实验32-Fe(OH)3-溶胶的聚沉值、ξ电势及粒径分布的测定

实验32Fe(OH)3溶胶的聚沉值、ξ电势及粒径分布的测定一、目的要求1．制备Fe(OH)3溶胶并将其纯化。2．测量Fe(OH)3溶胶的聚沉值、ξ电势及粒径的分布。3．分析影响聚沉值及ξ电势的主要因素。二、原理胶体溶液是分散相线度为1nm~100nm的高分散多相体系。胶核大多是分子或原子的聚集体，由于其本身电离或与介质磨擦或因选择性吸附介质中的某些离子而带电。由于整个胶体体系是电中性的，介质中必然存在与胶核所带电荷相反的离子（称为反离子），反离子中有一部分因静电引力的作用，与吸附离子一起紧密地吸附于胶核表面，形成了紧密层。于是胶核、吸附离子和部分紧靠吸附离子的反离子构成胶粒。反离子的另一部分由于热运动以扩散方式分布于介质中，故称为扩散层。扩散层和胶粒构成胶团。扩散层与紧密层之交界区称为滑动面，滑动面上存在电势差，称为ξ电势。此电势只有在电场中才能显示出来。在电场中胶粒会向正极（胶粒带负电）或负极（胶粒带正电）移动，称为电泳。ξ电势越大，胶体体系越稳定，因此ξ电势大小是衡量溶胶稳定性的重要参数。ξ电势的大小与胶粒的大小、胶粒浓度，介质的性质、成分、pH值及温度等因素有关。从能量观点来看，胶体体系是热力学不稳定体系，因高分散度体系界面能特别高，胶核有自发聚集而聚沉的倾向。但由于胶粒带同种电荷，因此在一定条件下又能相对地稳定存在。在实际中有时需要胶体稳定存在，有时需要破坏胶体使之发生聚沉。使胶体聚沉的最有效方法是加入适量的电解质来中和胶粒所带电荷，降低ξ电势。一定量某种溶胶在一定时间内发生明显聚沉所需电解质的最低浓度称为该电解质的聚沉值。聚沉值、ξ电势和胶粒粒径的测量常用比较纯净的溶胶，这就要求对溶胶进行纯化。本实验采用渗析法，即通过半透膜除去溶胶中多余的电解质达到纯化目的。三、仪器与试剂稳流稳压电泳仪1台，0~300V；电泳管1支；250ml、800ml烧杯各1个；10ml、100ml量筒各1个；1ml移液管2支，5ml移液管1支，10ml移液管4支；150ml棕色试剂瓶1个；150ml大口锥瓶1个；25ml试管6支，试管架1个；电导率仪1台；直径为2cm长约4cm的空心玻管1根；棉线，细铜线、直尺等。800W电炉1台。粒径分析仪一台（美国COULTER公司N4PlussubmicronParticlesizeanalyzer）10%FeCl3溶液；2.000mol/LNaCl溶液;0.010mol/LNa2SO4溶液;0.005mol/LNa3PO4.12H2O；市售6%火棉胶溶液；KCl或KNO3稀溶液。四、实验步骤1．水解法制备Fe(OH)3溶胶在250ml烧杯中加入120ml蒸馏水，加热煮沸。在沸腾条件下约1min滴加完3ml10%FeCl3溶液，并不断搅拌，加完后继续煮沸3分钟。水解得到深红色的Fe(OH)3溶胶约100ml。2．制备火棉胶半透膜内壁光滑的150ml大口锥瓶在转动下从瓶口加入约6~8ml6%的火棉胶溶液，使火棉胶在锥瓶内壁上形成均匀液膜，在转动下倒出多余的火棉胶溶液于回收瓶中，将锥瓶倒置在铁圈上，使多余的火棉胶溶液流尽，让乙醚与乙醇蒸发，直至闻不出乙醚气味为止，此时用手轻摸不粘手时注满蒸馏水（若发白说明乙醚末干，膜不牢固），以溶去剩余的乙醇。用小刀在瓶口轻轻剥开一部分膜，在膜与瓶壁间注水，使膜脱离瓶壁，悬浮在水中，倒出水的同时，轻轻取出膜袋。检查是否有洞（用手托住膜袋底部，慢慢注满水），若有洞，应重做。3．纯化Fe(OH)3溶胶将水解法制得的Fe(OH)3溶胶取出，装入制好的半透膜袋内，用粗玻璃管及细线栓住袋口悬挂在铁架台上。在500ml加有60℃~70℃热蒸馏水的烧杯中渗析，每隔30分钟换一次水，直至其电导率小于50μs/cm。把纯化好的溶胶置于150ml洁净的磨口棕色瓶中。4．聚沉值的测定（1）取6支干净试管分别以0至5号编号。1号试管加入10ml2.000mol/L的NaCl溶液，0号及2~5号试管各加入9ml蒸馏水。然后从1号试管中取出1ml溶液加入到2号试管中，摇匀，又从2号试管中取出1ml溶液加到3号试管中，以下各试管手续相同，但5号试管中取出的1ml溶液弃去，使各试管具有9ml溶液，且依次浓度相差10倍。0号作为对照。在0至5号试管内分别加入1ml纯化了的Fe(OH)3溶胶(用1ml移液管)，并充分摇均匀后，放置2min左右，确定哪些试管发生聚沉。最后以聚沉和不聚沉的两支顺号试管内的NaCl溶液浓度的平均值作为聚沉值的近似值。（2）电解质分别换以0.010mol/LNa2SO4、0.0050mol/LNa3PO412H2O溶液，重复（1）进行实验。并比较其聚沉值大小。（3）按照（1）和（2）相同步骤测定各电解质对未纯化的胶体的聚沉值。