胶体化学重点习题解答_谢鲜梅_物理化学(1)

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太原理工大学物理化学
胶体化学
1、1cm3溶胶的溶液中含有 1.5×10-6kg Fe2O3,将其溶液稀释 10000 倍,在显微镜下观察,在直 径和深度为 0.04mm视野内数得粒子平均是 4.1,设粒子为球形,密度为 5.2×103kg·m-3,求 胶粒的平均直径?
解题思路:设胶体粒子形状为球形,已知密度 ρ 求胶粒的体积(直径),需要知道其质量,已
为减少误差高层 h2 − h =90m
T=298K
ln
p2 p1
=-
29 ×10 − 3 kg ⋅ mol −1 × 9.8m ⋅ s −2 8.314J ⋅ mol −1 ⋅ K −1 × 298K
× 90m
=
−0.01032
p2 = 0.9897 p1=101325Pa p2=100281Pa p1 △ P=P2-P1=(100281-101325)Pa=-1044Pa 即每升高 9 米,大气压下降约 100Pa。较准确些的近似结果是 298K 时,海拨基准处大气每 升高 8.65 米,大气压下降 100Pa 3 某溶胶粒子的平均直径为 4.2×10-10m,其粘度为 0.01Pa·S,求 298K时胶粒的扩散系数,以及 1 秒钟 由于Brown运动,粒子沿X方向的平均位移 X 。
解题思路:本题采用 Einstein—Brown 平均位移公式与 Einstein—斯托克斯方程结合推出:D= X 2 利 2t
用此公式求 X ,D。
解:(1)Einstein—Brown 公式 X = ( RTt )1/ 2 3Lπrη
Einstein—斯托克斯方程 D= RT 6 Lπrη
D=
6
电势成正比,使电渗的速率变小。当CNaCl浓度增加到足够大时,使ζ =0 即达到等电 态无电渗现象。 (1) 若用AgNO3溶液代替NaCl溶液时,AgCl多孔塞表面有选择的吸附Ag+,固体表面带 正电荷,反离子NO3-呈扩散状态分布在溶液中,即通电时溶液向正极流动,毛细管 液面下降。
6、将浓度为 0.005mol·dm-3的某电解质溶液,通过矿粉用是渗法测定ζ 电位。已知溶液流速
ε 0=8.854×10-12F·m-1
ε = ε r ε 0=81×8.854×10-12F·m-1=7.17×10-10F·m-1
E= 150V = 5 ×102V ⋅ m−1 0.3m
ζ
= ηu εE
=
0.001Pa ⋅ s × 2 ×10−5 m ⋅ s −1 7.17 ×10−10 F ⋅ m−1 × 5 ×102V ⋅ m−1
(5)若外加电解质中反离子的个数,价数及种类完全相同时,则要由电位离子的“反价数规 则”判断,即电位离子的电荷价数越高,其电解质聚沉能力越弱。
解:若KI过量,AgI微粒表面吸附I-离子,胶粒表面带负电,起聚沉作用的主要是正离子,胶 因的结构:[(AgI)m·nI-(n-x)K+]x-·xK+对于以下各组聚沉能力最强的分别是
×
6.023
8.314J ⋅ mol −1 ⋅ K −1
× 10 23
mol
−1
×
3.14
×
4.2 2
× 298K ×10−10 m
×
0.01Pa

s
=1.039×10-10m2·s-1
(2)上式两公式结合D= X 2 2t
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沿X方向位移 X 2=2Dt=2×1.039×10-10m2·s-1×1s
εEζ η
和Λm
=χ c
上式两者关联起来,仍要有个过程。由ζ = ηu ,首先注意到电渗速率 u= L 与溶
εE
t
液流速 u' =
lA t
不同,其次 ε
=
ε
r
ε
0
,E=
V l

ζ
=
ηu'l ε rε 0 AV
;由 Λ m
= χ 结合 χ c
=l , A
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G=
知总质量及粒子数,从而可以求出一个粒子的质量。 解:1cm3体积含有总粒子数n
πr 2h 10000
:
4.1
=
V总
:
n
n= 4.1×V总 ×10000 = 4.1× (10−2 )3 ×10000 = 8.16 ×1011 (粒子总数)
πr 2 h
π (0.02 ×10−3 )2 × 0.04 ×10−3
离子个数,反离子数规则的应用。一般原则如下:
(1)与胶体粒子带电相反的离子是主要起聚沉作用的离子。
(2)首先,反离子价数越高,聚沉能能力越强。
(3)其次,电解质若所含有聚沉离子的个数和价数相同的不同离子,其聚沉能力取决于感胶 离子序。
(4)电解质所含聚沉离子价数及种类相同时,若个数不同时,离子个数多的电解质聚沉能力 强。
=
0.558V
=
55.8mV
(2)Gause system
ζ = 4πηu εrE
η
=
0.001Pa

