溶胶的制备.纯化及稳定性研究

物理化学综合性实验报告

溶胶的制备、纯化及稳定性研究

姓名： 学号： 专业：化学教育 班级：

室温：23.5℃ 大气压：1013.5HPa 合作者： 实验日期：2013年5月2日 指导老师：李国良 实验分数：

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，氢氧化铁溶胶的制备在工业上十分重要。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、带有颜色和稳定性较好等特点被广泛应用于大学物理化学实验中，也是高中化学实验中一个重要的实验。用凝聚法制备氢氧化铁溶胶是以FeCl 3为原料，比较简单，适合实验中操作，而结果表明这种方法效果较好。本实验首先根据化学反应法制备F e (O H ) 3溶胶的制备、纯化、电泳实验和测定不同电解质对F e (O H ) 3溶胶的聚沉值等四个方面对F e (O H ) 3溶胶的性质进行深入的研究。

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、

基本原理

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。 （1）溶胶的制备

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。 （2）溶胶的电动电势研究

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ξ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：

ζ=

式中:

K πη

ε

⋅

S /t

E /L

K 为与胶粒形状有关的常数（球形为5.4⨯1010 V 2 S 2 kg -1 m -1，棒形粒子为3.6⨯1010 V 2 S 2 kg -1

m -1），

， η为分散介质的粘度（Pa ⋅s ）

ε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。

（3）溶胶聚沉值的测定

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

用10% FeCl3溶液通过水解法制备Fe(OH)3溶胶，利用火棉胶溶液自制半透膜，将溶胶置于半透膜袋内，用线拴住袋口，置于装有足量水的烧杯中进行纯化。

⑴通过测定电动电位值ζ，研究以下不同条件对溶胶稳定性的影响： ①在不同的电压下测定ζ电位，探讨不同电压的影响 电压大小：100V 、150V 、200V

②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 电泳时间：2min ，4min ，6min

③改变溶胶的浓度为测定ζ电位，探讨不同溶胶浓度的影响 溶胶浓度：原浓度，原浓度的1/2，原浓度的1/4 ④改变辅助液的PH 值测定ζ电位，探讨不同辅助液的影响 HCl 、KCl 、NaCl 的水溶液作辅助液

⑵通过测定溶胶聚沉值，研究不同电解质溶液的不同浓度对溶胶稳定性的影响：

电解质溶液选用2.5mol/L KCl、0.1 mol/L K2SO 4、0.01 mol/L K3Fe(CN)6由原溶液以1/10的倍数依次稀释成c 0、0.1 c0、0.01 c0、0.001 c0、0.0001 c0从而找出浓度c x ，从而算出近似聚沉值C ’，进而继续实验，配制浓度分别为c x 、0.80c x 、0.6c x 、0.4c x 、0.2c x 得出准确聚沉值C 。

3、 仪器试剂

（1）实验仪器

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。 （2）实验试剂

10%FeCl3溶液，3 mol ⋅L -1 HCl 溶液，稀、KCl 、NaCl 溶液，质量分数1%的AgNO 3及KCNS 溶液，2.5 mol⋅L -1 KCl 、0.1 mol⋅L -1 K 2SO 4溶液及0.01 mol⋅L -1 K 3Fe(CN)6溶液，0.5 mol⋅L -1 KCl 、0.01 mol⋅L -1 K 2SO 4及0.001 mol⋅L -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溶胶的纯化

①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。

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60-70︒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Fe 3+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

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。

②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。

③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。 ④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

⑤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 ⑥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，第一步测定近似聚沉值C ˊ，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10 mL2.5 mol·L -1 KCl

，

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 KCl 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 KCl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C ˊ。

摇匀，静置15min ，求出近似聚沉值C ˊ

②制备浓度C ˊ的KCl 溶液50ml 。由原2.5mol ·L -1 KCl稀释而得，根据C 1V 1= CˊV ˊ可求得V 1的mL 数。准确量取2.5 mol·L -1 KCl溶液V 1 mL至50 mL的容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀即得浓度为C ˊ的溶液。

③在（1）的1－5号试管中，保留具有近似聚沉值C ˊ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、2 mL 的浓度为C ˊ的KCl 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的管子，用这支管子中的KCl 的浓度Cn 和相邻未沉淀的管子KCl 浓度C n+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0.1M K 2SO 4及0.01M K 3Fe(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

（一）实验数据记录与处理

1、

外加电压对溶胶稳定性的影响

2、

电泳时间对溶胶稳定性的影响

3、

溶胶浓度对溶胶稳定性的影响

4、

辅助液的pH 值对溶胶浓度的影响

胶体电导：165.8μs/cm；HCl 电导：164.5μs/cm；NaCl 电导：164.6μs/cm；KCl 电导：165.8μs/cm；

两极间的距离：21.60cm

5、

电解质溶液对溶胶浓度的影响

① 2.5 mol/L KCl作为聚沉剂

结果：2号试管为最后一支沉淀，故近似浓度c'=0.25mol/L 结果：Ⅳ试管为最后一支出现沉淀，准确聚沉值C=1/2（C n +Cn+1）＝（0.05+0.10）/2 ＝0.75 mol/L

