膠體溶液的帶電性與凝聚/施建輝

星期三 , 10, 十二月 2014 Leave a comment

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
schemistry0120@gmail.com

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

膠體(Colloid)溶液有三大特性,「帶電」是其特性之一。在教科書開放之前,由國立編譯館發行的化學課本裡,有一句話:「膠體溶液中,金屬的氫氧化物帶正電,金屬的硫化物帶負電」,困擾高中化學老師多年,近來又有老師問起,因此作者參考多本相關書籍,提供這個問題的解釋方式,供高中化學老師參考。

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。

當硝酸銀溶液與碘化鉀溶液混合時,銀離子(Ag+)與碘離子(I)會生成有晶體結構的(AgIm而形成「膠核」(colloidal nucleus)(圖1),膠核選擇性的吸附溶液中過量的碘離子(I)而帶負電(圖2)。帶負電的粒子吸引溶液中帶正電荷的鉀離子(K+),被吸附的碘離子(I)與鉀離子(K+ 稱為吸附層Stern layer)(圖3),膠核與吸附層構成「膠體粒子」,又稱「膠粒」(colloidal particle)。因為膠體粒子吸附的碘離子(I)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。

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1:膠核的形成

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2:膠核吸附碘離子

 

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3:再吸附鉀離子,構成膠體粒子

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4:電雙層的形成

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5AgI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」。

一、   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:

FeCl3(aq) + 3H2O(l) Fe(OH)3(s) + 3HCl(aq)                [1]

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:

Fe3+(aq) + 3H2O(l) Fe(OH)3(aq) + 3H+(aq)                  [2]

Fe(OH)3(aq) FeO(OH)(aq) + H2O(l)                               [3]

FeO(OH)(aq) FeO+(aq) + OH(aq)                                 [4]

[Fe(OH)3]m為膠核(圖6),膠核選擇性的吸附溶液中類似晶格粒子的FeO+ 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FeO+ 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「團」(圖9)。Fe(OH)3膠團的示意圖,如圖10所示。

 

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6:膠核的形成

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7:膠核吸附FeO+離子

 

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8:再吸附氯離子,構成膠體粒子

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9:電雙層的形成

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10Fe(OH)3膠團形成的示意圖

二、   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:

2H3AsO3(aq) + 3H2S(aq) As2S3(s) + 6H2O(l)       [5]

氫硫酸溶液(H2S)在水中會解離,生成HSH,其解離反應式,如[6]所示:

H2S(aq) HS(aq) + H(aq)                                       [6]

[As2S3]m為膠核,膠核選擇性的吸附溶液中類似晶格粒子的HS 而帶負電。帶負電的粒子吸引溶液中帶正電荷的氫離子(H),膠核與吸附層構成「膠體粒子」。因為膠體粒子吸附的HS 數目大於H,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H,構成「膠團」。As2S3膠團的示意圖,如圖11所示。

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11As2S3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;

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12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

最後,則是加入電解質溶液以中和該溶膠所帶的電荷而達到凝聚的效果。溶膠所帶電荷的種類與加入的電解質之關係,如表一所示,「聚沉值」為特定條件下,使溶膠明顯凝聚所需電解質溶液的最小濃度。表中可見,氫氧化鐵溶膠與氧化鋁溶膠帶正電,所以加入帶較多電荷的陰離子效果較好,如SO42Cr2O72優於ClFe(CN)63 又優於SO42Cr2O72。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

1.    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。

2.    近代物理化學(第三版),朱志昂主編,科學出版社。

3.    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。

 

 

 

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