胶体性质实验的综合设计与实践

熊 辉，梅付名，王宏伟，莫婉玲，周锦兰，李 涛

(华中科技大学 化学与化工学院，武汉 430074)

胶体性质实验的综合设计与实践

熊 辉，梅付名，王宏伟，莫婉玲，周锦兰，李 涛

(华中科技大学 化学与化工学院，武汉 430074)

对物理化学实验中所用Fe(OH)3胶体的制备及纯化方法等问题进行了详细、深入的探讨，介绍了该实验的测定方法和测定结果。以尿素络合水解法制取氢氧化铁胶体，采用透析袋对其纯化，选择与胶体相同电导率的氯化钾及盐酸混合溶液作辅助液，能较好地解决传统实验中过程学生操作烦琐、电动电势值测定不准确等问题。

Fe(OH)3胶体；电泳；制备；纯化；电动电势

胶体电泳实验是物理化学课程中有关胶体性质的一个演示实验，而宏观界面移动法测定氢氧化铁胶体ζ电势是基础物理化学实验之一。由于胶体的电泳受胶粒形状、表面电荷数量、电解质种类、离子强度、pH值、温度和所加电压等诸多因素的影响，如何保证在规定的时间内快速、准确地完成实验，关键在于以较低的电压获得较快的电泳速率和清晰的电泳界面，减小电解对电泳的干扰，减小电流热效应对界面的破坏[1]。实验过程中，胶体的纯化是重点。胶体的纯化是重点。传统的半透膜纯化既麻烦又费时，混合离子交换树脂纯化也不适合学生操作[2]。为此，我们在实验的可操作性方面进行探索，取得了较好的效果。

1 实验部分

1.1 实验用品

1)实验器材

U形电泳管(150 mm×10 mm)、烧杯(100 mL)、36 mm纤维素透析袋(美国SPECTRUM公司)、铜线铂片电极(自制)、铁架台、电炉、胶头滴管、RXN-603D数显高精度直流稳压电源(深圳市兆信电子仪器设备厂)、DDS-11A型精密电导率仪(上海理达仪器有限公司)、奥立龙818型台式酸度计(美国Orion有限公司)

2)实验药品

FeCl3(AR)、盐酸(AR)、KCl(AR)、尿素(AR)、去离子水(电导率2.10 μs/cm)。

1.2 实验方法

1)用快速水解法制取氢氧化铁胶体

2)氢氧化铁胶体的纯化

对氢氧化铁胶体的纯化，采用透析袋代替传统的半透膜渗析，测试其使用条件对溶胶纯化过程中电导率的影响。把制得的Fe(OH)3胶体置于透析袋内，用透析袋夹拴住袋口，置于500 mL烧杯内，用去离子水渗析，保持温度在60 ℃～80 ℃，每间隔30 min换一次水，5次后检验渗析液的电导率，判断胶体纯化的程度。

3)辅助液的选择

试验采用氯化钾及盐酸混合溶液作辅助液(辅助液与胶体电导率相同)，代替盐酸测定氢氧化铁胶体ζ电势。

1.3 电泳实验步骤

洗净电泳管并固定在铁架台上，将渗析好的Fe(OH)3溶胶冷却至室温，测其电导率，用0.1 mol/L KCl溶液和蒸馏水配制与胶体电导率相同的辅助液。然后，在电泳管中先注入棕红色的Fe(OH)3胶体至5 cm刻度处，再在胶体液面上小心地滴入无色的辅助液至10 cm刻度处，使胶体与溶液之间有明显的界面。在电泳管的两端各放一根铂片电极，把负极插到较清楚的一边端口，并使两极浸入液面下的深度相等。打开电源，将电压设置为25 V，电流调至灯灭为止。

首先，记录电泳管阴阳极溶液界面的初始位置，同时计时，每5 min读一次界面高度，测量10个点后停止实验，关闭电源开关；然后，量出两极间的距离，倒出电泳管中的试液，回收胶体并冲洗干净；最后，根据Helmholz公式计算ζ电势。实验数据如表1所示。

