氫氧化鐵膠體制備及電泳

1、Fe(OH)3膠體的制備和電泳韓豐 郭麟 劉天乙（大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 化學(xué)111，遼寧大連 116622）指導(dǎo)老師：李艷華 賈穎萍摘要 文章主要探究氫氧化鐵的制備、純化溫度及時間對膠體的影響，并測定的膠體性質(zhì)，最終確定利用化學(xué)法制備，純化溫度介于60到70，時間控制在2周左右，輔助液選用KCl溶液并且電導(dǎo)率與膠體相同，電泳電壓為60V，得到Fe(OH)3膠體的 電位為；并且研究了相同陽離子不同價態(tài)陰離子的鹽對于膠體聚沉的影響，并得到價態(tài)越高，聚沉能力越強。關(guān) 鍵 詞 Fe(OH)3膠體；電泳； 電位；實驗；聚沉值 作為物理化學(xué)實驗中經(jīng)典實驗1,2-膠體的制備及采用電泳方法測定溶膠的電

2、動電勢，我們很有必要去認識和學(xué)習(xí)。但由于溶膠的電泳受諸多因素如：溶膠中膠粒形狀、表面電荷數(shù)量、輔助液中電解質(zhì)的種類、溫度和所加電壓等。根據(jù)實驗內(nèi)容主要利用水解Fe(OH)3溶液制備的氫氧化鐵膠體，并且通過滲析純化后使用。另外，根據(jù)教材的實驗步驟進行電泳實驗，經(jīng)常遇到溶膠與輔助液間有一界模糊和兩極間界面移動距離相差較大等問題。為了使這些問題能夠得以很好的解決，我們主要是氫氧化鐵膠體的制備、Fe(OH)3膠體的純化時滲析溫度及時間的控制、輔助液的選擇與其電導(dǎo)率控制、膠體溶液和導(dǎo)電液的正確加入以及適度的電泳電壓等方面對這一實驗進行了改進研究來探究Fe(OH)3膠體的 電位，通過與理論值相比較，做出合

3、理的誤差分析，以此來對膠體電泳最佳實驗條件得以確定，以這一實驗改進的條件探討及結(jié)果。1、實驗部分1.1 實驗原理1.1.1 膠體簡介溶膠是一個多相系統(tǒng)；是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)(要依靠穩(wěn)定劑使其形成離子或分子吸附層，才能得到暫時的穩(wěn)定)，膠粒（分散相）大小在1100nm之間3 ；1.1.2制備膠體的原理：凝膠作用：由于溶劑的作用，使沉淀重新溶解成膠體溶液?；瘜W(xué)凝聚法：通過化學(xué)反應(yīng)使生成物呈過飽和狀態(tài)，然后粒子再膠合成膠粒。1.1.3 氫氧化鐵溶膠電勢的測定計算實驗主要是通過測定一定外加電場強度下膠粒的電泳速度的方法計算膠粒的 電位。采用界面移動法測膠粒的電泳速率。在電泳儀的兩段極施加電位差E后，在時

4、間t內(nèi)，如溶膠界面移動的距離為d，則膠粒的電泳速率：若電極極板經(jīng)過液體通道的長度為l，則在兩極間液體的電導(dǎo)率相同時，電極間的場強為： 膠粒表面的電位可按下式求得： ；k是與膠體形狀有關(guān)的常數(shù)（球型的是5.4*1010V2s2Kg-1m-1，棒型的是3.6*1010V2s2Kg-1m-1)本實驗中氫氧化鐵是棒型。是氫氧化鐵的介質(zhì)的粘度(Pas)；是介質(zhì)的相對介電常數(shù)(ln=4.474266-4.54426*10-3T)11.2 藥品和儀器DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，DYY-2C型電泳儀及U型電泳槽一套（北京市六一儀器廠），半透膜（美國進口），MP-13H恒溫水浴儀。

