电渗_电泳_-_环境科学与工程学院

实验五电泳电渗二、原理电渗属于胶体的电动现象。电动现象是指溶胶粒子的运动与电性能之间的关系。一般包括电泳、电渗、流动电位与沉降电位。电动现象的实质是由于双电层结构的存在，其紧密层和扩散层中各具有相反的剩余电荷，在外电场或外加压力下，它们发生相对运动。电渗是指在电场作用下，分散介质通过多孔膜或极细的毛细管而定向移动的现象。若知道液体介质的粘度，介电常数，电导率，只要测定在电场作用下通过液体介质的电流强度I，和单位时间内液体流过毛细管的流量v，可根据下式求出电势。操作步骤：（一）具体操作方法1按照实验装置图所示安装电渗仪。2测定电渗时液体的流量v和电流强度I。反复测量正、反向电渗时的流量v值各三次，同时记录各次的电流值。3测定液体的电导率。（二）注意事项计算SiO2对水的电势时，注意各物理量的单位。在法定计量单位实行之后，计算公式中不应有4。（三）提问：固体粉末样品粒度太大，电渗测定的结果重现性差，其原因何在？四、总结（一）数据处理计算各次电渗测定的v/I值，取其平均值，将液体的电导率和v/I的平均值代入上式，可求得SiO2对水的电势。1．实验目的（1）掌握电泳法测定ζ电势的原理与技术；（2）加深理解电泳是胶体中液相和固相在外电场作用下相对移动而产生的电性现象。（3）通过电渗法测定SiO2对水的电势，掌握电渗法测定电势的基本原理和技术。2加深理解电渗是胶体中液相和固相在外电场作用下相对移动而产生的电性现象。2．实验原理胶体溶液是一个多相体系，分散相胶体和分散介质带有数量相等而符号相反的电荷，因此在相界面上建立了双电层结构。但在外电场的作用下，胶体中的胶粒和分散介质反向相对移动。就会产生电位差，此电位差称为ζ电势。ζ电势和胶体的稳定性有密切关系。∣ζ∣越大，表明胶体的荷电越多，胶体之间的斥力越大，胶体越稳定。反之，则不稳定。当ζ等于零时，胶体的稳定性最差，此时可观察到聚沉的现象。因此无论制备或破坏胶体，均需要了解所研究胶体的ζ电势。在外电场的作用下，若分散介质对静态的分散相胶粒发生相对移动，称为电渗。若分散相胶粒对分散相介质发生相对移动，则称为电泳。实质上两者都是电荷粒子在电场作用下的定向运动，所不同的是，电渗研究液体介质的运动，而电泳则研究固体粒子的运动。本实验通过电泳或电渗实验测定ζ电势。（1）电泳公式的推导当带电的胶粒在外电场作用下迁移时，若胶粒的电荷为q，两电极之间的电位梯度为w，则胶粒受到的静电力为：F1=qω（1）球形胶粒在介质中运动受到的阻力按斯托克斯定律为：F2=6πηru（2）若胶粒运动速率u达到恒定，则有qω=6πηru（3）u=qω/6πηr（4）胶粒的带电性质通常用ζ电势而不用电量q表示，根据静电学原理ζ=q/εr（5）式中r为胶粒的半径。上式代入（13）得：u=ζεω/6πη（6）式（6）适用于球形胶粒，对于棒状胶粒，其电泳速率为：u=ζεω/4πη（7）或ζ=4πηu/εω（8）式（8）即为电泳公式。同样若已知ε、η，通过测量u和ω，代入式（8）也可算出ζ电势。（2）电渗公式的推导电渗的实验方法原则上是要设法使所要研究的分散相质点固定在静电场中（通以直流电），让能导电的分散介质向某一方向流经刻度毛细管，从而测量出其流量（㎝3）、在测量出（或查出)相同温度下分散介质的特性常数和通过的电流后，即可算出电势。设电渗发生在一个半径为r的毛细管中，又设固体与液体接触界面处的吸附层厚度为(比r小许多,因此，双电层内液体的流动可不予考虑)，若表面电荷密度为加于长为l的毛细管两端的电势差为U电势梯度为lU，则界面单位面积上所受的电力为lUF当液体在毛细中流动时，界面单位面积上所受的阻力为vdxdvf式中-电渗速度-液体的黏度当液体匀速流动时fF，即vlUlU（II.199）假设界面处的电荷分布情况类似于一个处在介电常数为的液体中平板电容器上的电荷分布，其电容为π4SQC式中Q-电荷量S-面积由此可得4SQ（II.200）将式（II.199）代入式（II.200）中，得lU4（II.201）若毛细管的截面积为A，单位时间内流过毛细管的液体量为V，则lUAAV4（II.202）而kAIlAlkIAlIIRU1（II.202）式中I-通过二电极间的电流R-二电极间的电阻k-液体介质的电导率。将式（II.203）代入式（II.202），得IkV4k用式（II.204）计算电势，可用实验方法测V、k和I值，而、值可从手册中查得。式中所有电学量必须用绝对静电单位表示。