华师物化溶胶制备、纯化及稳定性研究 (2)

1、溶胶的制备、纯化及稳定性研究辅助液的pH值的影响一、前言1、实验背景电泳法测定氢氧化铁溶胶-电势是大多数高校化学专业开设的基础物理化学实验之一, 要保证实验在有限的时间内快速、准确地取得良好的实验结果，三个实验步骤都必须科学、合理设置。一是氢氧化铁溶胶的制备；二是溶胶的纯化；三是辅助液的选择。每一步都会影响实验结果和实验速度，偏颇不可。本文从水解法制备Fe(OH)3溶胶、Fe(OH)3溶胶的纯化、电泳实验、测定不同电解质对Fe(OH)3溶胶的聚沉值等四个方面对Fe(OH)3溶胶的性质进行深入的探究。2、实验要求1、了解制备胶体的不同方法，学会制备Fe(OH)3溶胶。2、实验观察胶体的电泳现象，

2、掌握电泳法测定胶体电动电势的技术。3、探讨不同外加电压、电泳时间、溶胶浓度、辅助液的pH值等因素对Fe(OH)3溶胶电动电势测定的影响。4、探讨不同电解质对所制备Fe(OH)3溶胶的聚沉值,掌握通过聚沉值判断溶胶荷电性质的方法。二、实验部分1、基本原理胶体现象无论在工农业生产中还是在日常生活中，都是常见的问题。为了了解胶体现象，进而掌握其变化规律，进行胶体的制备及性质研究实验很有必要。1、溶胶的制备溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点，如机械法，电弧法，超声波法，胶溶法等；凝聚法是先制成难溶物的分子(或离子)的过饱和溶液，再使之相互结合成胶体

3、粒子而得到溶胶，如物质蒸汽凝结法、变换分散介质法、化学反应法等。Fe(OH)3溶胶的制备就是采用化学反应法使生成物呈过饱和状态，然后粒子再结合成溶胶。2、溶胶的纯化制成的Fe(OH)3溶胶溶液中常有其它杂质存在,而影响其稳定性,而且制得的Fe(OH)3水溶胶冷却时,反应要逆向进行,因此必须纯化。常用的纯化方法是半透膜渗析法。渗析时以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,而大部分胶粒却不透过. 如果不断换溶剂,则可把胶体中的杂质除去. 要提高渗析速度,可用热渗析或电渗析的方法。3、溶胶的电动电势研究在胶体分散系统中，由于胶体本身电离，或胶体从分散

4、介质中有选择地吸附一定量的离子，使胶粒带有一定量的电荷。显然，在胶粒四周的分散介质中，存在电量相同而符号相反的对应离子。荷电的胶粒与分散介质间的电位差，称为电位。在外加电场的作用下，荷电的胶粒与分散介质间会发生相对运动。胶粒向正极或负极（视胶粒荷负电或正电而定）移动的现象，称为电泳。同一胶粒在同一电场中的移动速度由电位的大小而定，所以x电位也称为电动电位。测定电位，对研究胶体系统的稳定性具有很大意义。溶胶的聚集稳定性与胶体的电位大小有关，对一般溶胶，电位愈小，溶胶的聚集稳定性愈差，当电位等于零时，溶胶的聚集稳定性最差。所以，无论制备胶体或破坏胶体，都需要了解所研究胶体的电位。原则上，任何一种胶

5、体的电动现象(电泳、电渗、液流电位、沉降电位)都可以用来测定电位，但用电泳法来测定更方便。电泳法测定胶体电位可分为两类，即宏观法和微观法。宏观法原理是观察与另一不含胶粒的辅助液体的界面在电场中的移动速度。微观法则是直接测定单个胶粒在电场中的移动速度。对于高分散度的溶胶，如Fe(OH)3胶体，不易观察个别粒子的运动，只能用宏观法。对于颜色太浅或浓度过稀的溶胶，则适宜用微观法。本实验采用宏观法。宏观法测定Fe(OH)3的电位时，在U形管中先放入棕红色的Fe(OH)3溶胶，然后小心地在溶胶面上注入无色的辅助溶液，使溶胶和溶液之间有明显的界面，在U形管的两端各放一根电极，通电一定时间后，可观察到溶胶与

