關(guān)于膠體穩(wěn)定性問(wèn)題的疑難解析

李夢(mèng)雪

摘要：中學(xué)化學(xué)膠體穩(wěn)定性的探討范圍僅為難溶鹽膠體，針對(duì)難溶鹽膠體穩(wěn)定性問(wèn)題，從難溶鹽膠體體系中相互作用的角度，解釋難溶鹽膠體的穩(wěn)定與聚沉，并結(jié)合文獻(xiàn)探討難溶鹽膠體制備的必需條件。解釋或澄清中學(xué)化學(xué)中對(duì)膠體穩(wěn)定性問(wèn)題的一些認(rèn)識(shí)誤區(qū)，為中學(xué)教師的實(shí)際教學(xué)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：膠體穩(wěn)定性；膠粒相互作用；膠體聚沉；膠體制備；問(wèn)題探討

文章編號(hào)：1005-6629（2018）1-0092-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

膠體穩(wěn)定性問(wèn)題是高中化學(xué)膠體部分的重要內(nèi)容。課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生從分類(lèi)的角度認(rèn)識(shí)膠體分散系，了解膠體這種常見(jiàn)的分散系的本質(zhì)特點(diǎn)和基本性質(zhì)。而膠體穩(wěn)定性是膠體分散系的重要性質(zhì)之一，對(duì)于學(xué)生理解膠體分散系和膠體其他性質(zhì)具有重要作用。學(xué)業(yè)水平測(cè)試也要求學(xué)生識(shí)記并理解膠體的穩(wěn)定性。隨著膠體化學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)膠體穩(wěn)定性的本質(zhì)和原因的認(rèn)識(shí)不斷完善，教師理應(yīng)把握膠體發(fā)展現(xiàn)狀，明確膠體穩(wěn)定性有關(guān)內(nèi)容，正確引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)膠體及其穩(wěn)定性，以免造成學(xué)生的一些認(rèn)識(shí)誤區(qū)，不利于中學(xué)化學(xué)與大學(xué)化學(xué)之間的銜接。通過(guò)分析目前“膠體”教學(xué)中涉及膠體穩(wěn)定性的有關(guān)問(wèn)題發(fā)現(xiàn)，很多教師和學(xué)生對(duì)膠體穩(wěn)定性的了解并不深入和全面，尤其在膠體穩(wěn)定性的探討范圍、膠體穩(wěn)定存在的原因、穩(wěn)定膠體制備等問(wèn)題上存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。因此，有必要結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和專(zhuān)業(yè)參考書(shū)，對(duì)上述問(wèn)題作一些解讀和澄清，以期為中學(xué)化學(xué)教學(xué)提供參考。

1膠體穩(wěn)定性探討范圍的界定

膠體又稱(chēng)膠狀分散體，是一種均勻的混合物，分散質(zhì)粒子直徑介于粗分散系和溶液之間，即介觀范圍的一類(lèi)分散體系，是一種高度分散的多相不均勻體系。其種類(lèi)有很多，而中學(xué)和大學(xué)化學(xué)中涉及的所謂“膠體”其實(shí)只是由難溶無(wú)機(jī)鹽粒子構(gòu)成的膠體，其中粒子以介觀尺度分散在溶劑中且具有相界面，這是一種處于熱力學(xué)不穩(wěn)定、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的體系。而其他膠體體系即使其中粒子尺寸在介觀范圍也不在討論范圍內(nèi)。其他膠體體系主要有：（1）高分子溶液：盡管粒子尺度在介觀范圍，但那是無(wú)相界面的真正的溶液，處于熱力學(xué)穩(wěn)定的體系；（2）其他熱力學(xué)穩(wěn)定的、有相界面的膠體體系，如加表面活性劑的締合膠體。

這種難溶鹽膠體體系，熱力學(xué)上由于粒子之間巨大的界能，具有相互聚結(jié)以減小界能，表現(xiàn)為不穩(wěn)定；動(dòng)力學(xué)上粒子發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為穩(wěn)定，這兩種表現(xiàn)使得膠體具有介穩(wěn)性的特點(diǎn)，容易受外界條件的干擾發(fā)生聚沉。

