实验二十四 电 泳
1 目的要求
学会制备Fe(OH)3溶胶。
掌握电泳法测定Fe(OH)3溶胶电动电势的原理和方法。
(3) 通过实验观察并熟悉胶体的电泳现象。
2 基本原理
溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点；凝聚法是先制成难溶物的分子(或离子)的过饱和溶液，再使之相互结合成胶体粒子而得到溶胶。Fe(OH)3溶胶的制备就是采用的化学法即通过化学反应使生成物呈过饱和状态，然后粒子再结合成溶胶。
在胶体分散系统中，由于胶体本身电离，或胶体从分散介质中有选择地吸附一定量的离子，使胶粒带有一定量的电荷。因为整个胶体系统是电中性的，所以，在胶体四周的分散介质中，具有电量相同而符号相反的对应离子。荷电的胶粒与分散介质间的电位差，称为ξ电位。
测定ξ电位，对研究胶体系统的稳定性具有很大意义。溶胶的聚集稳定性与胶体的ξ电位大小有关，对一般溶胶，ξ电位愈小，溶胶的聚集稳定性愈差，当ξ电位等于零时，溶胶的聚集稳定性最差。所以，无论制备胶体或破坏胶体，都需要了解所研究胶体的ξ电位。原则上，任何一种胶体的电动现象(电泳、电渗、液流电位、沉降电位)都可以用来测定ξ电位，但用电泳法来测定更方便。
在外电场作用下，荷电的胶粒在分散介质中发生相对运动，若分散介质不动，胶粒向正极或负极移动，这种现象称为电泳.
电泳法可分为两类，即宏观法和微观法。宏观法原理是观察与另一不含胶粒的导电液体的界面在电场中的移动速度。微观法则是直接测定单个胶粒在电场中的移动速度。对于高分散度的溶胶，如Fe(OH)3胶体，不易观察个别粒子的运动，只能用宏观法。对于颜色太浅或浓度过稀的溶胶，则适宜用微观法。本实验采用宏观法。
宏观法测定Fe(OH)3的ξ电位时，在U形管中先放入棕红色的Fe(OH)3溶胶，然后小心地在溶胶面上注入无色的辅助溶液，使溶胶和溶液之间有明显的界面，在U形管的两端各放一根电极，通电一定时间后，可观察到溶胶与溶液的界面在一端上升，另一端下降。胶体的ξ电位可依电泳公式计算得到。
当带电的胶粒在外电场作用下迁移时，若胶粒的电荷为q，两极间的电位梯度为w，胶粒受到的静电力为
F1=qw (1)
球形胶粒在介质中运动受到的阻力按斯托克斯(Stokes)定律为：
F2=6πηru (2)
式中，η为介质的粘度(泊)；r为胶粒的半径；u为胶粒运动速度。
若胶粒运动速度u达到恒定，则
qw=6πηru (3)
u=qw/(6πrη) (4)
胶体的ξ电位为
ξ=q/(εr) (5)
代入(4)中得
ξ= 6 uπη/(wε) (6)
式(6)适用于球形胶粒，对于棒状胶粒，电泳速度为
u=εwξ/(4πη) (7)
或
ξ=4πηu/(εw) (8)
因此对于不同形状的胶粒，其ζ电位数值均可根据下列方程式计算
ξ=Kπηu/(εw) (9)
式中：K为与胶粒形状有关的常数(对于球形胶粒K=6，棒形胶粒K=4，在实验中均按棒形粒子看待)；η为介质的粘度；D为介质的介电常数；u为电泳速度(cm·s-1)；
ξ——胶体的电动电位；
η——介质粘度；
u——电泳速度；
w——电位梯度；
ε——介质的介电常数。
式9中各物理量的单位都采用的是c.g.s制，所以计算得到的胶粒ζ电位为静电单位。若将ζ电位的静电单位换算成伏特(SI单位)，应当乘以300，即
（伏特） (10)
同样，若外电场在两极间的电位差用E 表示(单位伏特（V）)，两极间的距离用L表示(单位cm)，则电位剃度w计算式为
（静电单位·cm1） (11)
式中300是将伏特表示的电位改成静电单位的转换系数。将式11代入式10得
（伏特） (12)
由(12)式知，对于一定溶胶而言，若固定E和L测得胶粒的电泳速度(u=d/t，d为胶粒移动的距离，t为通电时间)，就可以求算出ζ电位。
3 仪器 试剂
电泳测定管 1套 100mL 烧杯2个
直流稳压器 1台 10%FeCl3 溶液
停表 1块 稀NaCL溶液
铂电极（或铜电极）2根 稀HNO3溶液
100ml量筒 1个 蒸馏水
10mL刻度移液管 1个
4 实验步骤
(1) Fe(OH)3溶胶的制备
量取50mL蒸馏水，置于100mL烧杯中，先煮沸2min，用刻度移液管逐滴加入10% FeCl3*溶液10ml，再继续煮沸3min，得到棕红色Fe(OH)3溶胶，冷却后即可使用。其结构式可表示为
{m［Fe(OH)3］nFeO+(n-x)Cl-}x+xCl-
(2)电泳实验
电泳测定装置如图4.1所示。将电极浸入稀HNO3溶液中数秒，然后用蒸馏水、稀NaCl溶液依次洗净，滤纸拭干后备用。
将待测胶体溶液Fe(OH)3由小漏斗加入电泳测定管底部至适当地方，然后用滴管缓慢向电泳测定管的左右两臂加稀NaCl溶液，要沿着管壁以免弄混界面，U形管左右两臂的稀NaCl溶液量要相同。轻轻将电极插入液面，左右深度相等，距离界面一定长度，记下界面的位置。接上直流稳压电流，打开开关，同时开始记时，记录约30min记下胶体溶液界面下降距离，读取电压。沿U形管中线量出两电极间的距离，此数值测量5次～6次，取平均值。
(3)实验结束 关闭电源，回收胶体溶液，整理实验用品。
5 数据记录
(1)按表所示记录数据：
电压
（E／V）
迁移时间
（t／s）
迁移距离
（d／cm）
两电极间距离
（L/cm）
(2)计算电泳速度：
u= d/t(cm·s-1) (13)
(3)计算电位梯度：
w=E/L(V·cm-1) (14)
(4)计算胶体的ξ电位：
将按式(13)、式(14)计算出的u、w代入(12)式
(伏特)
即可计算得到胶粒的ζ电位
(5)文献值：
对介质水 ε=80-0.4(T／K-293)
η=0.01005Pa·s20℃
η=0.00894Pa·s25℃
6 注重事项
(1) 制备胶体时，一定要缓慢向沸水中逐滴加入FeCl3溶液，并不断搅拌，否则，得到的胶体颗粒太大，稳定性差。
(2) 电泳测定管须洗净，以免其它离子干扰。
(3) 量取两电极的距离时，要沿电泳管的中心线量取，电极间距离的测量须尽量精确。
(4) 利用公式(Ⅱ-21-12)求算ζ时，除电压单位外，其它各物理量的单位都需用c.g.s制，有关数值从附录中有关表中查得。如果改用SI制，相应的数值也应改换。对于水的介电常数， 应考虑温度校正。
7 思考题
(1)电泳速度的快慢与哪些因素有关?
(2)辅助溶液的作用是什么? 对辅助溶液的选择有什么要求?
(3)胶粒带电的原因是什么? 如何判断胶粒所带电荷的符号?
