胶体化学实验讲义.doc

（2017版）北京林业大学化学教研室编制胶体化学实验讲义实验一 最大泡压法测溶液的表面张力1、 实验目的1、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量；2、了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积；3、掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术。2、 实验原理从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面A，就需对其做功，其大小应与A成正比: （7.1）如果A为1m2，则是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以称为比表面吉布斯自由能，其单位为Jm-2。也可将看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位是Nm-1。在恒温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。根据能量最低原理，溶质能使溶剂的表面张力降低时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程: （7.2）式中，为溶质在表层的吸附量; 为表面张力; c为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。当时，0称为正吸附；当时，0称为负吸附。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。为了获得表面吸附量，可先测定不同浓度溶液的表面张力，作c 曲线图，如图7-1 所示。在曲线上任选一点作切线，则可得该点对应浓度的斜率，再由式（7.2）可求得此浓度下溶液的表面吸附量，再作c图，如图7-2 所示，外推可在纵轴上得到溶液表面的饱和吸附量，则每个溶质分子在溶液表面所占据的截面积为 （7.3）式(7.3)中L 为阿伏加德罗常数。 图7-1 表面张力对浓度图 图7-2 表面吸附量对浓度图测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大泡压法、毛细管升高法、滴重法和圆环法等。本实验用最大泡压法测定正丁醇水溶液的表面张力。最大泡压法的仪器装置如下图所示: 图7-3 最大泡压法测定溶液表面张力实验装置1-样品管 2-毛细管 3-微压差计 4-滴液漏斗由与液面相切的毛细管4 鼓出空气泡时，需要高出外部大气压的附加压力以克服气泡的表面张力，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为 （7.4）式中p 为附加压力， 为表面张力， r 是气泡曲率半径。如果毛细管半径R 很小，则形成的气泡基本上是球形的，当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，此时曲率半径r 与毛细管半径R 相等，曲率半径达到最小值，由式(7.4)知，此时附加压力达最大。当气泡进一步增大时， 曲率半径逐渐变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。则由式(7.4)知，当r R时最大附加压力为 （7.5）实际测量时，使毛细管顶端刚与液面接触，则可忽略鼓泡所需克服的静压力，这样恰好等于微压差计的最大读数，就可直接用式(7.5)进行计算。由于直接测量毛细管的半径很不方便，所以实验时用一已知表面张力为的液体测定其最大泡压，则待测液体的表面张力 （7.6）3、 仪器药品数字式微压差测量仪 1 台液体表面张力测定装置 1 套毛细管 1 支 20ml 移液管 1 支10ml 移液管 1 支2ml 刻度移液管 1 支250ml 容量瓶 1 个50ml 容量瓶 9 个150ml 烧杯 3个正丁醇(分析纯)、吸耳球等。