 mg 表示。 誤認金數越大越好:越大表示所需保護量越多,保護力越弱。HLB 值、臨界微胞濃度與 Reynolds number 均非此保護能力指標。 把低濃度促凝稱為穩定作用:描述「反而促進凝結」時,關鍵名詞是敏化作用。 記憶口訣 「布朗亂走無方向,溫高粒小黏低旺。」 「散射看布朗,丁道爾幫忙。」 「十金、一鹽、十趴;毫克護紅不變藍。」 「金數小,保護好;低量促凝叫敏化。」

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  1. 5.有關布朗運動之敘述,下列何者正確? (A)與重力方向一致 (B)由高濃度往低濃度運動 (C)往高滲透壓方向運動 (D)無方向性
  2. 7.膠體粒子布朗運動的位移與下列何項因素無關? (A)濃度 (B)絕對溫度 (C)粒徑 (D)液體黏稠度
  3. 10.皂土溶液其扁平質粒(platelet)利用下列何項效應可觀察到其布朗運動? (A)丁道爾(Tyndall) (B)擴散 (C)滲透 (D)電泳
  4. 10 下列何種外界因子最不會影響粒子在劑型中之臨界半徑(critical radius)? (A)黏度 (B)重力...
  5. 10 下列何種外界因子最不會影響粒子在劑型中之臨界半徑(critical radius)? (A)黏度 (B)重力 (C)溫度 (D)分配係數
  6. 9.於10 mL的紅色金膠溶體中,加入0.01 mg gelatin,即可防止其因添加1 mL 10% NaCl而變色之反應。據上述 的情況,gelatin的金...
  7. 8.所謂金數是指為防止因加入甲cm3之乙%氯化鈉而使丙cm3的紅色金膠溶體凝聚變為藍色,所需的乾燥聚合物的 最小重量單位為丁,則下...
  8. 14.有些polymer在高濃度時對厭水性膠體有保護作用,但在低濃度時,反而促進凝結 (coagulation),此種現象稱為: (A)Sens...