溶胶的制备纯化及性质Word下载.docx
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测定ζ电位，对研究胶体系统的稳定性具有很大的意义，溶胶的聚集稳定性与胶体的ζ电位大小有关。
对一般溶胶，ζ电位愈小，溶胶的聚集稳定性愈差，当ζ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ζ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ζ电位，但用电泳法测定更方便。
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，胶体向正极或负极（视胶粒荷正电或负电而定）移动的现象成为电泳。
同一胶粒在同一电场中的移动速度由ζ电位的大小决定，所以电位也称为电动电位。
影响电泳因素：
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，PH，温度及所加的电压等。
电泳法可分为两类，即，宏观法和微观法。
宏观法原理是观察与另一种不含胶粒的导电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，不易观察单个粒子的运动，只能采用宏观法。
对于颜色太浅活着浓度过稀的溶胶，则该采用微观法。
本次实验采用宏观法。
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。
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
（1）溶胶的制备：
用FeCl3溶液与蒸馏水在煮沸的条件下制备Fe（OH）3溶胶。
（2）溶胶的纯化：
利用半透膜对离子的选择性，使Fe（OH）3溶胶与水进行渗析纯化。
（3）电泳实验：
用电泳测定管测定Fe（OH）3溶胶的电动电位，探讨不同电泳时间（2min、4min、6min）、外加电压（100V、150V、200V）、溶胶浓度及不同辅助液（K2SO4、K3Fe（CN）6、KCl）对于电动电位的影响。
（4）聚沉值的测定：
测定不同电解质对Fe（OH）3溶胶的聚沉值的影响。
3、仪器试剂
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，3molL-1HCl溶液，稀、KCl、NaCl溶液，质量分数1%的AgNO3及KCNS溶液，2.5molL-1KCl、0.1molL-1K2SO4及0.01molL-1K3Fe（CN）6溶液，0.5molL-1KCl、0.01molL-1K2SO4及0.001molL-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60-70C，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。
（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。
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，6min
e）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
f）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
取5支试管加以标号，在第一支试管中量取10mL浓度为2.5molL-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。
同样的方法进行0.1molL-1K2SO4和0.01molL-1K3Fe（CN）6溶液的试验，求出不同价数离子聚沉值之比。
（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.测定Fe（OH）3溶胶的ζ电位
a.在不同的外加电压下测定ζ电位（我组数据为例）
实验温度：
22.5℃（295.5K）辅助液：
KCl
表1不同外加电压对ζ电位的影响
电压/V
100
150
200
实验次数
第一次
第二次
时间/s
223
220
96
133
164
171
电极间距离/cm
22
21.6
21.5
22.3
ζ电位/V
0.068
0.067
0.104
0.075
0.045
根据公式
进行计算。
其中K=3.6×
1010V2S2kg-1m-1，
η=9.57×
10-4Pa·
s，ε=80-0.4×
（T-293）=80-0.4×
（295.5-293）=79
液面移动距离S=0.5cm
根据上表可知，随着电压的不断增大，ζ电位先增大再减小。
b.在不同的电泳时间内测定ζ电位（以梁思捷组数据为例）
22.5℃电压：
151V两电极间距离：
