電滲_電泳_-_環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

1、 實(shí)驗(yàn)五 電泳 電滲二、原理電滲屬于膠體的電動(dòng)現(xiàn)象。電動(dòng)現(xiàn)象是指溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)與電性能之間的關(guān)系。一般包括電泳、電滲、流動(dòng)電位與沉降電位。電動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于雙電層結(jié)構(gòu)的存在，其緊密層和擴(kuò)散層中各具有相反的剩余電荷，在外電場(chǎng)或外加壓力下，它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。電滲是指在電場(chǎng)作用下，分散介質(zhì)通過(guò)多孔膜或極細(xì)的毛細(xì)管而定向移動(dòng)的現(xiàn)象。若知道液體介質(zhì)的粘度，介電常數(shù)，電導(dǎo)率，只要測(cè)定在電場(chǎng)作用下通過(guò)液體介質(zhì)的電流強(qiáng)度I，和單位時(shí)間內(nèi)液體流過(guò)毛細(xì)管的流量v，可根據(jù)下式求出電勢(shì)。操作步驟：（一）具體操作方法1按照實(shí)驗(yàn)裝置圖所示安裝電滲儀。2測(cè)定電滲時(shí)液體的流量v和電流強(qiáng)度I。反復(fù)測(cè)量正、反向電滲時(shí)的流量v值

2、各三次，同時(shí)記錄各次的電流值。3測(cè)定液體的電導(dǎo)率。（二）注意事項(xiàng)計(jì)算SiO2對(duì)水的電勢(shì)時(shí)，注意各物理量的單位。在法定計(jì)量單位實(shí)行之后，計(jì)算公式中不應(yīng)有4。（三）提問(wèn)：固體粉末樣品粒度太大，電滲測(cè)定的結(jié)果重現(xiàn)性差，其原因何在？四、總結(jié)（一）數(shù)據(jù)處理計(jì)算各次電滲測(cè)定的v/I值，取其平均值，將液體的電導(dǎo)率和v/I的平均值代入上式，可求得SiO2對(duì)水的電勢(shì)。1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握電泳法測(cè)定電勢(shì)的原理與技術(shù)；（2）加深理解電泳是膠體中液相和固相在外電場(chǎng)作用下相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生的電性現(xiàn)象。（3）通過(guò)電滲法測(cè)定SiO2對(duì)水的電勢(shì)，掌握電滲法測(cè)定電勢(shì)的基本原理和技術(shù)。2加深理解電滲是膠體中液相和固相在外電場(chǎng)作用下相

3、對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生的電性現(xiàn)象。2實(shí)驗(yàn)原理膠體溶液是一個(gè)多相體系，分散相膠體和分散介質(zhì)帶有數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，因此在相界面上建立了雙電層結(jié)構(gòu)。但在外電場(chǎng)的作用下，膠體中的膠粒和分散介質(zhì)反向相對(duì)移動(dòng)。就會(huì)產(chǎn)生電位差，此電位差稱為電勢(shì)。電勢(shì)和膠體的穩(wěn)定性有密切關(guān)系。越大，表明膠體的荷電越多，膠體之間的斥力越大，膠體越穩(wěn)定。反之，則不穩(wěn)定。當(dāng)?shù)扔诹銜r(shí)，膠體的穩(wěn)定性最差，此時(shí)可觀察到聚沉的現(xiàn)象。因此無(wú)論制備或破壞膠體，均需要了解所研究膠體的電勢(shì)。在外電場(chǎng)的作用下，若分散介質(zhì)對(duì)靜態(tài)的分散相膠粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，稱為電滲。若分散相膠粒對(duì)分散相介質(zhì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，則稱為電泳。實(shí)質(zhì)上兩者都是電荷粒子在電場(chǎng)作用下的定向

4、運(yùn)動(dòng)，所不同的是，電滲研究液體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而電泳則研究固體粒子的運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)電泳或電滲實(shí)驗(yàn)測(cè)定電勢(shì)。（1） 電泳公式的推導(dǎo)當(dāng)帶電的膠粒在外電場(chǎng)作用下遷移時(shí)，若膠粒的電荷為q，兩電極之間的電位梯度為w，則膠粒受到的靜電力為：F1=q （1）球形膠粒在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)受到的阻力按斯托克斯定律為：F2=6ru （2）若膠粒運(yùn)動(dòng)速率u達(dá)到恒定，則有q=6ru （3）u=q/6r （4）膠粒的帶電性質(zhì)通常用電勢(shì)而不用電量q表示，根據(jù)靜電學(xué)原理=q/r （5）式中r為膠粒的半徑。上式代入（13）得：u=/6 （6）式（6）適用于球形膠粒，對(duì)于棒狀膠粒，其電泳速率為：u=/4 （7）或 =4u/ （8）式（8

