物理化學(xué)電泳實(shí)驗(yàn)

1、Fe(OH)3膠體電泳實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）用電泳法測定氫氧化鐵溶膠的電勢。（2）掌握電泳法測定電勢的原理和技術(shù)。（3）學(xué)習(xí)Fe(OH)3溶膠的制備和純化。（4）理解電泳是膠體中液相和固相在外電場作用下相對移動而產(chǎn)生的電性現(xiàn)象。2 實(shí)驗(yàn)原理溶膠是一個多相體系,其分散相膠粒的大小約在1nm1m之間.校核大多是分子或原子的聚集體,因選擇性地吸附介質(zhì)中的某種離子(或自身電離)而帶電。介質(zhì)中存在的與吸附離子電荷相反的離子稱為反離子，反離子中有一部分因靜電引力(或范德華力)的作用，與吸附離子一起緊密地吸附于膠核表面，形成緊密層。于是，膠核、吸附離子和部分反離子(即緊密層)構(gòu)成了膠粒。反離子的另一部分由于

2、熱擴(kuò)散分布于介質(zhì)中，故稱為擴(kuò)散層，見圖2-1。緊密層與擴(kuò)散層間交界處稱為滑移面(或Stern面)。顯然緊密層與介質(zhì)內(nèi)部之間存在電勢差，稱為電勢。此電勢只有處于電場中才顯示出來。在電場中膠粒會向異號電極移動，稱為電泳。在特定的電場中，電勢的大小決定于膠粒的運(yùn)動速度，故電勢又稱電動電勢。圖2-1雙電層示意圖因?yàn)槿苣z是高分散的多相的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。為了降低體系的表面能，它終將聚集而沉降，但它在一定條件下又能相對地穩(wěn)定存在，主要原因之一是體系中膠粒帶的是同一種電荷，彼此相斥而不致聚集。膠粒帶的電荷越多，電勢越大，膠體體系越穩(wěn)定。因此電勢大小是衡量溶膠穩(wěn)定性的重要參數(shù)。利用電泳現(xiàn)象可測定電勢。電泳法又

3、分宏觀法和微觀法，前者是將溶膠置于電場中，觀察溶膠與另一不含溶膠的導(dǎo)電液(輔助液)間所形成的界面的移動速率；后者是直接觀測單個膠粒在電場中的泳動速率。對高分散或過濃的溶膠采用宏觀法；對顏色太淺或濃度過稀的溶膠采用微觀法。本實(shí)驗(yàn)是在一定的外加電場強(qiáng)度下，通過測定Fe(OH)3膠粒的電泳速度然后計(jì)算出電位。 式中：, 是測量溫度下介質(zhì)的粘度(Pa·s)和介電常數(shù)，取文獻(xiàn)值；u為膠粒電泳的相對移動速率(m·s-1)；(U/l)為電位梯度(V·m-1)，U為兩極間電位差(V)，l為兩極間距離(m)；K是與膠粒形狀有關(guān)的常數(shù)，球形粒子為6，棒狀粒子為4，對于Fe(OH)3

4、K值為4。本實(shí)驗(yàn)中，測定電泳測定管中膠體溶液界面在t(s)內(nèi)移動的距離d(m)，求得電泳速度u=d/t。Fe(OH)3溶膠用水凝聚法制備，制備過程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)如下：在沸水中加入FeCl3溶液：FeCl3+3H2O= Fe(OH)3+3HCl 溶膠表面的Fe(OH)3會再與HCl反應(yīng)：Fe(OH)3+HCl=FeOCl+2H2OFeOCl離解成FeO+,Cl-。膠團(tuán)結(jié)構(gòu)為：Fe(OH)3m·n FeO+·(n-x)Cl-x+·xCl-在制得的溶膠中常含有一些電解質(zhì)，通常除了形成膠團(tuán)所需要的電解質(zhì)以外，過多的電解質(zhì)存在反而會破壞溶膠的穩(wěn)定性，因此必須將溶液凈化。

5、最常用的凈化方法是滲析法。他利用半透膜具有能透過離子和某些分子，而不能透過膠粒的能力，將溶膠中過量的電解質(zhì)和雜質(zhì)分離出來，半透膜可由膠棉液制得。純化時，將剛制備的溶膠，裝在半透膜內(nèi)，浸入蒸餾水中，由于電解質(zhì)和雜質(zhì)在膜內(nèi)的濃度大于在膜外的濃度，因此，膜內(nèi)的離子和其他能透過膜的分子向膜外遷移，這樣就降低了膜內(nèi)溶膠中電解質(zhì)和雜質(zhì)的濃度，多次更換蒸餾水，即可達(dá)純化的目的。適當(dāng)提高溫度，可加快純化過程。3 儀器和試劑（1）儀器WYJ-GA高壓數(shù)顯穩(wěn)壓電源(附鉑電極2個)；DYJ電泳實(shí)驗(yàn)裝置一套；DDS-307型電導(dǎo)測定儀一臺；溫度計(jì)，秒表一只；滴管2支；漏斗1個；細(xì)線1條；直尺一把。（2）藥品稀KCl溶