② 0.1 mol/L K2SO 4作为聚沉剂

结果：3号试管为最后一支沉淀，故近似浓度c'=0.001mol/L

结果：Ⅳ试管为最后一支出现沉淀，准确聚沉值C=1/2（C n +Cn+1）＝（0.0004+0.0002）/2

＝0.0003 mol/L

结果：3号试管为最后一支沉淀，故近似浓度c'=0.0001mol/L

结果：Ⅳ试管为最后一支出现沉淀，准确聚沉值C=1/2（C n +Cn+1）＝（0.00004+0.00002）/2 ＝0.00003 mol/L

（二）实验结果的分析与讨论

本实验通过水解法制备Fe(OH)3溶胶，通过FeCl 3与水进行复分解反应使生成物呈过饱和状态，难溶物分散在分散介质中呈现溶胶状态，粒子由很大数目分子构成，这种系统具有很大的相界面，很高的表面Gibbs 自由能，很不稳定，极易被破坏而聚沉，聚沉之后不能恢复原态。在制备完成将溶胶置于装有蒸馏水的大烧杯中进行一周时间的充分渗析，保证得到纯化了的Fe(OH)3溶胶。

实验还通过改变外部因素研究对溶胶稳定性的影响，分别为以下几个方面：

(1)外加电压对溶胶稳定性的影响

通过比较不同外加电压下溶胶界面移动0.5cm 所用的时间可知，外加电压越大，移动时间越短，ξ电位越大，溶胶的稳定性越差。查阅资料可得，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)电泳时间对溶胶稳定性的影响

通过比较不同的电泳时间下溶胶界面移动的距离大小可知，ξ电位在不同的电泳时间下差别不大，得出电泳时间对溶胶稳定性影响不大。

憎液溶胶属热力学不稳定体系，有集结长大以至于聚沉的趋势。但在短时间内甚至在相当长时间内（对某些特殊的溶胶如金溶胶），憎液溶胶却能稳定存在。

(3)溶胶浓度对溶胶稳定性的影响

通过比较不同溶胶浓度下界面移动0.5cm 所用时间可知，浓度对溶胶的稳定性影响较大，浓度越大，溶胶的稳定性越差。溶胶的浓度越低，胶凝时间越长，稳定性越好。随着浓度的增大，稳定性急剧下降。低浓度的溶胶由于胶粒间距很大，粒子间相互作用小，因此可以在较长时间内稳定存在；当浓度增加时，单位体积内胶粒数量相应增多，由布朗运动导致胶粒之间相互碰撞的几率增加，稳定性下降。

(4) 辅助液的pH 值对溶胶浓度的影响

通过比较在不同pH 值的辅助液中界面移动0.5cm 所用时间可知，辅助溶液对溶胶的稳定性有一定的影响。pH 值越小，ξ电位越大，溶胶的稳定性越差。KCl 、NaCl 作辅助液比HCl 作辅助液时，溶胶的稳定性更大，而KCl 和NaCl 作辅助液时溶胶的稳定性差别不大。

造成这种现象的主要原因是K +和Cl -、Na +和Cl -的迁移速率基本相同，而H +与Cl -的迁移速率不等，从而影响了溶胶的稳定性。

(5)电解质溶液对溶胶稳定性的影响

通过比较不同电解质溶液溶胶聚沉值可知，在不同的电解质溶液中溶胶发生聚沉的情况不同，即聚沉值不同。胶体粒子带有电荷时，由双电层模型知道其周围是离子氛。当粒子相互靠近，离子氛发生重叠，因静电斥力而阻止粒子的聚集，使其具有一定的聚集稳定性。而当向溶胶中加入无机电解质时，因能压缩扩散双电层厚度，降低了 电势，使粒子间静电斥力减小，从而使溶胶失去聚集稳定性而发生聚沉作用。聚沉值越小，所以该电解质的聚沉作用越强，聚沉能力越大。

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，即100：1.6：0.14。实验所得的聚沉值之比为25000:10:1，与理论值相比存在一定的误差。而造成误差的原因可能是：一为实验的时间不够长，而忽略了有沉淀生成的现象；二为配制的浓度距离不够小，不能更加精确。

四、 结论

利用化学凝聚法制备Fe(OH)3胶体，通过电泳法测定胶体电动电势研究不同外加电压、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。

得出结论：

(1)当外加电压越大，溶胶稳定性的稳定性越差；

(2)电泳时间对溶胶稳定性的影响不大；

(3)溶胶浓度越大，溶胶的稳定性越差；

(4)KCl 作辅助液比HCl 作辅助液时，溶胶的稳定性更大。

(5)探讨不同电解质对所制备Fe(OH)3溶胶的聚沉值可知Fe(OH)3溶胶带正电荷，负离子的价数越高，聚沉效率也越高，即KCl ＜K 2SO 4＜K 3[Fe(CN)6]。

五、 参考文献

[1]何广平, 南俊民, 孙艳辉. 物理化学实验. 北京:化学工业出版社,2008

[2]施巧芳, 张景辉, 花蓓. 氢氧化铁溶胶电泳实验再探索. 化学教育.2005(6):52