・コロイドの性質


(1)実験操作(動画はこちら)

[実験1:水酸化鉄(III)コロイド溶液の生成]

@ 100 mLビーカーに純水50 mLを入れ、ガスバーナーで加熱して沸騰させる。

A 試験管に塩化鉄(III)六水和物FeCl36H2O 0.27 gを取り、純水を少量加えて溶かす。

B 沸騰水の中にAの塩化鉄(III) FeCl3水溶液を加え、すぐに火を止める。

C 生成した水酸化鉄(III) Fe(OH)3コロイド溶液の色と、コロイド粒子を肉眼で見ることができるかどうか観察する。

 

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.1  赤褐色の水酸化鉄(III) Fe(OH)3コロイド溶液

 

[実験2:疎水コロイドの凝析]

D 50 mLビーカーに塩化ナトリウムNaCl 1.17 gを取り、純水を20 mL加え、1.0 mol/L塩化ナトリウムNaCl水溶液を作る。また、別の50 mLビーカーに硫酸ナトリウムNa2SO4 0.71 gを取り、純水を10 mL加え、0.50 mol/L硫酸ナトリウムNa2SO4水溶液を作る。

E 2本の試験管に、Cの水酸化鉄(III)Fe(OH)3コロイド溶液を駒込ピペットで約5 mLずつ取る。

F 一方の試験管に、1.0 mol/L塩化ナトリウムNaCl水溶液を駒込ピペットで1 mLずつ加えていき、合計何mLで液が濁ったかを記録する。

G もう一方の試験管にも、0.50 mol/Lの硫酸ナトリウムNa2SO4水溶液を駒込ピペットで1 mLずつ加えていき、合計何mLで液が濁ったかを記録する。

 

[実験3:コロイドのチンダル現象]

H 部屋を暗くして、試験管に水酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイド溶液を取り、強い光束(レーザー光線など)を当ててみる。同様に塩化ナトリウムNaCl水溶液などでも行い、比較・観察する。

 

(2)理論

沸騰水に少量の塩化鉄(III) FeCl3の飽和水溶液を加えると、次のような加水分解反応が起こり、赤褐色の水酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイド溶液が得られます。これは、沸騰水との反応では、高温のために加水分解反応が急激に進み、液中に多量にできた水酸化鉄(III) Fe(OH)3の小さな結晶核が、大きな沈殿粒子まで成長せずに、コロイド粒子の大きさで成長がストップしてしまうからです。このコロイドは、溶液中の水素イオンH+ または鉄(III)イオンFe3+ が表面に吸着しているので、正に帯電した「疎水コロイド(hydrophobic colloid)」になっています。

 

FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)3 + 3HCl

 

このようにして作った水酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイド溶液には、酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイド粒子の他、不純物として水素イオンH+ 塩化物イオンCl- 含まれます。コロイドを精製するには、生じたコロイド溶液を半透膜であるセロハン袋に入れて、流水中に浸して、「透析(dialysis)」を行います。すると、水素イオンH+ や塩化物イオンCl- は、拡散の原理に従ってセロハン膜を通過して出ていきます。しかし、水酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイド粒子は、大きいために半透膜を通過できず、セロハン膜内に留まることになります。この操作によって、水酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイドを、セロハン袋中に精製できます。

 

(3)結果

酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイドは疎水コロイドなので、少量の電解質を加えると、「凝析(precipitation)」が起こります。2本の試験管を用意し、作成した酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイド溶液を5 mLずつ取ります。そして、一方には1.0 mol/Lの塩化ナトリウムNaCl水溶液を、もう一方には0.50 mol/Lの硫酸ナトリウムNa2SO4水溶液を1 mLずつ加えていき、どちらが凝析を起こしやすいのかを、今回の実験では調べました。

 すると、塩化ナトリウムNaCl水溶液の方は、20 mL加えても凝析は起こりませんでしたが、硫酸ナトリウムNa2SO4水溶液の方は、1 mL加えたところで凝析が起こりました。これは、酸化鉄(III) Fe(OH)3のコロイドが「正コロイド(positive colloid)」であり、凝析が起こるときに陰イオンの影響を強く受けるからです。正コロイドを凝析させるとき、二価の陰イオンは一価の陰イオンの数十倍、三価の陰イオンは一価の陰イオンの数百倍の凝析力を持ちます。

 

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.2  塩化ナトリウムNaCl()は凝析が起こりにくいが、硫酸ナトリウムNa2SO4()は凝析が起こりやすい

 

 また、コロイド溶液に横から強い光束を当てると、「チンダル現象(Tyndall effect)」が起こって、光の通路が明るく輝いて見えます。これは、コロイド粒子の大きさが光の波長とよく似ていて、その表面で光がよく散乱されるためです。これはコロイドの特性の1つであり、これによりコロイドを見分けることが可能になります。

 

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.3  「チンダル現象」により、光の通路がはっきりと見える


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・参考文献

1) 卜部吉庸「化学の新研究」三省堂(2013年発行)