溶胶制备纯化及性质实验报告

溶胶(d e)制备、纯化及稳定性研究
——时间(de)影响和用K2SO4溶液测聚沉值
一、前言
1、实验背景
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(de)问题.为了了解胶体现象,进而掌握其变化规律,进行胶体(de)制备及性质研究实验很有必要.
胶体因其制备简单、带有颜色和稳定性好等特点被广泛应用于大学物Fe(OH)
3
理化学实验中,并且是高中化学中(de)一个重要实验.但是采用电泳方法测定溶胶(de)电动电势（ζ）却是始终是一个难点,因为溶胶(de)电泳受诸多因素影响如：溶胶中胶粒形状、表面电荷数量、溶剂中电解质(de)种类、离子强度、PH、温度和所加电压.
2、实验要求
(1)了解制备胶体(de)不同方法,学会制备Fe(OH)3溶胶.
(2)实验观察胶体(de)电泳现象,掌握电泳法测定胶体电动电势(de)技术.
(3)探讨不同外加电压、电泳时间、溶胶浓度、辅助液(de)pH值等因素对Fe(OH)
溶胶电动电势测定(de)影响.
3
(4)探讨不同电解质对所制备Fe(OH)3溶胶(de)聚沉值,掌握通过聚沉值判断溶胶荷电性质(de)方法.
二、实验部分
1.实验原理
溶胶(de)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(de)物质颗粒变为胶体大小(de)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(de)分子(或离子)(de)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(de)
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.
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(de)离子,使胶粒带有一定量(de)电荷.显然,在胶粒四周(de)分散介质中,存在电量相同而符号相反(de)对应离子.荷电(de)胶粒与分散介质间(de)电位差,称为ξ电位.在外加电场(de)作用下,荷电(de)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(de)现象,称为电泳.同一胶粒在同一电场中(de)移动速度由ξ电位(de)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(de)稳定性具有很大意义.溶胶(de)聚集稳定性与胶体(de)ξ电位大小有关,对一般溶胶,ξ电位愈小,溶胶(de)聚集稳定性愈差,当ξ电位等于零时,溶胶(de)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(de)ξ电位.原则上,任何一种胶体(de)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(de)辅助液体(de)界面在电场中(de)移动速度.微观法则是直接测
定单个胶粒在电场中(de)移动速度.对于高分散度(de)溶胶,如Fe(OH)
3
胶体,不易观察个别粒子(de)运动,只能用宏观法.对于颜色太浅或浓度过稀(de)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(de)ξ电位时,在U形管中先放入棕红色(de)Fe(OH)
3
溶胶,
然后小心地在溶胶面上注入无色(de)辅助溶液,使溶胶和溶液之间有明显(de)界面,在U形管(de)两端各放一根电极,通电一定时间后,可观察到溶胶与溶液(de)界面在一端上升,另一端下降.胶体(de)ξ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(de)常数（球形为1010 V2 S2 kg-1 m-1,棒形粒子为1010 V2 S2 kg-1 m-1,η为分散介质(de)粘度（Pas）,ε为分散介质(de)相对介电常数,E为加于电泳测定管二端(de)电压（V）,L为两电极之间(de)距离（m）,S为电泳管中胶体溶液界面在t时间（s）内移动(de)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(de)因素除带电离子(de)大小、形状、离子表面(de)电荷数目、溶剂中电解质(de)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(de)pH值等有关.
根据胶体体系(de)动力性质,强烈(de)布朗运动使得溶胶分散相质点不易沉降,具有—定(de)动力稳定性.另一方面,由于溶胶分散相有大(de)相界面,具有强烈(de)聚结趋势,因而这种体系又是热力学(de)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(de)质点不易聚结,从而又提高了体系(de)稳定性.
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(de)现象称为聚沉.在指定条件下使某溶胶聚沉时,电解质(de)最低浓度称为聚沉值,聚沉值常用表示.影响聚沉(de)主要因素是与胶粒电荷相反(de)离子(de)价数、离子(de)大小及同号离子(de)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(de)6次方成反比.同价无机小离子(de)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(de)二价或高价离子对胶体体系常有稳定作用,使该体系(de)聚沉值有所增加.此外,当使用高价或大离子聚沉时,少量(de)电解质可使溶胶聚沉；电解质浓度大时,聚沉形成(de)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(de)原因是,低浓度(de)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(de)电荷而重新稳定；继续增大电解质浓度,重新稳定(de)胶体质点(de)反离子又可使其聚沉.