5、三氯化鐵（99.0%）（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠），氯化鉀(99.5%)（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠），硝酸銀（99.8%）（AR，中國醫(yī)藥（集團）上?；瘜W(xué)試劑公司）， 氫氧化鈉（96.0%）（AR，天津市秘密歐化學(xué)試劑有限公司），硫酸鉀（99.0%）（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠），鐵氰酸鉀（99.5%）（AR，天津市化學(xué)試劑一廠），氯化鈉（99.5%）（AR，哈爾濱永豐化工廠），硝酸鉀（99.0%）（天津市大茂化學(xué)試劑廠），硫氰酸鉀（97.18%）（AR，浙江省溫州市化學(xué)用料廠）1.3 膠體的制備11.3.1化學(xué)法制備250ml燒杯中放100ml蒸餾水，加熱至沸騰，向其里面滴加5ml 10

6、% FeCl3溶液，并不斷攪拌，加入完畢后持續(xù)煮沸幾分鐘，水解后形成氫氧化鐵膠體，其結(jié)構(gòu)式為 4 ：m Fe(OH)3nFeO+(n-x)Cl-x+xCl-1.3.2溶膠法制備取1ml 50%的FeCl3 溶液在小燒杯中，加水稀釋到10ml 逐漸加入NaOH 到稍微過量，過濾，用水洗滌數(shù)次，在將沉淀放到另一個燒杯里，加水20ml，再加入20%的FeCl3約1ml 用玻璃棒攪拌，加熱，沉淀消失，形成透明的膠體溶液。1.4 膠體的滲析純化（1）把制好的膠體放置到半透膜袋里，用線綁住口，分為兩份，一份放在到400ml蒸餾水滲析，并保持溫度在6070，另一份放在400ml蒸餾水中室溫，每半小時換一次水

7、，并檢驗水中是否含有Cl-和Fe3+，直至沒有Cl- 和Fe3+，即加入AgNO3無明顯沉淀。并記錄2個燒杯無明顯沉淀所需時間。實驗結(jié)束后，將膠體置于去離子水中繼續(xù)滲析，保持每天換水。（2）電極常數(shù)的標定（25 0.01mol/dm-3 KCl的電導(dǎo)率為1408.3uS/cm）測其電導(dǎo)率(應(yīng)在0.6*103uscm-1以下)，如若超過此值繼續(xù)滲析。1.5膠體性質(zhì)的測定1.5.1 觀察Tydall現(xiàn)象用激光筆將光通過膠體溶液，在光束前進方向相垂直的側(cè)面觀察，觀察是否可以看到一條光亮的“通路”，如若可以觀測，則制備成功，反之需重新制備。1.5.2 輔助溶液的配置 用NaCl，KCl分別和去離子水，

8、配置和溶膠電導(dǎo)率和溫度相同的輔助液。（1）將Fe(OH)3膠體置于恒溫水浴中，保持溫度在25左右，將鉑黑電極插入膠體中測其電導(dǎo)率，并記錄 5 ；（2）用100mL燒杯中取適量去離子水置于恒溫水浴中，用膠頭滴管取1mol/L KCl溶液或NaCl溶液，邊滴加邊攪拌，同時測其電導(dǎo)率，直到電導(dǎo)率與Fe(OH)3膠體相同，停止滴加。1.5.3 電泳速度的測定（1）用去離子水清洗電泳儀；（2）用少量滲析好的Fe(OH)3膠體潤洗電泳儀2至3次；（3）從U形管兩側(cè)的管注入電導(dǎo)率與Fe(OH)3膠體相同的輔助液（KCl溶液），加入的量大概為加入膠體后可沒過電極為止；（4）在U形管中間位置用膠頭滴管逐滴加入F

9、e(OH)3膠體，速度控制在1滴/秒；（5）將兩鉑電極插入支管內(nèi)并記錄電極間距離(不是水平距離)，并連接電源，開啟旋塞使管內(nèi)輔助液等高，然后關(guān)閉小旋塞，打開電源，將電壓分別調(diào)至20V觀察膠體界面移動現(xiàn)象及電極表面現(xiàn)象，記錄10min內(nèi)界面移動的距離，共記錄30min，若在電泳開始時有輕微模糊或者由于電泳儀原因起始讀數(shù)不能準確，需等到界面穩(wěn)定后開始計時；（6）反泳，將正負極對調(diào)，重復(fù)上述步驟，記錄界面移動距離；記錄3次實驗值，取其平均值；（7）在40V、60V、80V、100V電壓下再進行上述操作，如若膠體發(fā)生聚沉現(xiàn)象，則需重新注入膠體和緩沖液。1.6 聚沉值的測定用移液管在7個干凈的錐形瓶各注

