界面电泳法测胶体电动电势实验改进

2013-12-23董家新谢晓莉

实验技术与管理 2013年4期

董家新，谢晓莉，陈静

（1.广西师范大学化学化工学院，广西桂林 541004；2.广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541004）

采用界面电泳法测定氢氧化铁胶体电动电势（ζ电势）的实验已是大学物理化学实验中的一个经典实验项目［1－2］。尽管已有很多针对该实验的研究［3－12］，但该实验的实际教学效果仍不太理想。其主要问题集中在：（1）对Fe（OH）3胶体溶液进行渗析纯化的时间较长，在目前普遍缩减实验课时的趋势下，这不利于实验教学的安排；（2）经典的制备火棉胶袋的渗析方法的成功率偏低［3］；（3）如果不进行渗析纯化，而采用加入“稳定剂”，如尿素、蔗糖等的方法［1，3，9，12］，虽然节省了透析时间，但该方法制备的胶体溶液的电导率仍然很高，这会导致电泳时电流偏高、发热明显、电极反应迅速、界面容易模糊，实验结果重复性差等一系列不利后果，也达不到加深学生对胶体纯化过程的认识和理解的教学目的；（4）还没有形成最优化的电泳实验条件，以至于各种实验教材和文献采用的胶体溶液的电导率、辅助液、电压等条件差异较大，所测的ζ电势值分布范围较宽。

要解决上述问题，首先需要一种高效、可靠、廉价且简便易行的胶体纯化方法。其次要有能获得良好实验结果重现性的实验条件。本文研究采用硫酸纸作为半透膜对Fe（OH）3胶体溶液进行渗析，并优化渗析方案，实现了胶体的快速纯化，系统分析和提出了优化的实验条件，获得了重复性好的实验结果。

1 实验

1.1 仪器与试剂

仪器：DYY－4C 型电泳仪；U 型电泳管；DDS－11C型数字电导率仪。

试剂：KCl，FeCl3，尿素，均为分析纯；描图用硫酸纸（83g，A4）。

1.2 胶体制备

称取0.4g FeCl3溶于20mL蒸馏水中，将其逐滴滴加到100mL维持微沸的蒸馏水中，边滴边搅拌，滴加完成后继续微沸2min。

1.3 胶体的渗析纯化

如图1所示，将A4纸大小的硫酸纸四边折起并固定，形成纸槽，使其底面面积约200cm2，放入盛有约1 000mL、温度为70～80 ℃蒸馏水的敞口容器中，将刚制备好的Fe（OH）3胶体溶液转移到硫酸纸槽内。让蒸馏水自然降温，期间用玻璃棒分别搅动胶体溶液和蒸馏水，并用电导率仪监测胶体溶液电导率的变化。约20min更换一次热蒸馏水，当电导率下降到0.01 S／m 以下后可停止渗析。一般只需渗析3 遍即可达到要求。将透析好的胶体溶液转移到干净的烧杯中，如水蒸发较多，可补充蒸馏水至100mL，冷却至室温后测量其电导率。

图1 硫酸纸渗析装置示意图

1.4 胶体电泳

配制和上述胶体溶液相同电导率的100mL KCl溶液作为辅助液备用。将如文献［9］中的U 型电泳管洗净并固定好，从中间的加液漏斗注入适量Fe（OH）3胶体溶液；用胶头滴管分别在左右两管内胶体溶液液面上方2 ～5mm 处，沿管壁缓慢加入辅助液，直至形成清晰的界面；继续加入辅助液，至放入电极后，约有5mm 电极没入到辅助液中；将电极连接好电泳仪电源，设定输出电压为140V；开始电泳，每分钟记录一次界面的位置、电压和电流值，连续记录30min。

2 实验结果

由5组化学专业本科生采用上述改进的实验方法（简称硫酸纸法）进行实验，其结果如表1所示。其他学生采用原来实验教材［1］的方法（加尿素，不做渗析，简称尿素法），从中随机抽取5组结果，列于表2中。对这两种方法的主要条件、参数和实验结果进行了对比，列于表3中。从表3中可以看出，硫酸纸法得到的实验结果与实验教材推荐的结果（44mV）［1－2］非常接近，且重复性好；实验耗时可控制在一次实验课时（4h）内，并收到非常好的实验教学效果。由于火棉胶袋渗析法在其他论文中已进行了许多研究，所以本文未重复该方法的实验，该方法存在的主要问题是渗析袋容易破损、渗析时间较长、实验周期长，不利于实验课的安排。