2膠體穩(wěn)定性表現(xiàn)的解釋

人教版化學(xué)1中，對(duì)膠體的穩(wěn)定性存在如是描述：“同一種膠體微粒帶相同的電荷，相互排斥，不易聚集，因此是比較穩(wěn)定的分散系，可以長(zhǎng)時(shí)間保存”，從靜電斥力的角度來(lái)解釋膠體穩(wěn)定性。然而隨著人類(lèi)對(duì)膠體研究的不斷深入，難溶鹽膠體穩(wěn)定性表現(xiàn)可以從體系中的相互作用來(lái)解釋。

2.1膠體體系中的相互作用與膠體穩(wěn)定性

無(wú)論何種體系，只要是處于動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定或熱力學(xué)穩(wěn)定的，都可以證明其中粒子之間的相互作用能一定由吸引能和排斥能兩部分組成。否則是不可能處于動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定或熱力學(xué)穩(wěn)定的。

難溶鹽膠體中的粒子實(shí)驗(yàn)（電泳實(shí)驗(yàn)等）證明膠體由帶電的荷電粒子構(gòu)成。既然膠體是處于熱力學(xué)不穩(wěn)定、而動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的體系，那么荷電膠粒之問(wèn)的相互作用能一定由兩部分組成，如圖1所示：

（1）靜電排斥能（U_R曲線），膠粒問(wèn)的力程相對(duì)短一些。

（2）范德華吸引能（U_A曲線），膠粒問(wèn)的力程相對(duì)長(zhǎng)一些。

兩者合起來(lái)的作用就是圖1中所示的粗黑實(shí)線U，即兩個(gè)荷電膠粒之間的勢(shì)能。U曲線的中間有一個(gè)勢(shì)能壘，勢(shì)能壘的右邊，就是膠體存在的區(qū)域。不過(guò)因?yàn)橛疫厖^(qū)域的勢(shì)能不是最低的，所以那個(gè)區(qū)域是熱力學(xué)不穩(wěn)定，而動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的區(qū)域。勢(shì)能壘左邊有一個(gè)勢(shì)能最低的小區(qū)域，那里膠粒之間的間距很小，那就說(shuō)明在這區(qū)域里膠粒會(huì)聚集，然后在重力作用下就發(fā)生聚沉。因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)勢(shì)能最低，所以那個(gè)區(qū)域中體系無(wú)論在熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)意義上都是穩(wěn)定的。所以，膠粒只有在一定范圍的間距內(nèi)才能形成穩(wěn)定的膠體，制備時(shí)需要保證膠粒的間距不能太小以致相互聚集發(fā)生聚沉。

可見(jiàn)，中學(xué)教材僅僅從靜電斥力一個(gè)角度來(lái)描述膠粒相互作用是不完全的，教師應(yīng)該充分了解膠體穩(wěn)定性的原理，合理處理教材內(nèi)容，正確引導(dǎo)學(xué)生理解膠體的穩(wěn)定性，注意教學(xué)中的規(guī)范表述，避免出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤。

2.2膠體聚沉與膠體穩(wěn)定性

大學(xué)《物理化學(xué)》也指出“難溶鹽膠體在一定條件下某種性質(zhì)（如分相濃度、顆粒大小、體系強(qiáng)度和密度等）保持一定程度的不變性”。所以，難溶鹽膠體的穩(wěn)定是有條件的，條件受到干擾，就會(huì)使得膠粒聚集而發(fā)生聚沉。

