了解膠體的性質(zhì),在化學(xué)分析中是很重要的,因?yàn)樵S多沉淀,特別是新形成的沉淀,顯示出膠體性質(zhì),而膠體的穩(wěn)定性、凝結(jié)性和它們對(duì)雜質(zhì)的容量,對(duì)于受光線的沖擊等,都是分析工作者經(jīng)常遇到的問題。在重要測(cè)定及分離中,時(shí)常要求避免膠體沉淀的形成,因?yàn)樗鼈冸y于過濾、洗滌,而且有時(shí)難以灼燒到恒重。但另一方面,膠體的形成在化學(xué)分析中還可加以利用。
(一)膠體的粒子大小
分散在膠體溶液中的粒子從差不多原子大小直到顯微鏡能見,或從1μm到十分之幾μm。形成真溶液的粒子,甚至在超顯微鏡下,也看不見。膠體溶液能無改變地穿過普通濾紙,但其粒子能被超濾器或超離心機(jī)分開。
當(dāng)粒子直徑大于1um的十分之幾時(shí),即形成乳膠和懸膠。
(二)疏水膠體和親水膠體
對(duì)水很少或無吸引力的粒子形成疏水膠體或溶膠,當(dāng)加入一種適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)時(shí),它易被凝結(jié),結(jié)果該膠體就易于過濾。疏水膠體粘度低,它們能從多數(shù)難溶無機(jī)化合物制得,例如:三硫化砷和氯化銀。對(duì)水有強(qiáng)的親和力的粒子形成親水膠體或凝膠。它們很難凝結(jié)(需要比較大量的電解質(zhì)),結(jié)果形成膠凍樣物,而難以過濾。親水膠體具有高粘度。它們可以從許多有機(jī)化合物,如蛋白質(zhì)、明膠和淀粉,以及無機(jī)化合物如硅膠、鋁和錫的水合氧化物制備。有些無機(jī)凝膠的吸混性是如此的強(qiáng),甚至強(qiáng)烈地灼燒也很難把它們的含水完全除去。
(三)膠體體系的電雙層
膠體溶液和懸濁液的穩(wěn)定性由兩種主要力來調(diào)節(jié),一是粒子間的吸引力(范德華力),另一種是斥力(電雙層)。電斥力是膠體粒子或自己離子吸附容量的一種結(jié)果,例如,當(dāng)氯化銀在微過量硝酸銀存在下沉淀時(shí),粒子吸附銀離子而荷正電(相似地,在微過量堿金屬氯化物存在下,則吸附氯離子而荷負(fù)電)。為了保持整體溶液的電中性,稱為配衡離子的電荷相反的離子(此處為硝酸離子),被拉向粒子周圍而形成第二電層,構(gòu)成了一種電雙層。但是配衡離子一方面由于靜電引力被拉向微粒周圍而在微粒表面形成電雙層,另一方面又有向介質(zhì)整體擴(kuò)散的趨向,兩種相反力作用的結(jié)果,距離微粒越遠(yuǎn)的配衡離子濃度越小,最外層的配衡離子已不受微粒引力的支配,這樣在微粒表面所吸附的Ag+離子要多于吸引在其周圍的NO3-離子,也就是形成了帶正電的膠粒(參看表3-1)。由于微粒帶電的結(jié)果,而且它們的電荷相同,彼此相斥,如果此力超過了引力,就阻得了微粒進(jìn)一步成長(zhǎng)為較大顆粒的沉淀,并保持為穩(wěn)定的膠體。這整個(gè)膠體體系也叫做膠東(圖3-2)。
表3-1 AgCl膠束電雙層示意
膠 粒 + | 介 質(zhì) - | ||
Ag+ Cl- Ag+ Cl- |
Ag+ |
NO3- | |
Cl- Ag+ Cl- Ag+ |
Ag+ |
NO3- | NO3- |
Ag+ Cl- Ag+ Cl- |
Ag+ |
NO3- | |
Cl- Ag+ Cl- Ag+ |
Ag+ |
NO3- | NO3- |
Ag+ Cl- Ag+ Cl- |
離子吸附層(確定膠粒的符號(hào)) |
配衡離子吸附層 |
配衡離子擴(kuò)散層 |
膠 核 |
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(四)膠體的凝結(jié)和膠溶作用
如果在膠體溶液中加入適量的電解質(zhì),溶液中帶相反符號(hào)的離子量大大增加,甚至超過了微粒表面所吸附的離子量,結(jié)果微粒就會(huì)吸引足夠的配衡離子呈電性中和,由此發(fā)生凝結(jié)作用而使膠體凝結(jié)為沉淀。雖然加進(jìn)去的陽離子和陰離子的正負(fù)電荷數(shù)相等,直接包圍著膠粒的“離子氛”總是那些和膠粒電荷相反的離子占優(yōu)勢(shì),因此,這些離子就首先被膠粒所吸附。這時(shí)沉淀就帶有本來可溶的電解質(zhì)一同沉淀,這就是共沉淀。
凝結(jié)一種膠體所需電解質(zhì)的量,決定于電解質(zhì)的離子價(jià),凝結(jié)一種荷電的三硫化砷溶膠所需氯化鋁的量只有所需氯化銨量的0.1%,然而銨鹽在凝結(jié)膠體時(shí)十分普遍應(yīng)用,因?yàn)楫?dāng)灼燒沉淀時(shí),它易于揮發(fā)。
加入相反符號(hào)的膠體也能促使膠體溶液發(fā)生凝結(jié)作用。例如,在硅酸溶膠(在稀鹽酸溶液中荷負(fù)電)中加入動(dòng)物膠(荷正電),就可促進(jìn)硅酸溶膠的凝結(jié)。這在硅酸鹽的定量分析中極為重要。
由于吸附作用是放熱作用的過程,而且在加熱時(shí)也增加離子的活動(dòng)性,所以加熱也可促進(jìn)膠體的凝結(jié)。相反地,在用水洗滌沉淀時(shí),由于沉淀周圍液體中電解質(zhì)大大減少,影響了吸附平衡,使表面吸附減少,但因配衡離子比直接被沉淀吸附的離子更容易洗掉,因此,沉淀會(huì)重新帶電而又變?yōu)槟z體,這種現(xiàn)象叫做膠溶作用。
通常不用水,而用電解質(zhì)(凝結(jié)劑)的稀溶液來洗滌沉淀,其原因之一就是為了避免膠溶作用。在洗滌時(shí)也發(fā)生取代作用,即被吸附的離子為凝結(jié)劑的離子所取代,最常用的凝結(jié)劑為酸和銨鹽,因?yàn)樗鼈儾环恋孟乱徊降姆治觯以诙糠治鲋凶茻恋頃r(shí)易被除去。