溶膠的制備及光電性質(zhì)測定

1、溶膠的制備及光電性質(zhì)測定一、實驗?zāi)康?掌握制備膠體溶液的方法。2掌握用熱滲析法純化溶膠的技術(shù)。3用電泳法測定Fe(OH)3溶膠的電泳速度及其z電位。二、實驗原理膠體溶液是大小在1100nm之間的質(zhì)點（稱為分散相）分散在介質(zhì)（稱為分散介質(zhì)）當中而形成的體系。分散相和分散介質(zhì)都可以分別屬于液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)中的任何一種狀態(tài)。分散介質(zhì)為液態(tài)或氣態(tài)的膠體體系能流動，外觀類似普通的真溶液，通常稱為溶膠。分散介質(zhì)不能流動的膠體，則稱為凝膠。許多天然高分子物質(zhì)，能自動和水形成溶膠，通稱為親液溶膠或高分子溶膠，它是熱力學(xué)穩(wěn)定體系。一般所指的溶膠是另一類熱力學(xué)不穩(wěn)定的多相體系。它們不能自動生成，通稱為憎液溶膠。憎

2、液溶膠要穩(wěn)定存在，需具有動力穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。動力穩(wěn)定性是由于分散相的粒子大小在1100nm之間，而不會因重力作用而很快沉降，一般都能在較長時間內(nèi)存在。聚結(jié)穩(wěn)定性是指粒子與粒子不會碰撞而合并到一起。它是由于分散相粒子吸附某些離子后帶電。而各膠粒帶同種電荷相斥，因而獲得聚結(jié)穩(wěn)定性。因此制備溶膠的要點是設(shè)法使分散相物質(zhì)通過分散或凝聚的方法使其粒度正好落在1100nm之間，并加入一定量的合適電解質(zhì)穩(wěn)定劑，使分散相粒子帶電。溶膠的制備方法可分為兩大類，一類是分散法制溶膠，即把較大的物質(zhì)顆粒變?yōu)樾☆w粒，從而得到溶膠。其中包括機械法，電弧法，超聲波法，膠溶法等。另一類是凝聚法制溶膠，即把物質(zhì)的分子或離子

3、聚合成較大顆粒，從而得到溶膠。屬于這一類的有化學(xué)反應(yīng)法、變換分散介質(zhì)法、物質(zhì)蒸汽凝結(jié)法等。膠體的性質(zhì)是由其顆粒的大小決定的。由于顆粒較小，受分散介質(zhì)分子熱運動的碰撞，能作不規(guī)則的運動，稱布朗運動。在超級顯微鏡下可以觀察到此種運動現(xiàn)象稱為膠體的動力學(xué)性質(zhì)。由于顆粒小于但接近可見光波長，能使射在膠粒上的可見光發(fā)生散射，稱丁達爾現(xiàn)象，這是膠體所特有的性質(zhì)，可以用來區(qū)分膠體溶液與真溶液。由于膠體顆粒遠大于溶液中的離子及溶劑分子，對于一些孔徑在1nm左右的多孔膜，膠體不能通過，而離子及溶劑分子卻可通過，這一性質(zhì)稱為膠體的半透性?？衫枚嗫啄砑兓z體，除去留在膠體中的其他雜質(zhì)，使離子和小分子中性物質(zhì)通過

4、膜擴散到純?nèi)軇┲腥?，不斷地更換純?nèi)軇?，即可把膠體中的雜質(zhì)除去，這種方法稱為半透膜滲析法。提高滲析溫度，可提高滲析速度，稱熱滲析。由于膠粒表面吸附了一些與膠體結(jié)構(gòu)相類似的帶電離子，有些膠粒帶正電，有些帶負電，因此在外加靜電場的作用下，可觀察到膠體溶液作定向運動，稱為電泳。荷電的膠粒與分散介質(zhì)間的電位差，稱為z 電位。測定z 電位，對解決膠體體系的穩(wěn)定性具有很大的意義。在一般憎液溶膠中，z 電位數(shù)值愈小，則其穩(wěn)定性亦愈差。當z 電位等于零時，溶膠的聚集穩(wěn)定性最差，此時可觀察到聚沉的現(xiàn)象。因此，無論制備膠體或破壞膠體，都需要了解所研究膠體的z 電位。原則上，任何一種膠體的電動現(xiàn)象（電滲、電泳、液流電