6、溶液的界面在一端上升，另一端下降。胶体的电位可依如下电泳公式计算得到：式中K为与胶粒形状有关的常数（球形为5.4´1010 V2 S2 kg-1 m-1，棒形粒子为3.6´1010 V2 S2 kg-1 m-1，为分散介质的粘度（Pa×s），为分散介质的相对介电常数,E为加于电泳测定管二端的电压（V），L为两电极之间的距离（m），S为电泳管中胶体溶液界面在t时间（s）内移动的距离（m），S/t表示电泳速度（ms-1）。式中S、t、E、L均可由试验测得。影响溶胶电泳的因素除带电离子的大小、形状、离子表面的电荷数目、溶剂中电解质的种类、离子强度、温度外，还与外加电压、

7、电泳时间、溶胶浓度、辅助液的pH值等有关。根据胶体体系的动力性质，强烈的布朗运动使得溶胶分散相质点不易沉降，具有定的动力稳定性。另一方面，由于溶胶分散相有大的相界面，具有强烈的聚结趋势，因而这种体系又是热力学的不稳定体系。此外，由于溶胶质点表面常带有电荷，带有相同符号电荷的质点不易聚结，从而又提高了体系的稳定性。4、溶胶聚沉值的测定带电质点对电解质十分敏感，在电解质作用下溶胶质点因聚结而下沉的现象称为聚沉。在指定条件下使某溶胶聚沉时，电解质的最低浓度称为聚沉值，聚沉值常用mmol.L-1表示。影响聚沉的主要因素是与胶粒电荷相反的离子的价数、离子的大小及同号离子的作用等。一般来说，反号离子价数越

8、高，聚沉效率越高，聚沉值越小，聚沉值大致与反离子价数的6次方成反比。同价无机小离子的聚沉能力常随其水比半径增大而减小，这一顺序称为感胶离子序。与胶粒带有同号电荷的二价或高价离子对胶体体系常有稳定作用，使该体系的聚沉值有所增加。此外，当使用高价或大离子聚沉时，少量的电解质可使溶胶聚沉；电解质浓度大时，聚沉形成的沉淀物又重新分散；浓度再提高时，又可使溶胶聚沉。这种现象称为不规则聚沉。不规则聚沉的原因是，低浓度的高价反离子使溶胶聚沉后，增大反离子浓度，它们在质点上强烈吸附使其带有反离子符号的电荷而重新稳定；继续增大电解质浓度，重新稳定的胶体质点的反离子又可使其聚沉。2、实验方案设计1、溶胶电动电位研

9、究实验方案设计（1）在不同的电压下测定电位，探讨不同电压的影响参考电压大小：100V、150V、200V（2）在不同的电泳时间内测定电位，探讨不同电泳时间的影响 参考电泳时间：2min，4min，6min（3）改变溶胶的浓度为测定电位，探讨不同溶胶浓度的影响 参考溶胶浓度：原浓度，原浓度的1/2，原浓度的1/4（4）改变辅助液的PH值测定电位，探讨不同辅助液的影响 除HCl水溶液外，还可用KCl、NaCl的水溶液作辅助液2、溶胶聚沉值的测定实验方案设计取5支试管加以标号，在第一支试管中量取10mL浓度为2.5mol×L-1的KCl溶液，其余4支各量9mL蒸馏水。由第一支试管中移取1m

10、L溶液到第二支试管，混匀后，由第二支试管移取1mL到第三支试管，最后一支试管中移取1mL弃去。用移液管吸取Fe(OH)3溶胶，顺次加入每一支试管中1mL，记下时间并将试管中液体摇匀，15min后进行比较，测出使溶胶聚沉的电解质最低浓度。5支试管中KCl浓度顺次相差10倍。同法进行0.1mol×L-1 K2SO4和0.01 mol×L-1 K3Fe(CN)6溶液的试验，求出不同价数离子聚沉值之比。3、仪器试剂电泳测定管1套，直流稳压器1台，电导率仪1台，pH计1台，滴定管1支，铂电极2根，停表1块，直尺1把，软线50cm，电炉1台，1000mL烧杯1个，300mL烧杯1个，3

