胶体制备及性质

胶体制备及性质摘要：本实验首先根据化学反应法制备了Fe（OH）3溶胶，再以火棉胶/乙醚溶液为原料制备了半透膜。通过热渗析法进行纯化，得到了电导值为55.6μS/cm的Fe（OH）3溶胶。之后围绕胶体性质，分别完成了胶体的电泳及其定量分析、胶体的聚沉两个实验。测得胶体25.6710V，之后对可能导致实验偏差的原因进行了分析。实验数据及处理结果1.对制备的Fe（OH）3溶胶进行纯化，过程中定时更换透析液并检测特征离子和电导率。数据如下表1溶胶透析数据记录换水次数123456透析时间/min17356090125155透析液电导/μS/cm——————112.658.126.7Cl-检测结果有有有有无无Fe3+检测结果有有无无无无溶胶电导/μS/cm——55.62.胶体聚沉实验得到上一组同学留存Fe（OH）3溶胶，测定电导值为14.66μs/cm。进行聚1/6沉实验时，半定量地认为每滴溶液体积0.05mL。根据聚沉值定义计算临界聚沉浓度0.050.055nccn（mol/L）；其中n为电解质溶液滴数得到数据如下：表2胶体聚沉数据电解质KClK2SO4K3Fe(CN)6c(mol/L)0.040.0020.001溶胶体积(mL)555滴数n1346聚沉值(mol/L)4.6×10-37.7×10-55.7×10-5现象滴入13滴前溶胶澄清或只在摇晃前高浓度区域局部悬浊。过量后溶胶聚沉，长时间静置后无变化。初期澄清或局部悬浊（同上），长时间静置后有明显可见絮状沉淀析出。初期澄清或局部悬浊（同上），长时间静置后有明显可见絮状沉淀析出。3.溶胶电泳实验溶胶电泳体系分层明显，上层为KCl辅助液，下层为溶胶。随着电泳不断进行，负极液面上升，正极液面下降；电泳至10min时有絮状凝胶沉淀析出。数据记录：溶胶电导：14.66/Scm配置辅助液电导：14.65/Scm电极位置：正极：7.70cm负极：7.65cm表3电泳实验相关测量数据时间/s正极位置/cm移动距离/cm负极位置/cm移动距离/cm平均移动距离/cm电极间距L/cm03.403.90L123.6603.130.274.070.170.22L223.21203.050.354.200.300.33L323.51802.990.414.300.400.41L422.92402.920.484.390.490.49L523.63002.810.594.500.600.60电极间距平均值/cm3602.700.704.630.730.7223.44202.590.814.800.900.86恒定电压/V4802.500.904.901.000.951005402.410.994.991.091.046002.331.075.051.151.112/6对平均迁移距离-时间作图并以一次函数线性拟合可得下图图1平均迁移距离-时间图拟合方程为D=0.10+0.00175t，r2=0.99433查阅相关资料可得，将s/t—单位时间内胶体界面移动的距离s/t=1.75x10-5(m/s)l(m)－两电极间距离l=0.234mφ(V)－两电极间的电势差φ=100Vη(Pa⋅s)－介质的粘度,用水的值η=0.9779(mPa⋅s)r－介质的相对介电常数r=80−0.4(T-293)=79.660—真空介电常数0=8.854x10-12F·m-1将以上数据代入0rslt＝可得＝5.67x10-2V（有效数字位数以两极间电势差数据确定）误差分析及讨论电势计算中的定量误差分析由公式00u=rrsllt＝（u为溶胶迁移速率）可知，误差由r(T)，(T)，u，l，五个参数的测量造成。其中前两项均与温度波动有关。3/6温度由实验室内电子温度气压计测量，数据精度为△T=0.1K，线性拟合部分可知△u=5x10-7m/s；由此进行分析①由r（T）造成误差：20200uu0.040.050%u79.66rrrrrrrlddldddl＝②由(T)造成误差：由于水的粘度大多根据准确测量值进行计算，在此为了便于分析，借用经验公式20.0177910.03368t0.0002210t＝＋＋，其中t为摄氏温度。20.033680.000442010.03368t0.0002210t0.137%ddtdt＋＋③由u造成误差：070505102.9%u1.7510rrrlddulduddulu＝④由l造成误差:0u0.3041.30%23.4rddlddll＝(dl为平行测量间距时，五次测量标准差)⑤由造成误差：20u1.0%rldddd＝为了便于分析，以上各结果均较多取一位有效数字。由分析可知，温度波动造成的偏差较小；因此本实验中不必刻意使用高精度温度计对液相温度进行测定。其中由电泳过程中位移-时间关系测量造成的误差最大，因此本实验要求准备电泳时切忌震荡摇晃，确保溶胶与辅助液液面清晰；此外，反复多次测定两电极间距，取测量平均值以减小数据离散波动也对提高实验结果的可信度有重要意义。定性误差分析溶胶聚沉实验与理论值偏差4/6由实验原理可知，定性分析而言，异种电荷离子价态越高聚沉值越小。由Schulze-Hardy公式，聚沉值与异种电荷核电荷数的六次方成反比。