物理化学实验：胶体制备 讲稿

助教讲稿：同学们好，我是你们的今天的实验老师。请做溶液表面张力测定的同学先到这边做实验准备工作。需要做两件事情：先打开恒温槽开关，设置25℃加热。一般做这个实验需要设置的温度比室温高1-2℃，现在室温比较低，就按照书上要求设置25℃，但是以后你们做实验的话需要注意。配制实验需要的正丁醇溶液：首先配制0.5mol/L250ml的正丁醇溶液，我们这个正丁醇试剂是直接从厂家拿来的，上面只给正丁醇溶液的密度和相对分子质量，所以大家需要先通过计算得到所需溶液的体积，然后用移液管量取，进行配置。大约在配制完0.5mol/L的正丁醇溶液后，利用碱式滴定管依次配制以下浓度的溶液：0.02、0.04、0.08、0.10、0.16、0.24做胶体制备的同学请到电脑前面来，我给大家讲一下今天的实验。今天大家需要学会用凝聚法制备氢氧化铁胶体，然后进行纯化，纯化完以后测量其电泳速率和ζ（zeta）电势。在讲原理之前，大家可以说出日常生活中有哪些是胶体溶液吗？比如:蛋白溶液，葡萄糖、淀粉溶液、肥皂水、人体中的血液、这些都是分散质是固体，分散剂是液体，还有另外常见的雾、烟、尘，这些都是分散剂为气体的胶体。再比如吃的东西有哪些是胶体？牛奶、豆腐脑、果冻。也存在固态的胶体，如泡沫塑料，合金，有色玻璃。PS：豆浆、墨水、涂料我们常见的是以液体为分散剂的胶体。那么什么是胶体？胶体具有怎样的性质呢？胶体，就是分散质粒子至少有一维空间尺寸在1nm-100nm之间，它是一种介于溶液和粗分散体系的一类分散体系。对于粗分散体系，比如：乳状液，悬浮液，泡沫等，它的分散质粒子尺寸往往要比胶体大，在100纳米以上，这种粗分散体系，不能通过滤纸和半透溶液，一般不能扩散，可以在一般的显微镜下观察到。乳状液：是一种液体以液珠形式分散在与它不相溶的另一种液体中而形成的分散体系。一般不透明，呈乳白色。液滴直径大多在100纳米到10微米之间，如：牛奶，冰激凌、雪花膏等，有水包油和油包水两种类型；悬浮剂：固体颗粒分散于液体中，因布朗运动而不能很快下沉，此时固体分散相与液体的混合物称为悬浮液。如：泥沙，但是通常悬浮液稳定性较小，容易沉淀分出，通常需要加入分散剂，使悬浮稳定。溶液，比如：盐酸、强氧化钠，盐水等，是真溶液，由于是在分子级别上的相容，分散质粒子的尺寸非常小，在1纳米以下，因此，可以通过滤纸和半透膜，扩散速度非常快，普通显微镜、和超级显微镜下观察不到。溶胶就是介于粗分散体系与溶液之间，粒子能透过滤纸，但不能通过半透膜，扩散速度很慢，只能在超显微镜下观察可见。对于这样的分散体系，它具有怎样的性质呢？光学性质，丁达尔效应和光散射。丁达尔效应就是用光束垂直照射胶体时，可以在光透过溶胶的途径上看到一个光柱，这是由于胶体粒子尺寸小于入射光波长，而产生光散射所引起的。我们通常利用这个现象来辨别是否是胶体。动力学性质：布朗运动与扩散，沉降与沉降平衡。布朗运动，大家度知道，是粒子做永不停息的无规则的运动。对于溶胶，它是一种高度分散的多想系统，具有很大的比表面和表面吉布斯函数，粒子间有互相聚结而降低其表面吉布斯函数的趋势，也就是溶胶会自动聚结为大粒子，是整个系统配破坏。因此溶胶在热力学上是不稳定。如果长时间放置会发生聚沉。电学性质：电泳和电势。这也是我们这个实验的重点。其他性质：比如胶体具有黏度，可以发生流变等。我们这个实验的重点内容就是胶体的电学性质：电泳和电势。