膠體溶液的帶電性與凝聚／施建輝
膠體溶液的帶電性與凝聚
施建輝
國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n疑難問題
在膠體溶液的單元中，有一段文字敘述：「金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物則帶負電」，為何兩者會帶電？為何帶有不同的電荷？
n解答一：膠體溶液的帶電性說明
以硝酸銀（AgNO3）溶液與碘化鉀（KI）溶液混合為例，使其中某一溶液過量，過量之電解質溶液扮演穩定劑的角色，讓膠體溶液能穩定存在。碘化銀溶膠的帶電性說明如下。
）數目大於鉀離子（K+），故此膠體粒子帶負電。帶負電的膠體粒子再以疏鬆的方式吸引鉀離子（K+），此為擴散層（diffuse layer），膠體粒子與擴散層構成「膠團」（圖4）。膠團即膠體溶液常被提及的「電雙層」（electric double layer），電雙層為電中性。AgI膠團的示意圖，如圖5所示。
課本提及的帶電性即為膠核與吸附層構成的膠體粒子所帶的電荷，上例因碘化鉀溶液過量，故此一膠體溶液帶負電；反之，若是硝酸銀溶液過量，則形成之膠體溶液帶正電。
|
圖1：膠核的形成 |
圖2：膠核吸附碘離子 |
|
圖3：再吸附鉀離子，構成膠體粒子 |
圖4：電雙層的形成 |
圖5：AgI膠團形成的示意圖
回頭說明為何「膠體溶液中，金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物帶負電」。
氫氧化鐵溶膠：氯化鐵溶於水可製得氫氧化鐵溶膠，其化學反應式，如[1]～[4]所示：
其中鐵離子(Fe3+)是酸性陽離子，在水中會起水解，其水解過程如下：
[3]
6），膠核選擇性的吸附溶液中類似晶格粒子的而帶正電（圖7）。帶正電的粒子吸引溶液中帶負電荷的氯離子（Cl）（圖8），膠核與吸附層構成「膠體粒子」。因為膠體粒子吸附的數目大於Cl，故此膠體粒子帶正電。帶正電的膠體粒子再以疏鬆的方式吸引Cl，構成「膠團」（圖9）。膠團的示意圖，如圖10所示。
|
圖6：膠核的形成 |
圖7：膠核吸附FeO+離子 |
|
圖8：再吸附氯離子，構成膠體粒子 |
圖9：電雙層的形成 |
圖10：膠團形成的示意圖
硫化砷溶膠：將氫硫酸溶液（H2S）與亞砷酸溶液（H3AsO3）作用，可製得硫化砷溶膠，其化學反應式，如[5]所示：
與H＋，其解離反應式，如[6]所示：
而帶負電。帶負電的粒子吸引溶液中帶正電荷的氫離子（），膠核與吸附層構成「膠體粒子」。因為膠體粒子吸附的數目大於，故此膠體粒子帶負電。帶正電的膠體粒子再以疏鬆的方式吸引，構成「膠團」。膠團的示意圖，如圖11所示。
圖11：膠團形成的示意圖
n解答二：膠體溶液的凝聚說明
明白為何「金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物則帶負電」之後，此處就要論及膠體溶液的凝聚。膠體溶液凝聚常用的方法有三：加熱、通電與加入電解質溶液。加熱是克服因膠體粒子帶電而互斥，以致無法形成夠大的顆粒以生成沉澱；通電則是利用溶膠的帶電性，讓帶電的溶膠移向不同電性的電極，去除所帶電荷而凝聚，此一方法亦可驗證溶膠帶何種電荷，圖12即是通電後，氫氧化鐵溶膠移向負極並凝聚，可驗證氫氧化鐵溶膠確實帶正電；
：通電後，氫氧化鐵溶膠移向負極並凝聚
（圖片來源：小林正光、野村祐次郎、本岡達、內藤周弌，化學（第三版），數研出版株式會社，p 2。）
。硫化砷溶膠帶負電，所以加入帶較多電荷的陽離子效果較好，如Mg2+、Ca2+優於Na+，Al3+ 又優於Mg2+、Ca2+。
表一：電解質對溶膠的聚沉值（mmol/L）
|
Fe(OH)3（正溶膠） |
Al2O3（正溶膠） |
As2S3（負溶膠） |
|||
|
NaCl |
9.25 |
NaCl |
63.5 |
NaCl |
51 |
|
K2SO4 |
0.205 |
K2SO4 |
0.303 |
CaCl2 |
0.65 |
|
MgSO4 |
0.22 |
K2Cr2O7 |
0.63 |
MgSO4 |
0.81 |
|
K3[Fe(CN)6]
|
0.08 |
1/2Al2(SO4)3 |
0.096 |
||
n參考資料
普通化學（第三版），浙江大學普通化學教研組編，高等教育出版社。
近代物理化學（第三版），朱志昂主編，科學出版社。
膠體及界面化學入門（Introduction to Colloid and Surface Chemistry 4/e），Duncan J. Shaw原著，張有義、郭蘭生編譯，高立圖書有限公司。