關于膠體穩定性問題的疑難解析

李夢雪

摘要：中學化學膠體穩定性的探討范圍僅為難溶鹽膠體，針對難溶鹽膠體穩定性問題，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定與聚沉，并結合文獻探討難溶鹽膠體制備的必需條件。解釋或澄清中學化學中對膠體穩定性問題的一些認識誤區，為中學教師的實際教學提供參考和借鑒。

關鍵詞：膠體穩定性；膠粒相互作用；膠體聚沉；膠體制備；問題探討

文章編號：1005-6629（2018）1-0092-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

膠體穩定性問題是高中化學膠體部分的重要內容。課程標準要求學生從分類的角度認識膠體分散系，了解膠體這種常見的分散系的本質特點和基本性質。而膠體穩定性是膠體分散系的重要性質之一，對于學生理解膠體分散系和膠體其他性質具有重要作用。學業水平測試也要求學生識記并理解膠體的穩定性。隨著膠體化學的發展，人類對膠體穩定性的本質和原因的認識不斷完善，教師理應把握膠體發展現狀，明確膠體穩定性有關內容，正確引導學生認識膠體及其穩定性，以免造成學生的一些認識誤區，不利于中學化學與大學化學之間的銜接。通過分析目前“膠體”教學中涉及膠體穩定性的有關問題發現，很多教師和學生對膠體穩定性的了解并不深入和全面，尤其在膠體穩定性的探討范圍、膠體穩定存在的原因、穩定膠體制備等問題上存在錯誤認識。因此，有必要結合相關文獻和專業參考書，對上述問題作一些解讀和澄清，以期為中學化學教學提供參考。

1膠體穩定性探討范圍的界定

膠體又稱膠狀分散體，是一種均勻的混合物，分散質粒子直徑介于粗分散系和溶液之間，即介觀范圍的一類分散體系，是一種高度分散的多相不均勻體系。其種類有很多，而中學和大學化學中涉及的所謂“膠體”其實只是由難溶無機鹽粒子構成的膠體，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不穩定、動力學穩定的體系。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。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，但那是無相界面的真正的溶液，處于熱力學穩定的體系；（2）其他熱力學穩定的、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，熱力學上由于粒子之間巨大的界能，具有相互聚結以減小界能，表現為不穩定；動力學上粒子發生布朗運動，表現為穩定，這兩種表現使得膠體具有介穩性的特點，容易受外界條件的干擾發生聚沉。

2膠體穩定性表現的解釋

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

2.1膠體體系中的相互作用與膠體穩定性

無論何種體系，只要是處于動力學穩定或熱力學穩定的，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力學穩定或熱力學穩定的。

難溶鹽膠體中的粒子實驗（電泳實驗等）證明膠體由帶電的荷電粒子構成。既然膠體是處于熱力學不穩定、而動力學穩定的體系，那么荷電膠粒之問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），膠粒問的力程相對短一些。

（2）范德華吸引能（U_A曲線），膠粒問的力程相對長一些。

兩者合起來的作用就是圖1中所示的粗黑實線U，即兩個荷電膠粒之間的勢能。U曲線的中間有一個勢能壘，勢能壘的右邊，就是膠體存在的區域。不過因為右邊區域的勢能不是最低的，所以那個區域是熱力學不穩定，而動力學穩定的區域。勢能壘左邊有一個勢能最低的小區域，那里膠粒之間的間距很小，那就說明在這區域里膠粒會聚集，然后在重力作用下就發生聚沉。因為該區域內勢能最低，所以那個區域中體系無論在熱力學還是動力學意義上都是穩定的。所以，膠粒只有在一定范圍的間距內才能形成穩定的膠體，制備時需要保證膠粒的間距不能太小以致相互聚集發生聚沉。

可見，中學教材僅僅從靜電斥力一個角度來描述膠粒相互作用是不完全的，教師應該充分了解膠體穩定性的原理，合理處理教材內容，正確引導學生理解膠體的穩定性，注意教學中的規范表述，避免出現科學性錯誤。

2.2膠體聚沉與膠體穩定性

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

實際教學中教師常用“向氫氧化鐵膠體中加入硫酸鎂產生沉淀”這一實驗事實來介紹膠體的聚沉現象，這個事實看起來像一個復分解反應，使得很多學生認為聚沉屬于化學變化，這是一個錯誤的認識。根據圖1，在發生聚沉的那個小區域，粒子聚集形成沉淀，膠體與沉淀的不同主要體現在粒子間距的不同。那么，聚沉就可以看作是膠體向沉淀轉化的條件作用，使得體系由膠體的介穩狀態變為沉淀的穩定狀態，且這一改變一般來說是不可逆的，如圖2所示。顯然，聚沉不是什么化學作用造成的。

