物理化学电泳实验

1 实验目的

（1）用电泳法测定氢氧化铁溶胶的ζ电势。 （2）掌握电泳法测定ζ电势的原理和技术。 （3）学习Fe(OH)3溶胶的制备和纯化。 （4）理解电泳是胶体中液相和固相在外电场作用下相对移动而产生的电性现象。

2 实验原理

溶胶是一个多相体系,其分散相胶粒的大小约在1nm~1μm之间.校核大多是分子或原子的聚集体,因选择性地吸附介质中的某种离子(或自身电离)而带电。介质中存在的与吸附离子电荷相反的离子称为反离子，反离子中有一部分因静电引力(或范德华力)的作用，与吸附离子一起紧密地吸附于胶核表面，形成紧密层。于是，胶核、吸附离子和部分反离子(即紧密层)构成了胶粒。反离子的另一部分由于热扩散分布于介质中，故称为扩散层，见图2-1。

紧密层与扩散层间交界处称为滑移面(或Stern面)。显然紧密层与介质内部之间存在电势差，称为ζ电势。此电势只有处于电场中才显示出来。在电场中胶粒会向异号电极移动，称为电泳。在特定的电场中，ζ电势的大小决定于胶粒的运动速度，故ζ电势又称电动电势。

图2-1双电层示意图

因为溶胶是高分散的多相的热力学不稳定体系。为了降低体系的表面能，它终将聚集而沉降，但它在一定条件下又能相对地稳定存在，主要原因之一是体系中胶粒带的是同一种电荷，彼此相斥而不致聚集。胶粒带的电荷越多，ζ电势越大，胶体体系越稳定。因此ζ电势大小是衡量溶胶稳定性的重要参数。

利用电泳现象可测定ζ电势。电泳法又分宏观法和微观法，前者是将溶胶置

于电场中，观察溶胶与另一不含溶胶的导电液(辅助液)间所形成的界面的移动速率；后者是直接观测单个胶粒在电场中的泳动速率。对高分散或过浓的溶胶采用宏观法；对颜色太浅或浓度过稀的溶胶采用微观法。

本实验是在一定的外加电场强度下，通过测定Fe(OH)3胶粒的电泳速度然后计算出ζ电位。

(1)

式中：η, ε是测量温度下介质的粘度(Pa·s)和介电常数，取文献值；u为胶粒电泳的相对移动速率(m·s-1)；(U/l)为电位梯度(V·m-1)，U为两极间电位差(V)，l为两极间距离(m)；K是与胶粒形状有关的常数，球形粒子为6，棒状粒子为4，对于Fe(OH)3K值为4。

本实验中，测定电泳测定管中胶体溶液界面在t(s)内移动的距离d(m)，求得电泳速度u=d/t。

Fe(OH)3溶胶用水凝聚法制备，制备过程中所涉及的化学反应如下： ①󰀀 在沸水中加入FeCl3溶液：FeCl3+3H2O=== Fe(OH)3+3HCl

② 溶胶表面的Fe(OH)3会再与HCl反应：Fe(OH)3+HCl===FeOCl+2H2O ③FeOCl离解成FeO+,Cl-。胶团结构为：{[Fe(OH)3]m·n FeO+·(n-x)Cl-}x+·xCl-

在制得的溶胶中常含有一些电解质，通常除了形成胶团所需要的电解质以外，过多的电解质存在反而会破坏溶胶的稳定性，因此必须将溶液净化。最常用的净化方法是渗析法。他利用半透膜具有能透过离子和某些分子，而不能透过胶粒的能力，将溶胶中过量的电解质和杂质分离出来，半透膜可由胶棉液制得。纯化时，将刚制备的溶胶，装在半透膜内，浸入蒸馏水中，由于电解质和杂质在膜内的浓度大于在膜外的浓度，因此，膜内的离子和其他能透过膜的分子向膜外迁移，这样就降低了膜内溶胶中电解质和杂质的浓度，多次更换蒸馏水，即可达纯化的目的。适当提高温度，可加快纯化过程。

3 仪器和试剂

（1）仪器

WYJ-GA高压数显稳压电源(附铂电极2个)(如图7.2)；电泳管一只(如图7.3)；SLDSD-Ⅰ型数显电导测定仪一台(如图7.4)；秒表一只；滴管2支；漏斗1个；细线1条；直尺一把。 （2）药品

