『壹』 如何判段膠體溶液中帶正電荷還是負電荷
可以用電泳實驗
一、目的要求
1. 學會制備Fe(OH)3溶膠；
2. 觀察膠體的電泳現象，了解宏觀電泳法測ζ電勢的技術；
3. 掌握測定膠粒的運動速度和電荷符號的方法。
二、實驗原理
膠體溶液（溶膠）是分散相線度為1nm－100nm(1nm=10-9m)的高分散多相體系。在膠體的分散體系中，由於膠粒本身電離，或膠粒向分散介質選擇地吸附一定量的離子，以及膠粒與分散質之間相互摩擦生電，使得幾乎所有的膠體顆粒都帶一定量的電荷。由於整個膠體分散系統呈電中性，因而在膠粒四周的分散介質中，必定具有電量相同而符號相反的對應離子存在。因此膠粒表面和介質間就形成一定的電勢差。緊密層與擴散層間交界處稱為滑移面（或stern面），顯然稱為溶劑化層，它與膠粒一起運動，由溶劑化層界面到均勻液相內部的那一微觀段為滑動面，從滑動面到本體間存在的電勢差叫做ζ電勢。ζ電勢越大，膠體體系越穩定，因此ζ電勢大小是衡量膠體穩定性的重要參數。
圖14－1 Fe(OH)3溶膠示意圖
ζ電勢的大小與膠粒的大小、濃度、介質的性質、pH值及溫度等因素有關，是表徵膠粒特性的重要物理量之一，在研究膠體性質及實際應用中起著重要的作用。
在外加電場的作用下，荷電膠粒與分散介質間會發生相對運動，膠粒向正極或負極（視膠粒所帶電荷為負或正電而定）移動的現象，稱為電泳。同一膠粒在同一電場中的移動速度與ζ電勢的大小有關，所以ζ電勢也稱為流動電勢或電動電勢。
測定ζ電勢，對解決膠體體系的穩定性具有很大的意義。在一般溶膠中，ζ電勢數值愈小，則其穩定性亦愈差，此時可觀察到聚沉的現象。因此，無論是制備膠體或者是破壞膠體，都需要了解所研究膠體的ζ電勢。
原則上，任何一種膠體的電動現象（如電滲、電泳、流動電勢、沉降電勢）都可用來測定ζ電勢，但最方便的則是用電泳現象來進行測定。
電泳法又分為兩類，即宏觀法和微觀法。宏觀法原理是觀察溶膠與另一不含膠粒的導電液體的界面在電場中的移動速度。微觀法是直接觀察單個膠粒在電場中的泳動速度。對高分散的溶膠，如As2S3溶膠或Fe2O3溶膠，或過濃的溶膠，不宜觀察個別粒子的運動，只能用宏觀法。對於顏色太淺或濃度過稀的溶膠，則適宜用微觀法。本實驗採用宏觀法。
圖14－2 電泳裝置示意圖
宏觀電泳法的裝置如圖14－1所示。如測定Fe(OH)3溶膠的電泳，則先在U型的電泳測定管支管中注入棕紅色的Fe(OH)3溶膠；然後在U型管中裝入無色的輔助液，開啟活塞，使Fe(OH)3溶膠緩緩進入U型管，並與輔助液之間形成明顯的界面；在U型管的兩端各插入一支鉑電極，通電到一定時間後，即可觀察到Fe(OH)3溶膠的棕紅色界面向某極上升，而在另一極則界面下降。
ζ電勢的數值，可根據亥姆霍茲（Helmjoltz）方程式計算：
（1）
上式中：u為電泳速度，即遷移速度（cm/s）。 為分散介質的相對介電常數；如果分散介質是水，則εr可按下式計算：
（2）
（2）式中t為水溫（℃）,η為分散介質的粘度（泊）。不同溫度下水的粘度值請參閱附錄表。
E為單位長度上的電勢差，即電勢梯度。設電極間的導電距離為l，電壓為V，則E=V/l（伏/厘米）。
也可將全部物理量都用國際單位製表示，其計算公式如下：
（3）
其中ε0=8.85X10-12F·m-1
三、儀器與試劑
