界面電泳法測膠體電動電勢實驗改進

董家新，謝曉莉，陳 靜

（1.廣西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004）

采用界面電泳法測定氫氧化鐵膠體電動電勢（ζ電勢）的實驗已是大學(xué)物理化學(xué)實驗中的一個經(jīng)典實驗項目［1－2］。盡管已有很多針對該實驗的研究［3－12］，但該實驗的實際教學(xué)效果仍不太理想。其主要問題集中在：（1）對Fe（OH）3膠體溶液進行滲析純化的時間較長，在目前普遍縮減實驗課時的趨勢下，這不利于實驗教學(xué)的安排；（2）經(jīng)典的制備火棉膠袋的滲析方法的成功率偏低［3］；（3）如果不進行滲析純化，而采用加入“穩(wěn)定劑”，如尿素、蔗糖等的方法［1，3，9，12］，雖然節(jié)省了透析時間，但該方法制備的膠體溶液的電導(dǎo)率仍然很高，這會導(dǎo)致電泳時電流偏高、發(fā)熱明顯、電極反應(yīng)迅速、界面容易模糊，實驗結(jié)果重復(fù)性差等一系列不利后果，也達不到加深學(xué)生對膠體純化過程的認識和理解的教學(xué)目的；（4）還沒有形成最優(yōu)化的電泳實驗條件，以至于各種實驗教材和文獻采用的膠體溶液的電導(dǎo)率、輔助液、電壓等條件差異較大，所測的ζ電勢值分布范圍較寬。

要解決上述問題，首先需要一種高效、可靠、廉價且簡便易行的膠體純化方法。其次要有能獲得良好實驗結(jié)果重現(xiàn)性的實驗條件。本文研究采用硫酸紙作為半透膜對Fe（OH）3膠體溶液進行滲析，并優(yōu)化滲析方案，實現(xiàn)了膠體的快速純化，系統(tǒng)分析和提出了優(yōu)化的實驗條件，獲得了重復(fù)性好的實驗結(jié)果。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

儀器：DYY－4C 型電泳儀；U 型電泳管；DDS－11C型數(shù)字電導(dǎo)率儀。

試劑：KCl，F(xiàn)eCl3，尿素，均為分析純；描圖用硫酸紙（83g，A4）。

1.2 膠體制備

稱取0.4g FeCl3溶于20mL蒸餾水中，將其逐滴滴加到100mL維持微沸的蒸餾水中，邊滴邊攪拌，滴加完成后繼續(xù)微沸2min。

1.3 膠體的滲析純化

如圖1所示，將A4紙大小的硫酸紙四邊折起并固定，形成紙槽，使其底面面積約200cm2，放入盛有約1 000mL、溫度為70～80 ℃蒸餾水的敞口容器中，將剛制備好的Fe（OH）3膠體溶液轉(zhuǎn)移到硫酸紙槽內(nèi)。讓蒸餾水自然降溫，期間用玻璃棒分別攪動膠體溶液和蒸餾水，并用電導(dǎo)率儀監(jiān)測膠體溶液電導(dǎo)率的變化。約20min更換一次熱蒸餾水，當(dāng)電導(dǎo)率下降到0.01 S／m 以下后可停止?jié)B析。一般只需滲析3 遍即可達到要求。將透析好的膠體溶液轉(zhuǎn)移到干凈的燒杯中，如水蒸發(fā)較多，可補充蒸餾水至100mL，冷卻至室溫后測量其電導(dǎo)率。

圖1 硫酸紙滲析裝置示意圖

1.4 膠體電泳

配制和上述膠體溶液相同電導(dǎo)率的100mL KCl溶液作為輔助液備用。將如文獻［9］中的U 型電泳管洗凈并固定好，從中間的加液漏斗注入適量Fe（OH）3膠體溶液；用膠頭滴管分別在左右兩管內(nèi)膠體溶液液面上方2 ～5mm 處，沿管壁緩慢加入輔助液，直至形成清晰的界面；繼續(xù)加入輔助液，至放入電極后，約有5mm 電極沒入到輔助液中；將電極連接好電泳儀電源，設(shè)定輸出電壓為140V；開始電泳，每分鐘記錄一次界面的位置、電壓和電流值，連續(xù)記錄30min。

2 實驗結(jié)果

由5組化學(xué)專業(yè)本科生采用上述改進的實驗方法（簡稱硫酸紙法）進行實驗，其結(jié)果如表1所示。其他學(xué)生采用原來實驗教材［1］的方法（加尿素，不做滲析，簡稱尿素法），從中隨機抽取5組結(jié)果，列于表2中。對這兩種方法的主要條件、參數(shù)和實驗結(jié)果進行了對比，列于表3中。從表3中可以看出，硫酸紙法得到的實驗結(jié)果與實驗教材推薦的結(jié)果（44mV）［1－2］非常接近，且重復(fù)性好；實驗耗時可控制在一次實驗課時（4h）內(nèi)，并收到非常好的實驗教學(xué)效果。由于火棉膠袋滲析法在其他論文中已進行了許多研究，所以本文未重復(fù)該方法的實驗，該方法存在的主要問題是滲析袋容易破損、滲析時間較長、實驗周期長，不利于實驗課的安排。