11、00mL锥形杯1个，100mL量筒1个，100mL烧杯2个，50mL烧杯6个，50mL锥形杯3个，10mL刻度移液管2支，1mL刻度移液管2支，试管12支，胶头滴管5支。10%FeCl3溶液，3 mol×L-1 HCl溶液， NaCl溶液，质量分数1%的AgNO3及KCNS溶液，2.5 mol×L-1 KCl，0.1 mol×L-1 K2SO4及0.01 mol×L-1 K3Fe(CN)6溶液，0.5 mol×L-1 KCl，0.01 mol×L-1 K2SO4及0.001 mol×L-1 K3Fe(CN)6溶液，火棉胶，蒸

12、馏水。4、实验步骤1、水解法制备Fe(OH)3溶胶量取150mL蒸馏水，置于300mL烧杯中，先煮沸2min，用刻度移液管移取10% FeCl3溶液30ml，逐滴加入沸水中，并不断搅拌，继续煮沸3min，得到棕红色Fe(OH)3溶胶。其结构式可表示为mFe(OH)3n FeO+(n-x)Cl-x+×xCl- 。 2、Fe(OH)3溶胶的纯化（1）制备半透膜：为了纯化已制备好的溶胶，需要用半透膜。选择一个300mL的内壁光滑的锥形瓶，洗涤烘干，倒入约20mL火棉胶溶液，小心转动烧瓶，使火棉胶均匀地在瓶内形成一薄层，倒出多余的火棉胶，倒置烧瓶于铁圈上，流尽多余的火棉胶，并让乙醚蒸发，直至

13、用手指轻轻接触火棉胶膜而不粘着为止。然后加水入瓶内至满，浸膜于水中约10min，倒去瓶内的水。再在瓶口剥开一部分膜，在此膜与玻璃瓶壁间灌水至满，膜即脱离瓶壁，轻轻地取出所成之袋，检查是否有漏洞。（2）纯化：把水解法制得的溶胶，置于半透膜袋内，用线拴住袋口，置于1000mL烧杯中，加500mL蒸馏水，保持温度60-70°C，进行热渗析。每半小时换一次水，并取出少许蒸馏水检验其中Cl-和Fe3+离子，直到不能检出离子为止。纯化好的溶胶冷却后保存备用。3、电泳实验（1）配制辅助液用电导率仪测定纯化好的Fe(OH)3溶胶的电导率，然后向一个100mL的小烧杯中加入蒸馏水，用滴管逐滴滴入3mo

14、l×L-1的KCl溶液，并测量此溶液的电导率，使其电导率与溶胶的电导率相等，此稀溶液即为待用的辅助液。（2）装溶胶，连接线路电泳测定装置如图所示。电泳测定装置图将经过纯化后的溶胶从电泳管的漏斗处加入，到半漏斗处，此时慢慢打开活塞，赶走气泡，即关闭（若有溶胶进入U型管中，应用辅助液荡洗干净，关好漏斗塞及活塞，把辅助液倒干）。向U型管中加入辅助液到刻度10左右。把电泳管夹好固定在铁架上并使垂直。把铂电极插入U型管中，打开漏斗塞，然后慢慢打开活塞（注意一定要慢）使胶体溶胶非常缓慢地上升，直到U型管两边胶体溶液上升至有刻度处，具有清晰的界面，且铂电极铂片浸入辅助液1cm左右时，关闭活塞。（3

15、）在不同的外加电压下测定电位，探讨不同外加电压的影响打开电泳仪电源开关，调节电压为100伏特，读出负极（或正极）界面所在的刻度，并同时按下停表计时，直到界面移动0.5cm，记下停表的时间、界面移动的准确距离、电压。用同样方法再测一次，求平均值。记下两铂电极的距离L。调节电压分别为150、200伏特，同法测定电位。（4）在不同的电泳时间内测定电位，探讨不同电泳时间的影响 参考电泳时间：2min，4min，6min（5）改变溶胶的浓度为测定电位，探讨不同溶胶浓度的影响 参考溶胶浓度：原浓度，原浓度的1/2，原浓度的1/4（6）改变辅助液的PH值测定电位，探讨不同辅助液的影响 除HCl水溶液外，还可