5、位、沉降電位），都可利用來測定z 電位，但最方便的則是電泳現(xiàn)象來測定。電泳法又區(qū)分為二類，即宏觀法和微觀法。宏觀法原理是觀察溶膠與另一不含膠粒的導(dǎo)電液體的界面在電場中的移動速度。微觀法則是直接觀察單個膠粒在電場中的泳動速度。對高分散的溶膠，如As2S3溶膠和Fe2O3溶膠，或過濃的溶膠，不易觀察個別粒子的運動，只能用宏觀法。對于顏色太淡或濃度過稀的溶膠，則適宜用微觀法。本實驗采用宏觀法。宏觀電泳法的原理如圖1所示。例如測定Fe2(OH)3溶膠的電泳，則在U形的電泳測定管中先放入棕紅色的Fe(OH)3溶膠，然后在溶膠液面上小心地放入無色的稀HCl溶液，使溶膠與溶液之間有明顯的界面。在U形管的兩端

6、各放一根電極，通電到一定時間后，即可見Fe(OH)3溶膠的棕紅色界面向負極上升，而在正極則界面下降。這說明Fe(OH)3膠粒帶正電荷。更準確的實驗還可以計算出膠體雙電層的z 電位。z 電位的數(shù)值，可根據(jù)亥姆霍茲方程式計算。（靜電單位）或者 （V）式中H稱為電位梯度：H = E/Lh 是液體的粘度（泊）e 是液體的介電常數(shù)E是外加電場的電壓數(shù)值（V）L是兩極間的距離（注意：不是水平橫距離，而是U形管的導(dǎo)電距離）U是電泳速度（即遷移速率，cm·s-1）我們只要在一定的外電場作用下，通過測定電泳的速度，就可以計算出膠體的z電位。破壞了膠體溶液存在的條件，即可使膠粒聚沉。如長時間靜置，可使溶

7、膠聚沉。提高膠體溶液的溫度，增加膠粒動能及單位時間的碰撞次數(shù)，也可使溶膠聚沉。在膠體溶液中加入大量電解質(zhì)，使得與膠粒電荷相反的帶電離子進入膠粒雙電層，降低膠粒間的排斥勢能等，都可使膠粒聚沉。特別是加入具有高價反離子的電解質(zhì)，效果更顯著。三、實驗物品 電泳儀 1臺 氦氖激光器/激光教鞭 1臺/支 離心機 1臺 銀電極 1對 鉑電極 1對 煤氣燈/天然氣燈 1個 電吹風(fēng) 1個 水浴鍋 1個 0100溫度計 1支 燒杯50 cm3 2個、100 cm3 2個、400 cm3 1個、800 cm3 1個 粗玻璃試管 1個 表面皿 1個 比色管100mL 5個 培養(yǎng)皿 1個 漏斗 1個 滴管 若干支 F

8、eCl3 10% Na2S2O3 1% H2SO4 1% AgNO3 1% KSCN 1% NH3·H2O 10% NaOH 0.001mol·dm-3 HCl 0.01mol·dm-3 松香酒精溶液 2% pH試紙 火棉膠溶液（溶劑為13的乙醇乙醚） 4%四、實驗步驟1Fe(OH)3溶膠的制備及純化 (1) 半透膜的制備：選用一內(nèi)壁光滑的粗玻璃試管，洗凈烘干冷卻后，在瓶中倒入約20cm3 4%的火棉膠溶液。小心轉(zhuǎn)動燒瓶，使火棉膠粘附在試管內(nèi)形成均勻簿層。傾出多余的火棉膠溶液。此時試管仍須倒置并不斷旋轉(zhuǎn)。待剩余的火棉膠流盡，用電吹風(fēng)機冷吹試管口加快蒸發(fā)，直至嗅不出

9、乙醚氣味為止。這時用手指輕觸火棉膠膜已不粘手。但膜中尚有乙醚未蒸發(fā)完。用熱吹風(fēng)加熱試管各處。片刻后，往試管中灌入蒸餾水至滿。若乙醚未蒸發(fā)完全，過早加水，則半透膜呈白色不能用。若吹風(fēng)時間過長，膜完全干硬與試管脫離開，膜易裂也不合用。將膜浸入水中約十分鐘，使膜中剩余的乙醚溶去。倒掉瓶中之水，用小刀在瓶口將膜割開，用手指輕挑即可使膜與壁脫離，往夾層中注入水，輕輕取出，即成膜袋。膜袋之中的水應(yīng)能逐漸滲出，否則不符合要求重做。半透膜不用時要保存在水中，否則袋發(fā)脆，且滲透能力顯著降低。 注意：制備半透膜時，要把火棉膠中的乙醚完全揮發(fā)掉再加入水，如加水太早，半透膜成乳白色，不能用；加水太遲，半透膜變干變脆，