表1 硫酸紙法得到的Fe（OH）3膠體ζ電勢

表2 尿素法得到的Fe（OH）3膠體ζ電勢

表3 硫酸紙法與尿素法實驗教學(xué)效果對比

3 討論

3.1 硫酸紙滲析條件的確定

硫酸紙又叫描圖紙、羊皮紙，廣泛用于印刷業(yè)，因此它容易獲得，且具有耐水、耐酸堿、機械性能好的特點，是作為半透膜的好材料［13］。在Fe（OH）3膠體純化中，一直未見將硫酸紙作為透析用半透膜材料的報道，可能是因為未找到合適的滲析條件，滲析效果不理想。在本實驗中，我們根據(jù)影響滲析的主要因素（溫度、濃度差、半透膜孔徑、面積、液體流動），采取如下措施來提高滲析效率：（1）將滲析用蒸餾水加熱到80 ℃后開始熱滲析；（2）增加滲析半透膜的面積，使有效接觸面積達200cm2；（3）增加膠體溶液和蒸餾水的流動性，用玻璃棒經(jīng)常攪拌半透膜兩邊的液體；（4）每20 min更換一次蒸餾水，保證濃度差。在上述實驗條件下，可以觀察到膠體溶液的電導(dǎo)率迅速下降，在第3次滲析后（約1～1.5h），膠體溶液的電導(dǎo)率即可減小到0.01S／m 以下，已達到實驗要求。進一步滲析的效率將大大降低，也沒有必要。本方法較其他方法需要增加的實驗用品僅為一張A4大小的硫酸紙和一個敞口容器（可用塑料盒代替）。因此，該方法在效率、可靠性、可操作性和成本上均能滿足實驗課的要求。

3.2 實驗條件的優(yōu)化分析

3.2.1 電泳電位梯度

本實驗是通過測量Fe（OH）3膠體在電場中電泳的速率u，代入下式［14］來計算膠體的ζ電勢：

式（1）中ζ為電動電勢（V）；η為測量溫度下介質(zhì)的黏度（Pa·s）；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，ε＝εr·ε0，εr為相對介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，ε0＝8.854×10－12C·V／m；u為膠粒電泳的移動速率（m／s）；E 是電位梯度（V／m），E＝（V／L），V 是兩電極間電位差（V），L 為兩電極間距離（m）。

ζ電勢是膠體的重要性質(zhì)，它和膠體的組成、制備條件、溫度、膠粒的形狀和粒徑、介質(zhì)中的離子種類和濃度等因素有關(guān)［15］。但按照相同的步驟，采用水解法制備的Fe（OH）3膠體溶液的ζ 電勢值差異不大。實驗教材中給出的值是44 mV［1－2］，相關(guān)論文中的結(jié)果也接近這個值［4，7，12］。根據(jù)公式（1），在電泳測試中能控制的因素就是電位梯度＇E 和移動速率u。在ζ電勢一定的情況下，E 與u 成正比關(guān)系。為了減少電泳界面移動速率測量的誤差，u 達到1mm／min左右比較合適，如果太慢，界面移動不明顯，則讀刻度的誤差較大。根據(jù)公式（1）可計算出電位梯度E 應(yīng)達到4 V／cm。本實驗中所用電泳管兩電極間距離約為33cm，所以電泳電壓確定為140V，實測界面移動速率約為0.8mm／min。

3.2.2 膠體溶液電導(dǎo)率

影響公式（1）中介質(zhì)黏度η 和介電常數(shù)ε 的主要因素是溫度，而引起溫度急劇改變的主要因素是電泳時的焦耳熱效應(yīng)。我們實測不經(jīng)過滲析純化，而采用尿素作為穩(wěn)定劑的膠體溶液，在4V／cm 電位梯度下的初始電流為24mA，開始后10min內(nèi)，電泳管內(nèi)液體溫度升高了5 ℃，30 min溫度升高達10℃，這對η和ε 的影響已不可忽略。另一方面，溫度升高造成的對流是引起界面模糊的主要因素之一，所以要減小溫度的變化，就必須減小焦耳熱效應(yīng)。這可以通過減小電壓和電流來實現(xiàn)，但減小電壓會降低電位梯度，所以只能減小電流。電壓一定時，決定電流的因素就是溶液的電阻（電導(dǎo)），所以需要通過滲析純化的方法來降低膠體溶液的電導(dǎo)率。經(jīng)過計算，當(dāng)電流小于0.5 mA 時，焦耳熱效應(yīng)引起的溫升可以忽略。當(dāng)溶液電導(dǎo)率小于0.01S／m 時，可以保證電流小于0.5mA。

電泳時，兩電極不可避免要發(fā)生電解反應(yīng)，進而引起兩極區(qū)的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化［4］。這對電泳的測量將產(chǎn)生影響，比如易發(fā)生界面模糊、負極聚沉、正負極泳動速率不相等，電極上聚集較大氣泡推動界面移動甚至造成斷路。為了克服這些不利影響，應(yīng)盡量減小溶液的電導(dǎo)率以減少電流，降低電極反應(yīng)速率。根據(jù)本文實驗結(jié)果，電導(dǎo)率小于0.01 S／m 時，該影響可忽略。

4 結(jié)論

（1）硫酸紙的性質(zhì)適合作為本實驗中膠體溶液滲析用的半透膜材料，采用熱滲析和大接觸面積，并進行攪拌和更換溶劑的條件下，可以提高滲析效率。硫酸紙法可克服制備火棉膠滲析袋可靠性差、效率低的缺點。本方法易操作、可靠性好、成本低、效果顯著，值得推廣。

（2）將膠體溶液滲析到電導(dǎo)率小于0.01S／m，采用相同電導(dǎo)率的KCl溶液作為輔助液，可以克服電泳時的焦耳熱效應(yīng)，減少電極上的電解反應(yīng)；電位梯度設(shè)為4V／cm 可以減少界面移動速率的測量誤差。這些實驗條件的控制，保證了實驗結(jié)果的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性。

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