4、 实验步骤1打开微压差计并与大气相通校零（如何与大气相通？）。2测定纯水的最大泡压（25时水的表面张力为71.9mN/m)。用去离子水洗净毛细管和样品管，用洗耳球吹干毛细管中残留的液体。在样品管中装适量的去离子水，按图装好，使毛细管的顶端尽量与液面接触。缓缓打开滴液漏斗的活塞，使滴液漏斗中的水慢慢滴下，控制滴液速率使毛细管端口鼓出的气泡为单个气泡，且每个气泡形成的时间为10s20s(数显微压差测量仪为5s10s)。若形成时间太短，则吸附平衡就来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。当气泡刚脱离管端瞬间，可从微压差计上读取到最大值，读取三次。从样品管下端活塞中放出一滴水，等待吸附平衡后重新读取三次值。重复该步骤直至毛细管顶端脱离液面为止。取脱离液面前一次的三个值求平均。3 配制0.5mol/l的正丁醇溶液250ml。按正丁醇的摩尔质量（74.12g/mol）和密度( 0.81g/ml)计算需用正丁醇的体积。先在250ml 容量瓶中装好三分之二的蒸馏水，然后用10ml和2ml刻度移液管吸取所需正丁醇体积放入容量瓶中，加水至刻度混匀后作为母液在50ml容量瓶中配制0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.16、0.20、0.24mol/l浓度的稀溶液备用。（如何配置？注意标准操作和移液管的使用）c(mol/l)0.500.020.040.060.080.100.120.160.200.24V(ml)4按步骤2 由稀至浓依次测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力。注意，更换不同浓度溶液时，无需用去离子水洗净毛细管和样品管，直接用洗耳球吹干毛细管中残留的液体，然后用待测液洗涤毛细管和样品管三次即可。5 实验结束后，关闭微压差计，用蒸馏水洗净仪器。注意事项： 1、 仪器系统不能漏气。2、 所用毛细管应保持垂直，其管口刚好与液面相切。3、 可用下面的方法检查毛细管中的残留液体是否被吹出： 吹完后将毛细管和微压差计相连接，然后将滴液漏斗取下使微压差计和大气相连，微压差计读数稳定后校零，再将滴液漏斗装好，如果此时读数仍为零表明微压差计此时仍和大气联通，即毛细管头部的残留液体已被吹出。4、 微压差计与毛细管之间连接胶管不能发生弯折。5、 读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。 5、 数据记录和处理实验温度 。纯水的： 、 、 。正丁醇溶液表面张力的测定：c(mol/l)0.020.040.060.080.100.120.160.200.24 (Pa)(mN/m) 6、 7、8、9、数据处理(1)计算毛细管常数。(2)计算各浓度溶液的表面张力。(3)用计算机处理实验数据，采用Origin(7.5 以上版本)、Excel或Matlab 程序：(a)作c 图，以方程进行拟合，方程求导计算斜率；(b)由式计算表面吸附量（注意：本实验结果与温度相关，严格实验应该用控温仪和循环水浴，这里用平均室温近似），并作吸附等温线c 图；(c)计算并作c图，对该曲线按式进行线性拟合；(d)由直线斜率求得饱和吸附量，并计算正丁醇分子的截面积。实验二 溶胶的制备、净化和稳定性测定一、实验目的1. 利用不同的方法制备胶体溶液，并用热渗析法进行纯化。2. 了解胶体的光学性质和电学性质。3. 研究电解质对憎液胶体稳定性的影响。二、实验原理固体以胶体分散程度分散在液体介质中即组成憎液溶胶。憎液溶胶的基本特征有三个：（1） 胶体是多相体系，相界面很大。（2） 胶粒的大小在几个纳米至几百纳米之间。（3） 胶体是热力学不稳定体系，要依靠稳定剂使其形成离子或分子吸附层，才能得到暂时的稳定体系。憎液溶胶的制备方法可分为两类：（1） 分散法 把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点，常用的分散法有：u 研磨法 常用的研磨机械有球磨机、沙子磨和胶体磨，可将分散相研细。