膠體性質(zhì)實驗的綜合設(shè)計與實踐

熊 輝，梅付名，王宏偉，莫婉玲，周錦蘭，李 濤

(華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074)

膠體性質(zhì)實驗的綜合設(shè)計與實踐

熊 輝，梅付名，王宏偉，莫婉玲，周錦蘭，李 濤

(華中科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074)

對物理化學(xué)實驗中所用Fe(OH)3膠體的制備及純化方法等問題進行了詳細、深入的探討，介紹了該實驗的測定方法和測定結(jié)果。以尿素絡(luò)合水解法制取氫氧化鐵膠體，采用透析袋對其純化，選擇與膠體相同電導(dǎo)率的氯化鉀及鹽酸混合溶液作輔助液，能較好地解決傳統(tǒng)實驗中過程學(xué)生操作煩瑣、電動電勢值測定不準確等問題。

Fe(OH)3膠體；電泳；制備；純化；電動電勢

膠體電泳實驗是物理化學(xué)課程中有關(guān)膠體性質(zhì)的一個演示實驗，而宏觀界面移動法測定氫氧化鐵膠體ζ電勢是基礎(chǔ)物理化學(xué)實驗之一。由于膠體的電泳受膠粒形狀、表面電荷數(shù)量、電解質(zhì)種類、離子強度、pH值、溫度和所加電壓等諸多因素的影響，如何保證在規(guī)定的時間內(nèi)快速、準確地完成實驗，關(guān)鍵在于以較低的電壓獲得較快的電泳速率和清晰的電泳界面，減小電解對電泳的干擾，減小電流熱效應(yīng)對界面的破壞[1]。實驗過程中，膠體的純化是重點。膠體的純化是重點。傳統(tǒng)的半透膜純化既麻煩又費時，混合離子交換樹脂純化也不適合學(xué)生操作[2]。為此，我們在實驗的可操作性方面進行探索，取得了較好的效果。

1 實驗部分

1.1 實驗用品

1)實驗器材

U形電泳管(150 mm×10 mm)、燒杯(100 mL)、36 mm纖維素透析袋(美國SPECTRUM公司)、銅線鉑片電極(自制)、鐵架臺、電爐、膠頭滴管、RXN-603D數(shù)顯高精度直流穩(wěn)壓電源(深圳市兆信電子儀器設(shè)備廠)、DDS-11A型精密電導(dǎo)率儀(上海理達儀器有限公司)、奧立龍818型臺式酸度計(美國Orion有限公司)

2)實驗藥品

FeCl3(AR)、鹽酸(AR)、KCl(AR)、尿素(AR)、去離子水(電導(dǎo)率2.10 μs/cm)。

1.2 實驗方法

1)用快速水解法制取氫氧化鐵膠體

2)氫氧化鐵膠體的純化

對氫氧化鐵膠體的純化，采用透析袋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半透膜滲析，測試其使用條件對溶膠純化過程中電導(dǎo)率的影響。把制得的Fe(OH)3膠體置于透析袋內(nèi)，用透析袋夾拴住袋口，置于500 mL燒杯內(nèi)，用去離子水滲析，保持溫度在60 ℃～80 ℃，每間隔30 min換一次水，5次后檢驗滲析液的電導(dǎo)率，判斷膠體純化的程度。

3)輔助液的選擇

試驗采用氯化鉀及鹽酸混合溶液作輔助液(輔助液與膠體電導(dǎo)率相同)，代替鹽酸測定氫氧化鐵膠體ζ電勢。

1.3 電泳實驗步驟

洗凈電泳管并固定在鐵架臺上，將滲析好的Fe(OH)3溶膠冷卻至室溫，測其電導(dǎo)率，用0.1 mol/L KCl溶液和蒸餾水配制與膠體電導(dǎo)率相同的輔助液。然后，在電泳管中先注入棕紅色的Fe(OH)3膠體至5 cm刻度處，再在膠體液面上小心地滴入無色的輔助液至10 cm刻度處，使膠體與溶液之間有明顯的界面。在電泳管的兩端各放一根鉑片電極，把負極插到較清楚的一邊端口，并使兩極浸入液面下的深度相等。打開電源，將電壓設(shè)置為25 V，電流調(diào)至燈滅為止。

首先，記錄電泳管陰陽極溶液界面的初始位置，同時計時，每5 min讀一次界面高度，測量10個點后停止實驗，關(guān)閉電源開關(guān)；然后，量出兩極間的距離，倒出電泳管中的試液，回收膠體并沖洗干凈；最后，根據(jù)Helmholz公式計算ζ電勢。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 典型的電泳實驗數(shù)據(jù)

表1中的實驗條件：溶膠30 mL，電泳時間50 min， 電泳電壓25 V， 實驗溫度20 ℃，電極間距24 cm。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 膠體制備方法的改進