采用我国法定计量单位时，若k单位为Ω-1·cm-1，I为A,液体流量V为1-3scm，为sPa，为V时，则式（II.204）应为IVkIkV62106.340300（II.205）3．仪器和试剂电泳装置1套；恒温水浴；停表、滴管、锥形瓶（100ml）；胶棉液、KCL辅助溶液（0.024mol.L-1）、10%FeCl3溶液。4．实验步骤（1）析半透膜的制备在预先洗净并烘干的150ml锥形瓶中加入约10ml胶棉液（溶剂为1：3乙醇—乙醚），小心转动锥形瓶，使胶棉液在瓶内壁形成一均匀薄膜，倾出多余的棉胶液。将胶形瓶倒置于铁圈上，使乙醚发挥完毕。此时如用手指轻轻触及胶棉应无粘着感。然后将蒸馏水注入胶膜与瓶壁之间，小心取出胶膜，将其置于蒸馏水中浸泡待用，同时检查是否有漏洞。（2）FeCl3胶体溶液的制备取锥形瓶1个，加95ml蒸馏水煮沸，再取5ml10%FeCl3溶液搅拌滴加于沸腾的水中，著沸约2-3分钟，溶液变成棕红色，停止加热。冷却至室温待用。（3）溶胶的纯化将锥形瓶中已制好的溶胶，小心倒进步骤（1）预先制备好的半透膜袋中，用线栓住袋口，置于盛有蒸馏水的大烧杯中，进行渗析。为了提高渗析速度，可以将水加热至60-700C。渗析20min中换一次水，换两次后将渗析水分别至于两个小试管中，再分别用AgNO3和KCNS溶液检验渗析水中的CL-及Fe3+的含量。渗析到无Fe3+和基本没有CL-为止。一般换4次水即可。（4）测定电泳速度u和电位梯度将待测的FeCl3胶体溶液通过小漏斗注入电泳仪的U形管底部至适当位置。将电导率和胶体溶液相同的稀KCL（0.02mol.dm-3）溶液，沿U形管左右两臂的管壁，等量地缓缓加入至将电极上表面淹住，保持两液相间的界面清晰。轻轻将铂电极插入KCL液层中。切勿扰动液面，铂电极应保持垂直，并使两极浸入液面下的深度相等，记下胶体液面的高度位置。按电泳测量线路图所示将两极接于30-50V直流电源上，按下电键，同时开始记时至30-45min，记下胶体液面上升的距离和电压的读数。沿U型管中线量出两极间的距离。此数值测量多次，并取平均值。实验结束后应洗干净U形管和电极，并在U形管中放满蒸馏水浸泡铂电极。5．数据处理由U形管的两边在时间t内界面移动的距离d值，计算电泳的速率（u=d/t），再由测得的电压U和两极间的距离l，计算得电位梯度（w=U/l），然后将u和ω代入式（8）计算出FeCl3胶体ζ电势。此时式(8)中的η、ε用水的数值代入，不同温度时水的介电常数按ε=80-0.4（T/K-293）式计算。五、数据处理①计算各次测定的lV值，并取平均值。②将lV的平均值和k代入式（II.204），计算SiO2对水的电势。③测定时注意水的方向和2个钼电极的极性，从而确定电势是正值还是负值。六、思考题①为什么毛细管D中气泡在单位时间内所移动过的体积就是单位时间内流过试样室A的液体量？②固体粉末样品颗粒太大,电渗测定结果重演性差,可能的原因是什么？③讨论影响电势测定的因素有哪些？6．注意事项（1）实验前应把每支试管洗干净。（2）溶胶的温度要降低至室温后方可用于聚沉值测定。7．提问思考（1）如果电泳仪事先没有洗干净，管壁上残留有微量的电解质，对电泳测量的结果将有什么影响？（2）电泳速率的快慢与那些因素有关？8．评注启示（1）根据扩散双电层模型，胶粒上的表面紧密层电荷相对固定不变，而液面中的反离子则受到静电吸引和热运动扩散两种力的作用，故而形成一个扩散层。ζ电势是紧密层与扩散层之间的电势差。（2）在进行电泳时，要使胶体溶液和辅助溶液的电导率基本相同。（3）测量电泳现象的实验方法分为宏观法和微观法两类。宏观法是观察胶体与不含胶粒的辅助导电液的界面在电场中移动的速率；微观法是直接观察单个胶粒在电场中的泳动速率。对高分散的或过浓的胶体，因不易观察个别胶粒的运动，只能用宏观法。三、（一）其它方法也可以用电泳的方法测定胶体的电势。（二）参考书复旦大学编.物理化学实验（第三版）.北京：高等教育出版社，2004六、思考题①为什么毛细管D中气泡在单位时间内所移动过的体积就是单位时间内流过试样室A的液体量？②固体粉末样品颗粒太大,电渗测定结果重演性差,可能的原因是什么？③讨论影响电势测定的因素有哪些？六、参考文献1复旦大学等编.物理化学实验(上册).北京：人民教育出版社，19792东北师范大学等编.物理化学实验.第2版.北京：高等教育出版社，19893周祖康，顾锡人，马季铭编著.胶体化学基础.北京：北京大学出版社，19874李葵英编著.界面与胶体的物理化学.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998