AgNO3/KI配比對(duì)電泳法測(cè)定AgI膠體Zeta電勢(shì)的影響及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象探討

陳 平，趙 佳，吳振玉，古莉娜

（安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，安徽合肥 230601）

電泳法測(cè)定AgI膠體的Zeta電勢(shì)是大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一個(gè)重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[1-3]，也是中學(xué)膠體化學(xué)教學(xué)中較好的電泳演示實(shí)驗(yàn)范例[4]。一般在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電泳速度分析[5]，輔助液的選擇[1]等都是通常需要考慮和注意的問(wèn)題。

Zeta電勢(shì)的重要意義在于它的數(shù)值與膠態(tài)分散的穩(wěn)定性相關(guān)。Zeta電勢(shì)是對(duì)顆粒之間相互排斥或吸引力的強(qiáng)度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta電勢(shì)（正或負(fù)）越高，體系越穩(wěn)定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta電勢(shì)（正或負(fù)）越低，越傾向于凝結(jié)或凝聚，即吸引力超過(guò)了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝結(jié)或凝聚。對(duì)于高分子涂料、釀造、陶瓷、制藥、藥品、礦物處理和水處理等各個(gè)行業(yè)，Zeta電勢(shì)的大小是極其重要的參數(shù)[6-7]。

然而大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)于膠粒帶電大?。碯eta電勢(shì)得大小）和膠粒帶電符號(hào)的研究和討論不多。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓同學(xué)們通過(guò)設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)，研究了AgNO3/KI配比對(duì)電泳法測(cè)定AgI膠體Zeta電勢(shì)大小的影響，并探討了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，鍛煉和提高了同學(xué)們的綜合素質(zhì)。

1 AgI膠體的制備和電泳實(shí)驗(yàn)

1.1 AgI負(fù)電膠體的制備和電泳實(shí)驗(yàn)

在燒杯中加入 100 mL 0.01mol·L-1KI，攪拌下用滴定管加入一定量0.01 mol·L-1的AgNO3，得到不同AgNO3：KI配比的負(fù)電AgI溶膠。輔助液為濃度為0.005 mol·L-1KCl溶液。將兩電極與穩(wěn)壓直流電源連接，電壓為200 V，每4 min記錄一次兩邊界面位置的讀數(shù)。每種膠體平行做三次測(cè)試，取平均值作為該膠體的實(shí)驗(yàn)測(cè)定Zeta電勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為較好的滴入輔助液防止擾動(dòng)界面，可在管壁處放上濾紙，使輔助液沿濾紙慢慢流入管內(nèi)，比直接沿管壁慢慢滴加更易獲得清晰的輔助液與膠體的分界面。

1.2 AgI正電膠體的制備和電泳實(shí)驗(yàn)

在配制過(guò)程中，文獻(xiàn)均說(shuō)明應(yīng)在攪拌條件下向AgNO3溶液中緩慢滴加KI，但實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，在不停攪拌的條件下快速滴加反而比緩慢滴加產(chǎn)生的沉淀量少，以0.01 mol·L-1的AgNO3：KI的體積比等于100:95為例，緩慢滴加時(shí)，在滴加20ml KI時(shí)表面就產(chǎn)生了明顯的漂浮狀沉淀及兩粒小沉淀，再滴加1ml后又出現(xiàn)較多小沉淀,而將KI快速倒入Ag-NO3時(shí)未觀察到顆粒狀沉淀，只有表面有少量漂浮型沉淀，其它體積比時(shí)情況同上。輔助液的添加同負(fù)電膠體和電泳實(shí)驗(yàn)同負(fù)電膠體。

2 Zeta電勢(shì)測(cè)試結(jié)果和電泳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

電泳實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論正通電還是反通電，或是交換電極等，均是正極的界面穩(wěn)定清晰，負(fù)極界面相對(duì)穩(wěn)定，不易觀察。正極界面較為平穩(wěn)，而負(fù)極界面傾斜狀況較嚴(yán)重，不便于準(zhǔn)確讀數(shù)，見(jiàn)圖1。因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)定，應(yīng)該選擇觀察正極數(shù)據(jù)。

