氫氧化鐵膠體制備中幾個現象的探究

艾師榮

在蘇教版《化學1》“物質的分散系”一節實驗操作中，只要我們仔細觀察認真操作，不難發現這樣幾個問題：①為什么氯化鐵溶液較為渾濁？②為什么照射氯化鐵溶液會出現光亮通路？③為什么照射泥水也會出現光亮通路？

下面，就來談談我對于這幾個問題研究的思路和結論。

一、為什么氯化鐵溶液較為渾濁

實驗室里試劑氯化鐵為其六水合物，是橙黃色晶體，很易潮解。氯化鐵飽和溶液的配制方法有二，最簡單的方法就是向一定量蒸餾水中小心不斷地加入氯化鐵六水合物攪拌溶解，直至溶液底部出現少量不能溶解的晶體為止。還有一個方法，就是根據常溫下氯化鐵的溶解度，計算一定量水中最多溶解的氯化鐵的質量，向水中加入稱量好的氯化鐵六水合物進行溶解。但無論是哪種方法配制出的氯化鐵飽和溶液，或是其不飽和溶液，都是黃褐色、較為渾濁的液體，這是溶于水的部分氯化鐵發生水解反應生成氫氧化鐵聚集成黃褐色顆粒物懸浮在溶液中形成的。這是一種由溶液、懸濁液等組成的復雜分散系。

二、為什么照射氯化鐵溶液會出現光亮通路

用激光筆照射這種“溶液”時，會觀察到膠體的特征現象——丁達爾效應。難道說這一渾濁體系是膠體？事實上，是因為其分散質粒子直徑（1mm～100nm）小于可見光波長（400mm～700nm），能使光波發生散射而形成光亮通路；而溶液的分散質粒子直徑（＜1nm）遠遠小于可見光波長，對光波的散射極其微弱而不能形成光亮通路，即觀察不到丁達爾效應；濁液的分散質粒子直徑大于100nm，因范圍很廣，故不能一概而論：如果分散質粒子直徑大于可見光波長，則對光波反射或折射而觀察不到顯著的丁達爾效應，而如果分散質粒子直徑小于可見光波長，則也是能夠觀察到顯著丁達爾效應的。所以教材上總結“實驗室中可用丁達爾效應區分膠體與溶液”，而未說“可用丁達爾效應區分膠體與濁液”。而現在照射較為渾濁的氯化鐵溶液能夠觀察到丁達爾效應，就足夠說明溶液中三價鐵離子水解生成的氫氧化鐵聚集成的懸浮顆粒物直徑應小于或接近該光波的波長。

將一星期前配制的和剛配制的兩瓶氯化鐵溶液均過濾了一次，濾紙上出現少量黃褐色濾渣，兩瓶氯化鐵溶液均變為黃色、澄清的液體，照射它們仍然產生丁達爾效應。

“過濾一次不能除盡大型氫氧化鐵顆粒，再過濾一次。”幾次過濾，發現氯化鐵溶液的丁達爾效應逐漸變得微弱，但始終可見。三價鐵離子水解生成的氫氧化鐵中一部分是大型的懸濁液分散質顆粒，久置可沉降，過濾能除去，光照能產生丁達爾效應；而另一部分是較小的膠粒，靜置不會沉降，能透過濾紙（也能被濾紙少量吸附），也能產生丁達爾效應。

回到我們的問題上來，那么氯化鐵溶液中三價鐵離子水解生成的氫氧化鐵可能會聚集成分子數目不一的分散質微粒，其中分子數目小、體積小的就是膠體分散質微粒即膠粒，而分子數目巨大且體積足夠大就能達到濁液分散質顆粒的尺寸。靜置這一氯化鐵溶液，體積大質量大的氫氧化鐵顆粒將在重力作用下沉降下來，但總有一些膠粒尺寸的氫氧化鐵粒子，它們因為表面積較大，吸附了環境中的陽離子即三價鐵離子而帶相同正電荷，互相排斥，在體系中做布朗運動，這些都阻礙了膠粒的變大和沉降。簡單地說，這類多分子集合體型的膠粒其實就是分子數目很大、直徑達到“膠粒尺寸”，在體系中相互排斥、做布朗運動四處游蕩、不易沉降的難溶物。這樣看來，這一氯化鐵溶液的成分比原先想象的更復雜，它實際包含了溶液、膠體和懸濁液三大分散系。

將制得的黃褐色、較為渾濁的氯化鐵飽和溶液經一次或幾次過濾處理，得到黃棕色、澄清的飽和溶液，再小心滴加HCl溶液，將溶液pH調至2.5～3之間來緩解三價鐵離子的水解。這樣做其利有二：一是該溶液成分比較單一（體系中仍含少量氫氧化鐵膠粒）；二是用激光筆照射這一體系，僅能觀察到微弱的丁達爾效應，說明溶液中能產生丁達爾效應的氫氧化鐵懸濁液分散質顆粒已被除去，僅剩極少量氫氧化鐵膠粒。制得的紅褐色液體卻能明顯觀察到丁達爾效應，說明氯化鐵在沸水中水解生成大量膠粒，即氫氧化鐵膠粒，因量大所以體系呈現紅褐色。改進后，思路嚴謹、原理可靠、現象明顯，經得起質疑和檢驗。

三、為什么照射泥水也會出現光亮通路

書上對于用激光筆照射泥水只字未提，而實際情況怎樣？當我們用激光筆照射渾濁的泥水，會觀察到泥水中自光線入射處至體系中一定深度有很大一片區域被染成紅色，這是泥水中分散質土壤顆粒直徑遠遠大于可見光波長，且濃度相當大，對光波反射和折射形成的，這種現象算不上是丁達爾效應。

但泥水靜置一陣，泥水略顯渾濁，光照可觀察到光亮的通路——丁達爾效應。前面分析過分散質顆粒直徑小于或略大于光波波長的濁液是能觀察到丁達爾效應的，說明靜置后泥水中大型分散質顆粒已經沉降，但仍懸浮很多體積較小的分散質顆粒，而直徑正是小于或略大于該光波的波長。

現在，將泥水過濾以除去泥水中的大小懸濁液分散質顆粒。這時泥水澄清，用激光筆照射仍可觀察到丁達爾效應，說明其為膠體體系。泥水怎么又成了膠體體系呢？原來，泥水中土壤顆粒有大有小，大的顆粒即懸濁液分散質顆粒，質量較大，靜置沉降；足夠小的是膠粒，帶相同電荷（負電荷）、相互排斥游蕩在體系中。

極其渾濁的懸濁液是觀察不到丁達爾效應的，除非濃度適當。將適量細致的鐵粉倒入水中攪渾，用激光筆照射，可觀察到類似于丁達爾效應的現象，隨后鐵粉沉降，丁達爾效應也隨之消失。故丁達爾效應不是膠體特有，某些濁液也存在丁達爾效應，只是沒有膠體顯著罷了。

總之，我們說泥水主要是一種懸濁液，但在分析其具體性質時，則需視情況而定。例如在分析河流入海處三角洲形成問題時，則需用到膠體的性質——遇電解質聚沉來解釋。

（浙江省義烏市私立群星學校）