物理化學(xué)實驗：膠體制備報告

實驗10膠體電泳速率及雙電層ζ電勢的測定實驗?zāi)康恼莆漳鄯ㄖ苽銯e(OH)3溶膠和純化溶膠的方法；掌握電泳法測量Fe(OH)3溶膠的電泳速率及計算ζ電勢的方法；實驗原理在日常生活中，常見的膠體比如：牛奶、果凍、葡萄糖、血液、肥皂水、墨水、煙霧、合金、有色玻璃等。膠體定義為分散質(zhì)粒子至少有一維空間尺寸在1納米-100納米之間，是介于粗分散系統(tǒng)與溶液之間的一種具有相界面的高分散體系。其與粗分散系統(tǒng)、溶液的區(qū)別如下表所示：類型粒子大小主要特征粗分散系統(tǒng).>100nm不能通過濾紙或半透膜，不擴散，一般顯微鏡下觀察可見膠體（溶膠）1nm~100nm可以通過濾紙，但不能通過半透膜，擴散很慢，普通顯微鏡下觀察不見，但超顯微鏡可以溶液<1nm可以通過濾紙和半透膜，擴散快，普通顯微鏡和超顯微鏡看不見膠體具有以下幾方面的性質(zhì)：光學(xué)性質(zhì)——丁達爾效應(yīng)；動力學(xué)性質(zhì)——布朗運動，沉降與沉降平衡；電學(xué)性質(zhì)——電泳和電勢；其他性質(zhì)——具有粘度。通常制備膠體的方法主要有兩種：一是使固體顆粒尺寸變小的分散法，即研磨、溶膠法等；二是使分子或離子聚結(jié)成膠粒的凝聚法，即化學(xué)反應(yīng)或該換溶劑法等。本實驗主要關(guān)于膠體的電學(xué)性質(zhì)，膠體表面由于電離或吸附粒子帶有一定量的電荷，比如氫氧化鐵膠體吸附溶液中的氫質(zhì)子而帶有正電荷，或硅膠表面電離而帶有負電荷。由于膠體表面帶電荷，則存在靜電吸引力，因此必定會吸引等量的電性相反的電荷，所欲最終整個溶膠體系保持電中性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，膠體呈帶有電界面的雙電層結(jié)構(gòu)，即被吸附的電荷分為緊密層和擴散層。緊密層的電荷，在外電場作用下，可以隨著膠體一起運動，但是擴散層中的電荷不能隨著膠體運動，因此，具有向相反電極運動的趨勢。這樣分散粒子相對于分散介質(zhì)移動的現(xiàn)象稱為電泳。發(fā)生相對移動的界面，也是緊密層與擴散層的界面，與液體內(nèi)部的電勢差，即為ζ電勢。ζ電勢是表征膠粒特性的重要物理量之一，ζ電勢絕對值越大，則表明膠體帶電荷量越多，這樣膠體粒子間排斥力也就越大，膠體越穩(wěn)定；反之，則表明膠體越不穩(wěn)定。本實驗采用U形管電泳儀在一定的外加電場強度下測定氫氧化鐵膠粒的電泳速率，并計算其ζ電勢。在電泳儀兩極間接上電位差E（V）后，在t（s）時間內(nèi)溶膠界面移動的距離為D（m），則膠粒電泳速率U（m·s-1）為：則ζ電勢可表示為：其中：K——與膠粒形狀有關(guān)的常數(shù)，本實驗中氫氧化鐵膠粒為棒形粒子，K=3.6×1010V2·S2·Kg-1·m-1；η——介質(zhì)的粘附（本實驗水的黏度），Kg·m-1·s-1；ε——介質(zhì)的介電常數(shù)；H——電勢梯度，V·m-1；當輔助液的電導(dǎo)率與溶膠的電導(dǎo)率相差很小時，相距l(xiāng)（m）的兩電極間的電勢平均梯度為：當輔助液的電導(dǎo)率與溶膠的電導(dǎo)率L相差較大，則整個電泳管內(nèi)的電勢降是不均勻的，這時對電勢梯度應(yīng)按下式計算：儀器與試劑儀器：直流穩(wěn)壓電源（1臺）；電泳儀（帶鉑金電極1對）1臺；電導(dǎo)率儀（1臺）；鐵架臺；250ml錐形瓶（2個）；燒杯。