再了解电泳和电势之前，我们首先看一下胶体粒子在分散剂中是如何存在的。我们发现胶体粒子在固液界面层上带电，但是呈电中性，而且具有双电层结构。我们先分析胶体带电的原因，有两种：一是选择性吸附溶液中某种离子而带电，比如氢氧化铁胶体吸附溶液中的氢质子而带有正电荷。二是固体表面上物质电离也可带电。这样胶体表面粒子带电，由于静电吸引力的存在，必然要吸引等电量的相反电荷的离子，因此胶体粒子呈电中性。并且这种被吸附电荷分布是呈具有电界面的双电层结构，如图所示：氢氧化铁胶体吸附的氯离子，很明显存在紧密层和扩散层。紧密层的氯离子可以在电场作用下随着胶体粒子一起运动，但扩散层中的氯离子，由于离胶体核比较远，往往不能随着胶体粒子运动而出现向相反电极移动的现象。这种在电场作用下分散相粒子相对于分散介质的运动称为电泳。发生相对移动的界面，即紧密层与扩散层的界面，被称为切动面或滑动面，切动面与液体内部的电势差就称为ζ电势。ζ电势是表征胶体粒子特性的重要物理量之一，如果ζ电势的绝对值越大，表明胶粒所带电荷量越多，胶体越稳定，反之，则表明胶体越不稳定。当ζ电势为零时，胶体的稳定性最差，容易发生聚沉。表面张力测定实验做表面张力测定实验的同学，请到电脑这边。今天由我带大家学习如何用最大气泡法测定正丁醇水溶液的表面张力与浓度的关系。因此我们这个实验的目的主要为：掌握一种测定表面张力的方法——最大气泡法；测定正丁醇水溶液的表面张力、表面吸附量与浓度的关系，并计算正丁醇分子的横截面及表面饱和吸附层的厚度。我们知道，溶液表面分子和内部分子所处的环境不同，体相分子受力平衡，可以自由移动，但表面层分子受到向内的拉力，因此，液体有自动缩小表面呈球形的趋势。如果要把一个分子从液体的内部迁移到液体的表面，就必须克服拉力做功。在温度、压力及液体组成恒定时，可逆的使表面增加dA所需对体系做的功，称为表面功。它的热力学表达式如下。σ物理意义是指液体的表面张力或液体的比表面能。从这个表达式，我们可以看出表面张力不仅与温度、压力有关，并且还与溶液的种类和浓度有关。基于溶质对表面张力的影响，可以分为：非表面活性物质、表面活性物质及表面活性剂。能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质，常见的有无机盐、不挥发酸碱，并且这些物质能溶于水，其离子有水合作用，趋向于把水分子拖入水中，因此增加了表面张力，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度，其表面张力与浓度曲线图如曲线1所示，属于负吸附，即斜率小于零。相反呢，表面活性物质可以使得溶液表面张力随着浓度增加而逐渐减小，常见的有醇、醛、酸等，这些物质因为带有碳基，不易溶于水，会在界面形成一层分子膜，这样就可以减小表面水分子的拉力，使得表面张力减小，因此溶液表面的溶质浓度要比溶液内部高，表面为正吸附，如曲线2所示。表面活性剂是当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧减小，但减小到一定值后就不再随浓度增加而变化。表面活性剂通常是两亲分子，一端亲水如羟基、羧基、磺酸基，另一端亲油（憎水），如碳基。像这种溶液表面浓度和内部浓度不同的现象称为表面吸附，单位面积溶液表面比溶液内部多出的溶质的物质的量称为表面吸附量，Γ（伽马）恒温下吉布斯吸附方程由下式表示：可以看出表面吸附量不仅与溶液浓度