14.5cm辅助液：
表2不同电泳时间对ζ电位的影响
第一次实验
120
240
360
液面高/cm
14.4
14.3
14.0
13.65
/
0.011
0.022
0.027
第二次实验
13.2
13.0
12.75
12.45
0.024
1010V2S2kg-1m-1，
从实验数据可以看出，随着电泳时间的增加，界面移动的位移呈现增加的趋势，电动电位逐渐增大。
c.改变辅助液的pH值测定电动电位（以姚道东组数据为例）
22.5℃电极间距离：
23.5cm外加电压：
150V电泳时间：
240s
表3辅助液pH值对ζ电位的影响
辅助液
HCl
KCl
NaCl
pH
3.58
4.82
5.35
s平均/cm
2.5
0.9
0.7
ζ/V
0.22
0.080
0.062
从实验数据可以看出，随着辅助液pH值的增大，氢氧化铁溶胶的ζ电位逐渐减小。
d.改变溶胶的浓度测定ζ电位，探讨不同溶胶浓度的影响
辅助液：
KCl电极间距离：
21.5cm外加电压：
表4溶胶溶度对ζ电位的影响
溶胶浓度
原浓度
原浓度的1/2
原浓度的1/4
0.5
0.3
0.4
0.044
0.036
从实验数据可以看出，随着溶胶浓度的减小，其ζ电位呈现先减小后增大的趋势。
2.不同电解质对氢氧化铁溶胶的聚沉值的影响
a.KCl为聚沉剂（本组数据为例）
编号（粗测）
1
2
3
4
5
对照
KCl浓度/（mol/L）
2.5
2.5×
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
是否聚沉
是
否
结果：
2号为最后一支沉淀，故近似浓度c'
=0.25mol/L
编号（精确）
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
准确聚沉值C=1/2（Cn+Cn+1）＝（0.10+0.05）÷
2＝0.075mol/L
b.K2SO4为聚沉剂
K2SO4浓度/（mol/L）
0.1
10-6
=10-3mol/L
8×
6×
4×
2×
准确聚沉值C=1/2（Cn+Cn+1）＝（4×
10-4+2×
10-4）÷
2＝3×
10-4mol/L
c.K3[Fe（CN）6]作为聚沉剂
K3[Fe（CN）6]浓度/（mol/L）
0.01
10-7
准确聚沉值C＝2×
10-5mol/L
表5不同电解质对胶体聚沉值的影响
电解质
沉降值（mmol/L）
75
0.02
从实验数据中可得，聚沉值：
K3Fe（CN）6＜K2SO4＜KCl.
四、结论
1、本实验中随着电压的不断增大，ζ电位先增大再减小。
查阅资料可知，理论上说，在一定外加电压范围内，ζ电势随外加电压的增大先减小后增大，当外加电压增大至一定值后，可能发生电解，溶胶也随之产生微弱的凝聚现象，ζ电势又复下降。
随后，由于产生ζ电势较高的其他物质，在200V时ζ电势再次升高。
而本次实验中测得三组实验数据恰与理论值相反（其中一组数据与其他两组相差较大，但变化趋势相同，在本次实验报告中已舍去），这可能与溶胶的热稳定性有关。
当外加电压越大，溶胶稳定性的稳定性越差。
在外加电场很大时，布朗运动不足以克服重力作用的影响，粒子会沉降。
2、随着电泳时间的增加，界面移动的位移呈现增加的趋势，电动电位逐渐增大。
说明电泳时间的长短对于ζ电位是有影响的，故在其他实验中应注意控制电泳时间。
3、随着辅助液pH值的增大，氢氧化铁溶胶的ζ电位逐渐减小。
其中ζ电位随着pH增大减小是因为，H+的迁移数大于K+、Na+,而氢氧化铁胶粒带正电，在同等电压下，溶胶氢氧化铁吸附H+比吸附其他两者移动的速率大，从而导致ζ电位增大。
4、随着溶胶浓度的减小，其ζ电位呈现先减小后增大的趋势。
由于实验数据较少，不能得出科学的结论。
查阅相关文献，可知在稀浓度的范围内，随着溶胶浓度的减小，其ζ电位应该是随着减小的。
若浓度过大，则胶粒可能合并从而形成大粒的胶体，导致ζ电位下降。
5、向溶液中加入电解质，由于增加了胶体中离子的总浓度，从而使带电荷的胶体粒子吸引带相反电荷离子，减少或中和了原来胶粒所带电荷，使它们失去了保持稳定的因素。
此时由于粒子的布朗运动，在相互碰撞时，便会聚集起来，迅速沉降。
聚沉值主要取决于胶粒带相反电荷的离子所带的电荷数，电荷数越大，凝聚力越大，即聚沉值越小。
6、从实验数据可得出结论：
Fe（OH）3溶胶带正电荷。
因为所用三种电解质的阳离子都是
，而影响聚沉值的主要因素便是反号离子的价数、大小。
由于三种离子的阴离子分别为
、
，其价态依次增大，故理论上可推测聚沉值应该是依次减小的，而实验数据也证明了这一推测，所得出的聚沉值K3Fe（CN）6＜K2SO4＜KCl
参考文献
[1]何广平南俊民等物理化学实验.北京：
化学工业出版社，2008
[2]付献彩、沈文霞、姚天扬，《物理化学》，第四版，下册
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