6、液；Fe(OH)3晶體；火棉膠。4 實(shí)驗(yàn)步驟（1） Fe(OH)3溶膠的制備及純化-a用水解法制備Fe(OH)3溶膠將0.5g 無水FeCl3溶于20mL蒸餾水，在攪拌條件下將上述溶液慢慢滴入200 mL沸水中 (控制在45min滴完)，并不斷攪拌，加畢繼續(xù)保持沸騰12min，即可得到紅棕色的Fe(OH)3溶膠。自然冷卻至50左右，同時煮沸的水也同樣冷卻至50左右，滲析時用。此時在溶膠體系中存在過量的H+,Cl-等離子需要除去。-b半透膜的制備 在一個內(nèi)壁潔凈、干燥的250mL錐形瓶中，加入約20mL火棉膠液，小心轉(zhuǎn)動錐形瓶，使火棉膠液粘附在錐形瓶內(nèi)壁上形成均勻薄層，傾出多余的火棉膠。然后倒置

7、錐形瓶，晾干，用手輕觸火棉膠膜，若不粘手，小心用手分開膜與瓶壁之間的間隙。慢慢注水于夾層中，使膜脫離瓶壁，輕輕取出，在膜袋中注入水，觀察是否有漏洞，制好的半透膜不使用時，要浸放在蒸餾水中。(若乙醚未蒸發(fā)完全，加水過早，半透膜會發(fā)白，則不合用。若放置時間過長，使膜變?yōu)楦捎?，易裂開，則加水浸泡10min）用熱滲析法純化Fe(OH)3溶膠將制得的Fe(OH)3溶膠，注入半透膜內(nèi)，用線拴住袋口，置于1000mL的清潔燒杯中，杯中加蒸餾水約300mL，維持溫度50左右，進(jìn)行滲析。每10min換一次蒸餾水，反復(fù)4次后取出1mL滲析水，分別用1%AgNO3及1%KCNS溶液檢查是否存在Cl-及Fe3+，如果

8、仍存在，應(yīng)繼續(xù)換水滲析，直到檢查不出來為止，將純化過的Fe(OH)3溶膠移入一清潔干燥的100mL小燒杯中待用。要保證每次制膜前錐形瓶都是潔凈干燥的。書中敘述制膜時要用100mL火棉膠，顯然錯誤，只需在瓶壁上形成均勻薄層即可，故510mL足矣?；鹈弈z涂均勻后，一定要保證內(nèi)壁已不粘手才可取膜。可用手或鑷子輕箍錐形瓶瓶口邊緣，撕開一小縫，往里注水，待水潤濕瓶壁與膜縫隙，再小心取出膜，不需要如書中所述用蒸餾水浸泡10min。每組需要至少50mLFe(OH)3溶膠，故一起制200mL。滲析時多換水，每換45次水后可更換一張膜，如此3次后，待溶膠冷卻至室溫后，在電導(dǎo)儀下測電導(dǎo)率，若低于0.2（記錄電導(dǎo)率

9、），則可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。（2）鹽酸輔助液的制備調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為(25±0.1)，用電導(dǎo)儀測定Fe(OH)3溶膠在25時的電導(dǎo)率， 本實(shí)驗(yàn)中配制KCl溶液作為輔助液，取一干凈滴管逐滴向裝有100mL蒸餾水的小燒杯中滴入0.1 mol/L KCl，不斷攪拌，測其電導(dǎo)率直至與溶膠相同。電導(dǎo)儀使用前要用蒸餾水清洗其鉑電極。（3）儀器的安裝圖1電泳管用蒸餾水洗凈電泳管后，再用少量溶液潤洗一次，將滲析好的Fe(OH)3溶膠倒入電泳管中(見圖1),使頁面超過活塞，。關(guān)閉這兩個活塞，把電泳管倒置，將多余的溶液倒凈，并用蒸餾水洗凈活塞，以上的管壁。打開活塞，用HCl溶液沖洗一次后，再加入該溶液，并超過

10、活塞少許，關(guān)閉活塞。插入鉑電極按裝置圖連接好線路。使用的電泳管與書中略有差異(如圖4-1)。首先用蒸餾水洗凈電泳管。關(guān)閉活塞，用Fe(OH)3溶膠潤洗右側(cè)A管，然后裝入溶膠至A管底部，再加溶膠上邊球狀囊中。關(guān)閉活塞，用KCl溶液潤洗U型管，加入適量KCl溶液，緩緩開啟活塞，使溶膠緩慢上升，直至A管與U型管液面相平，可看到溶液與輔助液之間的清晰界面。在U型管上插入電極，連接到穩(wěn)壓電源上。（4）溶膠電泳的測定如圖4-1（左），緩緩開啟活塞，(勿使溶膠液面攪動)，可得到溶液與輔助液之間的清晰界面。然后接通穩(wěn)壓電源，迅速調(diào)節(jié)輸出電壓為50V。觀察溶膠液面移動現(xiàn)象及電極表面現(xiàn)象。當(dāng)界面上升至活塞或上少許

