溶胶的制备、纯化、稳定性研究及溶胶聚沉值的测定

溶胶的制备、纯化、稳定性研究及溶胶聚沉值的测定一、前言（一）实验背景电泳法测定氢氧化铁溶胶ξ-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。（二）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，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（一）实验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ξ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ξ电位的大小而定，所以电位也称为电动电位。测定ξ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ξ电位大小有关，对一般溶胶，ξ电位愈小，溶胶的聚集稳定性愈差，当ξ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ξ电位。原则上，任何一种胶体的电动现象(电泳、电渗、液流电位、沉降电位)都可以用来测定ξ电位，但用电泳法来测定更方便。电泳法测定胶体ξ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ξ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，可观察到溶胶与溶液的界面在一端上升，另一端下降。胶体的ξ电位可依如下电泳公式计算得到：LEtSK//式中K为与胶粒形状有关的常数（球形为5.41010V2S2kg-1m-1，棒形粒子为3.61010V2S2kg-1m-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（m．s-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、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。（二）实验方案设计1、溶胶电动电势研究实验方案设计（1）在不同的电压下测定ζ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ζ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ζ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ζ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1mL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-1K2SO4和0.01molL-1K3Fe(CN)6溶液的试验，求出不同价数离子聚沉值之比。（三）仪器与试剂电泳测定管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，300mL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，3molL-1HCl溶液，稀、KCl、NaCl溶液，质量分数1%的AgNO3及KCNS溶液，2.5molL-1KCl、0.1molL-1K2SO4及0.01molL-1K3Fe(CN)6溶液，0.5molL-1KCl、0.01molL-1K2SO4及0.001molL-1K3Fe(CN)6溶液，火棉胶，蒸馏水。（四）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{m［Fe(OH)3］nFeO+(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3molL-1的HCl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）在不同的外加电压下测定ζ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ζ电位。（4）在不同的电泳时间内测定ζ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ζ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ζ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Cˊ，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10mL2.5mol·L-1KCl，在2～5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1mLKCl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1mLKCl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1～5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15min，观察1～5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Cˊ，并记入表格内。编号12345对照2.5mol·L-1KCl/mL10.00蒸馏水/mL9.009.009.009.009.00摇匀后1mL→1mL→1mL→1mL→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Cˊ（2）制备浓度Cˊ的KCl溶液50ml。由原2.5mol·L-1KCl稀释而得，根据C1V1=CˊVˊ可求得V1的mL数。准确量取2.5mol·L-1KCl溶液V