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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)
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。