溶膠制備純化及性質實驗報告.doc

溶膠的制備、純化及穩(wěn)定性研究 時間的影響和用K2SO4溶液測聚沉值 一、前言1、實驗背景膠體現(xiàn)象無論在工農業(yè)生產(chǎn)中還是在日常生活中，都是常見的問題。為了了解膠體現(xiàn)象，進而掌握其變化規(guī)律，進行膠體的制備及性質研究實驗很有必要。Fe(OH)3膠體因其制備簡單、帶有顏色和穩(wěn)定性好等特點被廣泛應用于大學物理化學實驗中，并且是高中化學中的一個重要實驗。但是采用電泳方法測定溶膠的電動電勢（）卻是始終是一個難點，因為溶膠的電泳受諸多因素影響如：溶膠中膠粒形狀、表面電荷數(shù)量、溶劑中電解質的種類、離子強度、PH、溫度和所加電壓。2、實驗要求(1) 了解制備膠體的不同方法，學會制備Fe(OH)3溶膠。(2) 實驗觀察膠體的電泳現(xiàn)象，掌握電泳法測定膠體電動電勢的技術。(3) 探討不同外加電壓、電泳時間、溶膠濃度、輔助液的pH值等因素對Fe(OH)3溶膠電動電勢測定的影響。(4) 探討不同電解質對所制備Fe(OH)3溶膠的聚沉值,掌握通過聚沉值判斷溶膠荷電性質的方法。二、實驗部分1.實驗原理溶膠的制備方法可分為分散法和凝聚法。分散法是用適當方法把較大的物質顆粒變?yōu)槟z體大小的質點，如機械法，電弧法，超聲波法，膠溶法等；凝聚法是先制成難溶物的分子(或離子)的過飽和溶液，再使之相互結合成膠體粒子而得到溶膠，如物質蒸汽凝結法、變換分散介質法、化學反應法等。Fe(OH)3溶膠的制備就是采用化學反應法使生成物呈過飽和狀態(tài)，然后粒子再結合成溶膠。在膠體分散系統(tǒng)中，由于膠體本身電離，或膠體從分散介質中有選擇地吸附一定量的離子，使膠粒帶有一定量的電荷。顯然，在膠粒四周的分散介質中，存在電量相同而符號相反的對應離子。荷電的膠粒與分散介質間的電位差，稱為電位。在外加電場的作用下，荷電的膠粒與分散介質間會發(fā)生相對運動。膠粒向正極或負極（視膠粒荷負電或正電而定）移動的現(xiàn)象，稱為電泳。同一膠粒在同一電場中的移動速度由電位的大小而定，所以x電位也稱為電動電位。測定電位，對研究膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有很大意義。溶膠的聚集穩(wěn)定性與膠體的電位大小有關，對一般溶膠，電位愈小，溶膠的聚集穩(wěn)定性愈差，當電位等于零時，溶膠的聚集穩(wěn)定性最差。所以，無論制備膠體或破壞膠體，都需要了解所研究膠體的電位。原則上，任何一種膠體的電動現(xiàn)象(電泳、電滲、液流電位、沉降電位)都可以用來測定電位，但用電泳法來測定更方便。電泳法測定膠體電位可分為兩類，即宏觀法和微觀法。宏觀法原理是觀察與另一不含膠粒的輔助液體的界面在電場中的移動速度。微觀法則是直接測定單個膠粒在電場中的移動速度。對于高分散度的溶膠，如Fe(OH)3膠體，不易觀察個別粒子的運動，只能用宏觀法。對于顏色太淺或濃度過稀的溶膠，則適宜用微觀法。本實驗采用宏觀法。宏觀法測定Fe(OH)3的電位時，在U形管中先放入棕紅色的Fe(OH)3溶膠，然后小心地在溶膠面上注入無色的輔助溶液，使溶膠和溶液之間有明顯的界面，在U形管的兩端各放一根電極，通電一定時間后，可觀察到溶膠與溶液的界面在一端上升，另一端下降。膠體的電位可依如下電泳公式計算得到：式中K為與膠粒形狀有關的常數(shù)（球形為5.41010 V2 S2 kg-1 m-1，棒形粒子為3.61010 V2 S2 kg-1 m-1，為分散介質的粘度（Pas），為分散介質的相對介電常數(shù),E為加于電泳測定管二端的電壓（V），L為兩電極之間的距離（m），S為電泳管中膠體溶液界面在t時間（s）內移動的距離（m），S/t表示電泳速度（ms-1）。