s
=
0.01
dyne cm 2

s
=
0.01泊
u= 1.2cm = 2 ×10−3 cm ⋅ s −1 60 ×10s
ε r=81
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1VGau =
=300VSI
(1)FeCl3(价数规则)
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(2)Na3PO3(反离子个数) (3)RbNO3(感胶离子序) (4)MgCl2(先由反离子的价数规则判断Mg2+>Na+后,采用电位离子的反价数规则Cl->SO42-) 若AgNO3过量,AgI微粒表面吸附Ag+离子,胶粒表面带正电,起聚沉作用的主要是负离子。胶团
ζ = 4πηu = 4π × 0.01泊× 2 ×10−3 cm ⋅ s −1
εrE
81×1.67 ×10−2VGau / cm
E=
150V 30cm
1 300 VGau
= 1.67 ×10−2VGau cm−1
=0.0001857VGau=0.0001857×300VSI
=0.0557VSI=55.8m·VSI 1、测量胶体电渗的装置如图 10-3。图中 1.2 盛电解质溶液,多孔塞 3 的两侧是两个平行板电极
1 R

V=IR

Λ
m
= LI AVc
ζ
、Λm
两式共同部分为
l AV
,代换后为 ζ
= ηu' Λmc εrε0I
解:由于ζ = ηu = ηu' Λ mc εE ε rε 0 I
u 是分散介质流速(m/s) u’溶液的流速
ζ
=
0.001Pa

s × 0.2 ×10−6 m ⋅ s −1 ×139.9 ×10−4 s ⋅ m2mol 8.85 ×10−12 F ⋅ m−1 × 80 × 0.56I
× 5mol
⋅ m−3
=0.03527V=35.3mV 7、AgNO3溶液和KI溶液制备AgI溶胶,若KI过量,分别指出下列各组电解质中聚沉能力最强的 电解质。若AgNO3过量,其结果又如何? (1) NaCl、MgCI2 、 FeCl3 (2) NaCl 、Na2SO4 、Na3PO4 (3) NaNO3 、L来自百度文库NO3、 RbNO3 (4) MgCl2 、Na2SO4 、 MgSO4 解题思路:本题采用不同的方法来判别电解质的聚沉能力。因此必须熟悉价数规则,感胶离子序、
的结构: [(AgI)m·nAg+(n-x)NO3-]X+xNO3- 对于以下各组聚沉能力最强的分别是:
(1)FeCl3(价数规则) (2)Na3PO4(价数规则) (3)LiNO3(反价数规则) (4)Na2SO4(先由价数规则确定 SO42− 〉CI − ,后由电位离子的反价数规则,Na+>Mg2+) 8、解释下列各现象原因? (1)江河入海处,为什么易形成三角洲? (2)为什么晴朗的天空呈蓝色,而晚霞呈红色? (3)不同型号的墨水为什么不能混合使用? (4)燃料油中常需加入少量油溶性的电解质? (5)做豆腐时“点浆”的原理是什么? 答:(1)江河中常含有大量带负电的SiO2溶胶,而海水中含有的电解质NaCl,河水与海水相 遇时,使其中胶粒聚沉,聚沉物逐渐累积便形成了三角洲。 (2)当白光(各种波长)照射到大气层中,要发生散射现象。由瑞利公式可知,散射光的强 度与入射光的波长的四次方成反比,与分散相和分散介质的折射率平方差成正比。当白光照射无色 胶体时,其散射光呈蓝色,而透射光呈橙红色对在地球上人来说,黑暗的宇宙背景正好使散射光效 应更强,晚霞出现在地平线上所看到的橙红色是天空透射光的色彩。 (3)钢笔的墨水属于胶体分散溶液,不同型号的墨水由于生产厂家使用的原料和配方不同, 因此会带有不同类型的电荷,若混合使用不同型号的墨水,会发生聚沉使钢笔堵塞。 (4)用管道泵输送燃料油时,在流动过程中会产生流动电势,高压下易产生火花。因此必须 采取严格的防护措施,如油管接地同时加入油溶性电解质(如四异戊基苦味酸胺,二异丙基水杨酸 钙),增加介质的电导,减少流动电势。若贮油罐中的燃料油中含有水滴时,水滴的沉降形成较大
解:沉降平衡公式为 ln c2 c1
= − Mg RT
(1 −
ρ0 ρ
)(h2
− h1 )
设大气为理想气体: c2 = p2 c1 p1
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由于大气分子不是悬浮粒子,无需进行浮力校正 1- ρ0 = 1 ρ1