FeCl3快速水解法制備的膠體電導(dǎo)率往往大于20 ms/cm，說明反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率不高，制備的膠體中殘留大量的游離電解質(zhì)離子。通過反應(yīng)后期加入尿素進行絡(luò)合，可以明顯降低膠體的電導(dǎo)率。在100 mL新制備的膠體中加入6 g尿素，其電導(dǎo)率由20 ms/cm下降為14 ms/cm，同時，在電泳實驗過程中界面更清晰。但是，后期過量的尿素加入也不能促使膠體的電導(dǎo)率降低到10 ms/cm以下；而大量尿素的加入會對膠體的電動電勢產(chǎn)生影響，使得電泳實驗測定的結(jié)果偏低[3]。

由實驗結(jié)果，計算電泳的速度

u=s/t=2.10/3 000=0.000 7 cm/s

進而計算出Fe(OH)3溶膠的電動電勢ζ：

90 000÷(81×25÷24)=0.094 25 V

式中：u是電泳速度(即遷移的速度)；η是液體的粘度(泊)，η(20℃)=0.010 05；ε是液體的介電常數(shù)，對水而言ε=81；H稱為電位梯度(H=E/L)，E是外加電場的電壓，L是兩電極間的距離。

2.2 膠體的純化

膠體的電導(dǎo)率與純化的程度密切相關(guān)，電導(dǎo)率隨膠體的純度增大而減小，測定膠體的電導(dǎo)率，可以粗略估計膠體純化的程度。若純化處理不夠，不僅界面模糊不清，而且會直接影響電動電勢的數(shù)值。我們使用透析袋對氫氧化鐵膠體的滲析條件進行了分析，從滲析次數(shù)、滲析時間及滲析溫度三個方面考察其對純化結(jié)果的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 滲析條件對膠體電導(dǎo)率的影響1)

注：1)實驗條件為膠體初始電導(dǎo)率12.20 ms/cm，膠體體積100 mL，去離子水100 mL

對采用尿素絡(luò)合水解法制備的同一批次的膠體，固定膠體體積和純化水用量對其進行了五次滲析操作，可以使膠體的電導(dǎo)率降到100 μs/cm以下。隨著滲析溫度的升高，膠體和去離子水之間的離子交換速度加快，達到平衡所需時間減少；但是過高的水溫帶來水的蒸發(fā)速度加快，特別是溫度超過80 ℃以后，由于滲析時間過短，也會影響交換的徹底性，導(dǎo)致膠體的雜質(zhì)含量較高，不穩(wěn)定。針對學(xué)生的實驗時間，可以加快換水頻率，在1 h內(nèi)就能夠?qū)⑿轮苽淠z體的電導(dǎo)率降到100 μs/cm以下。

由Helmholz方程的變式ζ=3002×(4πηu/εH)[4]可知，膠體的粘度η和介電常數(shù)ε主要是由其純度決定,所以膠體純度對膠體電泳也有很大的影響。一般來講,純度越低,ε和η也越大,前者有利于電泳速率增大,而后者不利于電泳速率的增大。因此，需要在合適的純度范圍內(nèi)才能獲得最佳的電泳速率。但是, 膠體純度過高,電泳速率較慢,界面也不清晰平整;反之，則陰極產(chǎn)生氣體的速率加快,電流的熱效應(yīng)增大,膠體的聚沉作用增強,實驗效果并不好。

本文研究了所制備膠體電導(dǎo)率對電動電勢的影響，結(jié)果如表3所示。由于所制備的膠體溶液濃度很低，所以表3中電動電勢數(shù)據(jù)以水的ε=81，η(20 ℃)=0.010 05為依據(jù)計算。實驗結(jié)果表明:控制電壓在25 V，膠體電導(dǎo)率為75 μs/cm，實驗效果較好，得到的電動電勢值與文獻值44 mV接近[5]。

表3 不同電導(dǎo)率膠體的電泳實驗結(jié)果1)

注：1)實驗條件為溶膠30 mL，電泳時間50 min， 電泳電壓25 V， 實驗溫度20 ℃，電極間距24 cm

2.3 輔助液的選擇

電泳實驗中，不同的輔助液對膠體及輔助液界面的遷移有很大影響。在各種物理化學(xué)實驗教材中，選擇的輔助液主要有：最后一次滲析液、NaCl及KCl水溶液、HCl水溶液或其混合物等。當(dāng)用鹽酸作輔助液時，兩極間遷移速率明顯不等，且界面不清晰，這主要是由H+和Cl-的遷移速率不等造成的。而當(dāng)用氯化鉀作輔助液時，由于K+和Cl-的遷移速率基本相等，使兩極間遷移速率基本相等，膠體與輔助液界面也較清晰。