式中S、t、E、L均可由試驗測得。影響溶膠電泳的因素除帶電離子的大小、形狀、離子表面的電荷數(shù)目、溶劑中電解質的種類、離子強度、溫度外，還與外加電壓、電泳時間、溶膠濃度、輔助液的pH值等有關。根據(jù)膠體體系的動力性質，強烈的布朗運動使得溶膠分散相質點不易沉降，具有定的動力穩(wěn)定性。另一方面，由于溶膠分散相有大的相界面，具有強烈的聚結趨勢，因而這種體系又是熱力學的不穩(wěn)定體系。此外，由于溶膠質點表面常帶有電荷，帶有相同符號電荷的質點不易聚結，從而又提高了體系的穩(wěn)定性。帶電質點對電解質十分敏感，在電解質作用下溶膠質點因聚結而下沉的現(xiàn)象稱為聚沉。在指定條件下使某溶膠聚沉時，電解質的最低濃度稱為聚沉值，聚沉值常用mmol.L-1表示。影響聚沉的主要因素是與膠粒電荷相反的離子的價數(shù)、離子的大小及同號離子的作用等。一般來說，反號離子價數(shù)越高，聚沉效率越高，聚沉值越小，聚沉值大致與反離子價數(shù)的6次方成反比。同價無機小離子的聚沉能力常隨其水比半徑增大而減小，這一順序稱為感膠離子序。與膠粒帶有同號電荷的二價或高價離子對膠體體系常有穩(wěn)定作用，使該體系的聚沉值有所增加。此外，當使用高價或大離子聚沉時，少量的電解質可使溶膠聚沉；電解質濃度大時，聚沉形成的沉淀物又重新分散；濃度再提高時，又可使溶膠聚沉。這種現(xiàn)象稱為不規(guī)則聚沉。不規(guī)則聚沉的原因是，低濃度的高價反離子使溶膠聚沉后，增大反離子濃度，它們在質點上強烈吸附使其帶有反離子符號的電荷而重新穩(wěn)定；繼續(xù)增大電解質濃度，重新穩(wěn)定的膠體質點的反離子又可使其聚沉。2. 實驗方案設計本實驗是個綜合性試驗，涉及Fe(OH)3鐵膠體的制備及純化處理以及對氫氧化鐵膠體性質的探討。實驗思路如下：水解法制備Fe(OH)3溶膠，將一定濃度的FeCl3溶液逐滴繳入沸水中，不斷攪拌，得到Fe(OH)3的過飽和溶液，再使之相互結合便可形成溶膠，再將其純化便可用于進行其性質實驗；根據(jù)影響溶膠電泳實驗的因素及實驗條件，我們選擇了探討其四方面因素的影響。各探討實驗均需先配制輔助液，裝好溶膠，連接電路，然后分以下幾種情況進行實驗：在不同外電壓下（100V、150V、200V）測定電位；在不同電泳時間內（2min,4min,6min）測定電位；不同溶膠濃度下（原濃度、1/2原濃度、1/4原濃度）測定電位；PH不同的輔助液測定電位。測定不同價態(tài)電解質對Fe(OH)3溶膠的聚沉值，探討不同價數(shù)離子的聚沉值，以及判斷Fe(OH)3膠粒是否是正電性。3. 儀器與試劑電泳測定管1套，直流穩(wěn)壓器1臺，電導率儀1臺，pH計1臺，滴定管1支，鉑電極2根，停表1塊，直尺1把，軟線50cm，電爐1臺，1000mL燒杯1個，300mL燒杯1個，300mL錐形杯1個，100mL量筒1個，100mL燒杯2個，50mL燒杯6個，50mL錐形杯3個，10mL刻度移液管2支、1mL刻度移液管2支，試管12支，膠頭滴管5支。10%FeCl3溶液，3 molL-1 HCl溶液，稀KCl、NaCl溶液，質量分數(shù)1%的AgNO3及KCNS溶液，2.5 molL-1 KCl、0.1 molL-1 K2SO4及0.01 molL-1 K3Fe(CN)6溶液，0.5 molL-1 KCl、0.01 molL-1 K2SO4及0.001 molL-1 K3Fe(CN)6溶液，火棉膠，蒸餾水。