10、入1ml的氫氧化鐵膠體，然后加入不同濃度梯度的KCl 、K2SO4和K3Fe(CN)6 ，在開始有明顯的聚沉物出現(xiàn)時，停止加入，記錄所用的電解質(zhì)的體積 7 。2、結(jié)果與討論2.1 兩種方法制備膠體對實驗的影響表1 化學(xué)法和溶膠法制備膠體的比較方法化學(xué)法溶膠法條件加熱常溫所需藥品10% FeCl320%FeCl3，NaOHTydall現(xiàn)象明顯不明顯由表1可知兩種方法，化學(xué)法較好，原因是與溶膠法相比較所需藥品少，并且，溶膠法生成沉淀，需要洗滌沉淀數(shù)次才可將堿洗凈，然后才可制備出膠體。 2.2 膠體滲析溫度與時間對實驗的影響表2 溫度對膠體純化的影響溫度6070室溫用硝酸銀檢測無沉淀所需時間短長表3

11、 時間對膠體電導(dǎo)率的影響時間3d7d11d電導(dǎo)率/ uscm-147.621.4出現(xiàn)聚沉現(xiàn)象由表2和表3可知提高溫度可加快滲析速度，滲析時間越久純化效果越好，但是時間也不能太久，長時期滲析可以使帶正電荷的氫氧化鐵溶膠失掉電荷而聚沉。 2.3. 輔助液的選擇與其電導(dǎo)率對實驗的影響表4 不同輔助液對實驗的影響輔助液種類NaClKCl實驗現(xiàn)象界面模糊界面較清晰表5 不同電導(dǎo)率對實驗的影響與Fe(OH)3膠體電導(dǎo)率相同與Fe(OH)3膠體電導(dǎo)率不同界面清晰界面模糊由表4和表5可知選擇溶液作為KNO3輔助液，并且輔助液的電導(dǎo)率與Fe(OH)3膠體相同最好，其原因是因為K+ (7.62*108 m2V-1

12、s-1)與Cl-(7.91*108 m2V-1s-1)的離子遷移數(shù)率3相差不大，所以作為輔助液最好。2.4電泳電壓對實驗的影響表6不同時間內(nèi)的移動距離 測定時間電壓/V10min/cm20min/cm30min/cm200.30.71.2400.51.01.6601.12.02.7801.42.53.21001.62.94.3*實驗條件：溫度：18.5，大氣壓：100.72KPa；表中每個電壓下都是測量三次取平均值表7 不同電壓下膠體的電泳速度E/VL/cmd/cmv/m*s-1H/V*m-1/mV電泳界面2022.51.26.6667*10-788.8956.48模糊4024.11.68.8

13、889*10-7165.9840.33較清晰6024.62.71.5000*10-6243.9046.32清晰8024.23.21.7778*10-6330.5840.50較清晰，有少量聚沉10022.64.32.3889*10-6442.4840.33聚沉現(xiàn)象明顯*實驗條件：溫度：18.5，大氣壓：100.72KPa 實驗時間均為30min（1800s）；是8.065F/m；是1.0559*10-3Pas 5 ；由表6、表7和圖1，可知，在溫度為18.5、100.72KPa下，電壓選用60V測定電位與理論值最接近，根據(jù)公式可知E越大，電泳速率越大，電壓太小會導(dǎo)致電泳速率較慢，界面也不清晰平整

14、，所以與理論值有差距；反之電壓過大，陰極產(chǎn)生氣體速率會加快，電流熱效應(yīng)增大，并且膠體的發(fā)散、凝膠作用增強，發(fā)生聚沉現(xiàn)象，電泳速率和實驗效果并不理想。本文認為電壓適宜在60V左右，現(xiàn)象明顯且接近理論值 6 。2.5 不同價態(tài)離子對Fe(OH)3膠體的聚沉值表8 不同價態(tài)離子的聚沉值 編號1234567KCl有有無K2SO4有有有有無K3Fe(CN)6有有有有有有無*其中編號1為1mol/dm3，10ml；編號2為從1中去1ml，稀釋至10ml；以此稀釋至編號7。有表示有沉淀，無為沒有沉淀。根據(jù)表7可知K3Fe(CN)6的聚沉所需濃度最小，即聚沉能力最大，K2SO4次之，最小為KCl，由于時間原因