試劑：三氯化鐵（C.R.）；棉膠液（C.R.）實驗步驟（1）Fe(OH)3溶膠的制備將0.5g無水FeCl3溶于20ml蒸餾水中，在不斷攪拌下將該溶液滴入200ml沸水（控制在4-5min內(nèi)滴完），再煮1-2min，即制得紅色Fe(OH)3溶膠。（2）溶膠的純化將冷至約50℃的Fe(OH)3溶膠轉(zhuǎn)移到滲析袋內(nèi)，用約50℃的蒸餾水滲析，約10min換水1次，滲析5次。（3）配制輔助液將滲析好的Fe(OH)3溶膠冷卻至室溫，測其電導(dǎo)率，用0.1mol·L-1的鹽酸溶液和蒸餾水配制與溶膠電導(dǎo)率相同的輔助液。（4）測定Fe(OH)3溶膠的電泳速度按圖電泳儀裝配示意圖將洗凈的電泳儀裝配好，從中間漏斗加入輔助液，再緩慢地加入Fe(OH)3溶膠。將電泳儀上的兩根鉑黑電極插入支管內(nèi)并連接電源，將恒壓電源開關(guān)撥至電壓檔，將電壓調(diào)至80V，觀察實驗現(xiàn)象并記錄結(jié)果。數(shù)據(jù)處理實驗測量數(shù)據(jù)：D=1cm；t=26min；E=80v;l=11.5cm；H=E/l=695.652V·m-1；U=6.4103×10-6m·s-1水在室溫10℃下，η=1.3097×103Pa·s=0.13097×103Kg·m-1·s-1；ε=83.95F/m；ζ=3.6×1010V2·S2·Kg-1·m-1×π×6.4103×10-6m·s-1×0.13097×103Kg?m-1?s-1/83.95×695.652V·m-1；ζ=1.625×103V最終測得氫氧化鐵膠體的ζ電勢為：ζ=1.625×103V；電泳速率為：U=6.4103×10-6m·s-1結(jié)果討論電泳速率與哪些條件有關(guān)？答：a外加電場強度影響大，外加電壓大，速度快b與膠體凈化后所測電導(dǎo)值有關(guān)，電導(dǎo)大，電泳速度快；c與兩極間距離有關(guān)，距離短，速度快；d與溫度有關(guān)，溫度高，介質(zhì)的粘度降低，有利于電泳速度的提高；e與膠體的ζ本性相關(guān)；f與輔助液的性質(zhì)相關(guān)。寫出FeCl3水解方程式，解析Fe(OH)3膠粒帶何種電荷取決于什么因素？答：膠體粒子具有較大的表面積，能夠吸附離子而帶電，并且使根據(jù)“相似相吸”原理。具體過程是先形成膠核，然后會吸引相應(yīng)的離子，然后點位離子會繼續(xù)吸吸附反離子，變?yōu)橐粋€完整的膠粒。當向沸水中加入氯化鐵溶液時，由于Fe3+水解，使溶液顯酸性，溶液OH-濃度減小，溶液中部分氫氧化鐵與HCl反應(yīng)：Fe(OH)3+HCl—FeOCl+2H2OFeOCl電離為：FeOCl==FeO++Cl-FeO+是與Fe(OH)3組成類似的離子，所以被優(yōu)先吸附使Fe(OH)3膠粒帶正電；如果在堿性環(huán)境下，則可吸附OH－帶負電。我們常說的氫氧化鐵膠體帶正電，是由于制備膠體的實驗過程的特殊性決定的，而非氫氧化鐵膠體一定帶正電。電泳中輔助液選擇應(yīng)根據(jù)哪些條件？答：a與膠體顏色反差要大，便于區(qū)分；b較膠體比重要輕，界面容易清晰；c輔助液正負離子遷移的速度要相近，克服兩臂中上升和下降速度不等的困難。d輔助液電導(dǎo)要近于溶膠，以消除其間的電位梯度，否則，電泳公式不得不進行修訂。注意事項溶膠的制備條件和純化效果均會影響電泳速率，如：制膠過程中控制濃度，溫度