圖1 AgI負(fù)電膠體通電時(shí)的界面變化圖

由于ζ電勢(shì)變化微小，每4min記錄一次數(shù)據(jù)，取電泳12 min和電泳20 min的情況進(jìn)行分析。下表為電泳12 min和電泳20 min后，分別以正極界面和負(fù)極界面平均4 min內(nèi)移動(dòng)的距離為電泳的速率，所測(cè)定的平均ζ電勢(shì)。

2.1 AgI負(fù)電膠體Zeta電勢(shì)測(cè)試結(jié)果及分析

表1 不同配比的膠體分別在12 min、20 min時(shí)正負(fù)極分別測(cè)得的ζ電勢(shì)

為了直觀分析數(shù)據(jù)，對(duì)12 min、20 min時(shí)正負(fù)極分別測(cè)得的ζ電勢(shì)對(duì)配制AgI負(fù)電膠體時(shí)AgNO3的加入量作圖。見(jiàn)圖2，3。

圖2 AgNO3用量與正極ζ電勢(shì)的關(guān)系曲線圖

觀察圖表后可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于負(fù)電溶膠，負(fù)極的電勢(shì)關(guān)系圖過(guò)于混亂，沒(méi)有明確的變化規(guī)律。正極的ζ電勢(shì)隨著AgNO3用量的增多而不斷減小，符合事實(shí)，AgNO3量減少，則KI過(guò)量，AgI負(fù)電膠體吸附的I-離子應(yīng)該較多，相應(yīng)的AgI負(fù)電膠體的ζ電勢(shì)也應(yīng)該較大。我們還發(fā)現(xiàn)電泳的時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)得的ζ電勢(shì)也越大，在AgNO3量為85 ml左右，電泳時(shí)間為20 min左右，測(cè)得的ζ電勢(shì)變化趨于平緩。電泳時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使界面模糊，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。影響電泳速度的一個(gè)重要因素是電位梯度E（電壓除以兩極間距離），電位梯度相同，對(duì)電泳速度影響就相同，但電壓不能過(guò)高，否則電流熱效應(yīng)增強(qiáng)，界面附近膠體密度增大，甚至出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，但是電壓太低，界面移動(dòng)距離太短，不易讀數(shù)，誤差增大。時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使界面模糊，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以，電位梯度一般采用6 V/cm左右，時(shí)間不超過(guò)20 min。

圖3 AgNO3用量與負(fù)極ζ電勢(shì)的關(guān)系曲線圖

2.2 AgI負(fù)電膠體Zeta電勢(shì)測(cè)試的正極輔助液顏色變化及分析

從AgNO3：KI的比例為75:100開始，就可以在電泳過(guò)程中觀察到正極輔助液顏色逐漸變黃，比例相差越大，輔助液開始出現(xiàn)黃色的時(shí)間越短，見(jiàn)表2。時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則在界面處出現(xiàn)黃色聚沉物，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)黃色至黃灰到灰黑的變化，類似與文獻(xiàn)[2]所描述的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

表2 膠體不同配比下輔助液顏色變化時(shí)間及現(xiàn)象

長(zhǎng)時(shí)間電泳后，界面處產(chǎn)生的顏色原因，文獻(xiàn)[2]已經(jīng)作了較詳細(xì)地分析，隨著AgNO3：KI比例的變化，正極輔助液顏色變化可能是因?yàn)檎龢O除了發(fā)生了水的氧化反應(yīng)生成氧氣外，正極附近還可能會(huì)有如下反應(yīng)發(fā)生：

特別是隨著AgNO3：KI比例的變小，溶液中I-是增大的，這個(gè)反應(yīng)發(fā)生的趨勢(shì)更大，并且相同條件下，反應(yīng)（2）比反應(yīng)（1）更容易發(fā)生，生成少量的I2幾乎能夠完全溶于水，使正極輔助液的黃色加深。