表1 典型的电泳实验数据

表1中的实验条件：溶胶30 mL，电泳时间50 min， 电泳电压25 V， 实验温度20 ℃，电极间距24 cm。

2 实验结果与讨论

2.1 胶体制备方法的改进

FeCl3快速水解法制备的胶体电导率往往大于20 ms/cm，说明反应的转化率不高，制备的胶体中残留大量的游离电解质离子。通过反应后期加入尿素进行络合，可以明显降低胶体的电导率。在100 mL新制备的胶体中加入6 g尿素，其电导率由20 ms/cm下降为14 ms/cm，同时，在电泳实验过程中界面更清晰。但是，后期过量的尿素加入也不能促使胶体的电导率降低到10 ms/cm以下；而大量尿素的加入会对胶体的电动电势产生影响，使得电泳实验测定的结果偏低[3]。

由实验结果，计算电泳的速度

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

进而计算出Fe(OH)3溶胶的电动电势ζ：

90 000÷(81×25÷24)=0.094 25 V

式中：u是电泳速度(即迁移的速度)；η是液体的粘度(泊)，η(20℃)=0.010 05；ε是液体的介电常数，对水而言ε=81；H称为电位梯度(H=E/L)，E是外加电场的电压，L是两电极间的距离。

2.2 胶体的纯化

胶体的电导率与纯化的程度密切相关，电导率随胶体的纯度增大而减小，测定胶体的电导率，可以粗略估计胶体纯化的程度。若纯化处理不够，不仅界面模糊不清，而且会直接影响电动电势的数值。我们使用透析袋对氢氧化铁胶体的渗析条件进行了分析，从渗析次数、渗析时间及渗析温度三个方面考察其对纯化结果的影响，结果如表2所示。

表2 渗析条件对胶体电导率的影响1)

注：1)实验条件为胶体初始电导率12.20 ms/cm，胶体体积100 mL，去离子水100 mL

对采用尿素络合水解法制备的同一批次的胶体，固定胶体体积和纯化水用量对其进行了五次渗析操作，可以使胶体的电导率降到100 μs/cm以下。随着渗析温度的升高，胶体和去离子水之间的离子交换速度加快，达到平衡所需时间减少；但是过高的水温带来水的蒸发速度加快，特别是温度超过80 ℃以后，由于渗析时间过短，也会影响交换的彻底性，导致胶体的杂质含量较高，不稳定。针对学生的实验时间，可以加快换水频率，在1 h内就能够将新制备胶体的电导率降到100 μs/cm以下。

由Helmholz方程的变式ζ=3002×(4πηu/εH)[4]可知，胶体的粘度η和介电常数ε主要是由其纯度决定,所以胶体纯度对胶体电泳也有很大的影响。一般来讲,纯度越低,ε和η也越大,前者有利于电泳速率增大,而后者不利于电泳速率的增大。因此，需要在合适的纯度范围内才能获得最佳的电泳速率。但是, 胶体纯度过高,电泳速率较慢,界面也不清晰平整;反之，则阴极产生气体的速率加快,电流的热效应增大,胶体的聚沉作用增强,实验效果并不好。

本文研究了所制备胶体电导率对电动电势的影响，结果如表3所示。由于所制备的胶体溶液浓度很低，所以表3中电动电势数据以水的ε=81，η(20 ℃)=0.010 05为依据计算。实验结果表明:控制电压在25 V，胶体电导率为75 μs/cm，实验效果较好，得到的电动电势值与文献值44 mV接近[5]。

表3 不同电导率胶体的电泳实验结果1)

注：1)实验条件为溶胶30 mL，电泳时间50 min， 电泳电压25 V， 实验温度20 ℃，电极间距24 cm

2.3 辅助液的选择

电泳实验中，不同的辅助液对胶体及辅助液界面的迁移有很大影响。在各种物理化学实验教材中，选择的辅助液主要有：最后一次渗析液、NaCl及KCl水溶液、HCl水溶液或其混合物等。当用盐酸作辅助液时，两极间迁移速率明显不等，且界面不清晰，这主要是由H+和Cl-的迁移速率不等造成的。而当用氯化钾作辅助液时，由于K+和Cl-的迁移速率基本相等，使两极间迁移速率基本相等，胶体与辅助液界面也较清晰。

