2013年11月22日 星期五

膠體 Colloids

化學原理啟迪435
J. MENDEL SPRING 2014 COLLECTIONS
1.     將泥巴和水迅速攪拌後,泥巴會懸浮在水中;如果停止攪拌,大部分的泥土粒子隨即沈澱下去,然而,即使經過數天,水中仍舊懸浮一些小顆的泥巴粒子。
2.     一般的光照可能看不出這些小顆的懸浮粒子,但如果用強光照射懸浮液,就能觀察到他們的存在。
3.     當光束筆直往前走,撞上懸浮粒子,光束會散射開來,所以我們可以觀察到穿過懸浮溶液容器的光束(圖右);而真正的溶液,則無法從容器的液體光線變化看到,因為散佈在溶液中的離子和分子太小顆,無能力散開光束(圖左)。
4.     粒子散開光線的現象,稱為廷得耳效應Tyndall effect。廷得耳效用常用來作為分辨懸浮液與真實溶液的標準。
5.     懸浮粒子散佈在特定溶液的現象稱為膠體分散colloidal dispersion,形成的液體稱為膠體colloid。懸浮粒子可以是單個、大型分子,也可以是一群分子或離子,懸浮粒子從1奈米到1000奈米大小都有。
6.     依據分散質與分散媒介的相,我們將膠體分為以下幾類:
7.     是什麼東西穩定了膠體?為什麼這些粒子是懸浮在溶液中,而非彼此結成較大的集合體或沈澱下來?答案很複雜,不過,穩定膠體的主要力量是靜電排斥力electrostatic repulsion
8.     膠體是電中性的,但是當膠體放置到電場中,分散質全部遷移到同一個電極位置,由此可見,他們必定含有相同的電荷。
9.     膠體粒子從周遭媒介吸引一層離子包覆自己,這些被膠體粒子吸引的離子,電荷都一樣;包覆在膠體粒子表面的第一層離子,再吸引第二層電荷相反的離子,因為包覆在膠體粒子表面的同層離子,電荷都一樣,所以膠體粒子彼此會互斥,難以凝聚成足以沈澱的大型粒子。
10. 破壞膠體的作用,稱為凝聚作用coagulation。我們可用加熱或加入電解質的方式破壞膠體。
11. 加熱會增加膠體粒子的運動速率,使膠體粒子有足夠的能量互相碰撞,突破離子障壁,讓膠體粒子得以互相連結成團成塊,膠體粒子彼此不斷地碰撞,愈黏愈大塊,最後沈澱下來。
12. 增加電解質能夠破壞膠體的原因是,電解質會吸走包覆在膠體粒子表面的離子群,這便是為什麼河流的黏土懸浮物,碰到海洋(含電解質)會沈澱,在河川出海口形成三角洲,海水飽含的鹽分使膠體黏土粒子彼此連結成塊。
13. 另一個膠體凝聚作用的例子是,從油煙裡排除油污。當油煙通過靜電除煙器,固體懸浮物會被移除,靜電除煙器大幅增進高度工業化城市的空氣品質。
n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles;圖片來源/education.comSciencephoto.comchemistry.tutorvistasoft-matter.seas.harvard.edu

2013年11月21日 星期四

電解質溶液的依數性質 Colligative Properties of Electrolyte Solutions

化學原理啟迪434
DIANE VON FURSTENBERG SPRING 2013 COLLECTIONS
1.     溶液的依數性質與溶質粒子的濃度有關。舉例來說,0.10m(重量莫耳濃度)的葡萄糖溶液,凝固點/冰點(比純溶劑水)降低0.186℃:
ΔTKf m=(1.86 kg/mol)(0.10 mol/kg)=0.186
2.     如果是0.10mNaCl溶液,凝固點下降的幅度是0.37℃,因為溶液裡有0.10m Na+離子和0.10mCl離子,所以氯化鈉溶液裡,實際上溶質粒子是0.20mΔTKf m=(1.86 kg/mol)(0.20 mol/kg)=0.37
3.     丟進溶液之前的溶質莫耳數,與丟進溶液後解離出來的溶質莫耳數,這二者之間的關係,以凡何夫因數van't Hoff factor(i)表示:
i=(moles of particles in solution/moles of solute dissoved
4.     我們可以從鹽的化學式,計算出理論上的離子數量。舉例來說,NaCl的凡何夫因數i2K2SO4的凡何夫因數i3Fe3(PO4)2的凡何夫因數i5,以上列舉的凡何夫因數假設,鹽類溶解後,完全解離成它們的組成離子,分開獨立存在於溶液中。
5.     然而這個假設並不一定正確,舉例來說,「0.10m氯化鈉」的凝固點下降幅度,是「0.10m 葡萄醣」的凝固點下降幅度的0.87倍,而不是2倍。
6.     合理的解釋是,溶液裡面出現離子對ion pairing,溶液中有少部分的鈉離子和氯離子成對存在,所以「成對存在的離子」應當視為1個粒子。
7.     高濃度的溶液,離子成對的現象特別嚴重。愈是稀釋的溶液,離子彼此分得愈開,愈不會出現離子對。舉例來說,0.0010m重量莫耳濃度的NaCl溶液,凡何夫因數i的數值是1.97,十分接近我們理論上預期的數值。
8.     所有電解質溶液都有一些離子對,以下為特定濃度的電解質溶液,理論預期與實驗觀察到的凡何夫因數i
電解質:NaCl 理論預期的i2.0  實驗觀察的i1.9
電解質:MgCl2 理論預期的i3.0  實驗觀察的i2.7
電解質:MgSO4 理論預期的i2.0  實驗觀察的i1.3
電解質:FeCl3 理論預期的i4.0  實驗觀察的i3.4
電解質:HCl 理論預期的i2.0  實驗觀察的i1.9
電解質:葡萄醣 理論預期的i1.0  實驗觀察的i1.0
9.     特別留意,當離子固體溶解後解離出多個電荷離子,例如FeCl31Fe3+離子與3Cl離子,理論預期與實際觀察到的凡何夫因數i的差距最大,這是合理的,因為固體若是能夠解離出多個離子(離子的濃度較高),會有比較多的電子對。
10. 描述電解質依數性質的方程式,應當涵蓋凡何夫因數van't Hoff factor。舉例來說,凝固點/冰點與沸點改變的方程式是:
ΔTimK
K代表「凝固點下降常數」或「沸點提高常數」
11. 電解質溶液滲透壓方程式是:
πiMRT
M是溶質的莫耳濃度mol/LR是氣體常數,T是絕對溫度。
12. 【例題】在25下,0.10MFe(NH4)2(SO4)2溶液的滲透壓是10.8atm,比較理論預期與實驗觀察到的凡何夫因數i
13. 【解題】離子固體Fe(NH4)2(SO4)2溶解於水中會產生5個離子:
Fe(NH4)2(SO4)2H2O→Fe22NH42SO42
因此理論上我們預期0.10MFe(NH4)2(SO4)2溶液的凡何夫因數i5
14. 我們利用滲透壓方程式計算i的實驗值
πiMRT iπ/MRT
π10.8atm ,M0.10 mol/L, R0.08206 L atm K1 mol1,並且T25273298K;將以上的數值代入方程式得到:
iπ/MRT(10.8 atm)÷(0.10 mol/L)(0.08206 L atm/K mol)(298K)4.42
15. 實驗觀察到的凡何夫因數i4.42,小於理論所預期的凡何夫因數i5,這應該是因為有些解離的離子,彼此互相吸引,變成離子對的關係。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles》;圖片來源/catalog.flatworldknowledge