2.3 AgI正電膠體Zeta電勢(shì)測(cè)試結(jié)果及分析

電泳過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化情況以100:95的AgNO3：KI的比例為例，通電3 min后，負(fù)極界面處的沉淀大幅度增多，負(fù)極管的沉淀變厚，向下擴(kuò)散非常迅速，10 min后沉淀的黃色變深，隨著沉淀向正極移動(dòng)，沉淀不停增多而不發(fā)生擴(kuò)散。一段時(shí)間后，黑色的Ag2O析出在管壁上，負(fù)極管內(nèi)逐漸變得澄清，20 min后，連接負(fù)極的管內(nèi)沉淀全部向正極“移動(dòng)”，負(fù)極管附近只剩下黑色的Ag2O附著在管壁上，負(fù)極管變得更加澄清，沉淀則聚集在中部偏負(fù)極。

圖4 AgI正電膠體通電時(shí)負(fù)極界面現(xiàn)象變化圖（從左到右依次為電泳時(shí)間加長(zhǎng)）

分析可能是因?yàn)椋涸谡?fù)電極電泳的同時(shí)伴隨的主要反應(yīng)是水的電解，在負(fù)極產(chǎn)生了H2和OH-離子：

因而負(fù)極有如下反應(yīng)發(fā)生：

由于AgOH不穩(wěn)定，易分解成黑色的Ag2O，反應(yīng)式如下：

首先，電泳開始后，負(fù)極處產(chǎn)生的OH-，與本已過(guò)量的Ag+發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀，破壞了膠體的帶電性質(zhì)，發(fā)生聚沉。但是，沒(méi)有聚沉的正電的AgI膠體在電場(chǎng)的作用下，理應(yīng)由負(fù)極向正極移動(dòng)，這部分正電膠體夾著聚沉后的膠體沉淀和AgOH與Ag2O的沉淀，一起向負(fù)極移動(dòng)，所以在負(fù)極處出現(xiàn)沉淀迅速增多下移現(xiàn)象，沉淀增多是由于膠體聚沉和反應(yīng)產(chǎn)生的AgOH與Ag2O的沉淀，沉淀下移是由于正電膠體的移動(dòng)所致。隨著電泳時(shí)間的延長(zhǎng)，OH-不斷增多，聚沉更加嚴(yán)重，正電膠體顆粒減少，加上沉淀嚴(yán)重，移動(dòng)不明顯，導(dǎo)致根本無(wú)法觀察到清晰地界面移動(dòng)現(xiàn)象。隨著AgNO3：KI的比例變大，上述現(xiàn)象更為明顯，顯然，由于以上分析的原因和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察，正電的AgI膠體不適合做電泳實(shí)驗(yàn)，更不能用電泳實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定正電的AgI膠體的ζ電勢(shì)。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)研究和分析表明，以AgI膠體電泳測(cè)定膠體ζ電勢(shì)的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該注意一下幾點(diǎn)：（1）應(yīng)該用KI過(guò)量配制負(fù)電膠體，AgNO3過(guò)量配制正電膠體不適宜做電泳實(shí)驗(yàn)。（2）KI/AgNO3的物質(zhì)的量比在100：85左右較好。（3）測(cè)定膠體電泳速率應(yīng)該以正極界面的移動(dòng)速率為準(zhǔn)較好。（4）電泳的時(shí)間不宜超過(guò)20 min。（5）電位梯度一般采用6 V/cm左右。

[1]莊繼華，等.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].3版.北京：高等教育出版社，2005.

[2]趙鴻喜.AgI溶膠界面移動(dòng)法電泳實(shí)驗(yàn)聚沉現(xiàn)象分析[J].大學(xué)化學(xué)，1994，9（2）:39.

[3]陳中道,張波.膠體電泳實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)[J].濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（1）:53.

[4]孫曾圻，羅守順，趙宜學(xué).AgI膠體的電泳是進(jìn)行電泳教學(xué)的一個(gè)比較好的范例[J].北京教育學(xué)院學(xué)報(bào)，1994（1）:26.

[5]汪成范.膠體電泳速度實(shí)驗(yàn)初探[J].武漢師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1983（1）：129.

[6]Robert J.Hunter.Zeta potential in colloid science principles and applications[M].London:Academic Press,1981.

[7]傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，等.物理化學(xué)：下冊(cè)[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.