稀KCl溶液；Fe(OH)3晶体；火棉胶。

4 实验步骤

（1） Fe(OH)3溶胶的制备及纯化 ①半透膜的制备

在一个内壁洁净、干燥的250mL锥形瓶中，加入约10mL火棉胶液，小心转动锥形瓶，使火棉胶液粘附在锥形瓶内壁上形成均匀薄层，倾出多余的火棉胶。此时锥形瓶仍需倒置，并不断旋转。待剩余的火棉胶流尽后，使瓶中的乙醚蒸发至闻不出气味为止(可用吹风机冷风吹锥形瓶口加快蒸发)，此时用手轻触火棉胶膜，若不粘手，则可在用电吹风热风吹5min。然后再往瓶中注满蒸馏水，(若乙醚未蒸发完全，加水过早，半透膜会发白，则不合用。若吹风时间过长，使膜变为干硬，易裂开)，浸泡10min。倒出瓶中的水，小心用手分开膜与瓶铋之间的间隙。慢慢注水于夹层中，使膜脱离瓶壁，轻轻取出，在膜袋中注入水，观察是否有漏洞，制好的半透膜不使用时，要浸放在蒸馏水中。 ②用水解法制备Fe(OH)3溶胶

在250mL烧杯中，加入100mL蒸馏水，加热至沸，慢慢滴入5mL(10%) FeCl3溶液(控制在4~5min滴完)，并不断搅拌，加毕继续保持沸腾3~5min，即可得到红棕色的Fe(OH)3溶胶。此时在溶胶体系中存在过量的H+,Cl-等离子需要除去。 ③用热渗析法纯化Fe(OH)3溶胶

将制得的Fe(OH)3溶胶，注入半透膜内，用线拴住袋口，置于800mL的清洁烧杯中，杯中加蒸馏水约300mL，维持温度60℃左右，进行渗析。每20min换一次蒸馏水，反复4次后取出1mL渗析水，分别用1%AgNO3及1%KCNS溶液检查是否存在Cl-及Fe3+，如果仍存在，应继续换水渗析，直到检查不出来为止，将纯化过的Fe(OH)3溶胶移入一清洁干燥的100mL小烧杯中待用。

要保证每次制膜前锥形瓶都是洁净干燥的。书中叙述制膜时要用100mL火棉胶，显然错误，只需在瓶壁上形成均匀薄层即可，故5~10mL足矣。火棉胶涂均匀后，一定要保证内壁已不粘手才可用热风吹干，但不可吹风时间过长。可用手或镊子轻箍锥形瓶瓶口边缘，撕开一小缝，往里注水，待水润湿瓶壁与膜缝隙，再小心取出膜，不需要如书中所述用蒸馏水浸泡10min。每组需要至少50mLFe(OH)3溶胶，故一起制200mL。渗析时多换水，每换4~5次水后可更换一张膜，如此3次后在电导仪下测电导率，若低于0.2，则可进行下一步实验。 （2）盐酸辅助液的制备

调节恒温槽温度为(25±0.1℃)，用电导仪测定Fe(OH)3溶胶在25℃时的电导率，用盐酸溶液和蒸馏水配制与之相同电导率的盐酸溶液。

本实验中配制KCl溶液即可，取一干净滴管逐滴向装有100mL蒸馏水的小烧杯中滴入KCl，不断搅拌，测其电导率直至与溶胶相同。电导仪使用前要用蒸馏水清洗其铂电极。

（3）仪器的安装

用蒸馏水洗净电泳管后，再用少量溶液润洗一次，将渗析

好的Fe(OH)3溶胶倒入电泳管中(见图4-1),使页面超过活塞②，③。关闭这两个活塞，把电泳管倒置，将多余的溶液倒净，并用蒸馏水洗净活塞②，③以上的管壁。打开活塞①，用HCl溶液冲洗一次后，再加入该溶液，并超过活塞①少许，关闭活塞①。插入铂电极按装置图连接好线路。

图4-1 书中记载电泳管（左）与实际使用电泳管（右）

使用的电泳管与书中略有差异(如图4-1)。首先用蒸馏水洗净电泳管。关闭活塞①，用Fe(OH)3溶胶润洗右侧A管，然后装入溶胶至A管底部，再加溶胶上边球状囊中。关闭活塞①，用KCl溶液润洗U型管，加入适量KCl溶液，缓缓开启活塞①，使溶胶缓慢上升，直至A管与U型管液面相平，可看到溶液与辅助液之间的清晰界面。在U型管上插入电极，连接到稳压电源上。 （4）溶胶电泳的测定

如图4-1（左），缓缓开启活塞②，③(勿使溶胶液面搅动)，可得到溶液与辅助液之间的清晰界面。然后接通稳压电源，迅速调节输出电压为150~300V。观察溶胶液面移动现象及电极表面现象。当界面上升至活塞②或③上少许时，开始计时，并准确记下溶胶在电泳管中液面位置，以后每隔5min记录一次时间及下降端液-液界面的位置及电压，连续电泳40min左右，断开电源，记下准确的通电时间t和溶胶面上升的距离d，从伏特计上读取电压U，并且量取两级之间的距离l。