10、也不能用。 (2) 用水解法制備Fe(OH)3溶膠：在100 cm3燒杯中加80 cm3蒸餾水，加熱至沸，逐滴加入10 cm310%的FeCl3溶液，并不斷攪拌，加完后繼續(xù)沸騰5min，由水解得紅棕色Fe(OH)3溶膠。 (3) 熱滲析法純化Fe(OH)3溶膠：將制得的Fe(OH)3溶膠置于火棉膠半透膜袋內(nèi)，栓住袋口，置于800 cm3的清潔燒杯中。在杯中加蒸餾水約300 cm3，將燒杯放入水浴鍋內(nèi)加熱。保持溫度在6070之間，進行熱滲析。約15min換一次水，并取出少量水用1%的AgNO3和1%KSCN溶液分別檢查Cl和Fe3+，并用pH試紙檢驗溶液的酸堿性，直至檢查不出Cl和Fe3+，pH

11、 = 6時為止。記錄純化過程的現(xiàn)象，將純化過的Fe(OH)3移置于干凈的試劑瓶中放置老化。老化后的Fe(OH)3溶膠可供電泳實驗用。 制得的Fe(OH)3的結(jié)構(gòu)式可用下列表示：m(Fe(OH)3) nFeO+ (nx)Clx+ · xCl 將制得的溶膠溶液通過氦氖激光器的光束，觀察其特有的光散射丁達爾現(xiàn)象。2Fe(OH)3溶膠電泳的定性觀察和z電位的測定 (1) 用電導(dǎo)率儀在50cm3燒杯中測量實驗制備的Fe(OH)3溶膠的電導(dǎo)率，其值要小于0.8×104m W-1cm-1。將已測好的Fe(OH)3溶膠從電泳儀（圖1）的中間管子慢慢加入，直至液面在電泳儀立管的1/4高度為止

12、。在另一干凈的50cm3燒杯中，配制HCl溶液，使其電導(dǎo)率與Fe(OH)3溶膠完全一樣。用滴管吸取已配制好的HCl溶液，小心地從電泳儀兩邊立管貼管內(nèi)壁慢慢流入，使HCl溶液與溶膠之間始終保持清晰界面，并使兩邊立管中的溶膠界面近似保持在同一水平面上。 (2) 將鉑電極分別插入電泳儀兩邊立管溶液中約1cm處，準確記錄這時界面的刻度，然后接通電泳儀直流電源，使電壓保持在80V，20min后觀察界面位置的變化，并量取界面移動的距離，用PH試紙測量電泳前后兩立管中HCl溶液酸度的變化，并解釋此現(xiàn)象。準確量取兩極間距離。注意：電泳時，加輔助溶液一定要小心，務(wù)必保持界面清晰。3制備溶膠的幾種方法 (1) 化

13、學(xué)反應(yīng)法：取一干凈比色管，加入約25 cm3 1% Na2S2O3溶液，然后逐滴加入1% H2SO4溶液，搖動比色管，在激光束下觀察其光散射現(xiàn)象。 圖1 電泳儀示意圖 (2) 改變?nèi)軇┓ǎ喝∫桓蓛舯壬?，加?0 cm3蒸餾水，用滴管將2%松香酒精溶液逐滴加入，并搖動比色管，放入暗箱中觀察散光現(xiàn)象。 (3) 電弧法制取銀溶膠（圖2）：在50 cm3培養(yǎng)皿中加0.001mol·dm-3 NaOH溶液。將一對銀電極插入其中。電路上串聯(lián)45W電阻，然后與交流220V電源接通。手執(zhí)銀電極玻璃套管，使兩銀電極接觸，再稍拉開約1mm距離，這時出現(xiàn)淡綠色電弧。金屬銀受高溫而氣化，在溶液中凝結(jié)成膠體質(zhì)點。待溶液顯棕色時停止通電，斷切電源。若有銀的粗顆粒，將銀溶膠倒入離心試管，在離心機上分離除去粗顆粒，觀察銀溶膠的丁達爾現(xiàn)象。 (4) 膠溶法制溶膠：在100cm3燒杯中加入10% FeCl3溶液10 cm3，加入蒸餾水10 cm3，用滴管逐滴加入10% NH3·H2O溶液，并不斷攪拌，仔細觀