溶液中溶液检测方案(表面张力仪)

实：验 室研 究与探 索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY第23卷第8期2004年8月Vol.23 No. 8Aug. 2004 徐承天，等：介绍物理化学实验一硫磺溶胶的制备及其 Zeta 电势的测定第8期27 介绍物理化学实验一硫磺溶胶的制备及其 Zeta 电势的测定 徐承天1， 陈碧钦， 彭 芳2， 陈邦林1 (1.华东师范大学化学系，上海200062；2.中科院上海硅酸盐研究所，上海200050) 摘 要：介绍了设计实验的指导思想、实验内容和教学实践的体会。本实验的主要内容包括：采用更换溶剂法制备多种硫磺溶胶；用JS94G+型微电泳仪测定溶胶的 Zeta 电势。 关键词：硫磺溶胶；更换溶剂法； Zeta电势；物理化学实验 中图分类号：O648 文献标识码：B 文章编号：1006-7167(2004)08-0026-03 Introduction of the Experiment of Physical Chemistry-Preparation of Sulfur Sol and Determination of Zeta Potential XU Cheng-tian， CHEN Bi-qin²，PENG-Fang， CHEN Bang-lin (1. Dept. of Chemistry ， East China Normal Univ.， Shanghai 2000622. Chinese Academy of Sciences， Shanghai Inst. of Ceramics， Shanghai 200050， China) Abstract： The experiment contents and the guiding ideology for designing the experiment were introduced. Themain contents of this experiment include the preparation of sulfur sol by replacement of solvent and the deter-mination of zeta potential of the sol using the type JS94G+ electrophorese instrument. Key words： sulfur sol； replacement of solvent； zeta potential； experiment of physical chemistry 引 言 界面电性质是胶体非常重要的特性之一。从胶体颗粒的Zeta (5)电势的数据，可获知许多有关溶胶的界面电性质、胶核表面的吸附和溶胶的分散稳定性等信息。在物理化学实验教学中，一般都安排有‘溶胶的制备及5电势的测定’实验。通常是采用传统的界面移动法，即将溶胶装入U型的电泳管中，测定溶胶与分散介质间的界面在外加电场作用下的移动速度，并以此计算溶胶的电势。该方法的不足之处是：清洗和装液过程较麻秋、胶体用量较多、测定费时较多；由于=受测定中电解产物的影响，测定溶胶电势的重现性和准确性均较差等。为此，用该传统的测试方法，要期盼在一次教学实验时间内，获得许多溶胶5电势的数据，显然是困难的，而使用 JS94G+型微电泳仪是可以实现的。该测定方法的优点是：胶体的用量少(0.5 ( 收稿日期：2003-08-07 ) ( 第一作者简介：徐承天(1949一)，男，副教授，主要研究方向：胶体 与界面化学。E-mail： ctxu@chem.ecnu. edu. cn ) mL/次)、测定时间短(仪器上测定一个5电势数据仅需数十秒)、测试方便；由于采用了低频交变电流，测定中不存在电解产物的影响，测试数据的重现性和准确性很好。正是该微电泳仪的优越性能，使我们设计本实验成为可能。 本实验采用较为简单的更换溶剂法制备硫磺水溶胶2，探索制备含不同稳定剂(电解质、表面活性剂)，且具有较好稳定性的硫磺溶胶的条件；实验内容着重于测定所制备的硫磺溶胶的电势。