15、，并沒有準確的測定聚沉臨界濃度，理論上可以根據(jù)Schulze-Hardy（舒爾茨-哈代）規(guī)則4，聚沉值與膠粒電性相反的異電性離子價數(shù)的六次方成反比。簡而言之，就是異電性離子的價數(shù)愈高，聚沉能力愈大。3、結(jié)論通過本次實驗，確定了利用化學(xué)法制備膠體，即將FeCl3 溶液滴加至沸水中，并不斷攪拌，且保持持續(xù)沸騰；然后在溫度為60到70滲析純化，時間控制在1周左右；選用KCl溶液作為輔助液，并且要求電導(dǎo)率與膠體電導(dǎo)率相同；電壓控制在60V左右，進行Fe(OH)3膠體的電泳實驗，效果最好；并且異電性離子的價數(shù)愈高，聚沉能力愈大。4、個人體會韓豐：沒有了無機化學(xué)實驗的繽紛多彩，沒有了分析實驗復(fù)雜數(shù)據(jù)，沒有

16、了有機實驗的氣味“芬芳”，這次的物理化學(xué)設(shè)計型實驗終于在規(guī)定時間內(nèi)愉快完成。俗話說，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。相比以前課堂上短暫的照本宣科的實驗，這次實驗完全是在自己搜索資料、配置藥品、調(diào)試儀器的情況下完成的，所收獲相比以前的實驗多的不是一星半點。通過收集資料，查閱書籍，我了解到對于一個實驗，每個不住都是關(guān)鍵，一不注意的攪拌不充分，膠體可能就制備不成功；滴加速度過快，電泳時界面就有可能模糊。電壓等其他條件都對實驗有著很大的影響，隨便改變其中的一個，都會有著不同的效果，當了解到這些的時候，我深深的覺得這個實驗并不是和題目中那樣僅僅是制備和電泳那么簡單，需要的是全心全意的去思考某些東西，才可

17、以完成此次試驗，比如電極常數(shù)的標定，需要配置標準溶液等很多方面；這次實驗真是讓我體會到“欲速則不達”，剛開始的滲析，因為著急去做電泳，所以滲析時間很短，僅僅是測定了氯離子的濃度，然后好幾次都是因為膠體純化的不好，在電泳期間，發(fā)生了聚沉現(xiàn)象。所以，實驗是嚴謹?shù)?，不能因為想快點做出東西而忽略實驗過程的必要性。還有在裝電泳管時，也是因為心急，在向管內(nèi)滴加膠體時，滴加速度過快，導(dǎo)致膠體擴散，界面很模糊，然后又是重新裝管，所需的時間并不比一次性認真裝管所需的時間少，讓我明白實驗一定得仔細嚴謹。在實驗中，有實驗失敗時的沮喪，也有實驗成功的喜悅，這對于我來說是一次很深的記憶，以后還要做畢業(yè)論文，這次實驗，無

18、疑是一次寶貴的經(jīng)驗。還有這次實驗由于時間的原因，每次方法都做了很少的次數(shù)，而得到的數(shù)據(jù)肯定不是很準確，所以假如以后可以從事科學(xué)研究，一定不能這樣，必須保持嚴謹?shù)膽B(tài)度，才能確保實驗的準確性。最后，實驗?zāi)軌蝽樌瓿桑x不開李老師、賈老師和白老師的指導(dǎo)和同伴的共同努力，在此對于他們的幫助表示由衷感謝。郭麟：這是我第三次做創(chuàng)新實驗了，從第一次的甲基橙得制備到第二次的可見光下對硝基苯還原反應(yīng)的研究，到這一次膠體的制備和電泳。我覺得我真是有了一個很大的進步。創(chuàng)新實驗是自己設(shè)計然后自己進行的實驗，在之前有老師指點的情況下，我都不能十分順利的完成實驗，現(xiàn)在沒有老師的指導(dǎo)實驗更是遇到了很多的困難，這就反映出了我的問題和不足，不夠耐心不夠仔細，對問題的考慮沒有前瞻性，不過我還學(xué)到了更重要的事情，那就是團隊合作，我們?nèi)齻€人互相幫助，互相提出問題并且解決，讓我覺得團隊是成功不可缺少的重要部分。膠體的制備讓我溫故知新，用到了