4. 實驗步驟(1) 水解法制備Fe(OH)3溶膠量取150mL蒸餾水，置于300mL燒杯中，先煮沸2min，用刻度移液管移取10% FeCl3溶液30ml，逐滴加入沸水中，并不斷攪拌，繼續(xù)煮沸3min，得到棕紅色Fe(OH)3溶膠。其結構式可表示為 mFe(OH)3n FeO+(n-x)Cl-x+xCl-(2) Fe(OH)3溶膠的純化a) 制備半透膜：為了純化已制備好的溶膠，需要用半透膜。選擇一個300mL的內壁光滑的錐形瓶，洗滌烘干，倒入約20mL火棉膠溶液，小心轉動燒瓶，使火棉膠均勻地在瓶內形成一薄層，倒出多余的火棉膠，倒置燒瓶于鐵圈上，流盡多余的火棉膠，并讓乙醚蒸發(fā)，直至用手指輕輕接觸火棉膠膜而不粘著為止。然后加水入瓶內至滿，浸膜于水中約10min，倒去瓶內的水。再在瓶口剝開一部分膜，在此膜與玻璃瓶壁間灌水至滿，膜即脫離瓶壁，輕輕地取出所成之袋，檢查是否有漏洞。b) 純化：把水解法制得的溶膠，置于半透膜袋內，用線拴住袋口，置于1000mL燒杯中，加500mL蒸餾水，保持溫度60-70C，進行熱滲析。每半小時換一次水，并取出少許蒸餾水檢驗其中Cl-和Fe3+離子，直到不能檢出離子為止。純化好的溶膠冷卻后保存?zhèn)溆谩?3) 電泳實驗a）配制輔助液用電導率儀測定純化好的Fe(OH)3溶膠的電導率，然后向一個100mL的小燒杯中加入蒸餾水，用滴管逐滴滴入3molL-1的HCl溶液，并測量此溶液的電導率，使其電導率與溶膠的電導率相等，此稀溶液即為待用的輔助液。b）裝溶膠，連接線路電泳測定裝置如圖所示。 電泳測定裝置圖將經(jīng)過純化后的溶膠從電泳管的漏斗處加入，到半漏斗處，此時慢慢打開活塞，趕走氣泡，即關閉（若有溶膠進入U型管中，應用輔助液蕩洗干凈，關好漏斗塞及活塞，把輔助液倒干）。向U型管中加入輔助液到刻度10左右。把電泳管夾好固定在鐵架上并使垂直。把鉑電極插入U型管中，打開漏斗塞，然后慢慢打開活塞（注意一定要慢）使膠體溶膠非常緩慢地上升，直到U型管兩邊膠體溶液上升至有刻度處，具有清晰的界面，且鉑電極鉑片浸入輔助液1cm左右時，關閉活塞。c）在不同的外加電壓下測定電位，探討不同外加電壓的影響打開電泳儀電源開關，調節(jié)電壓為100伏特，讀出負極（或正極）界面所在的刻度，并同時按下停表計時，直到界面移動0.5cm，記下停表的時間、界面移動的準確距離、電壓。用同樣方法再測一次，求平均值。記下兩鉑電極的距離L。調節(jié)電壓分別為150、200伏特，同法測定電位。d）在不同的電泳時間內測定電位，探討不同電泳時間的影響 參考電泳時間：2min，4min，6mine）改變溶膠的濃度為測定電位，探討不同溶膠濃度的影響 參考溶膠濃度：原濃度，原濃度的1/2，原濃度的1/4f）改變輔助液的PH值測定電位，探討不同輔助液的影響 除HCl水溶液外，還可用KCl、NaCl的水溶液作輔助液 (4)測定不同電解質對Fe(OH)3溶膠的聚沉值 分兩步進行，第一步粗測定近似聚沉值C，第二步測準確聚沉值C。a）取試管6支，編號為1，2，3，4，5和對照，在1號試管注入10 mL0.1 molL-1 K2SO4，在25號和對照等五支試管中各加入蒸餾水9mL，然后從1號試管中取1mL K2SO4放入 2號試管中，搖勻后，又從2號試管中取出1mL溶液放入3號試管中，依次從上一編號試管吸取1mL K2SO4溶液，直至5號試管，最后從5號管中取出1mL溶液棄之。