本文采用KCl及HCl混合溶液作辅助溶液，研究了它们对氢氧化铁胶体电动电势的影响，结果如表4和表5所示。

辅助溶液的pH值是影响电动电势的重要因素。当用HCl水溶液作辅助溶液时，pH值小于4，测得的电动电势明显偏大。其影响可能是由于用HCl水溶液作辅助液时，氢氧化铁胶体表面吸附的FeO+离子的量而造成的。通常认为氢氧化铁溶液选择吸附FeO+离子，当用HCl水溶液作辅助液时，会使得FeO+浓度增大，从而使电势增大。使用HCl水溶液作辅助液时，阴极产生气体的速率较快，电流的热效应增大，胶体的凝聚作用增强，电泳速率和实验效果并不好。

表4 不加尿素制备的胶体在不同辅助液中的电泳实验1)

注：1)实验条件为溶胶3 0mL(75 μs/cm，pH=3.39)，电泳时间50 min， 电泳电压25 V， 温度20 ℃，电极间距24 cm

表5 尿素络合水解法制备的胶体在不同辅助液中的电泳实验1)

注：1)实验条件为溶胶30 mL(75 μs/cm，pH=3.39)，电泳时间50 min， 电泳电压25 V， 温度20 ℃，电极间距24 cm

采用KCl水溶液作辅助溶液，正极下降的速度明显偏大，正极的界面很不清晰。原因在于电泳过程中,辅助液的pH值下降明显，表明氢离子浓度增加，胶体溶解速度增强，界面颜色变黄、变浅；同时，溶解产生的离子的迁移速度快于胶体，重力效应影响加强，导致界面下降较多。

而采用KCl及HCl混合溶液作为辅助液，溶液偏酸性，正极电解反应产生的酸对溶液影响不大，正极界面清晰，下降速度与负极趋于接近。通过表4与表5对比的结果还表明：尿素的加入能络合一部分多余反离子Cl-，促进胶体稳定，增加了胶体与辅助液的比重差，保持界面清晰。

3 结束语

综上所述，以尿素络合水解法制备的氢氧化铁胶体，采用透析袋纯化，先60 ℃～70 ℃渗析，后室温渗析的方法，既能有效去除杂离子，又能使胶体温度快速降到室温，以进行电泳实验，节约了实验时间。纯化后的氢氧化铁胶体电导率为75 μs/cm，电泳电压为25 V，电泳时间为50 min，以KCl及HCl混合溶液作为辅助液可以获得理想的电动电势值和清晰平整的电泳界面，两极溶胶界面移动的距离基本相同，实验效果较好。

把胶体电泳实验从一个单纯的验证性实验发展优化为一个创新的设计性实验。近两年的本科教学实践表明，实验操作简单快捷、实验成功率高，并且能够在4个学时内完成，增强了学生对胶体电动电势特性的了解和实验操作的兴趣，提高了学生的实验动手能力和实验教学效果。

[1]钱亚兵，袁红霞，鲍正荣，等. Fe(OH)3胶体电泳实验再探索[J]. 四川师范大学学报：自然科学版, 2002，23(3)：310-313.

[2]范文琴，周晓慧. Fe(OH)3溶胶制备及其纯化新方法[J]. 大连交通大学学报, 2009，30(1)：38-40.

[3]谢祖芳，陈希慧，晏全. 对氢氧化铁溶胶电泳实验改进的研究[J]. 玉林师范学院学报：自然科学版, 2001，22(3)：82-84.

[4]周井炎. 基础化学实验(上册)[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2004: 122 .

[5]傅献彩, 沈文霞, 姚天扬. 物理化学[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 辉(1974-)，男，博士，讲师，主要从事物理化学实验教学与研究工作。

TQ352.7;G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.008