溶胶的制备纯化及稳定性研究.docx
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溶胶的制备纯化及稳定性研究
华南师范大学实验报告
学生姓名学号
专业化学教育年级、班级
课程名称物理化学实验合作者
实验类型□验证□设计□综合实验时间2013年4月11日
室温20.5℃大气压1024.3HPa
实验指导老师实验评分
溶胶的制备、纯化及稳定性研究
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。
氢氧化铁胶体因其制备简单、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
2.1了解制备胶体的不同方法，学会制备Fe（OH）3溶胶；
2.2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；
2.3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；
2.4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基本原理
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电位可依如下电泳公式计算得到：
式中K为与胶粒形状有关的常数（球形为5.41010V2S2kg-1m-1，棒形粒子为3.61010V2S2kg-1m-1，
为分散介质的粘度（Pas），
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。
2实验方案设计
本实验是个综合性实验，主要分为三部分进行，每部分的实验思路如下：
2.1Fe（OH）3溶胶的制备
溶胶的制备方法有分散法和水解法。
本实验选择水解法，即将一定浓度的FeCl3溶液逐滴加入沸水中，不断搅拌，得到Fe（OH）3的过饱和溶液，并使之相互结合形成溶胶，再将其纯化即可进行其性质实验。
2.2探讨影响溶胶电泳实验的因素
实验前先配制辅助液，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。
2.3测Fe（OH）3溶胶得聚沉值
测定不同价态电解质对氢氧化铁溶胶的聚沉值，探讨不同价数离子的聚沉值，以及判断氢氧化铁胶粒是否是正电性。
3实验仪器与试剂
3.1仪器
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
3.2试剂
10%FeCl3溶液3molL-1HCl溶液稀KCl、NaCl溶液
质量分数1%的AgNO3及KCNS溶液2.5molL-1Kcl0.1molL-1K2SO40.01molL-1K3Fe（CN）6溶液0.5molL-1Kcl0.01molL-1K2SO40.001molL-1K3Fe（CN）6溶液火棉胶蒸馏水
4实验步骤
4.1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-。
4.2Fe（OH）3溶胶的纯化
①制备半透膜
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60-70C，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。
4.3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3molL-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1所示。
图1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在不同的电泳时间内测定ζ电位，探讨不同电泳时间的影响，所测电泳时间分别为2min，4min，6min。
4.4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。
①取试管6支，编号为1，2，3，4，5和对照，在1号试管注入10mL0.01mol·L-1K3Fe（CN）6，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。
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0.01mol·L-1K3Fe（CN）6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。
③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K3Fe（CN）6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KCl的浓度Cn和相邻未沉淀的管子K3Fe（CN）6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。
4.5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
1数据记录
1.1电泳实验相关数据记录
实验中测得Fe（OH）3溶胶的电导率是17.36，辅助液的电导率是17.39。
表1不同外加电压下Fe（OH）3溶胶的ζ电位
外加电压/V
98
151
201
时间/s（第一次测定）
102
56.7
34.2
时间/s（第二次测定）
103.5
60.1
40.3
平均值/s
102.8
58.4
37.2
注：
电极距离L=24.2cm，S=0.5cm。
表2不同电泳时间内Fe（OH）3溶胶的ζ电位
时间间隔/min
2
4
6
界面移动距离/cm（第一次测定）
0.7
1.0
1.8
界面移动距离/cm（第二次测定）
0.6
0.9
1.6
注：
电极距离L1=25.0cm，L2=24.8cm，外加电压V=150V。
表3不同浓度下Fe（OH）3溶胶的ζ电位
溶胶浓度
原浓度
原浓度的1/2
原浓度的1/3
时间/s（第一次测定）
118
154
133
时间/s（第二次测定）
97
155
153
平均值/s
107.5
154.5
143
注：
电极距离L=20.5cm，外加电压V=146V，S=0.5cm。
表4不同辅助液下Fe（OH）3溶胶的ζ电位
辅助液
HCl
KCl
NaCl
pH
4.15
5.31
5.40
时间/s（第一次测定）
89
140
152
时间/s（第二次测定）
96
136
150
平均值/s
92.5
138
151
注：