要求学生应用所学的知识，通过对本实验数据的处理，分析稳定剂及其浓度对硫磺溶胶的界面电性质和稳定性的影响，探讨硫磺胶核表面的吸附规律，更好地掌握有关的胶体化学知识。以下介绍本实验的内容。 2 实验目的 (1)探索采用更换溶剂法制备硫磺溶胶的条件； (2)掌握用 JS94G+型微电泳仪测定溶胶电势的方法； (3)探讨电解质、表面活性剂及其浓度对硫磺溶 3 基本原理 硫磺在水中的溶解度很小，在乙醇中则有一定的溶解度。若将适量的硫磺乙醇溶液滴加入水中，溶质硫磺将以分子聚集体的形式析出，这些微小颗粒均匀分散于水中，能形成较为稳定的硫磺溶胶。此种制备溶胶的方法称为更换溶剂法。由于硫磺是疏水性的，所以该溶胶为疏液溶胶。 在上述制备的硫磺溶胶中，硫磺颗粒因具有较高的比表面能和表面活性，通过发生表面吸附，可降低其自身和溶胶的自由能。非极性、疏水的单质硫微粒在含有少量乙醇的水溶液中，倾向于优先吸附乙醇分子。体系能量可能降低较多的吸附方式是：硫磺微粒表面吸附溶液中乙醇分子一端疏水性的乙烷基；而乙醇分子另一端亲水性的羟基，则易与临近的水分子形成氢键相连接。显然，通过这种方式，可明显降低溶胶体系的能量，使原本疏水的硫磺颗粒能均匀分散与水中，形成较为稳定的硫磺溶胶。为此，乙醇可称为该溶胶的稳定剂。 上述形成的硫磺溶胶是负电性溶胶。导致硫磺胶粒带电的可能原因是3：硫磺颗粒因布朗运动，与介电常数较大的水分子发生持续的摩擦和极性诱导；硫磺颗粒表面吸附物质的解离；硫磺颗粒表面吸附离子或偶极分子等。 若用含适量表面活性剂的溶液制备备硫溶胶，由于表面活性离子有显著的亲油、亲水性，它更容易吸附于硫磺颗粒的表面，从而影响溶胶的界面电性质和分散稳定性。若改用电解质溶液制备硫磺溶胶，则电解质的种类和浓度，都会影响溶胶的界面电性质和分散稳定性。另外，有些高价反离子的加入(例如Fe+离子等)，可在胶粒表面发生特性吸附，能显著影响溶胶的电势，甚至改变硫磺溶胶的电性，并使其发生不规则聚沉。表面活性剂和电解质对溶胶分散稳定性的影响具有双重性：加入适量的表面活性剂或电解质，可提高溶胶的稳定性；加过量后，则会破坏溶胶的稳定性。 通常可用胶体5电势绝对值的大小，来衡量溶胶的分散稳定性。对于靠静电稳定的憎液胶体，存在一个临界5电势，当胶体的5电势的绝对值小于5时，胶体的稳定性较差，易发生聚沉5]。多数胶体的5.值在25~30mV左右。通过测定含不同农度电解质或表面活性剂的硫磺溶胶的5电势，可得到稳定剂的浓度与溶胶电势的关系。由这些结果，可以确定制备具有较好稳定性的硫磺溶胶所需稳定剂的合适浓度，可以分析、探讨硫磺胶粒表面的吸附情况和稳定剂浓度对溶胶分散稳定性的影响，获得较多有关硫磺溶胶性质的知识。 仪器和试剂 JS94G+型微电泳仪(上海中晨数字技术设备有限公司制造，华东师范大学监制)；超声波仪(JL一60，上海杰理科技有限公司)，超级恒温槽(上海试验仪器厂)；硫磺粉(C.P)；膨润土；无水乙醇(A.R.)； Na-Cl (C. P.)； MgCl(C. P. )； FeCl；(C.P.)；十二烷基苯磺酸钠(A.R.)；十六烷基三甲基溴化铵(A.R.)。 5 实验内容 5.1 练习掌握 JS94G+型微电泳仪的测试操作 膨润土水分散体系5电势的测测：在盛有20mL浓度为10-3mol·L-NaCl溶液的烧杯中，加入少许膨润土。将该烧杯置于超声波仪中，振荡2~3min，使膨润土均匀分散。按仪器的操作说明书和提示，练习JS94G+型微电泳仪的测试操作，测定膨润土分散体系的电势。膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，分散于水溶液中有较稳定的5电势。 5.2 硫磺水溶胶的制备及其电势的测定 在一有盖的100mL 锥形瓶中，放人适量硫磺粉，加入80mL 无水乙醇，形成饱和的硫磺乙醇溶液。将该锥形瓶放在恒温槽水浴中，将水浴的温度调至60℃，约15 min 后，振荡烧杯数次，待溶液清清后，用滴管吸取硫磺乙醇清液，分别滴加5、10、15、20、25和30滴于盛有20mL 蒸馏水的烧杯中，并将烧杯用超声波仪振荡15s，使溶胶分散均匀。在微电泳仪上测定各硫磺溶胶的5电势，并确定5电势绝对值最大的溶胶所需加的硫磺乙醇溶液的量x(滴)。 