2. 实验方案设计
本实验是个综合性试验,涉及Fe(OH)
3
铁胶体(de)制备及纯化处理以及对氢氧化铁胶体性质(de)探讨.实验思路如下：
⑴水解法制备Fe(OH)
3溶胶,将一定浓度(de)FeCl
3
溶液逐滴缴入沸水中,不断
搅拌,得到Fe(OH)
3
(de)过饱和溶液,再使之相互结合便可形成溶胶,再将其纯化便
可用于进行其性质实验；
⑵根据影响溶胶电泳实验(de)因素及实验条件,我们选择了探讨其四方面因素(de)影响.各探讨实验均需先配制辅助液,装好溶胶,连接电路,然后分以下几种情况进行实验：
①在不同外电压下（100V、150V、200V）测定ξ电位；
②在不同电泳时间内（2min,4min,6min）测定ξ电位；
③不同溶胶浓度下（原浓度、1/2原浓度、1/4原浓度）测定ξ电位；
④PH不同(de)辅助液测定ξ电位.
⑶测定不同价态电解质对Fe(OH)
3
溶胶(de)聚沉值,探讨不同价数离子(de)聚
沉值,以及判断Fe(OH)
3
胶粒是否是正电性.
3. 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%FeCl
3溶液,3 molL-1 HCl溶液,稀KCl、NaCl溶液,质量分数1%(de)AgNO
3
及
KCNS溶液, molL-1 KCl、 molL-1 K
2SO
4
及 molL-1 K
3
Fe(CN)
6
溶液, molL-1 KCl、 molL-1 K
2
SO
4
及 molL-1 K
3Fe(CN)
6
溶液,火棉胶,蒸馏水.
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%
FeCl
3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］n FeO+(n-x)Cl-}x+x Cl-
(2) Fe(OH)
3
溶胶(de)纯化
a) 制备半透膜：为了纯化已制备好(de)溶胶,需要用半透膜.选择一个
300mL(de)内壁光滑(de)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(de)火棉胶,倒置烧瓶于铁圈上,流
尽多余(de)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(de)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.
b) 纯化：把水解法制得(de)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(de)溶胶冷却后保存备用.
(3) 电泳实验
a）配制辅助液
溶胶(de)电导率,然后向一个100mL(de)小用电导率仪测定纯化好(de)Fe(OH)
3
烧杯中加入蒸馏水,用滴管逐滴滴入3molL-1(de)HCl溶液,并测量此溶液(de)电导率,使其电导率与溶胶(de)电导率相等,此稀溶液即为待用(de)辅助液.
b）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(de)溶胶从电泳管(de)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(de)界面,且铂电极铂片浸入辅助液1cm左右时,关闭活塞.
c）在不同(de)外加电压下测定ζ电位,探讨不同外加电压(de)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(de)刻度,并同时按下停表计时,直到界面移动0.5cm,记下停表(de)时间、界面移动(de)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(de)距离L.
调节电压分别为150、200伏特,同法测定ζ电位.
d）在不同(de)电泳时间内测定ζ电位,探讨不同电泳时间(de)影响
参考电泳时间：2min,4min,6min
e ）改变溶胶(de)浓度为测定ζ电位,探讨不同溶胶浓度(de)影响 参考溶胶浓度：原浓度,原浓度(de)1/2,原浓度(de)1/4
f ）改变辅助液(de)PH 值测定ζ电位,探讨不同辅助液(de)影响 除HCl 水溶液外,还可用KCl 、NaCl(de)水溶液作辅助液 (4)测定不同电解质对Fe(OH)3溶胶(de)聚沉值
分两步进行,第一步粗测定近似聚沉值C ˊ,第二步测准确聚沉值C. a ）取试管6支,编号为1,2,3,4,5和对照,在1号试管注入10 mol ·L -1 K 2SO 4,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1mL K 2SO 4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 K 2SO 4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(de)Fe(OH)3溶胶1mL,摇匀后,立即记下时间,静置15min,观察1～5号管(de)聚沉情况,与对照管进行比较,找出最后一支有沉淀(de)管子,该管(de)浓度即为近似聚沉值C ˊ,并记入表格内.