用移液管向上述15號試管及對照管中各加入已凈化好的Fe(OH)3溶膠1mL，搖勻后，立即記下時間，靜置15min，觀察15號管的聚沉情況，與對照管進行比較，找出最后一支有沉淀的管子，該管的濃度即為近似聚沉值C，并記入表格內。搖勻，靜置15min，求出近似聚沉值Cb）制備濃度C的K2SO4溶液50ml。由原0.1molL-1 K2SO4稀釋而得，根據(jù) C1V1= CV可求得V1的mL數(shù)。準確量取0.1 molL-1 K2SO4溶液V1 mL至50 mL的容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻即得濃度為C的溶液。c）在1)的15號試管中，保留具有近似聚沉值C濃度的試管，定它為試管，另取4支試管，編號為、，加上原對照一支又得一組6支管的排列。在號試管中分別加入8、6、4、2 mL的濃度為C的K2SO4溶液，再向上述各管中加入1、3、5、7 mL蒸餾水，搖勻后各加入1 mL Fe(OH)3溶膠，搖勻后靜置15 min，找出最后一支有沉淀的管子，用這支管子中的K2SO4的濃度Cn和相鄰未沉淀的管子K2SO4濃度Cn+1求出平均值，即得所求的準確聚沉值C，即C=1/2(Cn+Cn+1)。把所觀察的現(xiàn)象和計算結果列入表中。用上述完全相同的手續(xù)，測定2.5M KCl及0.01M K3Fe(CN)6對Fe(OH)3溶膠的聚沉值。(5)實驗結束關閉電源，回收膠體溶液，整理實驗用品。三. 結果與討論數(shù)據(jù)記錄與處理：(一)、探究實驗條件：（1）實驗電壓a.實驗記錄第一組實驗數(shù)據(jù)如下：（鐘淑清，梁泳欣，彭思瑜）已知條件：膠體電導：164s/cm KCl電導：164s/cm 兩極間的距離：19.4 cm計算公式： ，K=3.61010 V2 S2 kg-1 m-1 ，=0.893710-3 Pa.s(T= 31.4)=80-0.4（T-293）=800.4（297.65-293）=78.14電壓/V實驗次數(shù)位置讀數(shù)之差/cm時間/s電位/V電位平均值/V98第一次0.5145.20.88170.9047第二次0.51380.9277153第一次0.5103.70.79080.8079第二次0.599.40.8250202第一次0.559.81.03871.0069第二次0.563.70.9751第二組實驗數(shù)據(jù)如下：（孫佳敏，李育儀，沈婭）已知條件：膠體電導：s/cm KCl電導：s/cm 兩極間的距離：21.7cm計算公式： ，K=4.01010 V2 S2 kg-1 m-1 ，= 0.893710-3 Pa.s (T= 24.5)=80-0.4（T-293）=800.4（297.65 -293）=78.14電壓/V實驗次數(shù)溶膠起始位置讀數(shù)/cm溶膠終點位置讀數(shù)/cm位置讀數(shù)之差/cm時間/s電位/V電位平均值/V101第一次14.814.30.5162.10.85720.8543第二次13.913.40.5163.20.8514148第一次13.412.90.5130.70.72550.6662第二次12.912.50.41250.6069195第一次12.311.80.593.80.76730.76645第二次11.711.20.5940.7656【分析】由以上實驗數(shù)據(jù)可知，在其它條件一樣的前提下，不同電壓下測得的電位值相差不大，說明電壓高低對電位影響不大。