16、用KCl、NaCl的水溶液作辅助液4、测定不同电解质对Fe(OH)3溶胶的聚沉值分两步进行，第一步测定近似聚沉值C，第二步测准确聚沉值C。（1）取试管6支，编号为1，2，3，4，5和对照，在1号试管注入10 mL2.5 mol·L-1 KCl，在25号和对照等五支试管中各加入蒸馏水9mL，然后从1号试管中取1mL KCl放入 2号试管中，摇匀后，又从2号试管中取出1mL溶液放入3号试管中，依次从上一编号试管吸取1mL KCl溶液，直至5号试管，最后从5号管中取出1mL溶液弃之。用移液管向上述15号试管及对照管中各加入已净化好的Fe(OH)3溶胶1mL，摇匀后，立即记下时间，静置15m

17、in，观察15号管的聚沉情况，与对照管进行比较，找出最后一支有沉淀的管子，该管的浓度即为近似聚沉值C，并记入表格内。编号12345对照2.5 mol·L-1 KCl/mL10.00蒸馏水/mL9.009.009.009.009.00摇匀后1 mL1 mL1 mL1 mL弃去溶胶Fe(OH)3 /mL1.001.001.001.001.001.00摇匀，静置15min，求出近似聚沉值C。（2）制备浓度C的KCl溶液50ml。由2.5mol·L-1 KCl稀释而得，根据C1V1= CV可求得V1的mL数。准确量取2.5 mol·L-1 KCl溶液V1 mL至50 mL

18、的容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀即得浓度为C的溶液。（3）在（1）的15号试管中，保留具有近似聚沉值C浓度的试管，定它为试管，另取4支试管，编号为、，加上原对照一支又得一组6支管的排列。在号试管中分别加入8、6、4、2 mL的浓度为C的KCl溶液，再向上述各管中加入1、3、5、7 mL蒸馏水，摇匀后各加入1 mL Fe(OH)3溶胶，摇匀后静置15 min，找出最后一支有沉淀的管子，用这支管子中的KCl的浓度Cn和相邻未沉淀的管子KCl浓度Cn+1求出平均值，即得所求的准确聚沉值C，即C=1/2(Cn+Cn+1)。把所观察的现象和计算结果列入表中。编号IIIIIIIVV对照C KCl/mL

19、8.006.004.002.00蒸馏水/mL1.003.005.007.009.00溶胶Fe(OH)3 /mL1.001.001.001.001.00用上述完全相同的手续，测定0.1M K2SO4及0.01M K3Fe(CN)6对Fe(OH)3溶胶的聚沉值。三、结果与讨论（一）水解法制备Fe(OH)3溶胶本实验用凝聚法制备Fe(OH)3溶胶，制备胶体时，一定要缓慢向沸水中逐滴加入FeCl3溶液，并不断搅拌，否则，得到的胶体颗粒太大，稳定性差。（二）溶胶的纯化1、制备半透膜实验时，在锥形瓶上涂了一层火棉胶，用水洗出之后，装水，发现制得的半透膜效果很好。事实上，制成的半透膜袋如有小漏洞，可以通过以

20、下方法进行补救：拭干有洞的部分，用玻璃棒蘸少许火棉胶轻轻接触洞口，使之粘满即可。 2、溶胶的纯化溶胶中的杂质能透过半透膜,而胶粒的直径轻大则不能透过,通过纯化,可把胶体溶液中的杂质除去。（由于纯化过程用时很长，该步骤由老师帮忙换水） 实际在渗析过程中,可以看到半透膜外的水呈褐黄色,初渗析时,颜色较深些,随着渗析次数的增加而变淡。说明有的Fe(OH)3胶体透过了半透膜。因胶体颗粒直径有一定的范围,渗析过程中透过半透膜的,是颗粒直径比膜孔径小的胶体,透过多少,要看制成的半透膜属什么孔径隔膜。隔膜孔径比胶体小,则胶体不透过,反之则会透过。（三）电泳实验 为了更好地研究溶胶的电动电势，实验中分别对实验