實(shí)際教學(xué)中教師常用“向氫氧化鐵膠體中加入硫酸鎂產(chǎn)生沉淀”這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)介紹膠體的聚沉現(xiàn)象，這個(gè)事實(shí)看起來(lái)像一個(gè)復(fù)分解反應(yīng)，使得很多學(xué)生認(rèn)為聚沉屬于化學(xué)變化，這是一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。根據(jù)圖1，在發(fā)生聚沉的那個(gè)小區(qū)域，粒子聚集形成沉淀，膠體與沉淀的不同主要體現(xiàn)在粒子間距的不同。那么，聚沉就可以看作是膠體向沉淀轉(zhuǎn)化的條件作用，使得體系由膠體的介穩(wěn)狀態(tài)變?yōu)槌恋淼姆€(wěn)定狀態(tài)，且這一改變一般來(lái)說(shuō)是不可逆的，如圖2所示。顯然，聚沉不是什么化學(xué)作用造成的。

聚沉的發(fā)生無(wú)外乎：或是改變了荷電膠粒的荷電量，或是改變了荷電水化層的厚薄，或是加劇膠粒之間碰撞有利于聚集造成的。使膠體發(fā)生聚沉的方法有很多，如加入電解質(zhì)、加入帶有相反電荷的膠體、加熱、攪拌等，而上述硫酸鎂的加人則是破壞了膠體的穩(wěn)定性。中學(xué)教學(xué)中應(yīng)注意膠體穩(wěn)定與膠體聚沉的關(guān)聯(lián)，并注意介紹電解質(zhì)聚沉現(xiàn)象的案例以防止造成學(xué)生的迷思概念。

3.穩(wěn)定膠體的制備

由以上分析看出，一個(gè)穩(wěn)定的難溶鹽膠體不僅需要保證粒子尺寸在介觀范圍內(nèi)，也需要保證粒子間距在一定范圍內(nèi)，才能保證膠粒不易聚集。通過(guò)分析相關(guān)的文獻(xiàn)和專(zhuān)業(yè)參考書(shū)發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定難溶鹽膠體的形成條件主要有兩個(gè)：分散相在介質(zhì)中的溶解度要小以及穩(wěn)定劑的加入。endprint

3.1分散相在介質(zhì)中的溶解度要小

分散相在介質(zhì)中有極小的溶解度，使得粒子尺寸在介觀范圍，是形成難溶鹽膠體的必要條件之一。如氯化鈉在乙醇中的溶解度比在水中的溶解度小，故以氯化鈉溶液逐滴加入乙醇中，便可獲得氯化鈉膠體。又如，三氯化鐵溶于水，水解生成的氫氧化鐵不溶于水，故在適當(dāng)條件下使三氯化鐵水解可以使得氫氧化鐵有極小的溶解度，制得氫氧化鐵膠體。也有很多因素會(huì)影響分散相在介質(zhì)中的溶解度，如溫度、pH、反應(yīng)物濃度等，從而影響形成膠體的穩(wěn)定性。

陳瑞齡、周衛(wèi)紅通過(guò)水玻璃（Na₂SiO₃）和鹽酸制備硅酸膠體，并研究了硅酸膠體中分散相在介質(zhì)中的溶解度的影響因素，主要是pH和硅酸溶膠的濃度，發(fā)現(xiàn)在較稀的水玻璃溶液中加入較大濃度的鹽酸來(lái)制備硅酸膠體是不可取的，他們經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，指出用20～25mL的0.2mol/L鹽酸加入25%的3mL的工業(yè)水玻璃中，可以制得穩(wěn)定的硅酸膠體。說(shuō)明強(qiáng)酸性的環(huán)境下硅酸溶解度大，不易凝聚，水玻璃過(guò)多會(huì)使得膠體過(guò)稀而不易凝聚，總之一切使膠體溶解度增大的條件都不利于制得穩(wěn)定的膠體。

3.2穩(wěn)定劑的加入

穩(wěn)定劑的加入，可以降低體系表面能，使膠粒不會(huì)立即聚集，保證了粒子間距的大小。在難溶鹽膠體中加入適量的電解質(zhì)，可以增加體系電荷，防止膠粒聚集，起到穩(wěn)定劑的作用，這里重點(diǎn)來(lái)探討電解質(zhì)作為一種穩(wěn)定劑，它的加人對(duì)難溶鹽膠體穩(wěn)定性的影響。