表1 硫酸纸法得到的Fe（OH）3胶体ζ电势

表2 尿素法得到的Fe（OH）3胶体ζ电势

表3 硫酸纸法与尿素法实验教学效果对比

3 讨论

3.1 硫酸纸渗析条件的确定

硫酸纸又叫描图纸、羊皮纸，广泛用于印刷业，因此它容易获得，且具有耐水、耐酸碱、机械性能好的特点，是作为半透膜的好材料［13］。在Fe（OH）3胶体纯化中，一直未见将硫酸纸作为透析用半透膜材料的报道，可能是因为未找到合适的渗析条件，渗析效果不理想。在本实验中，我们根据影响渗析的主要因素（温度、浓度差、半透膜孔径、面积、液体流动），采取如下措施来提高渗析效率：（1）将渗析用蒸馏水加热到80 ℃后开始热渗析；（2）增加渗析半透膜的面积，使有效接触面积达200cm2；（3）增加胶体溶液和蒸馏水的流动性，用玻璃棒经常搅拌半透膜两边的液体；（4）每20 min更换一次蒸馏水，保证浓度差。在上述实验条件下，可以观察到胶体溶液的电导率迅速下降，在第3次渗析后（约1～1.5h），胶体溶液的电导率即可减小到0.01S／m 以下，已达到实验要求。进一步渗析的效率将大大降低，也没有必要。本方法较其他方法需要增加的实验用品仅为一张A4大小的硫酸纸和一个敞口容器（可用塑料盒代替）。因此，该方法在效率、可靠性、可操作性和成本上均能满足实验课的要求。

3.2 实验条件的优化分析

3.2.1 电泳电位梯度

本实验是通过测量Fe（OH）3胶体在电场中电泳的速率u，代入下式［14］来计算胶体的ζ电势：

式（1）中ζ为电动电势（V）；η为测量温度下介质的黏度（Pa·s）；ε为介质的介电常数，ε＝εr·ε0，εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数，ε0＝8.854×10－12C·V／m；u为胶粒电泳的移动速率（m／s）；E 是电位梯度（V／m），E＝（V／L），V 是两电极间电位差（V），L 为两电极间距离（m）。

ζ电势是胶体的重要性质，它和胶体的组成、制备条件、温度、胶粒的形状和粒径、介质中的离子种类和浓度等因素有关［15］。但按照相同的步骤，采用水解法制备的Fe（OH）3胶体溶液的ζ 电势值差异不大。实验教材中给出的值是44 mV［1－2］，相关论文中的结果也接近这个值［4，7，12］。根据公式（1），在电泳测试中能控制的因素就是电位梯度＇E 和移动速率u。在ζ电势一定的情况下，E 与u 成正比关系。为了减少电泳界面移动速率测量的误差，u 达到1mm／min左右比较合适，如果太慢，界面移动不明显，则读刻度的误差较大。根据公式（1）可计算出电位梯度E 应达到4 V／cm。本实验中所用电泳管两电极间距离约为33cm，所以电泳电压确定为140V，实测界面移动速率约为0.8mm／min。

3.2.2 胶体溶液电导率

影响公式（1）中介质黏度η 和介电常数ε 的主要因素是温度，而引起温度急剧改变的主要因素是电泳时的焦耳热效应。我们实测不经过渗析纯化，而采用尿素作为稳定剂的胶体溶液，在4V／cm 电位梯度下的初始电流为24mA，开始后10min内，电泳管内液体温度升高了5 ℃，30 min温度升高达10℃，这对η和ε 的影响已不可忽略。另一方面，温度升高造成的对流是引起界面模糊的主要因素之一，所以要减小温度的变化，就必须减小焦耳热效应。这可以通过减小电压和电流来实现，但减小电压会降低电位梯度，所以只能减小电流。电压一定时，决定电流的因素就是溶液的电阻（电导），所以需要通过渗析纯化的方法来降低胶体溶液的电导率。经过计算，当电流小于0.5 mA 时，焦耳热效应引起的温升可以忽略。当溶液电导率小于0.01S／m 时，可以保证电流小于0.5mA。

电泳时，两电极不可避免要发生电解反应，进而引起两极区的化学环境发生变化［4］。这对电泳的测量将产生影响，比如易发生界面模糊、负极聚沉、正负极泳动速率不相等，电极上聚集较大气泡推动界面移动甚至造成断路。为了克服这些不利影响，应尽量减小溶液的电导率以减少电流，降低电极反应速率。根据本文实验结果，电导率小于0.01 S／m 时，该影响可忽略。