分散体系ζ电势测定

一、 目的要求

1.学会制备Fe（OH）3溶胶。

2. 观察胶体的电泳现象， 了解宏观电泳法测ζ电势的技术。

3. 掌握测定胶粒的运动速度和电荷符号的方法。

二、 实验原理

图5.38 Fe（OH）3溶胶示意图

胶体溶液（溶胶） 是分散相线度为1～100nm（1nm＝10－9m） 的高分散多相体系。在胶体的分散体系中， 由于胶粒本身电离， 或胶粒向分散介质选择地吸附一定量的离子， 以及胶粒与分散质之间相互摩擦生电，几乎所有的胶体颗粒都带一定量的电荷。以Fe（OH）3溶胶为例， 如图5.38所示。 由于整个胶体分散系统呈电中性， 因而在胶粒四周的分散介质中，必定有电量相同而符号相反的对应离子存在。 因此， 胶粒表面和介质间就形成一定的电势差。 紧密层与扩散层间交界处称为滑移面 （或Stern面）， 也称为溶剂化层， 它与胶粒一起运动。 由溶剂化层界面到均匀液相内部的那一微观段为滑动面， 从滑动面到本体间存在的电势差叫作ζ电势。 ζ电势越大， 胶体体系越稳定， 因此ζ电势大小是衡量胶体稳定性的重要参数。

ζ电势的大小与胶粒的大小、 浓度、 介质的性质、 p H及温度等因素有关， 是表征胶粒特性的重要物理量之一， 在研究胶体性质及实际应用中起着重要的作用。

在外加电场的作用下， 荷电胶粒与分散介质间会发生相对运动， 胶粒向正极或负极（视胶粒所带电荷为负或正电而定） 移动的现象， 称为电泳。 同一胶粒在同一电场中的移动速度与ζ电势的大小有关， 所以ζ电势也称为流动电势或电动电势。

测定ζ电势， 对解决胶体体系的稳定性具有很大的意义。 在一般溶胶中， ζ电势数值越小， 则其稳定性越差， 此时可观察到聚沉的现象。 因此， 无论是制备胶体正者是破坏胶体，都需要了解所研究胶体的ζ电势。

原则上， 任何一种胶体的电动现象 （如电渗、 电泳、 流动电势、 沉降电势） 都可用来测定ζ电势， 但最方便的则是用电泳现象来进行测定。

电泳法分为两类， 即宏观法和微观法。 宏观法原理是观察溶胶与另一不含胶粒的导电液体的界面在电场中的移动速度。 微观法是直接观察单个胶粒在电场中的泳动速度。 对高分散的溶胶，如As2S3溶胶或Fe2O3溶胶， 或过浓的溶胶， 不宜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。

宏观电泳法的装置如图5.39所示。如测定Fe（OH）3溶胶的电泳，则先在U形的电泳测定管支管中注入棕红色的Fe（OH）3溶胶；然后在U形管中装入无色的辅助液，开启活塞，使Fe（OH）3溶胶缓缓进入U形管，并与辅助液之间形成明显的界面；在U形管的两端各插入一支铂电极，通电到一定时间后，即可观察到Fe（OH）3溶胶的棕红色界面向某极上升，而在另一极则界面下降。

图5.39 电泳装置示意图

ζ电势的数值， 可根据亥姆霍兹方程式计算：

式中，u——电泳速度，即迁移速度，cm·s－1；

η——分散介质的黏度， P；

εr——分散介质的相对介电常数。如果分散介质是水，则εr可按下式计算：

εr＝81－0.4（t－20） （5－22）

式中， t——水温，℃。

E为单位长度上的电势差， 即电势梯度。 设电极间的导电距离为l， 电压为V， 则E＝V／l（V·cm－1）。

也可将全部物理量都用国际单位制表示， 其计算公式如下：

其中，ε0＝8.85×10－12F／m。

三、 仪器与试剂

1. 仪器

特制U形电泳管1支； 晶体管直流稳压电源1台 （要求输出电压为30V以上）； 单刀开关1支； DDS－11型电导率1台 （附铂黑电极1支）； 导线4条；213型铂电极2支； 漏斗1只；100m L烧杯3只； 调温电炉 （公用）。