21、电压、电泳时间、溶胶浓度、介质pH等四个因素进行探究。实验中只要能测出电位的大小，就可以大致判断溶胶的稳定性。因为对于一般溶胶有这样的规律：电位愈小，溶胶的聚集稳定性愈差，当电位等于零时，溶胶的聚集稳定性最差。已知条件：胶体电导：186.0s/cm, KCl电导：186.0s/cm, 两极间的距离：20.25cm。计算公式： ，K=3.6´1010 V2 S2 kg-1 m-1 ，=0.7973´10-3 Pa.s(t=30)，=76.0。分类实际电压/V溶胶起始位置读数/cm溶胶终点位置读数/cm位置读数之差/cm时间/s电位/V电位平均值/V电压=100V第一次1051

22、4.6014.100.50182.20.06280.0618第二次10414.1013.610.49186.30.0607电压=150V第一次15311.9111.400.51149.90.05380.0547第二次15211.4010.900.50142.00.0556电压=200V第一次19810.8310.350.48101.40.05740.0574第二次20010.359.850.50104.60.05741、外加电压（1）实验记录（2）讨论由文献和资料可知，胶体进行电泳时，外加电压越大，胶粒的运动愈剧烈，使得胶粒不容易发生聚沉，稳定性增强。所以随着外加电压E增大，胶体的电位也会增大

23、。2、电泳时间（1）实验记录第一组数据：胶体电导：25.9s/cm KCl电导：25.9s/cm 两极间的距离：19.5cm电源电压(V)起始读数(cm)终点读数(cm)移动距离(cm)时间(s)电位(V)电位平均值(V)第一次15814.8114.220.591200.078510.07809第二次15714.814220.580.07767第一次15814.8113.51.312400.087160.08577第二次15714.813.541.260.08437第一次15814.8112.881.933600.085610.08388第二次15714.812.961.840.08214（2

24、）讨论当外加电压相同、电泳时间不同时，根据文献，胶体的电位随着电泳时间的延长而逐渐减小，溶胶的稳定性下降。但实验结果却不呈此规律，原因是当实验进行到四分钟时，胶体分子已经开始扩散，是界面较难辨认清楚，因此会造成一定的误差。3、溶胶浓度（1）实验记录当浓度为1:1时，胶体电导率：40.1s/cm，KCl电导率：39.9s/cm 当浓度为1:2时，胶体电导率：31.0s/cm，KCl电导率：31.1s/cm当浓度为1:4时，胶体电导率：23.1s/cm，KCl电导率：23.3s/cm两极间的距离L：22.4cm公式中K为3.6´1010 V2 S2 kg-1 m-1，=0.8606

25、15;10-3 Pa·s，=80-0.4（T-293）=80-0.4×（299.65-293）=77.34电源电压(V)起始读数(cm)终点读数(cm)移动距离(cm)时间(s)电位(V)电位平均值(V)浓度1:1第一次15314.6014.100.501530.06030.0613第二次13.6013.100.501480.0623浓度1:2第一次15414.0013.500.501160.07900.0800第二次13.0012.500.501140.0803浓度1:4第一次15514.0013.500.501260.07230.0712第二次13.0012.500.5

26、01300.0700（2）讨论从实验数据可知，溶胶的电位随浓度的减小会先增大后减小，溶胶的浓度越大，稳定性越差，浓度越低，凝胶时间越长，稳定性越好。低浓度的溶胶由于胶粒间距较大，离子间作用力小，溶胶可以在较长时间内稳定存在，电位较大。当浓度增加时，单位体积内胶粒数量增多，因布朗运动导致胶粒间相互碰撞的几率增加，离子间的作用力随之增强，溶胶的总位能（胶粒靠近时排斥能与吸引能之和）因浓度的增大所导致的胶粒间距离降低而下降，此时溶胶的电位会减小，稳定性降低。另一方面，带电粒子之间的距离减小，相互作用增强，使紧密层与扩散层所形成的双电层厚度降低，由DLVO 理论可知，总位能也随之降低，从而使胶体稳定性

