物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)：膠體制備 講稿

助教講稿：同學(xué)們好，我是你們的今天的實(shí)驗(yàn)老師。請做溶液表面張力測定的同學(xué)先到這邊做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。需要做兩件事情：先打開恒溫槽開關(guān)，設(shè)置25℃加熱。一般做這個實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置的溫度比室溫高1-2℃，現(xiàn)在室溫比較低，就按照書上要求設(shè)置25℃，但是以后你們做實(shí)驗(yàn)的話需要注意。配制實(shí)驗(yàn)需要的正丁醇溶液：首先配制0.5mol/L250ml的正丁醇溶液，我們這個正丁醇試劑是直接從廠家拿來的，上面只給正丁醇溶液的密度和相對分子質(zhì)量，所以大家需要先通過計(jì)算得到所需溶液的體積，然后用移液管量取，進(jìn)行配置。大約在配制完0.5mol/L的正丁醇溶液后，利用堿式滴定管依次配制以下濃度的溶液：0.02、0.04、0.08、0.10、0.16、0.24做膠體制備的同學(xué)請到電腦前面來，我給大家講一下今天的實(shí)驗(yàn)。今天大家需要學(xué)會用凝聚法制備氫氧化鐵膠體，然后進(jìn)行純化，純化完以后測量其電泳速率和ζ（zeta）電勢。在講原理之前，大家可以說出日常生活中有哪些是膠體溶液嗎？比如:蛋白溶液，葡萄糖、淀粉溶液、肥皂水、人體中的血液、這些都是分散質(zhì)是固體，分散劑是液體，還有另外常見的霧、煙、塵，這些都是分散劑為氣體的膠體。再比如吃的東西有哪些是膠體？牛奶、豆腐腦、果凍。也存在固態(tài)的膠體，如泡沫塑料，合金，有色玻璃。PS：豆?jié){、墨水、涂料我們常見的是以液體為分散劑的膠體。那么什么是膠體？膠體具有怎樣的性質(zhì)呢？膠體，就是分散質(zhì)粒子至少有一維空間尺寸在1nm-100nm之間，它是一種介于溶液和粗分散體系的一類分散體系。對于粗分散體系，比如：乳狀液，懸浮液，泡沫等，它的分散質(zhì)粒子尺寸往往要比膠體大，在100納米以上，這種粗分散體系，不能通過濾紙和半透溶液，一般不能擴(kuò)散，可以在一般的顯微鏡下觀察到。乳狀液：是一種液體以液珠形式分散在與它不相溶的另一種液體中而形成的分散體系。一般不透明，呈乳白色。液滴直徑大多在100納米到10微米之間，如：牛奶，冰激凌、雪花膏等，有水包油和油包水兩種類型；懸浮劑：固體顆粒分散于液體中，因布朗運(yùn)動而不能很快下沉，此時(shí)固體分散相與液體的混合物稱為懸浮液。如：泥沙，但是通常懸浮液穩(wěn)定性較小，容易沉淀分出，通常需要加入分散劑，使懸浮穩(wěn)定。溶液，比如：鹽酸、強(qiáng)氧化鈉，鹽水等，是真溶液，由于是在分子級別上的相容，分散質(zhì)粒子的尺寸非常小，在1納米以下，因此，可以通過濾紙和半透膜，擴(kuò)散速度非常快，普通顯微鏡、和超級顯微鏡下觀察不到。溶膠就是介于粗分散體系與溶液之間，粒子能透過濾紙，但不能通過半透膜，擴(kuò)散速度很慢，只能在超顯微鏡下觀察可見。對于這樣的分散體系，它具有怎樣的性質(zhì)呢？光學(xué)性質(zhì)，丁達(dá)爾效應(yīng)和光散射。丁達(dá)爾效應(yīng)就是用光束垂直照射膠體時(shí)，可以在光透過溶膠的途徑上看到一個光柱，這是由于膠體粒子尺寸小于入射光波長，而產(chǎn)生光散射所引起的。我們通常利用這個現(xiàn)象來辨別是否是膠體。動力學(xué)性質(zhì)：布朗運(yùn)動與擴(kuò)散，沉降與沉降平衡。布朗運(yùn)動，大家度知道，是粒子做永不停息的無規(guī)則的運(yùn)動。對于溶膠，它是一種高度分散的多想系統(tǒng)，具有很大的比表面和表面吉布斯函數(shù)，粒子間有互相聚結(jié)而降低其表面吉布斯函數(shù)的趨勢，也就是溶膠會自動聚結(jié)為大粒子，是整個系統(tǒng)配破壞。因此溶膠在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定。如果長時(shí)間放置會發(fā)生聚沉。電學(xué)性質(zhì)：電泳和電勢。這也是我們這個實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。