中国石油大学-溶胶胶体的制备及性质研究

中国石油大学油田化学实验报告实验日期：成绩：班级：学号：姓名：教师：同组者：胶体的制备和电泳实验一、实验目的1.学会溶胶制备的基本原理、并掌握溶胶制备的主要方法；2.利用界面电泳法测定AgI溶胶的电动位；3.掌握溶胶的聚沉原理和方法；4.理解电解质聚沉的符号和价数法则；5.掌握电解质和高分子对胶体稳定性的影响。二、实验原理溶胶是溶解度极小的固体在液体中高度分散所形成的胶态体系，其颗粒直径变动在791010m～范围。1.溶胶制备要制备出稳定的溶胶一般需满足两个条件：固体分散相的质点大小必须在胶体分度的范围内；固体分散质点在液体介质中要保持分散不聚结，为此，一般需要加稳定剂。制备溶胶原则上有两种方法：将大块固体分割到胶体分散度的大小，此法称为分散法；使小分子或粒子聚集成胶体大小，此法称为凝聚法。(1)分散法分散法主要有3种方式，即机械研磨、超声分散和胶溶分散。①研磨法：常用的设备主要有胶体磨和球磨机等。胶体磨由两片靠得很近的盘或磨刀，均由坚硬耐磨的合金或碳化硅制成。当上下两磨盘以高速反向转动时（转速约5000－10000rpm），粗粒子就被磨细。在机械磨中胶体研磨的效率较高，但一般只能将质点磨细到1um左右。②超声分散法：频率高于16000Hz的声波称为超声波，高频率的超声波传入介质，在介质中产生相同频率的疏密交替，对分散相产生很大的撕碎力，从而达到分散效果。此法操作简单，效率高，经常用作胶体分散及乳状液制备。③胶溶法：胶溶法是把暂时聚集在一起的胶体粒子重新分散而成溶胶。例如，氢氧化铁、氢氧化铝等的沉淀实际上是胶体质点的聚集体，由于制备时缺少稳定剂，故胶体质点聚在一起而沉淀。此时若加入少量的电解质，胶体质点因吸附离子而带电，沉淀就会在适当的搅拌下重新分散成胶体。有时质点聚集成沉淀是因为电解质过多，设法洗去过量的电解质也会使沉淀转化成溶胶。利用这些方法使沉淀转化成溶胶的过程成为胶溶作用。胶溶作用只能用于新鲜的沉淀。若沉淀放置过久，小粒经过老化，出现粒子间的连接或变化成大的粒子，就不能利用胶溶作用来达到重新分散的目的。(2)凝聚法主要有化学反应法及更换介质法，此法的基本原则是形成分子分散的过饱和溶液，控制条件，使形成的不溶物颗粒大小在溶胶分散度内。此法与分散度相比不仅在能量上有限，而且可以制成高分散度的胶体。①化学反应法：凡能形成不溶物的复分解反应、水化反应以及氧化还原反应等皆可用来制备溶胶。由于离子的浓度对胶体的稳定性有直接的影响，在制备溶胶时要注意控制电解质的浓度。②改换介质法：此法系利用同一物质在不同溶剂中溶解度相差悬殊的特性，使溶解于良溶剂中的溶质，在加入不良溶剂后，因其溶解度下降而以胶体粒子的大小析出，形成溶胶。此法作溶胶方法简便，但得到的溶胶粒子不太细。2、溶胶的电泳在电场的作用下，胶体粒子向正极或负极移动的现象叫电泳。电泳现象证实胶体粒子的带电性。胶体粒子带电是因为在其周围形成了扩散双电层。按对固体的关系，扩散双电层离子可沿滑动面分为吸附层离子和扩散层离子两部分，使固体表面和分散介质之间有电势差，即电势。电势的大小可通过电泳实验测得。在外电场的作用下，根据胶体粒子的相对运动速度计算电势的基本公式是：ldtv式中:－胶体粒子的电动电势(V)；－介质的动力粘度(Pas)；d－溶胶界面移动的距离(m)；l－两电极之间的距离(m)－介电常数(/Fm)；V－两级间的电位差(V)；t－电泳进行的时间(s)。水的粘度和介电常数可通过查表的到。利用电泳测定电动电势有宏观法和微观法两种。宏观法是观察在电泳管内溶胶与辅助液间界面在电场作用下的移动速度。微观法借助于超显微镜观察单个胶体粒子在电场作用下的移动速度。本实验用宏观法测定，所使用的电泳管如下图所示。电极辅助液界面溶胶活塞3、无机电解质的聚沉作用溶胶由于失去聚结稳定性进而失去动力稳定性的整个过程叫聚沉。电解质可以使溶胶发生聚沉。