溶胶制备纯化及性质实验报告

溶胶的制备、纯化及稳定性研究——时间的影响和用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，都是常见的问。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。Fe(OH)3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理化学实验中，并且是高中化学中的一个重要实验。但是采用电泳方法测定溶胶的电动电势（ζ）却是始终是一个难点，因为溶胶的电泳受诸多因素影响如：溶胶中胶粒形状、表面电荷数量、溶剂中电解质的种类、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1.实验原理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。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电位可依如下电泳计算得到：式中K为与胶粒形状有关的常数（球形为?1010V2S2kg-1m-1，棒形粒子为?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。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。2.实验本实验是个综合性试验，涉及Fe(OH)3铁胶体的制备及纯化处理以及对氢氧化铁胶体性质的探讨。实验思路如下：⑴水解法制备Fe(OH)3溶胶，将一定浓度的FeCl3溶液逐滴缴入沸水中，不断搅拌，得到Fe(OH)3的过饱和溶液，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的因素及实验条件，我们选择了探讨其四方面因素的影响。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不同的辅助液测定ξ电位。⑶测定不同价态电解质对Fe(OH)3溶胶的聚沉值，探讨不同价数离子的聚沉值，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%FeCl3溶液，3mol?L-1HCl溶液，稀KCl、NaCl溶液，质量分数1%的AgNO3及KCNS溶液，mol?L-1KCl、mol?L-1K2SO4及mol?L-1K3Fe(CN)6溶液，mol?L-1KCl、mol?L-1K2SO4及mol?L-1K3Fe(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%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a)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。b)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a）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。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。c）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。d）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，6mine）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1/4f）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，第一步粗测定近似聚沉值Cˊ，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10mol·L-1K2SO4，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1mLK2SO4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1mLK2SO4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。摇匀，静置15min，求出近似聚沉值Cˊb）制备浓度Cˊ的K2SO4溶液50ml。由原·L-1K2SO4稀释而得，根据C1V1=CˊVˊ可求得V1的mL数。准确量取mol·L-1K2SO4溶液V1mL至50mL的容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀即得浓度为Cˊ的溶液。c）在1)的1－5号试管中，保留具有近似聚沉值Cˊ浓度的试管，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支管的排列。在Ⅱ－Ⅴ号试管中分别加入8、6、4、2mL的浓度为Cˊ的K2SO4溶液，再向上述各管中加入1、3、5、7mL蒸馏水，摇匀后各加入1mLFe(OH)3溶胶，摇匀后静置15min，找出最后一支有沉淀的管子，用这支管子中的K2SO4的浓度Cn和相邻未沉淀的管子K2SO4浓度Cn+1求出平均值，即得所求的准确聚沉值C，即C=1/2(Cn+Cn+1)。把所观察的现象和计算结果列入表中。用上述完全相同的手续，测定KCl及K3Fe(CN)6对Fe(OH)3溶胶的聚沉值。(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） 已知条件：胶体电导：164μs/cmKCl电导：164μs/cm两极间的距离：cm计算公式：，K=×1010V2S2kg-1m-1，=×10-3(T=31.4℃)=×（T-293）=80－×（）= 电压/V 实验次数 位置读数之差/cm 时间/s ξ电位/V ξ电位平均值/V 98 第一次 第二次 138 153 第一次 第二次 202 第一次 第二次 第二组实验数据如下：（孙佳敏，李育仪，沈娅） 已知条件：胶体电导：μs/cmKCl电导：μs/cm两极间的距离：计算公式：，K=×1010V2S2kg-1m-1，=×10-3(T=℃)=（T-293）=80－×（-293）= 电压/V 实验次数 溶胶起始位置读数/cm 溶胶终点位置读数/cm 位置读数之差/cm 时间/s ξ电位/V ξ电位平均值/V 101 第一次 第二次 148 第一次 第二次 125 195 第一次 第二次 94 【】由以上实验数据可知，在其它条件一样的前提下，不同电压下测得的电位值相差不大，说明电压高低对ζ电位影响不大。不同的小组测得的实验数据中，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的误差。