5.3 电解质对硫磺溶胶电势的影响 选用电解质 NaCl、MgCl， 和 FeClg为代表物质。分别取浓度为1.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3、5.0×10-3、0.01和0.05 mol·L-1的 NaCl、MgClz 和 Fe-Cl 溶液各20mL 放入不同的烧杯，再分别加入x滴硫磺乙醇溶液，振荡烧杯，使胶体分散均匀。测定各溶胶的5电势。 5.4 表面活性剂对硫磺溶胶5电势的影响 选用阳离子表面活性剂-十六烷基三甲基溴化铵和阴离子表面活性剂-十二烷基苯磺酸钠为代表物质。取各物质在临界胶束浓度(CMC)以下的若干浓度的溶液各 20mL 放入不同的烧杯，按照上述方法制备硫磺溶胶，并分别测定它们的5电势。 6 数据处理和结果讨论 要求将实验测定的浓度-5电势数据分另以表格及作图(电势一浓度)的方式表示，并对所得实验结果进行讨论。 (下转第33页) 提高学生综合能力的目标。对学有余力的优秀学生也提供了一个可以自由发挥、更快提高的空间。 在我们的研究探索中，深切体会到了一个内容贴近工程技术、结构合理、系统性强、开展形式多样性的实验教学体系，在电子信息工程专业培养目标的实现上具有极为重要的地位 ( 参考文献： ) ( [1] 徐方瞿.创新与创造教育[M].上海：上海教育出版社.1998.54- ) (上接第27页) (1)膨润土水分散体系的电势。 (2)滴加不同量的硫磺乙醇溶液所形成各硫磺溶胶的电势。分析硫磺胶粒表面的吸附情况，说明为何滴加x滴硫磺乙醇溶液时，溶胶的5电势的绝对值最大。 (3)不同浓度的 NaCl、MgCl， 和 FeCl： 溶液为稳定剂的各硫磺溶胶的电势。总结各电解质浓度与溶胶电势的关系，比较它们的差异，并分析产生差异的原因。 (4)不同浓度表面活性剂溶液为稳定剂的各硫磺溶胶的电势。总结各表面活性剂浓度与溶胶电势的关系，比较它们的差异，分析产生差异的原因和硫磺胶粒表面的吸附情况。 7 思考题 (1)为什么由滴加不同量硫磺乙醇溶液制备所得的硫磺溶胶的电势是不同的? (2)试用扩散双电层的 Stern 模型，讨论在不同条件下制备所得的硫磺胶粒带电的原因。 (3)试分析本实验制备的各硫磺溶胶胶粒表面的吸附情况。 (4)试论Fe+离子的浓度对硫磺胶粒的表面吸附及溶胶5电势的影响。Fe+离子是否有可能与硫生成表面硫化物?试设计可证明这一事实的简单实验。 (5)硫磺溶胶具有一定的杀菌和杀虫作用。若将它用作杀菌剂，应如何选择合适的表面活性剂作为稳定剂，以及确定其浓度?试设计需做哪些试验? 8 实验注意事项 (1)我们使用的玻璃滴管的尺寸：乙醇硫磺溶液50滴/mL。 (2)测定时，必须用同一套电泳杯和电极(Pt电 ( 67. ) ( [2] ABET. Criteria f or a ccrediting engineering programs[C]. E f f ec- tive for Evaluations During the 2 003-2004 A c creditation Cycle， ABET Board of Directors as of November 2 ， 2 0 02. ) ( [3] 孟开元，曹庆年.独立设置现代电子工程实验课程的探索与研究[J].华北航天工业学院学报.2001.第11卷增刊 ) ( [4] 曹建树，蒋力培，焦向东.技术基础课实践教学的研究与改革[J]. 实验室研究与探索.2002，(6)：28-29. ) ( [5] 刘祖润，聂荣华，吴亮红.高等工程教育实践教学体系的改革[J].实验室研究与探索.2003，22(2)：4-7. ) 》》》》》》》》净》》》》》》》》》》》》》》》 极)；加入电泳杯的胶体溶液约0.5mL；插入电极时，需稍许倾斜电泳杯，慢慢插入电极，避免产生气泡。电泳杯竖直时，电极两边胶体的液面高度须一致。 (3)按从稀到浓的顺序，测定含同种稳定剂的溶胶的5电势。在每次加入胶体前，都应清洗电泳和电极3次。 (4)测定含不同稳定剂的溶胶的5电势前，每次都应先用蒸馏水冲洗电泳杯3次，再用待测溶胶清洗3次。 9 结 语 本实验已作为我系物理化学实验之一。本实验的目的是为了加强对学生实践能力的培养。