27、下降。但是，本实验中，溶胶的电位并不随浓度的减小线性增大，而是先增大后减小。由溶胶的电位公式知，电势的大小与粘度成正比,与介电常数成反比。当浓度降低时，黏度减小，电位应减小，但此时胶粒间距离因浓度减小而变大使电位的变大的增量更大，因此，溶胶的电位总体上增大。但是当浓度降低较大，电位因溶液粘度的减小而降低得更多，此时电位就会减小。4、辅助液pH值（本小组负责）（1）实验记录Fe(OH)3胶体电导率：31.6 S·cm-1实验温度：25.9 计算公式：，K=3.6´1010 V2 S2 kg-1 m-1 ，=0.7973´10-3 Pa.s，=76.0，E=146 V

28、辅助液电导率/S·cm-1pH值两电极间距离L/m界面移动距离S/m电泳时间t/s电位/V电位平均值/VHCl31.64.320.2160.005990.08860.08611050.0836KCl31.75.640.2160.0051250.07020.07191190.0737NaCl31.65.510.2160.0051390.06310.06611270.0691（2）讨论由实验结果可以看出，辅助液pH值对电位的影响比较大。查阅文献，发现KCl溶液的pH值比NaCl溶液的小，实验当天测得的结果相反，但两者相差不大，造成的原因可能是仪器显示数字不稳定；先测量了HCl后测量NaC

29、l可能有少量溶液残留在电极上，使NaCl pH值变小，而最后测量KCl则变大。所以，事实上，随着辅助液pH值的增大，Fe(OH)3溶胶的电位是逐渐减小的。原因是H+的迁移数大于K+、Na+，而Fe(OH)3胶粒带正电，在同等电压下Fe(OH)3溶胶吸附H+时，移动的速率比吸附其他两者大，从而导致电位增大。由文献可知，Fe(OH)3溶胶(文献值)= 0.044V，根据实验结果可以看出，当以NaCl溶液为辅助液时，测出的电位与文献值最为接近。（四）Fe(OH)3溶胶聚沉值的测定1、KCl作为聚沉剂（本小组负责）粗测：编号12345对照KCl浓度/(mol·L-1)2.52.5×

30、10-12.5×10-22.5×10-32.5×10-40是否聚沉是是是否否否结果：最后一支有沉淀的试管是3号试管，近似聚沉值为2.5×10-2 mol·L-1。精测：编号对照KCl浓度/(mol·L-1)2.5×10-22.0×10-21.5×10-21.0×10-20.5×10-20是否聚沉是是否否否否结果：最后一支有沉淀的试管是号试管，近似聚沉值为2.0×10-2 mol·L-1。准确聚沉值：C=1/2(Cn+Cn+1)=1/2(2.0×10-2+1

31、.5×10-2)=17.5 mmol·L-1。粗测：编号12345对照KCl浓度/(mol/L) 2.52.5×10-12.5×10-22.5×10-32.5×10-40是否聚沉是是是否否否结果：最后一支有沉淀的试管是3号试管，近似聚沉值为2.5×10-2 mol/L。精测： 编号（粗测）对照KCl浓度/(mol/L) 0.0250.0200.0150.0100.0050是否聚沉是否否否否否结果：最后一支有沉淀的试管是号试管，近似聚沉值为0.025 mol/L。准确聚沉值C=1/2（Cn+Cn+1）（0.025+0.020）

32、÷2 2.25×10-2 mol/L。2、 K2SO4作为聚沉剂编号（粗测）12345对照K2SO4浓度/(mol/L)0是否聚沉是是是是否否结果：最后一支有沉淀的管子是4号试管，近似聚沉值为mol/L。编号（精测）IIIIIIIVV对照K2SO4浓度/(mol/L)是否聚沉是是否否否否结果：最后一支有沉淀的管子是IV试管，浓度Cn为mol/L。准确聚沉值C=1/2(Cn+Cn+1)= 1/2(+)= mol/L。3、K3Fe(CN)6作为聚沉剂粗测：编号（粗测）12345对照K3Fe(CN)6浓度/(mol/L) 0.010.0010.00010.000010.0000010是否聚沉是是是否否否结果：最后一支有沉淀的管子是3号试管，近似聚沉值为0.0001mol/L。精测：编号（精测）IIIIIIIVV对照K3Fe(CN)6浓度/(mol/L)0.0001 0是否聚沉是是是是否否结果：最后一支有沉淀的管子是IV试管，浓度Cn