5、）即為電泳公式。同樣若已知、，通過(guò)測(cè)量u和，代入式（8）也可算出電勢(shì)。（2）電滲公式的推導(dǎo)電滲的實(shí)驗(yàn)方法原則上是要設(shè)法使所要研究的分散相質(zhì)點(diǎn)固定在靜電場(chǎng)中（通以直 流電），讓能導(dǎo)電的分散介質(zhì)向某一方向流經(jīng)刻度毛細(xì)管，從而測(cè)量出其流量（3）、在測(cè)量出（或查出)相同溫度下分散介質(zhì)的特性常數(shù)和通過(guò)的電流后，即可算出電勢(shì)。設(shè)電滲發(fā)生在一個(gè)半徑為r的毛細(xì)管中，又設(shè)固體與液體接觸界面處的吸附層厚度為(比r 小許多,因此，雙電層內(nèi)液體的流動(dòng)可不予考慮)，若表面電荷密度為加于長(zhǎng)為的毛細(xì)管兩端的電勢(shì)差為電勢(shì)梯度為，則界面單位面積上所受的電力為 當(dāng)液體在毛細(xì)中流動(dòng)時(shí)，界面單位面積上所受的阻力為式中 -電滲速度-液

6、體的黏度當(dāng)液體勻速流動(dòng)時(shí)，即 （ II .199）假設(shè)界面處的電荷分布情況類似于一個(gè)處在介電常數(shù)為的液體中平板電容器上的電荷分布，其電容為式中 -電荷量-面積由此可得 （ II .200）將式（ II .199）代入式（ II .200）中，得 （ II .201）若毛細(xì)管的截面積為，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)毛細(xì)管的液體量為，則 （ II .202）而 （ II .202）式中 -通過(guò)二電極間的電流-二電極間的電阻-液體介質(zhì)的電導(dǎo)率。將式（ II .203）代入式（ II .202），得用式（II.204）計(jì)算電勢(shì)，可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)、和值，而值可從手冊(cè)中查得。式 中所有電學(xué)量必須用絕對(duì)靜電單位表示。采用我

7、國(guó)法定計(jì)量單位時(shí)，若單位為 -1·cm-1，為,液體流量為，為，為時(shí)，則式（II.204）應(yīng)為（II.205）3儀器和試劑電泳裝置1套； 恒溫水??； 停表、滴管、錐形瓶（100ml）； 膠棉液、KCL輔助溶液（0.024mol.L-1）、 10%FeCl3溶液。4實(shí)驗(yàn)步驟（1） 析半透膜的制備在預(yù)先洗凈并烘干的150ml錐形瓶中加入約10ml膠棉液（溶劑為1：3乙醇乙醚），小心轉(zhuǎn)動(dòng)錐形瓶，使膠棉液在瓶?jī)?nèi)壁形成一均勻薄膜，傾出多余的棉膠液。將膠形瓶倒置于鐵圈上，使乙醚發(fā)揮完畢。此時(shí)如用手指輕輕觸及膠棉應(yīng)無(wú)粘著感。然后將蒸餾水注入膠膜與瓶壁之間，小心取出膠膜，將其置于蒸餾水中浸泡待用，同

8、時(shí)檢查是否有漏洞。（2） FeCl3膠體溶液的制備取錐形瓶1個(gè)，加95ml蒸餾水煮沸，再取5ml10% FeCl3 溶液攪拌滴加于沸騰的水中，著沸約2-3分鐘，溶液變成棕紅色，停止加熱。冷卻至室溫待用。（3）溶膠的純化將錐形瓶中已制好的溶膠，小心倒進(jìn)步驟（1）預(yù)先制備好的半透膜袋中，用線栓住袋口，置于盛有蒸餾水的大燒杯中，進(jìn)行滲析。為了提高滲析速度，可以將水加熱至60-700C。滲析20min中換一次水，換兩次后將滲析水分別至于兩個(gè)小試管中，再分別用AgNO3和KCNS溶液檢驗(yàn)滲析水中的CL-及Fe3+的含量。滲析到無(wú)Fe3+和基本沒(méi)有CL-為止。一般換4次水即可。（4） 測(cè)定電泳速度u和電位