本文采用KCl及HCl混合溶液作輔助溶液，研究了它們對氫氧化鐵膠體電動電勢的影響，結(jié)果如表4和表5所示。

輔助溶液的pH值是影響電動電勢的重要因素。當(dāng)用HCl水溶液作輔助溶液時，pH值小于4，測得的電動電勢明顯偏大。其影響可能是由于用HCl水溶液作輔助液時，氫氧化鐵膠體表面吸附的FeO+離子的量而造成的。通常認為氫氧化鐵溶液選擇吸附FeO+離子，當(dāng)用HCl水溶液作輔助液時，會使得FeO+濃度增大，從而使電勢增大。使用HCl水溶液作輔助液時，陰極產(chǎn)生氣體的速率較快，電流的熱效應(yīng)增大，膠體的凝聚作用增強，電泳速率和實驗效果并不好。

表4 不加尿素制備的膠體在不同輔助液中的電泳實驗1)

注：1)實驗條件為溶膠3 0mL(75 μs/cm，pH=3.39)，電泳時間50 min， 電泳電壓25 V， 溫度20 ℃，電極間距24 cm

表5 尿素絡(luò)合水解法制備的膠體在不同輔助液中的電泳實驗1)

注：1)實驗條件為溶膠30 mL(75 μs/cm，pH=3.39)，電泳時間50 min， 電泳電壓25 V， 溫度20 ℃，電極間距24 cm

采用KCl水溶液作輔助溶液，正極下降的速度明顯偏大，正極的界面很不清晰。原因在于電泳過程中,輔助液的pH值下降明顯，表明氫離子濃度增加，膠體溶解速度增強，界面顏色變黃、變淺；同時，溶解產(chǎn)生的離子的遷移速度快于膠體，重力效應(yīng)影響加強，導(dǎo)致界面下降較多。

而采用KCl及HCl混合溶液作為輔助液，溶液偏酸性，正極電解反應(yīng)產(chǎn)生的酸對溶液影響不大，正極界面清晰，下降速度與負極趨于接近。通過表4與表5對比的結(jié)果還表明：尿素的加入能絡(luò)合一部分多余反離子Cl-，促進膠體穩(wěn)定，增加了膠體與輔助液的比重差，保持界面清晰。

3 結(jié)束語

綜上所述，以尿素絡(luò)合水解法制備的氫氧化鐵膠體，采用透析袋純化，先60 ℃～70 ℃滲析，后室溫滲析的方法，既能有效去除雜離子，又能使膠體溫度快速降到室溫，以進行電泳實驗，節(jié)約了實驗時間。純化后的氫氧化鐵膠體電導(dǎo)率為75 μs/cm，電泳電壓為25 V，電泳時間為50 min，以KCl及HCl混合溶液作為輔助液可以獲得理想的電動電勢值和清晰平整的電泳界面，兩極溶膠界面移動的距離基本相同，實驗效果較好。

把膠體電泳實驗從一個單純的驗證性實驗發(fā)展優(yōu)化為一個創(chuàng)新的設(shè)計性實驗。近兩年的本科教學(xué)實踐表明，實驗操作簡單快捷、實驗成功率高，并且能夠在4個學(xué)時內(nèi)完成，增強了學(xué)生對膠體電動電勢特性的了解和實驗操作的興趣，提高了學(xué)生的實驗動手能力和實驗教學(xué)效果。

[1]錢亞兵，袁紅霞，鮑正榮，等. Fe(OH)3膠體電泳實驗再探索[J]. 四川師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2002，23(3)：310-313.

[2]范文琴，周曉慧. Fe(OH)3溶膠制備及其純化新方法[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報, 2009，30(1)：38-40.

[3]謝祖芳，陳希慧，晏全. 對氫氧化鐵溶膠電泳實驗改進的研究[J]. 玉林師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版, 2001，22(3)：82-84.

[4]周井炎. 基礎(chǔ)化學(xué)實驗(上冊)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004: 122 .

[5]傅獻彩, 沈文霞, 姚天揚. 物理化學(xué)[M].5版.北京: 高等教育出版社, 2006: 430 .

Discussion and Practice on the Colloidal Properties Experiment of Iron Hydroxide

XIONG Hui, MEI Fuming, WANG Hongwei, MO Wanling, ZHOU Jinlan, LI Tao

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The preparation and purification in the experiment of Fe(OH)3colloid electrophoresis had been discussed in detail. This experimental determination method was introduced and the result as: iron hydroxide colloid was prepared with iron chloride and urea by the fast hydrolysis. Then, we used the dialysis bag to purify colloid. HCl+KCl mixture solution with the same conductivity of colloid had been chosen. ζ-potential values were obtained accurately and repeatable, this method was simple and also suitable for students.

iron hydroxide colloid; electrophoresis; preparation; purification; ζ-potential

2013-12-26；修改日期: 2014-01-20

熊 輝(1974-)，男，博士，講師，主要從事物理化學(xué)實驗教學(xué)與研究工作。

TQ352.7;G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.008