摇匀,静置15min,求出近似聚沉值C ˊ
b ）制备浓度C ˊ(de)K 2SO 4溶液50ml.由原·L -1 K 2SO 4稀释而得,根据 C 1V 1= C ˊV ˊ可求得V 1(de)mL 数.准确量取 mol ·L -1 K 2SO 4溶液V 1 mL 至50 mL(de)容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度,摇匀即得浓度为C ˊ(de)溶液.
c ）在1)(de)1－5号试管中,保留具有近似聚沉值C ˊ浓度(de)试管,定它为Ⅰ试管,另取4支试管,编号为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,加上原对照一支又得一组6支管(de)排列.
在Ⅱ－Ⅴ号试管中分别加入8、6、4、2 mL(de)浓度为C ˊ(de)K 2SO 4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(de)管子,用这支管子中(de)K 2SO 4(de)浓度Cn 和相邻未沉淀(de)管子K 2SO 4浓度C n+1求出平均值,即得所求(de)准确聚沉值C,即C=1/2(C n +C n+1).把所观察(de)现象和计算结果列入表中.
用上述完全相同(de)手续,测定 KCl 及 K 3Fe(CN)6对Fe(OH)3溶胶(de)聚沉值. (5)实验结束
关闭电源,回收胶体溶液,整理实验用品. 三. 结果与讨论 数据记录与处理： (一)、探究实验条件： （1）实验电压 a.实验记录
第一组实验数据如下：（钟淑清,梁泳欣,彭思瑜）
第二组实验数据如下：（孙佳敏,李育仪,沈娅）
分析
由以上实验数据可知,在其它条件一样(de)前提下,不同电压下测得(de)电位值相差不大,说明电压高低对ζ电位影响不大.不同(de)小组测得(de)实验数据中,电压高低对ζ电位影响也各不相同,说明实验操作存在一定(de)误差.根据所查资料,电压为150V时,电位稍高,所以实验中可选用外加电压为150V.
（2）电泳时间
实验数据如下：（黄慕芝,陈金裕,佘楚旋）
分析由表可知,平行实验中,一定时间和一定电压下,界面移动(de)距离有点差异,实验过程(de)控制有待进一步提高.
由以上实验数据可知,在其它条件一样(de)前提下,不同时间下测得(de)电位值相差不大,说明不同电泳时间对ζ电位影响不大.
（3）溶胶浓度
a.实验记录
实验数据如下：(彭蔚雯,蔡洁龄)
分析
由表可知,平行实验中,同一浓度下,界面移动(de)距离相同时,所需时间非常接近,实验数据比较可靠.
由所求得(de)实验数据可知,在其它条件一样(de)前提下,不同溶胶浓度下测得(de)电位值相差很大.据相关资料显示：在一定范围内,胶体浓度越大,ζ电位越大.因为浓度增加,粒子碰撞机会增多,溶胶不稳定性增大.但是,本次实验中并不能很好(de)体现这个规律,这说明了本次实验操作存在一定(de)误差.
（4）辅助液pH值（汤俊杰,钟伟潮）
a.实验记录
分析
由所求得(de)实验数据可知,在其它条件一样(de)前提下,使用HCl 为辅助液所算得(de)ξ电位与另外两种辅助液相差很大,而NaCl,KCl 电位比较小,说明辅助液及其PH 对ξ电位有很大影响. 4、Fe(OH)3溶胶聚沉值(de)测定
(1)KCl 作为聚沉剂（钟淑清,彭思瑜,梁泳欣）
结果：粗测是2号试管,
聚沉浓度为L
IV 号管有沉淀,准确聚沉值
C=1/2(Cn+Cn+1)=1/2（C V +C 4）=1/2（ molL -1
+ L -1
）= molL -1
(2) K 2SO 4作为聚沉剂(黄慕芝,陈金裕,佘楚旋)
结果：粗测是3号试管,聚沉浓度为3
10-mol/L
结果：粗测是IV 试管,聚沉浓度为4
104-⨯mol/L
所以准确聚沉C=1/2(C n +C n+1)= 1/2(4
104-⨯+4
102-⨯)=4
103-⨯ mol/L (3) K 3Fe(CN)6作为聚沉剂（沈娅,李育仪,孙佳敏）
结果：粗测是3号试管,聚沉浓度为1×410-mol/L
结果：粗测是III试管,聚沉浓度为4×5
10-mol/L
所以准确聚沉C=1/2(C
n +C
n+1
)= 1/2(4×5
10-+2×5
10-)=3×5
10- mol/L
综合⑴⑵⑶,可知聚沉值 KCl: K
2SO4: K
3
Fe（CN）
6
=75：：
分析
聚沉值是指一定时间内,能使溶胶发生明显聚沉(de)电解质(de)最低浓度.