如图4-1（右），开启电源，记下U型管左右的刻度，以后每隔3分钟记录一次两端的界面刻度，连续记10组。之后用细线量出两点极之间的距离，具体数据记录见五中。实验结束后，拆除线路，用蒸馏水洗电泳管多次，最后一次用蒸馏水注满，整理实验台。 数据记录与处理

5 实验数据记录及处理

（1）室温 19.6℃ 溶胶电导率 0.1072

电极电压 100v 两电极间距离22.70cm

表5-1溶胶界面高度随时间变化

t(min) 左刻度(cm) 右刻度(cm) t(min) 左刻度(cm) 右刻度(cm) 0 5.00 4.90 15 3.20 6.10 3 4.60 5.20 18 2.90 6.30 6 4.20 5.30 21 2.50 6.40 9 3.80 5.60 24 2.30 6.50 12 3.50 5.80 27 2.10 6.50 （2）由上表数据作d~t关系图，求出斜率u(电泳速率) 左侧是正极下降较均匀，取其数据在origin中作d~t图,如下：

Linear Regression for DATA1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error ------------------------------------------ A 4.87455 0.05519 B -0.00181 5.74368E-5

------------------------------------------ R SD N P

-0.99599 0.09391 10 <0.0001

图5-1 左侧电极d~t关系（左）及线性拟合数据（右）

由此可计算出u=B= -0.00181×10-2m/s= -1.81×10-5m/s （3）由u及U的平均数据，计算胶体的ζ电势。 Fe(OH)3，胶粒形状常数K值为3.6×1010 V2∙S2∙kg-1∙m-1 室温为19.6℃，取水的绝对粘度η=1.002Pa·s 介电常数ε=80-0.4(T/K-293)=80.16,故 ζ=0.0581V=58.1mV

6 结果分析

. 一般稳定的Fe(OH)3胶体ζ电势在30~40mV之间，此次测得的ζ电势较大，分析原因，因为溶液的电导率大，带电胶粒移动的速率也会加快，它们更倾向于移动到负极接受电子而聚沉，所以测得的u偏大，导致最终求得电势偏大。

7 误差分析

实验误差来源主要存在以下几个方面：

（1） 溶胶配置过程中要不断搅拌，且保持沸腾。

（2） 测量电导率时未冷却至室温，导致配置的辅助液电导率偏大。

（3） 计算 电位时，、 值采用同温度下纯水的数据，会引入一定误差。 （4） 溶胶界面由于产生气泡导致界面模糊，读数不准确。 （5） 长时间通电会使溶胶及辅助液发热，接近电泳池管壁的溶胶或辅助液散热

较管中间部分的溶液快，管子中间部分的溶胶或辅助液就较管壁附近溶液具有较高的温度，溶液因密度差引起对流使界面不清晰。

8实验讨论

本实验在实验过程中需要注意以下几点：

（1）渗析后溶胶电导率应该小于20μs/cm，且需冷却至室温后再配置辅助液。 （2）制Fe(OH)3溶胶时要保持水的沸腾，FeCl3溶液匀速滴加，同时要一直有适中的搅拌速度。

（3）制出的膜要检查是否有破损处，可装入少量蒸馏水来检测是否有漏洞。 （4）渗析时要勤换水，每5-10min可换一次水，换4-5次水后可以换一次半透膜。水温保持60-70℃为宜，太低则纯化速率较慢，太高则会加快聚沉速率。加热胶体，能量升高，胶粒运动加剧，它们之间碰撞机会增多，而使胶核对离子的吸附作用减弱，即减弱胶体的稳定因素，导致胶体凝聚。换膜时要保证新膜的干净，不要沾上灰尘，否则会影响纯化。 （5）如图4-1（右），松开活塞①时，一定要慢，若打开活塞过于突然，则溶胶上升过快，界面会十分混杂，难于观察，若界面不清晰可用滴管轻轻吸出相混界面的液体。在电导过程中，开始时是左降右升，后来可以明显观察到负极(右)有Fe(OH)3沉淀产生，同时稳压电源电流示数也一直在0.15mA左右，分析其原因，应为溶胶电导率过大，导致两边通电时有一定电流，在负极有电子中和胶粒所带正电荷，固有胶体聚沉，当聚沉速率超过移动速率时，就会有右面界面下降。 （6）查阅文献知当都采用国际单位制时，K应取3.6×1010 V2∙S2∙kg-1∙m-1。