11、時，開始計(jì)時，并準(zhǔn)確記下溶膠在電泳管中液面位置，以后每隔5min記錄一次時間及下降端液-液界面的位置及電壓，連續(xù)電泳40min左右，斷開電源，記下準(zhǔn)確的通電時間t和溶膠面上升的距離d，從伏特計(jì)上讀取電壓U，并且量取兩級之間的距離l。如圖4-1（右），開啟電源，記下U型管左右的刻度，以后每隔3分鐘記錄一次兩端的界面刻度，連續(xù)記10組。之后用細(xì)線量出兩點(diǎn)極之間的距離，具體數(shù)據(jù)記錄見五中。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，拆除線路，用蒸餾水洗電泳管多次，最后一次用蒸餾水注滿，整理實(shí)驗(yàn)臺。數(shù)據(jù)記錄與處理5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理（1）室溫 19.6 溶膠電導(dǎo)率 0.1072 電極電壓 50V 兩電極間距離22.70cm 表5-

12、1溶膠界面高度隨時間變化t(min)036912左刻度(cm)5.004.604.203.803.50右刻度(cm)4.905.205.305.605.80t(min)1518212427左刻度(cm)3.202.902.502.302.10右刻度(cm)6.106.306.406.506.50（2）由上表數(shù)據(jù)作dt關(guān)系圖，求出斜率u(電泳速率)左側(cè)是正極下降較均勻，取其數(shù)據(jù)在origin中作dt圖,如下：Linear Regression for DATA1_B:Y = A + B * XParameterValueError-A4.874550.05519B-0.001815.74368E

13、-5-RSDNP-0.995990.0939110<0.0001圖2 左側(cè)電極dt關(guān)系（左）及線性擬合數(shù)據(jù)（右）由此可計(jì)算出u=B= -0.00181×10-2m/s= -1.81×10-5m/s（3）由u及U的平均數(shù)據(jù)，計(jì)算膠體的電勢。Fe(OH)3，膠粒形狀常數(shù)K值為3.6×1010 V2S2kg-1m-1室溫為19.6，取水的絕對粘度=1.002Pa·s介電常數(shù)=80-0.4(T/K-293)=80.16,故=0.0581V=58.1mV6 結(jié)果分析. 一般穩(wěn)定的Fe(OH)3膠體電勢在3040mV之間，此次測得的電勢較大，分析原因，因?yàn)槿芤?/p>

14、的電導(dǎo)率大，帶電膠粒移動的速率也會加快，它們更傾向于移動到負(fù)極接受電子而聚沉，所以測得的u偏大，導(dǎo)致最終求得電勢偏大。7 誤差分析實(shí)驗(yàn)誤差來源主要存在以下幾個方面：（1） 溶膠配置過程中要不斷攪拌，且保持沸騰。（2） 測量電導(dǎo)率時未冷卻至室溫，導(dǎo)致配置的輔助液電導(dǎo)率偏大。（3） 計(jì)算z 電位時，h、e 值采用同溫度下純水的數(shù)據(jù)，會引入一定誤差。（4） 溶膠界面由于產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致界面模糊，讀數(shù)不準(zhǔn)確。（5） 長時間通電會使溶膠及輔助液發(fā)熱，接近電泳池管壁的溶膠或輔助液散熱較管中間部分的溶液快，管子中間部分的溶膠或輔助液就較管壁附近溶液具有較高的溫度，溶液因密度差引起對流使界面不清晰。8實(shí)驗(yàn)討論本實(shí)

15、驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過程中需要注意以下幾點(diǎn)：（1）滲析后溶膠電導(dǎo)率應(yīng)該小于20s/cm，且需冷卻至室溫后再配置輔助液。（2）制Fe(OH)3溶膠時要保持水的沸騰，F(xiàn)eCl3溶液勻速滴加，同時要一直有適中的攪拌速度。（3）制出的膜要檢查是否有破損處，可裝入少量蒸餾水來檢測是否有漏洞。（4）滲析時要勤換水，每5-10min可換一次水，換4-5次水后可以換一次半透膜。水溫保持60-70為宜，太低則純化速率較慢，太高則會加快聚沉速率。加熱膠體，能量升高，膠粒運(yùn)動加劇，它們之間碰撞機(jī)會增多，而使膠核對離子的吸附作用減弱，即減弱膠體的穩(wěn)定因素，導(dǎo)致膠體凝聚。換膜時要保證新膜的干凈，不要沾上灰塵，否則會影響純化。 （5）如圖1，松開活塞時，一定要慢，若打開活塞