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        界面電泳法測膠體電動電勢實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

        2013-12-23 05:40:40董家新謝曉莉
        關(guān)鍵詞:膠體電勢電泳

        董家新,謝曉莉,陳 靜

        (1.廣西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西桂林 541004;2.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,廣西桂林 541004)

        采用界面電泳法測定氫氧化鐵膠體電動電勢(ζ電勢)的實(shí)驗(yàn)已是大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1-2]。盡管已有很多針對該實(shí)驗(yàn)的研究[3-12],但該實(shí)驗(yàn)的實(shí)際教學(xué)效果仍不太理想。其主要問題集中在:(1)對Fe(OH)3膠體溶液進(jìn)行滲析純化的時(shí)間較長,在目前普遍縮減實(shí)驗(yàn)課時(shí)的趨勢下,這不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安排;(2)經(jīng)典的制備火棉膠袋的滲析方法的成功率偏低[3];(3)如果不進(jìn)行滲析純化,而采用加入“穩(wěn)定劑”,如尿素、蔗糖等的方法[1,3,9,12],雖然節(jié)省了透析時(shí)間,但該方法制備的膠體溶液的電導(dǎo)率仍然很高,這會導(dǎo)致電泳時(shí)電流偏高、發(fā)熱明顯、電極反應(yīng)迅速、界面容易模糊,實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差等一系列不利后果,也達(dá)不到加深學(xué)生對膠體純化過程的認(rèn)識和理解的教學(xué)目的;(4)還沒有形成最優(yōu)化的電泳實(shí)驗(yàn)條件,以至于各種實(shí)驗(yàn)教材和文獻(xiàn)采用的膠體溶液的電導(dǎo)率、輔助液、電壓等條件差異較大,所測的ζ電勢值分布范圍較寬。

        要解決上述問題,首先需要一種高效、可靠、廉價(jià)且簡便易行的膠體純化方法。其次要有能獲得良好實(shí)驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性的實(shí)驗(yàn)條件。本文研究采用硫酸紙作為半透膜對Fe(OH)3膠體溶液進(jìn)行滲析,并優(yōu)化滲析方案,實(shí)現(xiàn)了膠體的快速純化,系統(tǒng)分析和提出了優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件,獲得了重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 儀器與試劑

        儀器:DYY-4C 型電泳儀;U 型電泳管;DDS-11C型數(shù)字電導(dǎo)率儀。

        試劑:KCl,F(xiàn)eCl3,尿素,均為分析純;描圖用硫酸紙(83g,A4)。

        1.2 膠體制備

        稱取0.4g FeCl3溶于20mL蒸餾水中,將其逐滴滴加到100mL維持微沸的蒸餾水中,邊滴邊攪拌,滴加完成后繼續(xù)微沸2min。

        1.3 膠體的滲析純化

        如圖1所示,將A4紙大小的硫酸紙四邊折起并固定,形成紙槽,使其底面面積約200cm2,放入盛有約1 000mL、溫度為70~80 ℃蒸餾水的敞口容器中,將剛制備好的Fe(OH)3膠體溶液轉(zhuǎn)移到硫酸紙槽內(nèi)。讓蒸餾水自然降溫,期間用玻璃棒分別攪動膠體溶液和蒸餾水,并用電導(dǎo)率儀監(jiān)測膠體溶液電導(dǎo)率的變化。約20min更換一次熱蒸餾水,當(dāng)電導(dǎo)率下降到0.01 S/m 以下后可停止?jié)B析。一般只需滲析3 遍即可達(dá)到要求。將透析好的膠體溶液轉(zhuǎn)移到干凈的燒杯中,如水蒸發(fā)較多,可補(bǔ)充蒸餾水至100mL,冷卻至室溫后測量其電導(dǎo)率。

