电泳和电渗

Electrophoresis and Electroosmosis

一、实验目的

(1)了解溶胶的制备方法。

(2)观察并熟悉胶体的电泳现象和电渗现象，从而确定胶粒所带的电荷。

(3)掌握电泳法测量ζ电位的技术。

二、预习要点

(1)预习胶体的电泳、电渗现象和ζ电位及其两种测定方法; 预习渗析膜和溶胶的制备方法、溶胶的渗析方法、电泳仪的操作、电泳速度的测定和电渗仪的操作及电渗现象的观察记录等知识点。

(2)思考并回答下列问题:

①胶粒带电的符号可由哪些方法进行测定?

②为什么要制备电导率与Fe(OH)3溶胶相同的HCl溶液? 其作用如何?

三、实验基本原理

在外电场的作用下，胶粒在分散介质中定向移动的现象称为电泳。中性粒子在外电场中不可能发生定向移动，所以电泳现象说明胶粒是带电的。处在溶液中的带电固体表面，由于有静电吸引力的存在，它必然要吸引等电量的、与固体表面上带有相反电荷的离子(这种离子可简称为反离子或异电离子)环绕在固体粒子的周围，这样便在固液两相之间形成双电层。

反离子在溶液中同时受到两个方向相反的作用: 静电吸引力使其趋于靠近固体表面; 热运动所产生的扩散作用又使反离子趋向于均匀分布。靠近固体表面处反离子浓度大些，随着与表面距离的增大，反离子由多到少。

图3－2 扩散层中离子的分布和电位随距离的变化

如图3－2所示。以MN代表胶粒表面。设此表面吸附负离子，正离子(即反离子)扩散分布在胶核周围。带电表面及这些反离子构成的双电层，称为扩散双电层，其厚度d随溶液中离子浓度和价数的不同而不同。

φ0是固体表面与溶液本体之间的电势差，即热力学电势。胶粒在电场作用下与介质发生的相对移动，此分界面不在固液面MN处，而是有一液体牢固地附在固体表面，随表面一起运动，一旦固液两相发生相对移动，滑动面便呈现出来。测定电泳速度算出的就是滑动面与溶液本体之间的电势差，称为电动电势或ζ电势。

由于滑动面内的反离子部分抵消了固体表面的电荷，故ζ电势在数值上小于热力学电势，若介质中反离子浓度增大，将压缩扩散层使其变薄，把更多的反离子挤进滑动面内，使ζ电势变小，当ζ电势为零时，称为等电态，此时胶粒不带电，电泳、电渗的速度为零。

在电泳中胶粒的运动方向可判断胶粒所带电性。ζ电势的大小由电泳(或电渗)速度算出。在外加电场作用下，若分散介质对分散相发生相对移动，称为电渗。

ζ电势与溶胶的稳定性有关。ζ值越大，溶胶越稳定(不易沉降); 反之，ζ电势趋于零时，溶胶有聚沉现象。因此，无论制备或破坏胶体，都需要研究胶体的ζ电势。ζ电势可根据赫姆霍兹公式计算:

式中 Ee——电势梯度，V·m－1，可用下式计算:

Ee=H/l;

H——外加电场的电压，V;

l——两极间的距离，m;

η——分散介质的黏度，Pa·s;

u——电泳速度，m·s－1;

e——分散介质的介电常数，F·m－1;

e=er·e0

式中 er——分散介质的相对介电常数;

e0——真空介电常数。

e0=8．854×10－12F·m－1(1F=1C·V－1=1A·s·V－1)

当e、η、H、l都是已知常数时，只要用电泳法测定u、ζ电势即可求出。

ζ电势还可以通过电渗实验求出，从电渗实验求ζ电势公式为:

式中 V——液体流过毛细管的体积，m3;

I——通过液体介质的电流，A;

k——液体介质的电导率，S·m－1。

当η、k、e为已知常数时，只要测定电流I，并用电渗法测定V，即可由上式算出ζ电势。

四、仪器和试剂

仪器: 电泳仪1套，电渗仪1套，电导仪1台，电炉1个，秒表1个，铂电极4支，量筒100m L1个，移液管2m L1支，锥形瓶100m L1个，烧杯(1000 m L，250m L，100m L各1个)。

