臺灣化學教育

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

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（AgI）_m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。

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」。

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「膠團」（圖9）。Fe(OH)₃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：Fe(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HS⁻與H^＋，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。

圖11：As₂S₃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；

圖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SO₄²⁻、Cr₂O₇²⁻優於Cl⁻，Fe(CN)₆³⁻ 又優於SO₄²⁻、Cr₂O₇²⁻。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）

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。