上述测量，因为聚沉和不聚沉的两支顺号试管内的电解质浓度相差10倍,所以比较粗略.为了取得更精密的结果，可以在这相差10倍的浓度范围内再自行确定浓度进行细分，并进行精密聚沉值的测量实验。注意：pH、温度对测定聚沉值影响很大。5．ξ电势的测定（1）如图32—1，打开U形电泳管中部支管中的活塞A，先从中部支管加入适量已纯化的Fe(OH)3溶胶。注意：将电泳管稍倾斜使加入的胶体刚好至活塞口，关闭活塞(使活塞中无气泡)，然后将电泳管固定在铁架台上。继续加胶体共约8~10ml。（2）从U形管中加入辅助电解质约6ml—8mlKNO3（或KCl），其电导率应尽量与胶体的电导率接近。在U形管两边扦上铂丝电极，然后十分小心地慢慢打开(不能全部打开)活塞，使Fe(OH)3溶胶缓缓推辅助液上升至浸没电极约0.5cm时关闭活塞。分别记下两边胶体界面的刻度及电极两端点的刻度。（3）用细铜丝量出U形管弯曲处两箭头所指的距离L2，同时读取L1、L3。（4）将电极的香蕉扦头接入稳压电源，然后接通电源。所加电压视L值及温度而定。若L为0.3m左右，温度约为20℃，调至30V~80V。同时开动秒表，每隔3分钟，记录胶体两边界面刻度，通电约30min—20min。按（1）～（4）步骤重做一次。6．胶粒粒径分布的测定(见附录)五．数据处理L1L3L2图32—1电泳管示意图A1．将实验现象及结果用表格形式表示。2．ξ电势的计算ξ电势按下式计算，ξ=ηu/εE式中：u为电泳速度(m/s)，u=h/t,h为t时间段内负极胶体界面均匀上升的距离；E为电场强度（V/m），E=V/L，V为所加电压，L为两电极端点的距离,L=L1+L2+L3；η为水的粘度（Pa..S）；ε为水的绝对介电常数,ε=ε0·εr,，ε0为真空中的介电常数，ε0=8.854×10-12F·m-1，εr为相对介电常数；η、ε均与温度有关。水的粘度与温度的关系可查附录。介电常数与温度的关系可用下面近似公式表示：εr（t）=80.1－0.4(t/－20),80.1是水在20℃时的介电常数。六、注意事项：1．制备胶体用的大口锥瓶及电泳管内壁一定要光滑洁净。2．打开电泳管中间活塞的程度以使胶体界面保持清晰为标准。七、思考题：1．三种电解质对已纯化和末纯化的Fe(OH)3溶胶的聚沉值的影响规律是否相同？为什么？2．聚沉值、ξ电势与哪些因素有关?3．注意观察U形管中两极及胶体界面上发生的变化，为什么会有这些变化。4．通过实验说明胶体浓度与ξ电势及粒径分布之间的关系。八.、参考文献1．北京大学,物理化学实验，北京大学出版社，1995.2．复旦大学，蔡显鄂等编，物理化学实验，第二版，高等教育出版社，1993.6。3．N4plussubmicronParticlesizeanalyzer说明书九、附录：胶粒粒径的测定（用美国COULTER公司N4plussubmicronParticlesizeanalyzer）。通过测定胶粒在溶液中的扩散系数，利用公式（32-1）计算可得胶粒粒径的大小。D=kBT/(3πηd)（32-1）式中，kB=1.38×10-16erg/K，kB为波尔兹曼常数；D为扩散系数(cm/s)；T为温度(K)；η为粘度（泊）；d为粒子的直径（cm）。N4plus粒径仪测定原理框图见图32—2。14.9o20.4o10mWHeNe激光源30.4o40.2o90o50.4o步进电机光电倍增管脉冲放大和监测器数字函数器信息微处理器微机样品室聚焦透镜图32—2N4Plus粒径仪原理框图具体操作步骤：1．开机，打开联机软件，预热30分钟。2．在样品池中加入溶剂，放入仪器中。点击123图标，输入一般信息和预计直径（如不知直径，选unkown）,next,点击intesity,选择90o。检查溶剂密度，应小于1×104counts/second,并稳定。3．制样：样品稀释至一定浓度，用超声波处理3分钟以上。（需要时根据样品性质添加合适的分散剂）注意：样品的制备对测量结果影响很大。4．同2检查样品的密度，应在5×104—106counts/second范围内。5．Close,next,根据样品预计直径选择PlofileName。如需修改参数，点击More。在Instrementsettings中可改变运行时间和温度；在RunParameters中可改变平衡时间、测量角度和自动打印等；AnalysisParameters一般不修改（包含SDP分析通道数的选择等）。6．点击Start，开始测量。7．完成任后将unimodalmean拖至空白处，即显示测量结果。检查P.I.和Baseline值，以确定结果的可信度（P.I应小于1，Baseline百分数值越小越好）。对于Autocorrelation,可以选择Edit中的newanalysis进行SDP多分布计算，以作参考。