聚沉的發生無外乎：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。使膠體發生聚沉的方法有很多，如加入電解質、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定性。中學教學中應注意膠體穩定與膠體聚沉的關聯，并注意介紹電解質聚沉現象的案例以防止造成學生的迷思概念。

3.穩定膠體的制備

由以上分析看出，一個穩定的難溶鹽膠體不僅需要保證粒子尺寸在介觀范圍內，也需要保證粒子間距在一定范圍內，才能保證膠粒不易聚集。通過分析相關的文獻和專業參考書發現，穩定難溶鹽膠體的形成條件主要有兩個：分散相在介質中的溶解度要小以及穩定劑的加入。endprint

3.1分散相在介質中的溶解度要小

分散相在介質中有極小的溶解度，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。也有很多因素會影響分散相在介質中的溶解度，如溫度、pH、反應物濃度等，從而影響形成膠體的穩定性。

陳瑞齡、周衛紅通過水玻璃（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中的溶解度的影響因素，主要是pH和硅酸溶膠的濃度，發現在較稀的水玻璃溶液中加入較大濃度的鹽酸來制備硅酸膠體是不可取的，他們經過反復實驗，指出用20～25mL的0.2mol/L鹽酸加入25%的3mL的工業水玻璃中，可以制得穩定的硅酸膠體。說明強酸性的環境下硅酸溶解度大，不易凝聚，水玻璃過多會使得膠體過稀而不易凝聚，總之一切使膠體溶解度增大的條件都不利于制得穩定的膠體。

3.2穩定劑的加入

穩定劑的加入，可以降低體系表面能，使膠粒不會立即聚集，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，可以增加體系電荷，防止膠粒聚集，起到穩定劑的作用，這里重點來探討電解質作為一種穩定劑，它的加人對難溶鹽膠體穩定性的影響。

（1）加入電解質的種類會影響難溶鹽膠體穩定性。劉艷玲等利用FeCl₃飽和溶液與CH₃COONa固體反應制備Fe（OH）₃膠體，丁達爾效應不明顯。孫影、許燕紅等人提出用FeCl₃溶液與NaOH溶液反應制備Fe（OH）₃膠體，實驗效果理想但對試劑劑量要求嚴格。熊曉丹、孫丹和伍曉春將MgO用于制備Fe（OH）₃膠體，發現在常溫下MgO可以促進FeCl₃水解形成穩定的Fe（OH），膠體，實驗成功率高且實驗現象明顯。

（2）加人電解質的濃度會影響難溶鹽膠體穩定性。黎茂堅通過不同濃度的NaOH溶液與不同濃度的FeCl₃溶液直接反應制備Fe（OH）₃膠體的實驗，得出加入適當濃度的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。

根據以上分析，一個穩定的難溶鹽膠體制備需要考慮以上兩個條件，教師在設計難溶鹽膠體制備的實驗中需要考慮這兩個條件。這兩個條件中，特別需要關注的是加入電解質的量的問題，因為電解質加多了會促進膠粒聚集。而中學教材中并沒有提及電解質量的問題，很多教師也認為加人電解質只會引發難溶鹽膠體聚沉，沒有注意到適量的電解質可以促進和穩定難溶鹽膠體的制備。難溶鹽膠體中電解質量的要求，其實就是“聚沉值”，沒有達到聚沉值時，可以促進膠體制備，超過了聚沉值，則會引發難溶鹽膠體明顯聚沉。林清枝研究了常見電解質NaCl、MgCl₂和AlCl₃對帶負電荷Al₂S₃膠體的聚沉值，KCl、K₂C₂O₄、K₃Fe（CN）₆對帶正電荷的Al₃O₃膠體的聚沉值，見下表1所示。

教師在設計加入電解質制備難溶鹽膠體的實驗中，可以先查閱電解質的聚沉值，在聚沉值的范圍內探索加入電解質的用量對難溶鹽膠體的制備效果有重要的作用。

4結語

鑒于以上分析，建議在實際的教學中，教師首先要清楚膠體穩定性的探討范圍，理解膠體穩定存在的主要原因，明確膠體制備的兩個條件；其次，中學與大學的膠體化學關系密切，教師要掌握適度原則，在引導學生正確認識膠體及其穩定性的基礎上，合理處理教學的內容與范圍，為大學膠體化學的學習提供良好的過渡；最后，隨著近年來膠體化學在納米技術、催化劑研究、營養吸收與釋放等領域的廣泛應用及迅速發展，教師自身也需要不斷拓展視野、更新知識，才能在教學中更好地引領學生認識膠體化學的相關問題。endprint