儀器：特製U型電泳管1支；晶體管直流穩壓電源1台（要求輸出電壓為30v以上）；單刀開關1支；DDS-11型電導率1台（附鉑黑電極1支）；導線4條；213型鉑電極2支；漏斗1隻；100ml燒杯3隻；調溫電爐（公用）
試劑：10%FeCl3溶液； 10% NH3oH2O。輔助液（取3.78ml1:1HCl和2.1820克乾燥好的NaCl加水配成5040ml溶液即可）
四、實驗步驟
1. Fe(OH)3溶膠的制備
（1）取100ml小燒杯，加入10ml10%FeCl3溶液，加水40ml，先用小膠頭滴管擠入約3ml的10%的NH3·H2O溶液，用玻璃棒攪拌一下、靜置，等到沉澱分層，上層清液為無色，再小心、逐滴加入。每加一滴，就仔細觀察滴入處有無新沉澱生成，直至加入NH3·H2O後不再產生新的沉澱為止，再過量1~2滴。
（2）將沉澱過濾，濾完後，用蒸餾水洗滌沉澱4次。注意每次洗滌時，先用洗瓶著力吹洗濾紙正中央的沉澱，再從上面往下"趕洗"，然後待漏斗內濾液幾乎流盡後，再加蒸餾水洗下一次。
（3）將沉澱移入另一個100ml的小燒杯中，加水50ml，再加入10%FeCl3溶液2ml，置於調溫電爐上，緩慢加熱，直至沸騰，停止加熱，視水量的多少沿燒杯內壁補充一點蒸餾水，繼續加熱，至沉澱消失、呈棕紅色透明液體為止，即為Fe(OH)3溶膠。
實驗結束，保留所制備的Fe(OH)3溶膠，留與下一輪做該實驗的同學使用，然後洗凈所有玻璃器皿，將桌面收拾干凈。
注意：每輪實驗使用的溶膠均為前一次實驗的同學所配（經教師檢查為合格的），這是為了節省時間。
2. 對照輔助液的電導率稀釋溶膠。
取約50ml輔助液於100ml小燒杯中，使用電導率儀測出其電導率。方法見本實驗的附錄。
取少量Fe(OH)3溶膠至另一燒杯中，用電導率儀測定其電導率，如其數值比輔助液的大，則可加適當的蒸餾水稀釋，直到與輔助液相同為止，此即為待測溶膠。
3. 測ζ電勢
測定裝置如圖14－2所示，電泳管是一個U型管，其右側有一根帶活塞的漏斗型支管，作為向U型管內注入待測溶膠之用。
①清洗電泳管。
②裝溶膠。a.關閉活塞，經球型漏鬥口加入少量待測溶膠潤洗右側支管（單管）2次；b.裝入溶膠；c. 略微開啟活塞，讓活塞孔內充滿溶膠，再關閉活塞，蓋緊漏斗蓋子；
③裝輔助液。a.用輔助液潤洗左邊的U形管兩次；b.在U形管中裝入近三分之一容積的輔助液。若有少量溶膠進入U型管，則應先將右側支管口用塞子塞好，而後將活塞上部U型管內的溶膠倒去，再依次用蒸餾水及輔助液把U型管洗凈，否則將影響後面的分界面的清晰度和觀測精度。
④放置電極。將電泳管用鐵架台固定好，在U形管兩端插入鉑電極（注意不要動電極端頭的鉑片，很容易斷裂，鉑片應事先由老師彎成90度），與液面平行，以便於准確確定兩電極間的導電距離），兩電極的插入深度要適中，大約在U形管刻度的中央。
⑤形成分界面。取下電泳管右側支管口上的塞子，而後微微開啟活塞，讓溶膠慢慢地"頂"輔助液而進入U型管中（注意一定要控制流入速度，勿使過快，否則會造成分界面不清晰），裝至溶膠到達刻度線出現的上方3～3.5cm處，關閉活塞，記下兩邊的液－膠界面所處的位置。
⑥通電。開啟直流穩壓電源，調節輸出電壓到30V，3分鍾後合上開關接通電流，同時記下時間，然後再去制備膠體。
⑦斷電讀數。通電50～60分鍾（t）後，斷開單刀開關，關閉直流穩壓電源，記下溶膠液面上升的距離S；用棉線或細電線測量兩電極間的導電距離l，注意此數值須測量3－4次，並取其平均值。
