实验十二 电泳
一、目的要求
1）掌握电泳法测ζ电势的原理和技术；
2）从实验现象中加深对胶体的电学性质的理解,即在外电场作用下,胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动,就产生了电泳和电渗的电动现象因电而动;
二、基本原理
1．电泳
由于胶粒带电,而溶胶是电中性的,则介质带与胶粒相反的电荷;在外电场作用下,胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动,就产生了电泳和电渗的电动现象;影响电泳的因素有：带电粒子的大小、形状；粒子表面电荷的数目；介质中电解质的种类、离子强度,pH 值和粘度；电泳的温度和外加电压等;从电泳现象可以获得胶粒或大分子的结构、大小和形状等有关信息;
2．三种电势
0ϕ：热力学电势或平衡电势,固体表面相对溶液的电势,0ϕ=f 固体表面电荷密度,电势决定离子浓度;
：斯特恩电势;
离子是有一定大小的,而且离子与质点表面除了静电作用外,还有范德华吸引力;所以在靠近表面1-2个分子厚的区域内,反离子由于受到强烈的吸引,会牢固的结合在表面,形成一个紧密的吸附层,称为固定吸附层或斯特恩层；在斯特恩层中,除反离子外,还有一些溶剂分子同时被吸附;反离子的电性中心所形成的假想面,称为斯特恩面;在斯特恩面内,电势呈直线下降,由表面的0ϕ直线下降到斯特恩面δϕ;δϕ称为斯特恩电势;
：电动电势;
当固、液两相发生相对移动时,紧密层中吸附在固体表面的反离子和溶剂分子与质点作为一个整体一起运动,其滑动面在斯特恩面稍靠外一些;滑动面与溶液本体之间的电势差,称为 ζ电势;ζ电势与δϕ电势在数值上相差甚小,但却具有不同的含义;应当指出,只有在固、液两相发生相对移动时,才能呈现出ζ电势;
ζ电势的大小,反映了胶粒带电的程度;ζ电势越高,表明胶粒带电越多,其滑动面与溶液本体之间的电势差越大,扩散层也越厚;当溶液中电解质浓度增加时,介质中反离子的浓度加大,将压缩扩散层使其变薄,把更多的反离子挤进滑动面以内,使ζ电势在数值上变小当电解质浓度足够大时,可使ζ电势为零;此时相应的状态,称为等电态;处于等电态的
胶体质点不带电,因此不会发生电动现象,电泳、电渗速度也必然为零,这时的溶胶非常容易聚沉;
3．电泳公式
当带电胶粒在外电场作用下迁移时,胶粒受到的静电力f 1为：
qE f =1 1
其中q 为胶粒的电荷,E 为电场强度或称为电位梯度
本次实验研究的FeOH 3为棒形胶粒;棒形胶粒在介质中运动受到的阻力f 2按Stokes 定律为：
υπηr f 42= 2
其中r 为胶粒的半径,υ为电泳速度,η为介质的粘度,当胶粒运动速度即电泳速度达到稳定时,f 1 =f 2,结合1、2式得到：
r
qE πηυ4= 3 根据静电学原理可知
r
q εζ= 4 其中r 为胶粒的半径,ε为介质的界电常数,
所以有
πη
ζευ4E = 5 E επηυζ4=
6 由该式可知,若已知ε、η,可通过测定υ和E 算出ζ电势;该式只适合于C ·G ·S 单位制,且
得出ζ电势的单位为静电伏特;若各物理量都采用SI 单位,r 的单位为m ；
υ的单位为m ·s -1 ；η的单位为Pa ·s ；E 的单位为V ·m -1此时公式为：
91094⨯⨯=
E
επηυζ 伏特 7 三、仪器与试剂
界面移动电泳仪；213型铂电极两个；高压数显稳压电源；滴管2根；烧杯250mL ；玻璃棒一根；FeC13溶液10%；KCl 溶液 mol ·L -1；
四、实验步骤
1．仪器装置图如下;
图1. 实验装置图
2．溶胶的制备：
在不断搅拌的条件下、将FeC13稀溶液滴入沸腾的水中水解,即可生成棕红色、透明
FeOH 3溶胶：
FeCl 3+3H 2O FeOH 3↓+3HCl
部分氢氧化铁跟盐酸作用
FeOH 3+HCl=FeOCl+2H 2O
FeOCl=FeO ++Cl －
氢氧化铁吸附溶液中带正电荷的离子FeO +,胶团结构为：
{ Fe OH 3 m y Fe O + , y-z Cl - }z+ z Cl -
分子团 选择吸附离子 紧密层 扩散层
胶粒带正电荷,因此在电场作用下向阴极移动,出现电泳现象;
3．测定电泳速度和电位梯度
打开活塞,在电泳仪中装上待测FeOH 3溶胶至一定高度便于观察界面的移动;用滴管
将KCl 溶液从电泳仪两臂的玻璃管壁等量缓慢加入,出现清晰界面才可以,否则重新灌装,继续加入KCl 溶液至接近支管,注意不能扰动界面,保持界面清晰并使两臂界面等高;轻轻地将Pt 电极垂直插入KCl 溶液,记下两边界面的高度位置;接通电源,调节电压至180V 左右,开始记时,观察液面的变化;
根据通电时间和界面下降的刻度计算电泳速度;
注意事项：
a: 氢氧化铁胶体的电泳速度跟氢氧化铁胶粒的带电量有关,胶粒带电量越大,电泳速度越大;渗析可以减少胶粒中的氯离子,增大胶粒的带电量;
b: 实验时,一旦通电,手就不能再触及电极,拆卸装置时也一定要先切断电源;
c: 要使氯化钾溶液浮在胶体的液面上,并跟胶体之间保持清晰的界面,实验时应注意使胶体的密度比使氯化钾溶液的密度大;这样,使氯化钾溶液加入后不会下沉而跟胶体混在一起;为此,氯化钾溶液的浓度不能太大;
五、数据记录与处理
从直流电源读得电压U= V,用直尺测得两电极间的距离l = m,计算E=U/l= V ·m -1；记录界面下降高度 m,通电时间 s,计算υ= m ·s -1
将E 、
υ数据代入E
επηυζ4=,ε为介质的界电常数,η为介质的粘度,初略地以水的数据代入求出ζ; ε20℃,水= F ·m -1