ln
p2 p1
=

Mg RT
(h2
− h1 )
M取空气平均摩尔质量=29×10-3kg·mol-1
5、6,实验中可以从有刻度的毛细管 4 中准确读出液面的变化。若多孔塞为固体 AgCl,请回 答以下问题:
题 5 附图 (1)当溶液为C=0.02mal.dm-3r NaCl稀溶液,毛细管的液面是否上升? (2)当 NaCl 溶液的浓度逐渐增加时,在相同的外加电势条件下,毛细管的液面如何变化? (3)用相同浓度的 AgCl 溶液代替 NaCl 溶液时,毛细管的液面如何变化?
每个粒子数质量
m=
m总 n总
=
15 ×10−6 kg 8.16 ×1011
= 1.839 ×10−17 kg
m= ρ v= ρ
( 4 πr 3 3
)=
ρ
⎡ ⎢⎣
4 3
π
(
d 2
)
3
⎤ ⎥⎦
=
ρ(πd 3 ) 6
代入数据后d=1.89×10-7m 2、试用沉降平衡公式验证,298k 在海平面附近,每升高 9m,大气压约下降 100Pa。 解题思路:本题是沉降平衡公式的应用。并不是简单套用。首先将大气视为理想气体,把公式转化 为压力和海拨高度的关系式,其次计算中注意量纲的匹配。
电容率 ε
,真空是电容率 ε 0,相对电容率 ε
r的相互关系是 ε
r=
ε ε0
,相对电容率以前称介电常数
(dielectric constant),单位为 1(纯数), ε 0、 ε 二者单位为F·m-1.
ζ = ηu εE
1.2 ×10−3 米
U= (60 ×10)秒
=
2
× 10 −5
m

s −1
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此可进一步判断毛细管液面的变化情况。 本题(2)讨论外加电解质的影响,使胶粒双电层结构发生变化,Stern 电势下降,电动电
势下降。 答:(1) 胶体粒子带电主要有两种原因。一种是固体表面从溶液中有选择的吸附离子而带电。
根据Fajans规则,胶粒优先吸附组成与结构相同或相近的离子而使本身带电。另一 种原因是胶体粒子表面的物质,在溶液中发生电离后使胶体粒子带电。因此固态 AgCl多孔塞有许多毛细管,毛细管的内表面上有选择吸附NaCl水溶液中的CI-1离子, 使毛细管内表面带负电荷,Na+呈扩散状态分布在分散介质中,即溶液带正电荷。因 此,通入电流后,在外电场的作用下,水化的Na+向负极移动,毛细管液面上升。 (2) 随NaCl浓度增大时,根据吸附及扩散双电层理论,进入紧密层的反离子(此处是Na+) 增多,使Stern层的电势的绝对值变小。同时,由于较多的电位离子(此处是Cl-1)留 在分散介质中,压缩在扩散层使其变薄。ζ 电势在数值上变小,由于电渗的速率与ζ
X =1.44×10-5m
4、20℃时采用电泳法测得Fe(OH)3水溶液中两极的电位差为 150 伏,电极间距离为 30cm,10 分钟胶粒移动 12mm,已知水的相对电容率 εr =81,粘度 0.001Pa·s,求Fe(OH)3胶粒的ζ 电势。 解题思路:通过本题理解胶体粒子迁移速率与哪能些因素有关。其次采用两种不同电学单位制解题, 使读者了解到电学单位制不同,对应的公式形式也不同,这样做便于比较。更主要的目的在于提供 阅读旧版专业书刊时的参考 解:(1)SI
并说明原因? 解题思路:本题(1)和(3)问意在熟悉有关胶体粒子带电的Fajans—Pancth吸附规则, 多孔塞可视为交联的胶粒。因此AgCl多孔塞优先吸附Cl-1(1)或Ag+(3),因此带相反电荷的离 子存在于分散介质中,从而使溶液呈正(1)或负(3)电性,于是电渗方向自然容易判别,由
4 太原理工大学物理化学
0.2cm3/s, Λ m =139.9×10-4·m2·mol-1,η =0.001Pa·S,溶液的相对电容率 ε r = 80, 通电电流 0.56 安培,求ζ 。已知真空电容率 ε 0 =8.85×10-12F·m-1.
解题思路:本题是电解质溶液电导率与ζ 电位相关联的例题。
两个基本公式是
u=
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