试剂:HCl溶液(约0．0001mol·L－1)，Fe Cl3溶液(10%)，火棉胶溶液(5%，溶剂是乙醇与乙醚混合液，体积比为1:3)。

五、实验内容

1． 渗析膜的制备

取10m L5%火棉胶液(它是硝化纤维素的乙醇乙醚混合溶液，要远离火焰!)倒入洗净的100m L锥形瓶中，倾斜瓶子，慢慢转动使火棉胶液刚好达到瓶口，转动几次后，使其在瓶壁形成一层均匀薄层。倾出多余的火棉胶液于回收瓶中，把瓶子倒置在铁圈上，让剩余火棉胶流尽，并使乙醚挥发完(可借助电吹风以冷风吹)，大约15min后，火棉胶膜风干(不黏手)。在瓶内加满蒸馏水，溶去剩余的乙醇，放置3min，倒去水，在瓶口剥开一部分膜，在膜与壁之间注入蒸馏水，膜就会脱离瓶壁，轻轻取出火棉胶袋。将袋盛满蒸馏水，检查是否漏水，然后泡在蒸馏水中备用。

2．制备Fe(OH)3溶胶

在250m L烧杯中加入100m L蒸馏水，加热至沸腾，用移液管将2m L10% Fe Cl3溶液边搅拌边一滴滴地加到水中，再煮沸3min，看到红棕色溶胶生成，冷却待用。

3． 溶胶的渗析

把Fe(OH)3溶胶倒入火棉胶袋中，用线拴住口袋，将其悬在装满蒸馏水的1000m L大烧杯中，水温保持在60～70℃之间进行热渗析。经常换水，直至蒸馏水中无Cl－时，渗析结束。

4．制备电导率与Fe(OH)3溶胶相同的HCl溶液

用电导率仪测定Fe(OH)3溶胶的电导率。取50m L稀盐酸放入150m L的烧杯中，然后用吸管吸取蒸馏水滴入稀盐酸中，测定稀盐酸的电导率。稀盐酸中不断滴入蒸馏水并测定电导率，直至其电导率与Fe(OH)3溶胶的相同为止，作测定辅助液用。

5． 电泳速度的测定

(1)如图3－3把电泳仪的两个大活塞打开，在活塞下部的 U 形管中充满Fe(OH)3溶胶。应注意: 管内不能停留有气泡。溶胶装好后关上大活塞，活塞上方多余的溶胶倒掉，并按顺序用蒸馏水、稀HCl洗涤2～3次。在活塞上方及支管中充满稀HCl溶液。固定好电泳仪，在弯管处插入铂电极，电极的位置要固定。

图3－3 电泳仪

(2)打开电泳仪横梁上的小活塞，使两臂液面达到同一水平，然后关上小活塞。接好线路，轻轻打开两只大活塞，注意维持界面清晰。

(3)通电(注意用电安全，切勿接触导线外露部分)，开始实验。电压为100～150V，保持电压稳定。左或右臂界面从旋钮处移到清晰可读的位置时打开秒表记时，并记录刻度位置，半小时后记录界面移动的距离，计算电泳速度u，观察界面移动的方向，判断胶粒所带电荷的符号，切断电源。

(4)量出两电极间的准确距离。

(5)重复上述操作数次。

6． 电渗现象

(1)按图3－4所示将仪器装置好。把砖板固定，用水(为减少电阻，可加入少许KCl溶液)充满电渗仪，以没有气泡为度，在两端插入铂电极，中间插入盐桥，并记录毛细管末端水位的位置。

图3－4 电渗仪装置图

1—盐桥;2—H2O(或KCl溶液);3—毛细管;4，5—铂电极; 6—砖板

(2)接通电源，电压为50V直流电，记录电流I。

(3)从毛细管末端观察水的移动情况，记录一定时间后毛细管中水柱的移动距离，判定胶粒(砖板)带何种电荷。

六、数据记录与结果

1． 电泳速度的测定

电泳开始时电泳仪左或右臂界面的刻度位置为__________。

秒表计时半小时后界面的刻度位置为__________。

界面移动的距离为__________。

电泳速度u__________。

界面移动的方向为__________。

胶粒所带电荷的符号为为__________。

两电极间的准确距离为__________。

2． 电渗现象的观测

电渗前毛细管末端水位的位置为__________。

电渗一定时间后毛细管末端水位的位置为__________。

毛细管中水柱的移动距离为__________。

胶粒(砖板)所带电荷符号为__________。

电压为50V直流电的电流I__________。

(编者: 王一凡)