不同的小組測得的實驗數(shù)據(jù)中，電壓高低對電位影響也各不相同，說明實驗操作存在一定的誤差。根據(jù)所查資料，電壓為150V時，電位稍高，所以實驗中可選用外加電壓為150V。（2）電泳時間實驗數(shù)據(jù)如下：（黃慕芝，陳金裕，佘楚旋）已知條件：膠體電導：159s/cm KCl電導：159s/cm 兩極間的距離：23.9 cm計算公式： ，K=4.01010 V2 S2 kg-1 m-1 ，= 0.893710-3 Pa.s (T= 24.5)=80-0.4（T-293）=800.4（297.65 -293）=78.14時間/s實驗次數(shù)電源電壓/V溶膠起始位置讀數(shù)/cm溶膠終點位置讀數(shù)/cm位置讀數(shù)之差/cm電位/V電位平均值/V120第一次150V11.210.920.280.48090.4552第二次150V10.3710.120.250.4294240第一次150V11.210.690.510.43790.4208第二次150V10.37 9.9 0.470.4036360第一次150V11.210.470.730.41790.4065第二次145V10.379.68 0.690.3950【分析】由表可知，平行實驗中，一定時間和一定電壓下，界面移動的距離有點差異，實驗過程的控制有待進一步提高。由以上實驗數(shù)據(jù)可知，在其它條件一樣的前提下，不同時間下測得的電位值相差不大，說明不同電泳時間對電位影響不大。（3）溶膠濃度a.實驗記錄實驗數(shù)據(jù)如下：(彭蔚雯，蔡潔齡)已知條件：當濃度為1:1時，膠體電導：166.9s/cm KCl電導：166.9s/cm 當濃度為1:2時，膠體電導：95.6s/cm HCl電導：95.6s/cm當濃度為1:4時，膠體電導：53.2s/cm HCl電導：53.2s/cm兩極間的距離：21.5cm計算公式： ，K=4.01010 V2 S2 kg-1 m-1 ，= 0.893710-3 Pa.s (T= 24.5)=80-0.4（T-293）=800.4（297.65 -293）=78.14濃度實驗次數(shù)電源電壓/V位置讀數(shù)之差/cm時間/s電位/mV電位平均值/V1：1第一次1500.50 1420.67110.6792第二次1500.50 1450.68721：2第一次1500.50 1170.89290.9678第二次1500.50 1151.04261：4第一次1500.50 1820.73300.7740第二次1500.50 1850.8150【分析】由表可知，平行實驗中，同一濃度下，界面移動的距離相同時，所需時間非常接近，實驗數(shù)據(jù)比較可靠。由所求得的實驗數(shù)據(jù)可知，在其它條件一樣的前提下，不同溶膠濃度下測得的電位值相差很大。據(jù)相關資料顯示：在一定范圍內，膠體濃度越大，電位越大。因為濃度增加，粒子碰撞機會增多，溶膠不穩(wěn)定性增大。但是，本次實驗中并不能很好的體現(xiàn)這個規(guī)律，這說明了本次實驗操作存在一定的誤差。（4）輔助液pH值（湯俊杰，鐘偉潮）a.