为此在安排上，给与学生有较多的空间。让学生根据实验的目的和要求，通过查阅有关教科书、参考资料的预习，讨论实验方案和拟定有些实验条件，独立完成所需实验数据的测试；在数据处理的基础上总结实验结果，并对结果展开讨论。教学计划安排本实验的内容是分两次完成(6学时/次)。通过师生的共同努力和相互间的良好配合，上述的实验教学达到了预期的目的和要求。我们认为坚持这样的实践，对教师和学生都提出了更高的要求；教学相长，对培养和提高学生的实践能力、对提高实验教学的水平无疑都是十分有益的。 ( 参考文献： ) ( [1 ] 北京大学化学系胶体化学教研室.胶体与界面化学实验[M].北京：北京大学出版社，1993. ) ( [2] ] 沈 钟，王果庭.胶体与表面化学[M].北京：化学工业出版社， 2002. ) ( [3] 陈宗淇，王光信，徐桂英.胶体与界面化学[M].北京：高等教育出 版社，2001. ) ( [4] 周祖康，顾惕人，马季铭.胶体化学基础[M].北京：北京大学出版 社，1984. ) ( [5] 侯万国，孙德军，张春光.应用胶体化学[M].北京：科学出版社， 1998. ) CMC简介    表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束的较低浓度即为临界胶束浓度（critical micelle concentration，简称 CMC）。    表面活性剂的表面活性源于其分子的两亲结构，亲水基团使分子有进入水中的趋势，而憎水基团则竭力阻止其在水中溶解而从水的内部向外迁移，有逃逸水相的倾向。这两种倾向平衡的结果使表面活性剂在水表富集，亲水基伸向水中，憎水基伸向空气，其结果是水表面好像被一层非极性的碳氢链所覆盖，从而导致水的表面张力下降。    表面活性剂在界面富集吸附一般的单分子层，当表面吸附达到饱和时，表面活性剂分子不能在表面继续富集，而憎水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃离水环境，于是表面活性剂分子则在溶液内部自聚，即疏水基聚集在一起形成内核，亲水基朝外与水接触形成外壳，组成最简单的胶团。而开始形成胶团时的表面活性剂的浓度称之为临界胶束浓度，简称cmc。    当溶液达到临界胶束浓度时，溶液的表面张力降至较低值，此时再提高表面活性剂浓度，溶液表面张力不再降低而是大量形成胶团，此时溶液的表面张力就是该表面活性剂能达到的最小表面张力，用cmc表示。     表面活性剂分子浓度增加，其结构会从单分子转变为球状、棒状和层状胶束，通常认为形成球形胶束时的浓度为第一临界胶束浓度，球形胶束转变为棒状胶束时的浓度为第二临界胶束浓度。在达到第一CMC的狭窄范围内，表面活性剂的许多物理化学性质都会发生变化，如表面张力、密度、折射率、粘度、渗透压和光散射强度等。                   图1 JK99M系列全自动张力仪选配组件-临界胶束浓度CMC测量组件 JK99M系列全自动张力仪选配组件-临界胶束浓度CMC测量组件高精度滴定泵25ml滴定管三通阀滴定支架1000ml专用容量瓶磁力搅拌装置 测定方法    用表面张力与浓度的对数作图，在表面吸附达到饱和时，曲线出现转折点，该点的浓度即为临界胶束浓度。    表面活性剂水溶液的表面张力开始时随溶液浓度增加而急剧下降，到达一定浓度（即cmc）后则变化缓慢或不再变化。因此常用表面张力-浓度对数图确定cmc。    具体做法：通过JK99M系列全自动张力仪的选配组件-临界胶束浓度CMC测量组件，自动测定一系列不同浓度表面活性剂溶液的表面张力，同时记录γ-c（浓度）曲线，通过拟合曲线，自动判别拐点并计算出此体系中表面活性剂的cmc。 利用范例1、利用临界胶束浓度这一概念，我们可以巧妙的将溶液设计于所用主要表面活性剂临界胶束浓度之上，使其在使用过程中形成双分子层，即第一层表面活性剂分子的疏水基附着于固体表面，亲水基伸向外面，第二层表面活性剂的亲水基与第一层的亲水基附着，疏水基伸向外面，从而形成独特的亲油性表面。2、物质在一定液体有其溶解饱和度，达到饱和度后物质不再溶解，但我们可以利用临界胶束浓度原理，将表面活性剂设计在临界胶束浓度之上，可以大大增加物质的溶解度。