其他性質(zhì)：比如膠體具有黏度，可以發(fā)生流變等。我們這個實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容就是膠體的電學(xué)性質(zhì)：電泳和電勢。再了解電泳和電勢之前，我們首先看一下膠體粒子在分散劑中是如何存在的。我們發(fā)現(xiàn)膠體粒子在固液界面層上帶電，但是呈電中性，而且具有雙電層結(jié)構(gòu)。我們先分析膠體帶電的原因，有兩種：一是選擇性吸附溶液中某種離子而帶電，比如氫氧化鐵膠體吸附溶液中的氫質(zhì)子而帶有正電荷。二是固體表面上物質(zhì)電離也可帶電。這樣膠體表面粒子帶電，由于靜電吸引力的存在，必然要吸引等電量的相反電荷的離子，因此膠體粒子呈電中性。并且這種被吸附電荷分布是呈具有電界面的雙電層結(jié)構(gòu)，如圖所示：氫氧化鐵膠體吸附的氯離子，很明顯存在緊密層和擴(kuò)散層。緊密層的氯離子可以在電場作用下隨著膠體粒子一起運(yùn)動，但擴(kuò)散層中的氯離子，由于離膠體核比較遠(yuǎn)，往往不能隨著膠體粒子運(yùn)動而出現(xiàn)向相反電極移動的現(xiàn)象。這種在電場作用下分散相粒子相對于分散介質(zhì)的運(yùn)動稱為電泳。發(fā)生相對移動的界面，即緊密層與擴(kuò)散層的界面，被稱為切動面或滑動面，切動面與液體內(nèi)部的電勢差就稱為ζ電勢。ζ電勢是表征膠體粒子特性的重要物理量之一，如果ζ電勢的絕對值越大，表明膠粒所帶電荷量越多，膠體越穩(wěn)定，反之，則表明膠體越不穩(wěn)定。當(dāng)ζ電勢為零時(shí)，膠體的穩(wěn)定性最差，容易發(fā)生聚沉。表面張力測定實(shí)驗(yàn)做表面張力測定實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，請到電腦這邊。今天由我?guī)Т蠹覍W(xué)習(xí)如何用最大氣泡法測定正丁醇水溶液的表面張力與濃度的關(guān)系。因此我們這個實(shí)驗(yàn)的目的主要為：掌握一種測定表面張力的方法——最大氣泡法；測定正丁醇水溶液的表面張力、表面吸附量與濃度的關(guān)系，并計(jì)算正丁醇分子的橫截面及表面飽和吸附層的厚度。我們知道，溶液表面分子和內(nèi)部分子所處的環(huán)境不同，體相分子受力平衡，可以自由移動，但表面層分子受到向內(nèi)的拉力，因此，液體有自動縮小表面呈球形的趨勢。如果要把一個分子從液體的內(nèi)部遷移到液體的表面，就必須克服拉力做功。在溫度、壓力及液體組成恒定時(shí)，可逆的使表面增加dA所需對體系做的功，稱為表面功。它的熱力學(xué)表達(dá)式如下。σ物理意義是指液體的表面張力或液體的比表面能。從這個表達(dá)式，我們可以看出表面張力不僅與溫度、壓力有關(guān)，并且還與溶液的種類和濃度有關(guān)?；谌苜|(zhì)對表面張力的影響，可以分為：非表面活性物質(zhì)、表面活性物質(zhì)及表面活性劑。能使水的表面張力明顯升高的溶質(zhì)稱為非表面活性物質(zhì)，常見的有無機(jī)鹽、不揮發(fā)酸堿，并且這些物質(zhì)能溶于水，其離子有水合作用，趨向于把水分子拖入水中，因此增加了表面張力，非表面活性物質(zhì)在表面的濃度低于在本體的濃度，其表面張力與濃度曲線圖如曲線1所示，屬于負(fù)吸附，即斜率小于零。相反呢，表面活性物質(zhì)可以使得溶液表面張力隨著濃度增加而逐漸減小，常見的有醇、醛、酸等，這些物質(zhì)因?yàn)閹в刑蓟?，不易溶于水，會在界面形成一層分子膜，這樣就可以減小表面水分子的拉力，使得表面張力減小，因此溶液表面的溶質(zhì)濃度要比溶液內(nèi)部高，表面為正吸附，如曲線2所示。表面活性劑是當(dāng)濃度很小時(shí)，溶液的表面張力便急劇減小，但減小到一定值后就不再隨濃度增加而變化。表面活性劑通常是兩親分子，一端親水如羥基、羧基、磺酸基，另一端親油（憎水），如碳基。像這種溶液表面濃度和內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象稱為表面吸附，單位面積溶液表面比溶液內(nèi)部多出的溶質(zhì)的物質(zhì)的量稱為表面吸附量，Γ（伽馬）恒溫下吉布斯吸附方程由下式表示：可以看出表面吸附量不僅與溶液濃度