實驗記錄已知條件：膠體電導：164.6s/cm HCl電導：164.5s/cm NaCl電導：164.6s/cm KCl電導：164.4s/cm 兩極間的距離：21.6cm計算公式： ，K=4.01010 V2 S2 kg-1 m-1 ，= 0.893710-3 Pa.s (T= 24.5)=80-0.4（T-293）=800.4（297.65 -293）=78.14輔助液PH實驗次數(shù)遷移時間/s電源電壓/V位置讀數(shù)之差/cm電位/mV電位平均值/VHCl3.32第一次54.281000.52.57362.6087第二次52.840.52.6437NaCl4.89第一次328.151000.50.42570.4136第二次347.970.50.4015KCl5.30第一次338.151000.50.41310.4067第二次348.940.50.4003【分析】由所求得的實驗數(shù)據(jù)可知，在其它條件一樣的前提下，使用HCl為輔助液所算得的電位與另外兩種輔助液相差很大，而NaCl,KCl電位比較小，說明輔助液及其PH對電位有很大影響。4、Fe(OH)3溶膠聚沉值的測定(1)KCl作為聚沉劑（鐘淑清，彭思瑜，梁泳欣）編號（粗測）12345對照KCl濃度/(mol/L) 2.5 0.250.0250.00250.000250是否聚沉是是否否否否結果：粗測是2號試管，聚沉濃度為0.25mol/L編號（精測）IIIIIIIVV對照KCl濃度/(mol/L) 0.20.150.10.050是否聚沉是是是否是IV號管有沉淀，準確聚沉值C=1/2(Cn+Cn+1)=1/2（CV+C4）=1/2（0.1 molL-1+ 0.0255molL-1）=0.075 molL-1(2) K2SO4作為聚沉劑(黃慕芝，陳金裕，佘楚旋)編號（粗測）12345對照K2SO4濃度/(mol/L) 是否聚沉有有有否否否結果：粗測是3號試管，聚沉濃度為mol/L編號（精測）IIIIIIIVV對照K2SO4濃度/(mol/L) 是否聚沉有有有否否結果：粗測是IV試管，聚沉濃度為mol/L所以準確聚沉C=1/2(Cn+Cn+1)= 1/2(+)= mol/L(3) K3Fe(CN)6作為聚沉劑（沈婭，李育儀，孫佳敏）編號（粗測）12345對照K3Fe(CN)6濃度/(mol/L) 是否聚沉是是是否否否結果：粗測是3號試管，聚沉濃度為1mol/L編號（精測）IIIIIIIVV對照K3Fe(CN)6濃度/(mol/L) 8642是否聚沉是是是否否結果：粗測是III試管，聚沉濃度為4mol/L所以準確聚沉C=1/2(Cn+Cn+1)= 1/2(4+2)=3 mol/L綜合，可知聚沉值 KCl: K2SO4: K3Fe（CN）6 =75：0.3：0.03【分析】聚沉值是指一定時間內，能使溶膠發(fā)生明顯聚沉的電解質的最低濃度。聚沉值越大，電解質對溶膠的聚沉能力越小。而聚沉值的大小與電解質中與溶膠所帶電荷符號相反的離子價態(tài)有關。本實驗所用電解質陽離子都一樣為鉀離子，但聚沉值相差很大。K3Fe(CN)6溶液和K2SO4溶液中的有高價的負離子Fe(CN)6-3 和SO4-2，它們存在時Fe(OH)3溶膠的聚沉值均很?。ǚ刺柛邇r離子聚沉效率越高，聚沉值越?。欢挥械蛢r離子的KCl溶液對Fe(OH)3溶膠的聚沉值相對來說是很大的（陽離子同為鉀離子，而陰離子為低價的氯離子）。由此可見不同價態(tài)陰離子對聚沉值有影響，因此判斷膠粒帶正電。根據(jù)舒爾采-哈迪規(guī)則（一價）：（二價）：（三價）=(25-150)：（0.5-2）：（0.01-0.1），顯然實驗數(shù)據(jù)總體還是滿足舒爾采-哈迪規(guī)則，說明實驗過程中操作還是比較嚴謹，沒有出現(xiàn)大的差錯。四. 結論（一）結論1、通過探討不同實驗條件對電位的影響，可以得出如下結論：外加電