        圖1 硫酸紙滲析裝置示意圖

        1.4 膠體電泳

        配制和上述膠體溶液相同電導(dǎo)率的100mL KCl溶液作為輔助液備用。將如文獻(xiàn)[9]中的U 型電泳管洗凈并固定好,從中間的加液漏斗注入適量Fe(OH)3膠體溶液;用膠頭滴管分別在左右兩管內(nèi)膠體溶液液面上方2 ~5mm 處,沿管壁緩慢加入輔助液,直至形成清晰的界面;繼續(xù)加入輔助液,至放入電極后,約有5mm 電極沒入到輔助液中;將電極連接好電泳儀電源,設(shè)定輸出電壓為140V;開始電泳,每分鐘記錄一次界面的位置、電壓和電流值,連續(xù)記錄30min。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        由5組化學(xué)專業(yè)本科生采用上述改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法(簡稱硫酸紙法)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如表1所示。其他學(xué)生采用原來實(shí)驗(yàn)教材[1]的方法(加尿素,不做滲析,簡稱尿素法),從中隨機(jī)抽取5組結(jié)果,列于表2中。對這兩種方法的主要條件、參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,列于表3中。從表3中可以看出,硫酸紙法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)教材推薦的結(jié)果(44mV)[1-2]非常接近,且重復(fù)性好;實(shí)驗(yàn)耗時(shí)可控制在一次實(shí)驗(yàn)課時(shí)(4h)內(nèi),并收到非常好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。由于火棉膠袋滲析法在其他論文中已進(jìn)行了許多研究,所以本文未重復(fù)該方法的實(shí)驗(yàn),該方法存在的主要問題是滲析袋容易破損、滲析時(shí)間較長、實(shí)驗(yàn)周期長,不利于實(shí)驗(yàn)課的安排。

        表1 硫酸紙法得到的Fe(OH)3膠體ζ電勢

        表2 尿素法得到的Fe(OH)3膠體ζ電勢

        表3 硫酸紙法與尿素法實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果對比

        3 討論

        3.1 硫酸紙滲析條件的確定

        硫酸紙又叫描圖紙、羊皮紙,廣泛用于印刷業(yè),因此它容易獲得,且具有耐水、耐酸堿、機(jī)械性能好的特點(diǎn),是作為半透膜的好材料[13]。在Fe(OH)3膠體純化中,一直未見將硫酸紙作為透析用半透膜材料的報(bào)道,可能是因?yàn)槲凑业胶线m的滲析條件,滲析效果不理想。在本實(shí)驗(yàn)中,我們根據(jù)影響滲析的主要因素(溫度、濃度差、半透膜孔徑、面積、液體流動),采取如下措施來提高滲析效率:(1)將滲析用蒸餾水加熱到80 ℃后開始熱滲析;(2)增加滲析半透膜的面積,使有效接觸面積達(dá)200cm2;(3)增加膠體溶液和蒸餾水的流動性,用玻璃棒經(jīng)常攪拌半透膜兩邊的液體;(4)每20 min更換一次蒸餾水,保證濃度差。在上述實(shí)驗(yàn)條件下,可以觀察到膠體溶液的電導(dǎo)率迅速下降,在第3次滲析后(約1~1.5h),膠體溶液的電導(dǎo)率即可減小到0.01S/m 以下,已達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。進(jìn)一步滲析的效率將大大降低,也沒有必要。本方法較其他方法需要增加的實(shí)驗(yàn)用品僅為一張A4大小的硫酸紙和一個(gè)敞口容器(可用塑料盒代替)。因此,該方法在效率、可靠性、可操作性和成本上均能滿足實(shí)驗(yàn)課的要求。

        3.2 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化分析

        3.2.1 電泳電位梯度

        本實(shí)驗(yàn)是通過測量Fe(OH)3膠體在電場中電泳的速率u,代入下式[14]來計(jì)算膠體的ζ電勢:

        式(1)中ζ為電動電勢(V);η為測量溫度下介質(zhì)的黏度(Pa·s);ε為介質(zhì)的介電常數(shù),ε=εr·ε0,εr為相對介電常數(shù),ε0為真空介電常數(shù),ε0=8.854×10-12C·V/m;u為膠粒電泳的移動速率(m/s);E 是電位梯度(V/m),E=(V/L),V 是兩電極間電位差(V),L 為兩電極間距離(m)。