原因是电解质能使溶胶的电势下降，且电解质的浓度越高电势下降幅度越大。当电势下降至某一数值时，溶胶就会失去聚结稳定性，进而发生聚沉。不同电解质对溶胶有不同的聚沉能力，常用聚沉值来表示。聚沉值是指一定时间内，能使溶胶发生明显聚沉的电解质的最低浓度。聚沉值越大，电解质对溶胶的聚沉能力越小。聚沉值的大小与电解质中与溶胶所带电荷符号相反的离子的价数有关。这种相反符号离子的价数有关。这种相反符号离子的价数越高，电解质的聚沉能力越大。叔采-哈迪分别研究了电解质对不同溶胶的聚沉值，并归纳得出了聚沉离子的价数与聚沉值的关系：)～0.101.0)～25.0)(～15025(:32（：MMM这个规律称为叔采-哈迪规则。4、溶胶相互聚沉现象两种具有相反电荷的溶胶相互混合也能产生聚沉，这种现象称为相互聚沉现象。通常认为有两种作用机理。（1）电荷相反的两种胶粒电性中和。（2）一种溶胶是具有相反电荷溶胶的高价反离子。5、高分子的絮凝作用当高分子的浓度很低时，高分子主要表现为对溶胶的絮凝作用。絮凝作用是由于高分子对溶胶胶粒的“桥联理论”认为:在高分子浓度很低时，高分子的链可以同时吸附在几个胶体粒子上，通过“架桥”的方式将几个胶粒连在一起，由于高分子链段的旋转和振动，将胶体粒子聚集在一起而产生沉降。三、仪器与药品1．仪器电泳仪，电导率仪，电炉，秒表，电泳管，电极2支，100ml烧杯3个，250ml烧杯1，50ml量筒2个，100ml量筒1个，20ml具塞试管6支，100ml锥形瓶3个，50ml具塞量筒3支，10ml移液管1支，胶头滴管，吸耳球，秒表等。2．药品蒙脱土，蒸馏水，1000mg/lNaCl溶液，0.01mol/gAgNO3溶液，0.01mol/LKI溶液，0.005mol/LKCl溶液，2mol/LKCl溶液，0.01mol/LK2SO4溶液，0.001mol/LK3(COO)3C3H4溶液，1000mg/L部分水解聚丙烯酰胺（相对分子量300万）溶液，原油，Fe（OH）3溶胶，粘土溶胶。五、实验操作步骤（一）溶胶的制备分散法：粘土溶液的制备：①称取0.5g蒙脱土与100ml的烧杯中，量筒量取50ml蒸馏水，倒入烧杯中，充分搅拌，制得粘土溶胶。②称取1g蒙脱土于250ml的烧杯中,量筒量取100ml1000mg/lNaCl溶液,倒入烧杯中,充分搅拌,制得粘土溶胶。（二）AgI溶胶的电泳1.制备AgI溶胶用ml50量筒量取lmolml/01.030的KI溶液，倒入100mL的烧杯中。然后，用另一ml50量筒量取lmolml/01.028的3AgNO溶液，用胶头滴管向量取的KI溶液中滴加量取的3AgNO溶液，并不断搅拌，滴加结束即制的AgI负溶胶。2.电势的测定（1）仔细洗净电泳管，检查活塞是否润滑良好，且不漏。用少量已配好的AgI溶胶将电泳管的漏斗至活塞的支管洗一遍。用滴管由漏斗加入少量溶胶，使活塞孔内充满溶胶，迅速关闭活塞。用辅助液洗涤U型管部分。活塞以上若有溶胶也应洗去。（2）关闭电泳管活塞，将电泳管垂直固定在铁架台支架上。（3）用胶头滴管由漏斗向电泳管中加入值得的溶胶至漏斗细支管顶部，然后倒入烧杯中剩于的溶胶。（4）用烧杯取一定量的KCl辅助液，沿U型管倒入电泳管。因为使用长电极，所以将辅助液倒入U型管至刻度4。（5）将黑色挡板放在U型管后，慢慢打开活塞使溶胶慢慢上升。注意，不要全部打开，一定要慢，否则得不到清晰的溶胶界面。至溶胶上升至刻度线0时，关闭活塞。（6）将两个电极轻轻插入电泳管的U型管中。整个过程注意保持平稳，不使电泳管受振动。（7）将电泳仪电泳仪电源开扳下（关），将输出调节旋钮反时针方向旋至输出电压最小位置，接好电源线，，做好开机准备。将两电极引线接在电泳仪上，将电泳仪电源开关扳上（开），指示灯亮，预热5分钟后，调节输出旋钮到电压指示为150V。按电泳仪的开始按钮，同时计时，指示灯显示为R。注意:由于电泳仪输出电压较高，在通电过程中不要接触电极，否则有触电危险。