u 电弧法 以金属为电极通电产生电弧，金属受高热变成蒸汽，并在液体中凝聚成胶体质点。u 超声波法 利用超声波场的空化作用，将物质撕碎成细小的质点，它适用于分散硬度低的物质或制备乳状液。u 胶溶法 胶溶法不是将大块相分散成胶体粒子，而是将暂时凝聚起来的胶体粒子重新分开而形成胶体溶液。（2） 凝聚法u 凝结物质的蒸汽。u 变换分散介质，即利用一种物质在不同溶剂中溶解度相差悬殊的特殊性来制备溶胶。u 改变实验条件如降低温度，使原来溶解的物质变成不溶物。u 化学法 凡能生成不溶产物的复分解反应、水解反应、氧化还原反应等，在适当的浓度和其它条件下，均可制取憎液溶胶。制成的胶体溶液中常有其它杂质如离子等存在，这不利于溶胶的稳定存在，因此必须加以纯化，常用的纯化方法是半透膜渗析法。渗析时用半透膜隔开胶体溶液和纯溶剂，胶体溶液中的杂质，如电解质及小分子能透过半透膜进入溶剂中，胶粒却不能透过，如果不断更换溶剂，则可把胶体溶液中的杂质离子除去。为提高渗析速度，可采用热渗析或电渗析的方法。胶粒大小的分布随着制备条件和存放时间而异。不同大小的胶粒对光的散射性质不同。当溶胶散射符合瑞利公式时，散射光强度与入射光波长四次方成反比。当白光穿过溶胶体系时，波长短的蓝紫光散射强度大，故散射光呈淡蓝色，透射光则成长波端的淡红色，然而真溶液的散射光却极弱。从散射光和透射光颜色的变化，可看出胶粒大小变化的情况。由于胶粒能散射光，黑暗中当一束光透过胶体溶液时，在侧面可看到“光路”，即丁达尔现象。根据此性质可判断一清亮透明的溶液是胶体溶液还是真溶液。胶体稳定的原因是胶体具有聚结稳定性，即胶体表面带有电荷以及胶粒表面溶剂化层的存在，研究胶粒的电性，能深入了解胶粒形成过程和胶粒的结构。憎水胶体的稳定性主要决定于胶粒表面电荷的多少（的大小），加入过量的电解质能促使憎水溶胶聚沉，聚沉能力的大小通常用“聚沉值”表示。聚沉值的定义为：是溶胶发生聚沉时需要的电解质的最小浓度值。其单位通常用10-3mol.dm-3表示。胶粒是带电的质点，即带有过剩的负电荷或正电荷，这是由于胶粒从分散介质中按法扬斯规则吸附决定电势的离子或胶体粒子本身解离而产生的。AgI仅能微溶于水（9.710-7mol.dm-3）。当硝酸银溶液与易溶于水的碘化物等量混合时，可析出沉淀。但是如果混合稀溶液并且使其中之一过剩，则不产生沉淀，而形成胶体溶液，胶体溶液的性质和过剩的离子种类有关。在此，胶粒的电荷是由于过剩的离子被AgI吸附，在AgNO3过剩时，得正电性的胶团，其结构为 (AgI) m. nAg+.( n - x) NO3-x+.x NO3-在KI过剩时，得负电性的胶团，其结构为 (AgI) m .nI- .( n - x)K+x-.xK+起聚沉作用的主要是与胶体粒子电性相反的离子，一般说来，反号离子的聚沉能力是三价离子二价离子一价离子，但是并不成简单的比例。正常电解质的聚沉值与胶粒的反离子的价数的6次方成反比，即舒茨哈代规则。亲液溶胶（如动物胶、蛋白质等高分子溶液）的稳定性主要决定于胶粒表面的溶剂化层，因此加入少量盐类不会引起明显的沉淀。但若加入酒精等能与溶剂紧密结合的物质，则能使亲液胶体聚沉。亲液溶胶的聚沉常常是可逆的，即加入过多的酒精物质时，聚沉的亲液溶胶又能自动地转变为胶体溶液。如果将亲液胶体加入憎液胶体中，则在绝大多数情况下，可以增加憎液溶胶对电解质的稳定性，这种现象称为保护作用。保护作用可以通过聚沉值的增加显示出来。 3、 实验仪器和试剂电热套及其配套电源和支架 1套磁力加热搅拌器装置（含搅拌子） 1套抽滤装置 1套锥形瓶 100mL（3个）烧杯 500 mL（2个），250 mL（4个）， 100 mL（3个）量筒 100mL（1个），10mL（2个）胶头滴管 1根 激光笔 1支棕色酸式滴定管 1支 试管 10支10mL单标移液管 1支 玻棒 2根18cm表面皿 1个 普通漏斗 1只透析袋（22cm） 1个 吸量管50ml 1只0.100 mol.dm-3 Na2S2O3 0.100 mol.dm-3 H2SO40.010 mol.dm-3 KI 0.010 mol.dm-3 AgNO310%FeCl3溶液 10%氨水溶液1%明胶溶液 2%松香酒精溶液1 mol.dm-3 KCl 0.001 mol.dm-3 K3Fe(CN)60.010 mol.dm-3 K2SO4 5 mol.dm-3 KCl0.1 mol.dm-3 KCl 0.1 mol.dm-3 AgNO3铬酸洗液、酒精、硫磺、凡士林酒精灯、火柴、试管夹、吸耳球、橡皮筋、棉线、剪刀、pH试纸、滤纸、试管架、1个铁架台（带滴定管夹）、试管烘干器、洗瓶四、实验步骤1. 