        ζ電勢是膠體的重要性質(zhì),它和膠體的組成、制備條件、溫度、膠粒的形狀和粒徑、介質(zhì)中的離子種類和濃度等因素有關(guān)[15]。但按照相同的步驟,采用水解法制備的Fe(OH)3膠體溶液的ζ 電勢值差異不大。實(shí)驗(yàn)教材中給出的值是44 mV[1-2],相關(guān)論文中的結(jié)果也接近這個(gè)值[4,7,12]。根據(jù)公式(1),在電泳測試中能控制的因素就是電位梯度'E 和移動速率u。在ζ電勢一定的情況下,E 與u 成正比關(guān)系。為了減少電泳界面移動速率測量的誤差,u 達(dá)到1mm/min左右比較合適,如果太慢,界面移動不明顯,則讀刻度的誤差較大。根據(jù)公式(1)可計(jì)算出電位梯度E 應(yīng)達(dá)到4 V/cm。本實(shí)驗(yàn)中所用電泳管兩電極間距離約為33cm,所以電泳電壓確定為140V,實(shí)測界面移動速率約為0.8mm/min。

        3.2.2 膠體溶液電導(dǎo)率

        影響公式(1)中介質(zhì)黏度η 和介電常數(shù)ε 的主要因素是溫度,而引起溫度急劇改變的主要因素是電泳時(shí)的焦耳熱效應(yīng)。我們實(shí)測不經(jīng)過滲析純化,而采用尿素作為穩(wěn)定劑的膠體溶液,在4V/cm 電位梯度下的初始電流為24mA,開始后10min內(nèi),電泳管內(nèi)液體溫度升高了5 ℃,30 min溫度升高達(dá)10℃,這對η和ε 的影響已不可忽略。另一方面,溫度升高造成的對流是引起界面模糊的主要因素之一,所以要減小溫度的變化,就必須減小焦耳熱效應(yīng)。這可以通過減小電壓和電流來實(shí)現(xiàn),但減小電壓會降低電位梯度,所以只能減小電流。電壓一定時(shí),決定電流的因素就是溶液的電阻(電導(dǎo)),所以需要通過滲析純化的方法來降低膠體溶液的電導(dǎo)率。經(jīng)過計(jì)算,當(dāng)電流小于0.5 mA 時(shí),焦耳熱效應(yīng)引起的溫升可以忽略。當(dāng)溶液電導(dǎo)率小于0.01S/m 時(shí),可以保證電流小于0.5mA。

        電泳時(shí),兩電極不可避免要發(fā)生電解反應(yīng),進(jìn)而引起兩極區(qū)的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化[4]。這對電泳的測量將產(chǎn)生影響,比如易發(fā)生界面模糊、負(fù)極聚沉、正負(fù)極泳動速率不相等,電極上聚集較大氣泡推動界面移動甚至造成斷路。為了克服這些不利影響,應(yīng)盡量減小溶液的電導(dǎo)率以減少電流,降低電極反應(yīng)速率。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果,電導(dǎo)率小于0.01 S/m 時(shí),該影響可忽略。

        4 結(jié)論

        (1)硫酸紙的性質(zhì)適合作為本實(shí)驗(yàn)中膠體溶液滲析用的半透膜材料,采用熱滲析和大接觸面積,并進(jìn)行攪拌和更換溶劑的條件下,可以提高滲析效率。硫酸紙法可克服制備火棉膠滲析袋可靠性差、效率低的缺點(diǎn)。本方法易操作、可靠性好、成本低、效果顯著,值得推廣。

        (2)將膠體溶液滲析到電導(dǎo)率小于0.01S/m,采用相同電導(dǎo)率的KCl溶液作為輔助液,可以克服電泳時(shí)的焦耳熱效應(yīng),減少電極上的電解反應(yīng);電位梯度設(shè)為4V/cm 可以減少界面移動速率的測量誤差。這些實(shí)驗(yàn)條件的控制,保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性。

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