五、數據處理
1. 由實驗結果，計算電泳的速度 u=S/t（cm/s）
2. 計算電勢梯度E
3. 按（2）式計算相對介電常數εr
4. 按（1）式計算ζ電勢
5. 根據實驗現象，說明Fe(OH)3溶膠帶何種電荷
附：實驗數據記錄參考格式：
溫度
界面刻度位置遷移記錄
通電記錄
電極片位置及導電距離
℃
Left start: end:
Left: 極
Start:
Left: Right:
Right start: end:
End:
U形回溝長：
遷移距離S：
V:
時間t:
導電距離l：
【思考題】
1. 電泳速度的快慢與那些因素有關？
2. 本實驗為何要求輔助液與待測溶膠的電導率相同？
【英漢詞條】
電泳 electrophoresis
溶膠 colloidal sols
膠核 colloidal kernel
界面 interface
聚沉 coagulation
穩定性 stability
分散介質 dispersive medium
聚沉值 coagulation value
相對介電常數 relative dielectric constant
介電常數 dielectric constant
氨水 ammonia liquor / aqueous ammonia
三氯化鐵 ferric chloride
遷移距離 migration distance
電極 electric pole / electrode
量筒 measuring cylinder
濾紙 filter parer
漏斗 funnel
錐形瓶 conical flask
膠體 colloid
附DDS-11A型電導率儀
DDS-11A型電導率儀的測量范圍廣，可以測定一般液體和高純水的電導率，操作簡便，可以直接從表上讀取數據，並有0mV～10mV訊號輸出，可接自動平衡記錄儀進行連續記錄。
(1)測量原理
電導率儀的工作原理如圖14－3所示。把振盪器產生的一個交流電壓源E，送到電導池Rx與量程電阻(分壓電阻)Rm的串聯迴路里，電導池裡的溶液電導愈大，Rx愈小，Rm獲得的電壓Em也就越大。將Em送至交流放大器放大，再經過訊號整流，以獲得推動表頭的直流訊號輸出，表頭直讀電導率。由圖14－3可知
Kcell為電導池常數，當E、Rm和Kcell均為常數時，由電導率κ的變化必將引起Em作相應變化，所以測量Em的大小，也就測得溶液電導率的數值。
圖14－3 電導率儀測量原理圖 圖14－4 電容補償原理圖
1.振盪器；2.電導池；3.放大器；4.指示器。
本機振盪產生低周(約140Hz)及高周(約1100Hz)兩個頻率，分別作為低電導率測量和高電導率測量的信號源頻率。振盪器用變壓器耦合輸出，因而使信號E不隨Rx變化而改變。因為測量訊號是交流電，因而電極極片間及電極引線間均出現了不可忽視的分布電容Co(大約60pF)，電導池則有電抗存在，這樣將電導池視作純電阻來測量，則存在比較大的誤差，特別在0μS·cm-1～0.1μS·cm-1低電導率范圍內，此項影響較顯著，需採用電容補償消除之，其原理見圖14－4。
信號源輸出變壓器的次極有兩個輸出信號E1及E，E1作為電容的補償電源。E1與E的相位相反，所以由E1引起的電流I1流經Rm的方向與測量訊號I流過Rm的方向相反。測量訊號I中包括通過純電阻Rx的電流和流過分布電容Co的電流。調節K6可以使I1與流過Co的電流振幅相等，使它們在Rm上的影響大體抵消。