化学反应法制备Fe(OH)3溶胶在250 mL烧杯中放入100 mL蒸馏水，用电热套加热至沸（加表面皿盖）。慢慢地滴入5 mL的10%FeCl3溶液，并不断搅拌，加完后继续沸腾三分钟左右，用激光笔观察液体中和液面上的丁达尔效应。由于水解的结果，得到棕红色的氢氧化铁溶胶，其结构式表示如下 (Fe(OH)3) m. nFeO+.( n - x) Cl-x+.x Cl-2. Fe(OH)3溶胶的纯化1) 透析袋的前处理把透析袋剪成适当长度（22cm）的小段备用。在250mL烧杯中放入100mL蒸馏水，再放入剪好的透析袋，用电热套加热至沸并继续沸5分钟（加表面皿盖），用玻棒取出，用蒸馏水冲洗袋内外，方可使用。（在对精度要求高的实验中，透析袋的选取时要考虑孔径大小，取用透析袋必须戴手套，在处理过程中需加合适浓度的碳酸氢钠和EDTA.2Na去除透析袋中的杂质，处理后的透析袋冷却后需置于30或者50%的酒精中，放于4冰箱待用）。2) 溶胶的纯化 用量筒量取60 mL制好的Fe(OH)3溶胶，用漏斗转移到透析袋内，用线栓住两头袋口（怎么栓能不漏且方便取出？）置于500mL烧杯内，用蒸馏水渗析。用磁力加热搅拌器加热装有透析袋的烧杯，保持渗析温度在6070，30分钟换一次水。从换下的水中取1 mL（可用带刻度试管）检验其中Cl-（用什么检验？），直至不能检查出Cl-为止。3. 化学反应法制备硫溶胶和AgI溶胶1) 硫溶胶的制备和光学性质A. 用量筒取0.100 mol.dm-3 的Na2S2O3溶液5.0 mL放入试管中，再取0.100 mol.dm-3 的H2SO4溶液5.0 mL放入试管中，将两液体混合，用激光笔观察丁达尔效应的变化。B. 同法配制混合液，对着日光灯管仔细观察透射光颜色的变化，当浑浊度增加到掩盖住颜色时（大约经5分钟），把溶胶冲稀一倍，继续观察透射光颜色随时间的变化。2) AgI溶胶的制备和光学性质用50mL吸量管取30.00 mL的0.010 mol.dm-3 KI溶液注入100 mL的锥形瓶中，然后用25ml棕色滴定管把0.010 mol.dm-3 的AgNO3溶液20 mL慢慢地滴入，制得带负电的AgI溶胶（A溶胶）。按同样方法取30 mL的0.010 mol.dm-3 AgNO3溶液注入100 mL的锥形瓶中，然后用棕色滴定管把0.010 mol.dm-3 的KI溶液20 mL慢慢地滴入，制得带正电的AgI溶胶（B溶胶）。将制得的溶胶按表8-1的量混合，并逐个地观察混合后的现象：透明度、丁达尔效应、透射光颜色的变化，说明其稳定性的状况和原因。表8-1试管编号1234567A溶胶/mL1234560B溶胶/mL5432106溶胶的颜色4. 凝聚法制备硫溶胶和松香溶胶改变分散介质和实验条件制备如下溶胶：1) 硫溶胶取少量硫磺（多少？）置于试管中，注入约2 mL酒精，酒精灯加热（注意事项？）到沸腾（重复数次，使硫磺得到充分溶解），在未冷却前把适量上部清液倒入盛有20 mL水的小烧杯中搅匀，观察透明度变化情况，并用激光笔观察丁达尔效应。2) 松香溶胶取2%的松香酒精溶液一滴滴地加入50 mL蒸馏水中，不断搅拌，并用激光笔观察丁达尔效应。5. 胶溶法制备Fe(OH)3溶胶用量筒取1 mL的10%FeCl3溶液放在小烧杯中，加水稀释到10 mL。用滴管逐渐加入10%的氨水溶液到稍微过量时为止（如何判断？），抽滤（注意事项？），用水洗涤沉淀数次。取沉淀放在另一烧杯中，加水20 mL，再加入10%FeCl3溶液约1 mL，用玻璃棒搅动并用电热套加热至沉淀消失，形成透明的溶胶，利用溶胶的光学性质加以鉴定。6. 胶体的聚沉作用和保护作用（选做）1) 憎液溶胶的聚沉 用移液管在3个