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） 已知条件：胶体电导：159μs/cmKCl电导：159μs/cm两极间的距离：cm计算公式：，K=×1010V2S2kg-1m-1，=×10-3(T=℃)=（T-293）=80－×（-293）= 时间/s 实验次数 电源电压/V 溶胶起始位置读数/cm 溶胶终点位置读数/cm 位置读数之差/cm ξ电位/V ξ电位平均值/V 120 第一次 150V 第二次 150V 240 第一次 150V 第二次 150V 360 第一次 150V 第二次 145V 【分析】由表可知，平行实验中，一定时间和一定电压下，界面移动的距离有点差异，实验过程的控制有待进一步提高。由以上实验数据可知，在其它条件一样的前提下，不同时间下测得的电位值相差不大，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) 已知条件：当浓度为1:1时，胶体电导：μs/cmKCl电导：μs/cm当浓度为1:2时，胶体电导：μs/cmHCl电导：μs/cm当浓度为1:4时，胶体电导：μs/cmHCl电导：μs/cm两极间的距离：计算公式：，K=×1010V2S2kg-1m-1，=×10-3(T=℃)=（T-293）=80－×（-293）= 浓度 实验次数 电源电压/V 位置读数之差/cm 时间/s ξ电位/mV ξ电位平均值/V 1：1 第一次 150 142 第二次 150 145 1：2 第一次 150 117 第二次 150 115 1：4 第一次 150 182 第二次 150 185 【分析】由表可知，平行实验中，同一浓度下，界面移动的距离相同时，所需时间非常接近，实验数据比较可靠。由所求得的实验数据可知，在其它条件一样的前提下，不同溶胶浓度下测得的电位值相差很大。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的体现这个规律，这说明了本次实验操作存在一定的误差。（4）辅助液pH值（汤俊杰，钟伟潮）a.实验记录 已知条件：胶体电导：μs/cmHCl电导：μs/cmNaCl电导：μs/cmKCl电导：μs/cm两极间的距离：计算公式：，K=×1010V2S2kg-1m-1，=×10-3(T=℃)=（T-293）=80－×（-293）= 辅助液 PH 实验次数 迁移时间/s 电源电压/V 位置读数之差/cm ξ电位/mV ξ电位平均值/V HCl 第一次 100 第二次 NaCl 第一次 100 第二次 KCl 第一次 100 第二次 【分析】由所求得的实验数据可知，在其它条件一样的前提下，使用HCl为辅助液所算得的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溶胶聚沉值的测定(1)KCl作为聚沉剂（钟淑清，彭思瑜，梁泳欣） 编号（粗测） 1 2 3 4 5 对照 KCl浓度/(mol/L) 0 是否聚沉 是 是 否 否 否 否结果：粗测是2号试管，聚沉浓度为L 编号（精测） I II III IV V 对照 KCl浓度/(mol/L) 0 是否聚沉 是 是 是 否 是IV号管有沉淀，准确聚沉值C=1/2(Cn+Cn+1)=1/2（CV+C4）=1/2（mol?L-1+?L-1）=mol?L-1(2)K2SO4作为聚沉剂(黄慕芝，陈金裕，佘楚旋) 编号（粗测） 1 2 3 4 5 对照 K2SO4浓度/(mol/L) 是否聚沉 有 有 有 否 否 否结果：粗测是3号试管，聚沉浓度为mol/L 编号（精测） I II III IV V 对照 K2SO4浓度/(mol/L) 是否聚沉 有 有 有 否 否结果：粗测是IV试管，聚沉浓度为mol/L所以准确聚沉C=1/2(Cn+Cn+1)=1/2(+)=mol/L(3)K3Fe(CN)6作为聚沉剂（沈娅，李育仪，孙佳敏） 编号（粗测） 1 2 3 4 5 对照 K3Fe(CN)6浓度/(mol/L) 是否聚沉 是 是 是 否 否 否结果：粗测是3号试管，聚沉浓度为1×mol/L 编号（精测） I II III IV V 对照 K3Fe(CN)6浓度/(mol/L) 8× 6× 4× 2× 是否聚沉 是 是 是 否 否结果：粗测是III试管，聚沉浓度为4×mol/L所以准确聚沉C=1/2(Cn+Cn+1)=1/2(4×+2×)=3×mol/L综合⑴⑵⑶，可知聚沉值KCl:K2SO4:K3Fe（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的电解质的最低浓度。聚沉值越大，电解质对溶胶的聚沉能力越小。而聚沉值的大小与电解质中与溶胶所带电荷符号相反的离子价态有关。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。K3Fe(CN)6溶液和K2SO4溶液中的有高价的负离子Fe(CN)6-3和SO4-2，它们存在时Fe(OH)3溶胶的聚沉值均很小（反号高价离子聚沉效率越高，聚沉值越小）；而只有低价离子的KCl溶液对Fe(OH)3溶胶的聚沉值相对来说是很大的（阳离子同为钾离子，而阴离子为低价的氯离子）。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，没有出现大的差错。四.结论（一）结论1、通过探讨不同实验条件对ζ电位的影响，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。2、由不同价态阴离子对聚沉值的影响，可此判断Fe(OH)3胶粒带正电，而且价数越大的离子越容易使Fe(OH)3溶胶发生聚沉。（二）讨论（1）在以K2SO4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，而第一次实验所有的试管都有沉淀，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的PH及流动状况可能会存在一定的不同。②制备Fe(OH)3溶胶时发现不同小组制得的溶胶颜色深浅不大一致，可能是Fe3+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FeCl3溶液，并不断搅拌，否则，得到的胶体颗粒太大，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的是：a)刚制备好的半透膜应装满水溶出其中剩余的乙醚，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)制成的半透膜袋如有小漏洞，只需拭干有洞的部分，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的去离子水。（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)两铂电极的距离是指U型管溶液导电的距离，不是水平距离。量取两电极的距离时，要沿电泳管的中心线量取，电极间距离的测量须尽量精确。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