（8）观察溶胶上升界面清晰后，用秒表测量界面上升0.5、1.0、1.5cm所需时间。测量完毕，按电泳仪的停止按钮，指示灯灭。拆下电极引线，卸下电泳管，将管内的液体倒入指定的废液杯中。（9）用钢尺仔细量出U型管的距离，减去U型管的两个半径，即为两电极之间的距离。（10）实验结束，洗净使用过的所有玻璃仪器，将药品和仪器放回原处。（三）溶胶聚沉1.电解质对溶胶的聚沉（1）依次用移液管移取Fe（OH）3溶胶10毫升，分别加到3个清洁干燥的100ml的锥形瓶内。注意，移液管将液体移入锥形瓶中时，使其出口尖端接触器壁，锥形瓶倾斜45度，而使移液管直立，然后放松食指，使溶液自由地顺壁留下，待溶液流出后，移液管在壁上旋转15-30s,此时移液管尖端仍残留有一滴液体，残留液体不可吹出。（2）用胶头滴管向第一个锥形瓶中滴加0.01mol/L硫酸钾溶液，每加入一滴要充分振荡，至少一分钟内溶胶不会出现浑浊才可以加入第二滴电解质溶液，当溶液和氢氧化铁溶胶相比颜色变浅，记下刚刚产生浑浊时电解质的滴数，按每毫升20滴计算聚沉值。（3）按照上述操作方法，分别向另外两个盛有氢氧化铁溶胶的锥形瓶中加入柠檬酸钾溶液和氯化钾溶液，记录刚刚产生浑浊时电解质的滴数。2.粘土溶胶和氢氧化铁溶胶的相互聚沉（1）取6只20ml具塞试管，在第一支试管中滴加2滴（即0.1ml）氢氧化铁溶胶，然后摇晃电性中和粘土溶胶使之均匀，用胶头滴管向具塞试管中加入摇晃均匀的粘土溶胶，使两种溶胶的总体积为6ml。最后，将配好溶液的具塞试管放在试管架上。（2）分别向其余5只具塞试管中滴加氢氧化铁溶胶0.5、1.0、3.0、5.0、5.5ml；和电性中和粘土溶胶5.5、5.0、3.0、1.0、0.5ml。注意，在向这五个具塞试管中滴加溶胶时，应先加入量多的溶胶，然后在加入量少的溶胶，最后，使具塞试管中的溶胶体积为6.0ml。（3）将配好溶胶的6只具塞试管放在试管架上。然后，两手拿起试管，同时上下摇晃10次后，放在试管架上静置。启动秒表，10min观察溶胶体系的聚沉量、分层快慢及体积变化规律。注意：在做该实验时应注意氢氧化铁溶胶和粘土溶胶的添加顺序。（四）高分子的絮凝作用（1）分别取蒸馏水和NaCl溶液配置的粘土溶胶50ml于50ml具塞量筒中，均加入浓度为1000mg/L的部分水解聚丙稀铣胺溶液15滴，盖上瓶盖后，同时将两只具塞量筒来回摇晃10次，摇晃结束后，观察两个具塞量筒中粘土溶胶的絮凝现象。（2）取NaCl溶液配置的粘土溶胶500ml于50ml的具塞量筒中，向具塞量筒中加入1ml原油，盖上瓶后，上下摇晃10次后，静置10分钟，观察沉降或上浮情况。六、实验数据处理1、两种粘土溶胶稳定性对比研究粘土溶胶（一）粘土溶胶（二）稳定性稳定存在，未出现分层现象出现沉淀，体积6ml，上层为清液2电动势测定电压：200V；室温：20.0℃；L：7.80cm；η=1.00210^（-3）Pa·s；7.09610^（-10）F/M(cm)d(cm)t(min)(V)-0.20.33’26’’0.01340.01330.86’54’’0.01331.310’20’’0.0133Vtvld0134.0206*200*10*096.710*5.0*10*8.7*10*002.1102231Vtvld0133.0414*200*10*096.710*0.1*10*8.7*10*002.1102232Vtvld0133.0620*200*10*096.710*5.1*10*8.7*10*002.1102233V0133.030133.00133.00134.033213无机电解质的聚沉作用电解质12molLKCl1240.01molLKSO133340.001()molLKCOOCHOH加入滴数1553电解质溶液体积(mL)0.750.250.15聚沉值（mmol/L)139.50.24390.01478根据公式溶胶电解质电解质电解质VVVCC得Lmmo