(2)測量范圍
①測量范圍:0μS·cm-1～105μS·cm-1，分12個量程。
②配套電極:DJS－1型光亮電極;DJS－1型鉑黑電極;DJS－10型鉑黑電極。光亮電極用於測量較小的電導率（0μS·cm-1～10μS·cm-1），而鉑黑電極用於測量較大的電導率（10μS·cm-1～105μS·cm-1）。通常用鉑黑電極，因為它的表面積比較大，這樣降低了電流密度，減少或消除了極化。但在測量低電導率溶液時，鉑黑對電解質有強烈的吸附作用，出現不穩定的現象，這時宜用光亮鉑電極。
③電極選擇原則如下表
量程
電導率
測量頻率
配套電極
1
0～0.1
低周
DJS-1型光亮電極
2
0～0.3
低周
DJS-1型光亮電極
3
0～1
低周
DJS-1型光亮電極
4
0～3
低周
DJS-1型光亮電極
5
0～10
低周
DJS-1型光亮電極
6
0～30
低周
DJS-1型光亮電極
7
0～102
低周
DJS-1型光亮電極
8
0～3×102
低周
DJS-1型光亮電極
9
0～103
低周
DJS-1型光亮電極
10
0～3×103
低周
DJS-1型光亮電極
11
0～104
低周
DJS-1型光亮電極
12
0～105
低周
DJS-1型光亮電極
(3)使用方法
DDS－11A型電導率儀的面板如下圖所示。
圖14－5 DDS－11A型電導率儀的面板圖
1.打開電源開關前，應觀察表針是否指零，若不指零時，可調節表頭的螺絲，使表針指零。
2.將校正、測量開關撥在"校正"位置。
3.插好電源後，再打開電源開關，此時指示燈亮。預熱數分鍾，待指針完全穩定下來為止。調節校正調節器，使表針指向滿刻度。
4.根據待測液電導率的大致范圍選用低周或高周，並將高周、低周開關撥向所選位置。
5.將量程選擇開關撥到測量所需范圍。如預先不知道被測溶液電導率的大小，則由最大檔逐檔下降至合適范圍，以防表針打彎。
6.根據電極選用原則，選好電極並插入電極插口。各類電極要注意調節好配套電極常數，如配套電極常數為0.95(電極上已標明)，則將電極常數調節器調節到相應的位置0.95處。
7.傾去電導池中電導水將電導池和電極用少量待測液洗滌2～3次，再將電極浸入待測液中並恆溫。
8.將校正、測量開關撥向"測量"，這時表頭上的指示讀數乘以量程開關的倍率，即為待測液的實際電導率。
9.當量程開關指向黑點時，讀表頭上刻度（0μS·cm-1～1μS·cm-1）的數;當量程開關指向紅點時，讀表頭下刻度（0μS·cm-1～3μS·cm-1）的數值。
10.當用0μS·cm-1～0.1μS·cm-1或0μS·cm-1～0.3μS·cm-1這兩檔測量高純水時，在電極未浸入溶液前，調節電容補償調節器，使表頭指示為最小值（此最小值是電極鉑片間的漏阻，由於此漏阻的存在，使調節電容補償調節器時表頭指針不能達到零點），然後將電極浸入溶液中進行測量。
11.如要想了解在測量過程中電導率的變化情況，將10mV輸出接到自動平衡記錄儀即可。
(4)注意事項
1.電極的引線不能潮濕，否則測不準。
2.高純水應迅速測量，否則空氣中CO2溶入水中變為CO32-離子，使電導率迅速增加。
3.測定一系列濃度待測液的電導率，應注意按濃度由小到大的順序測定。
4.盛待測液的容器必須清潔，沒有離子玷污。
5.電極要輕拿輕放，切勿觸碰鉑黑。