2. 试剂

10％Fe Cl3溶液；10％NH3·H2O；辅助液（取3.78m L1∶1HCl和2.1820g干燥好的Na Cl加水配成5040m L溶液即可）。

四、 实验步骤

1.Fe（OH）3溶胶的制备

①取100m L小烧杯，加入10m L10％Fe Cl3溶液，加水40m L，先用小胶头滴管挤入约3m L10％的NH3·H2O溶液，用玻璃棒搅拌，静置，等到沉淀分层；上层清液为无色，再小心、逐滴加入，每加一滴，仔细观察滴入处有无新沉淀生成，直至加入NH3·H2O后不再产生新的沉淀为止， 再过量1～2滴。

②将沉淀过滤， 滤完后用蒸馏水洗涤沉淀4次。 注意每次洗涤时， 先用洗瓶着力吹洗滤纸正中央的沉淀， 再从上面往下 “赶洗”， 待漏斗内滤液几乎流尽后， 再加蒸馏水洗下一次。

③将沉淀移入另一个100m L的小烧杯中，加水50m L，再加入10％Fe Cl3溶液2m L，置于调温电炉上， 缓慢加热， 直至沸腾， 停止加热； 视水量的多少沿烧杯内壁补充一点蒸馏水，继续加热，至沉淀消失，液体呈棕红色透明为止，即为Fe（OH）3溶胶。

实验结束，保留所制备的Fe（OH）3溶胶，留与下一轮做该实验的同学使用，然后洗净所有玻璃器皿， 将桌面收拾干净。

注意： 每轮实验使用的溶胶均为前一次实验的同学所配 （经教师检查为合格的）， 这是为了节省时间。

2. 对照辅助液的电导率稀释溶胶

取约50m L辅助液于100m L小烧杯中， 使用电导率仪测出其电导率。

取少量Fe（OH）3溶胶至另一烧杯中，用电导率仪测定其电导率，如其数值比辅助液的大， 则可加适当的蒸馏水稀释， 直到与辅助液相同为止， 此即为待测溶胶。

3. 测ζ电势

测定装置如图5.39所示， 电泳管是一个U形管， 其右侧有一根带活塞的漏斗型支管，作为向U形管内注入待测溶胶之用。

（1） 清洗电泳管

（2） 装溶胶

①关闭活塞， 经球形漏斗口加入少量待测溶胶润洗右侧支管 （单管） 两次； ②装入溶胶； ③略微开启活塞， 让活塞孔内充满溶胶， 再关闭活塞， 盖紧漏斗盖子。

（3） 装辅助液

①用辅助液润洗左边的U形管两次； ②在U形管中装入近1／3容积的辅助液。 若有少量溶胶进入U形管， 则应先将右侧支管口用塞子塞好， 而后将活塞上部U形管内的溶胶倒去， 再依次用蒸馏水及辅助液把U形管洗净， 否则将影响后面的分界面的清晰度和观测精度。

（4） 放置电极

将电泳管用铁架台固定好， 在U形管两端插入铂电极 （注意不要动电极端头的铂片，很容易断裂， 铂片应事先由老师弯成90°）， 与液面平行， 以便于准确确定两电极间的导电距离， 两电极的插入深度要适中， 大约在U形管刻度的中央。

（5） 形成分界面

取下电泳管右侧支管口上的塞子， 而后微微开启活塞， 让溶胶慢慢地 “顶” 辅助液而进入U形管中 （注意： 一定要控制流入速度， 勿使过快， 否则会造成分界面不清晰），装至溶胶到达刻度线出现的上方3～3.5cm处， 关闭活塞， 记下两边的液－胶界面所处的位置。

（6） 通电

开启直流稳压电源， 调节输出电压到30V，3min后合上开关接通电流， 同时记下时间， 然后再去制备胶体。

（7） 断电读数

通电50～60min （t） 后， 断开单刀开关， 关闭直流稳压电源， 记下溶胶液面上升的距离S； 用棉线或细电线测量两电极间的导电距离l， 注意此数值须测量3～4次， 并取其平均值。

五、 数据处理

①由实验结果，计算电泳的速度u＝S／t（cm·s－1）。

②计算电势梯度E。

③按式（5－22） 计算相对介电常数εr。

④按式 （5－21） 计算ζ电势。

⑤根据实验现象，说明Fe（OH）3溶胶带何种电荷。

六、 思考题

1. 电泳速度的快慢与哪些因素有关？

2. 本实验为何要求辅助液与待测溶胶的电导率相同？