（1）加入電解質(zhì)的種類(lèi)會(huì)影響難溶鹽膠體穩(wěn)定性。劉艷玲等利用FeCl₃飽和溶液與CH₃COONa固體反應(yīng)制備Fe（OH）₃膠體，丁達(dá)爾效應(yīng)不明顯。孫影、許燕紅等人提出用FeCl₃溶液與NaOH溶液反應(yīng)制備Fe（OH）₃膠體，實(shí)驗(yàn)效果理想但對(duì)試劑劑量要求嚴(yán)格。熊曉丹、孫丹和伍曉春將MgO用于制備Fe（OH）₃膠體，發(fā)現(xiàn)在常溫下MgO可以促進(jìn)FeCl₃水解形成穩(wěn)定的Fe（OH），膠體，實(shí)驗(yàn)成功率高且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

（2）加人電解質(zhì)的濃度會(huì)影響難溶鹽膠體穩(wěn)定性。黎茂堅(jiān)通過(guò)不同濃度的NaOH溶液與不同濃度的FeCl₃溶液直接反應(yīng)制備Fe（OH）₃膠體的實(shí)驗(yàn)，得出加入適當(dāng)濃度的NaOH溶液可以制得理想的Fe（OH）₃膠體，以在30mL蒸餾水和2～8滴10%FeCl₃溶液中加入1～5滴10%NaOH溶液為宜。

根據(jù)以上分析，一個(gè)穩(wěn)定的難溶鹽膠體制備需要考慮以上兩個(gè)條件，教師在設(shè)計(jì)難溶鹽膠體制備的實(shí)驗(yàn)中需要考慮這兩個(gè)條件。這兩個(gè)條件中，特別需要關(guān)注的是加入電解質(zhì)的量的問(wèn)題，因?yàn)殡娊赓|(zhì)加多了會(huì)促進(jìn)膠粒聚集。而中學(xué)教材中并沒(méi)有提及電解質(zhì)量的問(wèn)題，很多教師也認(rèn)為加人電解質(zhì)只會(huì)引發(fā)難溶鹽膠體聚沉，沒(méi)有注意到適量的電解質(zhì)可以促進(jìn)和穩(wěn)定難溶鹽膠體的制備。難溶鹽膠體中電解質(zhì)量的要求，其實(shí)就是“聚沉值”，沒(méi)有達(dá)到聚沉值時(shí)，可以促進(jìn)膠體制備，超過(guò)了聚沉值，則會(huì)引發(fā)難溶鹽膠體明顯聚沉。林清枝研究了常見(jiàn)電解質(zhì)NaCl、MgCl₂和AlCl₃對(duì)帶負(fù)電荷Al₂S₃膠體的聚沉值，KCl、K₂C₂O₄、K₃Fe（CN）₆對(duì)帶正電荷的Al₃O₃膠體的聚沉值，見(jiàn)下表1所示。

教師在設(shè)計(jì)加入電解質(zhì)制備難溶鹽膠體的實(shí)驗(yàn)中，可以先查閱電解質(zhì)的聚沉值，在聚沉值的范圍內(nèi)探索加入電解質(zhì)的用量對(duì)難溶鹽膠體的制備效果有重要的作用。

4結(jié)語(yǔ)

鑒于以上分析，建議在實(shí)際的教學(xué)中，教師首先要清楚膠體穩(wěn)定性的探討范圍，理解膠體穩(wěn)定存在的主要原因，明確膠體制備的兩個(gè)條件；其次，中學(xué)與大學(xué)的膠體化學(xué)關(guān)系密切，教師要掌握適度原則，在引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)膠體及其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，合理處理教學(xué)的內(nèi)容與范圍，為大學(xué)膠體化學(xué)的學(xué)習(xí)提供良好的過(guò)渡；最后，隨著近年來(lái)膠體化學(xué)在納米技術(shù)、催化劑研究、營(yíng)養(yǎng)吸收與釋放等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及迅速發(fā)展，教師自身也需要不斷拓展視野、更新知識(shí)，才能在教學(xué)中更好地引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)膠體化學(xué)的相關(guān)問(wèn)題。endprint