聚沉值越大,电解质对溶胶(de)聚沉能力越小.而聚沉值(de)大小与电解质中与溶胶所带电荷符号相反(de)离子价态有关.
本实验所用电解质阳离子都一样为钾离子,但聚沉值相差很大.K
3Fe(CN)
6
溶液
和K
2SO
4
溶液中(de)有高价(de)负离子Fe(CN)
6
-3和SO
4
-2,它们存在时Fe(OH)
3
溶胶
(de)聚沉值均很小（反号高价离子聚沉效率越高,聚沉值越小）；而只有低价离子
(de)KCl溶液对Fe(OH)
3
溶胶(de)聚沉值相对来说是很大(de)（阳离子同为钾离子,而阴离子为低价(de)氯离子）.由此可见不同价态阴离子对聚沉值有影响,因此判断胶粒带正电.
根据舒尔采-哈迪规则（一价）：（二价）：（三价）=(25-150)：（）：（）,显然实验数据总体还是满足舒尔采-哈迪规则,说明实验过程中操作还是比较严谨,没有出现大(de)差错.
四. 结论
（一）结论
1、通过探讨不同实验条件对ζ电位(de)影响,可以得出如下结论：外加电压、
电泳时间对ζ电位影响不大,胶体浓度和所用不同PH辅助液对ζ电位影响很大.在一定范围内,胶体浓度越大,ζ电位越大.辅助液及其pH对ζ电位有很大影响,HCl 会使ζ电位明显增大.
胶粒带正电,而且价数2、由不同价态阴离子对聚沉值(de)影响,可此判断Fe(OH)
3
溶胶发生聚沉.
越大(de)离子越容易使Fe(OH)
3
（二）讨论
（1）在以K
SO4为聚沉剂求聚沉值时,我们做了两次实验,但是结果并不相同.体现
2
在粗侧结果均为第3支试管,即L,但精测过程中,第二次实验IV试管最后出现沉淀,V没有出现沉淀,即聚沉值为10-3mol/L,而第一次实验所有(de)试管都有沉淀,V 试管最后出现沉淀,聚沉值为10-3mol/L.分析原因可能是：聚沉易受其它因素影响,如杂质,若U形管没有清洗干净含有杂质离子,易诱导溶胶聚沉.还易受水体pH及流动状况影响,而不同浓度电解质溶液(de)PH及流动状况可能会存在一定(de)不同.
溶胶时发现不同小组制得(de)溶胶颜色深浅不大一致,可能是Fe3+②制备Fe(OH)
3
溶液,并不断搅浓度不一致,因而制备胶体时,一定要缓慢向沸水中逐滴加入FeCl
3
拌,否则,得到(de)胶体颗粒太大,稳定性差,易形成沉淀.另外,溶液要保持沸腾状态,不要一下子沸腾,一下子不沸腾.
（2）在制作半透明时须注意(de)是：
a)刚制备好(de)半透膜应装满水溶出其中剩余(de)乙醚,装水不宜太早,致乙醚未蒸发完,加水后膜呈白色而不适用,也不宜太迟,致膜变干硬而不易取出.
b)制成(de)半透膜袋如有小漏洞,只需拭干有洞(de)部分,用玻璃棒蘸少许火棉胶轻轻接触洞口,使之粘满,即可补好.
c)要及时给更换浸泡半透膜所用(de)去离子水.
（3）在实验过程中,为使得实验能成功,应注意一下问题：
a) 电泳测定管须洗净并干燥,以免残余水珠及其它离子干扰.
b)做电泳实验之前,应该确保线路接触良好.
c) 两铂电极(de)距离是指U型管溶液导电(de)距离,不是水平距离.量取两电极(de)距离时,要沿电泳管(de)中心线量取,电极间距离(de)测量须尽量精确.
五、参考文献
[1] 何广平等编着.物理化学实验.北京：化学工业出版社,
[2] 傅献彩等编着.物理化学.第五版.北京：高等教育出版社,
[3]李帕托夫编. 胶体物理化学(下册). 北京：高等教育出版社,1955。