9、梯度將待測(cè)的FeCl3膠體溶液通過(guò)小漏斗注入電泳儀的U形管底部至適當(dāng)位置。將電導(dǎo)率和膠體溶液相同的稀KCL（0.02mol.dm-3）溶液，沿U形管左右兩臂的管壁，等量地緩緩加入至將電極上表面淹住，保持兩液相間的界面清晰。輕輕將鉑電極插入KCL液層中。切勿擾動(dòng)液面，鉑電極應(yīng)保持垂直，并使兩極浸入液面下的深度相等，記下膠體液面的高度位置。按電泳測(cè)量線路圖所示將兩極接于30-50V直流電源上，按下電鍵，同時(shí)開(kāi)始記時(shí)至30-45min，記下膠體液面上升的距離和電壓的讀數(shù)。沿U型管中線量出兩極間的距離。此數(shù)值測(cè)量多次，并取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)洗干凈U形管和電極，并在U形管中放滿蒸餾水浸泡鉑電極。5數(shù)據(jù)

10、處理由U形管的兩邊在時(shí)間t內(nèi)界面移動(dòng)的距離d值，計(jì)算電泳的速率（u=d/t），再由測(cè)得的電壓U和兩極間的距離l，計(jì)算得電位梯度（w=U/l），然后將u和代入式（8）計(jì)算出FeCl3膠體電勢(shì)。此時(shí)式(8)中的、用水的數(shù)值代入，不同溫度時(shí)水的介電常數(shù)按=80-0.4（T/K-293）式計(jì)算。五、數(shù)據(jù)處理 計(jì)算各次測(cè)定的值，并取平均值。將的平均值和代入式（II .204），計(jì)算SiO2對(duì)水的電勢(shì)。測(cè)定時(shí)注意水的方向和2個(gè)鉬電極的極性，從而確定電勢(shì)是正值還是負(fù)值。六、思考題為什么毛細(xì)管D中氣泡在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)過(guò)的體積就是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)試樣室A的液體量？固體粉末樣品顆粒太大,電滲測(cè)定結(jié)果重演性差,可能

11、的原因是什么？ 討論影響電勢(shì)測(cè)定的因素有哪些？6注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)把每支試管洗干凈。（2）溶膠的溫度要降低至室溫后方可用于聚沉值測(cè)定。7提問(wèn)思考（1）如果電泳儀事先沒(méi)有洗干凈，管壁上殘留有微量的電解質(zhì)，對(duì)電泳測(cè)量的結(jié)果將有什么影響？（2）電泳速率的快慢與那些因素有關(guān)？8評(píng)注啟示（1）根據(jù)擴(kuò)散雙電層模型，膠粒上的表面緊密層電荷相對(duì)固定不變，而液面中的反離子則受到靜電吸引和熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散兩種力的作用，故而形成一個(gè)擴(kuò)散層。電勢(shì)是緊密層與擴(kuò)散層之間的電勢(shì)差。（2）在進(jìn)行電泳時(shí)，要使膠體溶液和輔助溶液的電導(dǎo)率基本相同。（3）測(cè)量電泳現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方法分為宏觀法和微觀法兩類。宏觀法是觀察膠體與不含膠粒的輔助導(dǎo)電液的界面在電場(chǎng)中移動(dòng)的速率；微觀法是直接觀察單個(gè)膠粒在電場(chǎng)中的泳動(dòng)速率。對(duì)高分散的或過(guò)濃的膠體，因不易觀察個(gè)別膠粒的運(yùn)動(dòng)，只能用宏觀法。3、 （一）其它方法也可以用電泳的方法測(cè)定膠體的電勢(shì)。（二）參考書(shū) 復(fù)旦大學(xué)編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第三版）.北京：高等教育出版社，2004六、思考題為什么毛細(xì)管D中氣泡在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)過(guò)的體積就是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)試樣室A的液體量？固體粉末樣品顆粒太大,電滲測(cè)定結(jié)