理论结算聚沉值之比为666111::100:1.56:0.137123实验过程中由计算数据可得聚沉值为3554.6107.7105.710=100：：：1.67：1.24实测值与理论值有较大偏差的原因在于①作为半定量实验，以滴管滴数换算体积本身就存在较大误差，可能由于滴管口完整性、液体粘度、温度等关系而改变；②溶胶生成过程在热力学上容易实现，但动力学上需要一个过程。比如说在实验过程中长期静置后观测到2、3号实验组出现沉淀而1号没有，这就说明达到动力学平衡需要较长时间。在有限的滴定时间内，可能热力学上电解质已经过量，但动力学反应进行未达到聚沉条件。因此出现偏差。③氢氧化铁溶胶本身颜色较深，少量聚沉难以及时发现。④由电导测定可知，经过半透膜透析得到的溶胶内已经本身存在少量电解质，荷电粒子间的相互作用过于复杂，已经超出了本实验条件决定的能够讨论的范围了。综上，我认为此实验仅仅是半定量实验，受限于种种条件，所得结果已经能较好地与理论预测一致了。实验现象讨论在进行电泳实验时，10min左右电极负极出现了明显的溶胶聚沉现象。分析原因是负极反应：-222HO+2e2OH+H正极反应：+222HO-4e4H+O导致负极出现了过高浓度的氢氧根离子。此碱性条件下可导致溶胶中心的Fe3+离子无法继续以稳定的胶体结构3{[()]()}xmFeOHnFeOnxClxCl,转而直接与过高浓度的氢氧根离子反应生成沉淀，即+-23FeO+OH+HOFe(OH)因此导致明显的聚沉现象发生。思考题1.电泳实验中，正负极各有什么现象，陈述并解释之。正极：辅助液-溶胶界面变模糊，颜色变浅，有“拖尾”情况。相对而言移动速度较慢。分析：在外电场作用下，溶胶中带正电荷较多的粒子较快地由正极迁移至负极方向，造成相对的正极浓度下降、负极浓度上升。从而导致正极部分颜色变浅，而相应地负极浓度提高颜色加深。因此，拖尾现象导致了表观上的正极迁移速度较慢。5/6负极：颜色加深，相对移动速度较快。长时间电泳后负极出现了明显的聚沉现象。分析：与正极情况相反，接近负极区域溶胶浓度上升，高电荷、大粒径溶胶粒子集中到该区域；从而导致该区域粒子更容易受到电场作用而迁移。对于聚沉现象，见上文讨论部分，是由于电离产生的氢氧根离子改变了溶液的pH条件使得铁离子无法稳定以胶体形式存在。2．加入FeCl3溶液的速度不宜太快，为什么？答：由于胶体微粒大小由胶粒成核与胶粒生长两个过程共同决定。与形成沉淀的机制类似，如果加入速度太快，FeCl3局部浓度过大，会导致成核少而单核的生长速度过快的情况。使得胶体微粒大而包裹大量其他杂质离子难以透析。另一方面，局部浓度过大也可能导致胶粒聚沉而无法出现得到所需要的均匀溶胶。3．若溶胶未纯化或纯化不完全，对聚沉值的测量有什么影响？答：新制的Fe（OH）3胶体中含有来自原料的较多Cl-和Fe3+离子，他们可能与新加入的电解质溶液中的离子络合而影响聚沉值。具体而言：氯离子会由于吸附作用减小胶体所带正电荷，降低聚沉值；铁离子电荷相反，从而会提高聚沉值。由于透析过程中半径较大的氯离子更难除去，因此纯化不完全的组分可能出现聚沉值偏低的情况。4.溶胶的基本特征是什么？由此说明制备过程中最应当注意什么？胶体溶液是大小在1～100nm之间的质点（称为分散相）分散在介质（称为分散介质）当中而形成的体系。胶体分散系包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体，其共同特征是扩散速度慢，能透过滤纸，不能透过半透膜。Tyndall效应是溶胶区别于真溶液的一个基本特征。应当注意控制胶粒直径，从而确保制得的液体并非浊液或溶液，能够以合适粒径的粒子分散在液相中。5.连续通电会使溶液发热，对电泳会产生什么样的影响？发热加剧了液体的布朗运动，使得电泳分界线弥散。进而导致电泳液蒸发，电解质浓度加大、电流强度增大，甚至引发体系更多副反应的发生。6.电泳速度的快慢与哪些因素有关?如下因素可导致电泳速度改变：外加电场强度影响大，外加电压大，速度快；与胶体净化后所测电导值有关，电导大，电泳速度快；与两极间距离有关，距离短，速度快；与温度有关，温度高，介质的粘度降低，有利于电泳速度的提高；与胶体的ζ电势相关；与辅助液的性质相关。7.辅助溶液的作用是什么?对辅助溶液的选择有什么要求?辅助液与胶体因密度差存在，可以形成有清晰分层的分界线；从而使得电泳6/6现象和电泳速度在宏观上可以观测并计算。一般来说，对于辅助液有如下要求：与胶体颜色反差要大，便于区分；较胶体比重要轻，界面容易清晰；辅助液正负离子迁移的速度要相近，克服两臂中上升和下降速度不等的困难。辅助液电导要近于溶胶，以消除其间的电位梯度，否则，电泳公式不得不进行修正。例如电泳公式如一般实验教材所写：tHul4)300(2，则电位梯度修正为KKGGEH)(0，其中G0为辅助液电导值，K为两界面间距离。参考文献：1.北京大学化学学院，物理化学实验（第4版），北京：北京大学出版社（2002）2.CRCHandbookofChemistryandPhysics90th3.周祖康等编著，《胶体化学基础》，北京大学出版社.258（1984）4.张五昌，“电泳”，《物理化学实验指导书》.东北师大文库，330（1995）