电极距离L=22.0cm，外加电压E=145V，S=0.5cm。
1.2Fe（OH）3溶胶聚沉值的测定相关数据记录
表5不同电解质下Fe（OH）3溶胶的聚沉值
电解质
2.5mol·L-1KCl
0.1mol·L-1K2SO4
0.01mol·L-1K3Fe（CN）6
聚沉值/mol·L-1
近似
0.25
1.0×10-4
1.0×10-4
CN
0.15
8.0×10-3
4.0×10-3
CN+1
0.10
6.0×10-3
2.0×10-3
准确
0.125
7.0×10-3
3.0×10-3
比值125：
7：
3≈31.2：
1.75：
0.75
2数据处理
2.1外加电压对Fe（OH）3溶胶ζ电位的影响
根据公式
，将Fe（OH）3溶胶按棒形粒子处理，则K=3.61010V2S2kg-1m-1，当天气温为20.5℃，通过查找文献，可近似取20℃时的η值，即1.005×10-3Pa.s。
而对介质水，ε=80-0.4×（T-293），T=293.5K，
则ε=80-0.4×（293.5-293）=79.8
将η=1.005×10-3Pa.s，ε=79.8，K=3.61010V2S2kg-1m-1代入公式
，
可算
根据公式
（1）及表1的数据可得，L=24.2cm，S=0.5cm，
当E=98V，t=102.8s时,得ζ=0.171V；
当E=151V，t=58.4时，得ζ=0.195V；
当E=201V时，t=37.2s时，得ζ=0.230V。
2.2电泳时间对Fe（OH）3溶胶ζ电位的影响
根据公式
（1）及表2的数据可得，V=150V，
当t=2min=120s时，由S=0.7cm=0.007m，L1=25cm，得ζ=0.138V；
由S=0.6cm=0.006m，L2=24.8cm，得ζ=0.117V；
取其平均值，即ζ=1.28V；
当t=4min=240s时，由S=1.0cm=0.01m，L1=25cm，得ζ=0.0989V；
由S=0.9cm=0.009m，L1=24.8cm，得ζ=0.0883V；
取其平均值，即ζ=0.936V；
当t=6min=360s时，由S=1.8cm=0.018m，L1=25cm，得ζ=0.119V；
由S=1.6cm=0.016m，L1=24.8cm，得ζ=0.105V；
取其平均值，即ζ=1.12V；
2.3浓度对Fe（OH）3溶胶ζ电位的影响
根据公式
（1）及表3的数据可得，L=20.5cm，V=146V，S=0.5cm，
对于原浓度，t=107.5s，则ζ=0.0930V；
对于1/2原浓度，t=154.5s，则ζ=0.0647V；
对于1/4原浓度，t=143s，则ζ=0.0670V。
2.4辅助液对Fe（OH）3溶胶ζ电位的影响
根据公式
（1）及表4的数据可得，L=22.0cm，E=145V，S=0.5cm，
辅助液为HCl时，t=92.5s，则ζ=0.117V；
辅助液为KCl时，t=138s，则ζ=0.0783V；
辅助液为NaCl时，t=151s，则ζ=0.0715V。
2讨论
2.1电泳实验结果的分析讨论
在电泳实验中，我们主要探究了外加电压、电泳时间、浓度及辅助液这四个因素对Fe（OH）3溶胶的ζ电位的影响，每一个实验都平行测定两次再取其平均值，从以上的数据记录可以看出相同的实验两次测定结果都存在一定的差距，说明实验过程中还是存在一定的误差的，这对之后的数据处理自然也会产生一定的影响，从数据处理的结果可以发现：
①当其他实验条件一样时，Fe（OH）3溶胶的ζ电位随外加电压的增大而略有所增大，但经查阅文献发现，电压高低对ζ电位是没有太大的影响的，实验结果出现偏差可能是因为在观察溶胶界面移动0.5cm时并不能确切地保证每次都刚好移动0.5cm,且对记录时间也会存在一定的误差；
②当其他实验条件一样时，理论上来说电泳时间长短对ζ电位没有太大的影响，本次实验中在不同时间内测得的电位值还是存在一定的偏差的，这可能是由于在进行第二次测定时，由于电极伸入溶液的长度太长了，故用橡胶圈把电极垫高，在此过程中稍微震荡了溶胶，从而引起测量误差；
③当其他实验条件一样时，不同溶胶浓度下测得的电位值相差很大。
一般来说，溶胶浓度增加，粒子碰撞机会增多，溶胶不稳定性就增大，所以在一定范围内，胶体浓度越大，ζ电位越大。
本实验的数据中原浓度与1/2原浓度的ζ电位相差较大，但1/2原浓度与1/4原浓度的则相差不大，这可能是稀释溶液时存在较大误差引起的；
④当其他实验条件一样时，使用HCl为辅助液，所算得的ζ电位与另外两种辅助液相差很大。
而NaCl与KCl的ζ电位比较小但相差不大。
说明辅助液及其pH对ζ电位有很大影响。
2.2聚沉值测定结果的分析讨论
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，说明是因为电解质的阴离子的作用，所以表明Fe（OH）3溶胶胶粒为正电性，且从实验数据可知价数越大的离子越容易使Fe（OH）3溶胶发生聚沉。
根据舒尔采-哈迪规则（一价）：
（二价）：
（三价）=（25∼150）：
（0.5∼2）：
（0.01∼0.1），显然实验数据KCl和K2SO4聚沉值在范围之中，而K3Fe（CN）6有点偏离，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
本次实验是溶胶的制备、纯化及稳定性研究的综合与设计性实验。
首先是Fe（OH）3溶胶的制备，制备时注意一定要向沸水中缓慢地逐滴滴入FeCl3溶液，并不断搅拌，否则，将得到颗粒较大的溶胶，这样的胶体的稳定性比较差。
对于半透膜的制备，应该将刚制备好的半透膜装满水溶出其中剩余的乙醚，装水不宜太早，否则会导致乙醚未蒸发完，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。
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。
而电泳实验需要探究的实验因素比较多，由于时间有限，我们采用分组实验进行探究不同的因素对Fe（OH）3溶胶ζ电位的影响。
在进行不同的实验探究时，均需注意电泳测定管须洗净并干燥，以免残余水珠及其它离子干扰，装溶胶时要排尽气泡，记录时间或界面移动距离要迅速等；
在进行Fe（OH）3溶胶聚沉值的测定时，要特别注意配制溶液浓度的准确性，另外聚沉还易受其它因素影响，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。
这些都会导致实验结果出现偏差。
本实验结果表明Fe（OH）3溶胶胶粒为正电性，且价数越大的离子越容易使Fe（OH）3溶胶发生聚沉。
参考文献
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