膠體電泳實驗的統籌安排與系統優化

周薇薇，趙 旺，王鳳武，魏亦軍

Fe（OH）3膠體電泳實驗是高校物理化學實驗中非常重要的實驗之一，實驗步驟復雜，顏色鮮艷，是一個兼具理論性和趣味性的物理化學實驗，考驗學生物理化學知識的扎實性，同時考察學生的實驗動手能力［1?10].

按照物理實驗教材的介紹，制備好的Fe（OH）3溶膠需在50～60℃的水浴中滲析5～6次，每次10min，爾后即可進行膠體電泳實驗；另外，實驗教材上要求的電泳時長為30min.我們的實踐結果表明，“僅僅5～6次、每次10min的滲析之后的膠體”根本達不到電泳對于膠體電導率的要求；此外，30min的電泳時長較短，觀察到的膠體移動距離較小，導致在讀取膠體電泳距離時的相對誤差就較大.針對以上問題，我們在長期的實驗中不斷地摸索和實驗，統籌安排，獲得了既能呈現最好的實驗效果又不需要額外占用課外時間的實驗方法，大大提高了實驗效率.

1 實驗革新

在溶膠電泳實驗中，重新安排了實驗步驟與實驗講解的順序，并且對部分實驗細節進行了改善.

在Fe（OH）3膠體電泳實驗中，打破常規實驗步驟，巧妙地對實驗步驟進行了調整，提高了實驗效率；另外，將實驗的講解打碎，穿插在實驗步驟中，增強講解的效果；還對部分實驗細節進行了改善，適當減小了實驗數據的相對誤差.

改進后的實驗步驟和實驗細節如下：

步驟一：測試已經準備好的溶膠的電導率，配置與其匹配的輔助液.

若要獲得最優的實驗效果，必須要進行徹底的、深度的滲析.通過反復實驗發現，如果只是在實驗課的3～4個課時進行滲析，最多只能在50～60℃的水浴中滲析5～6次，每次10min，這樣滲析后的溶膠的電導率值大約為2 mS·cm?1，遠不能達到溶膠電泳實驗的滲析標準，因而不能呈現最好的電泳效果.因此，在進行第一次物理化學實驗之前，實驗教師需事先準備好一份溶膠并滲析好，使其電導率值達到0.1 mS·cm?1以下，以備學生們第一次實驗時使用.

課上，教師首先講解如何測試制備好的溶膠的電導率，即DDS?11A型電導率儀的使用方法.教師引導學生進行測試，并做好記錄，之后指導學生配置輔助液，即向200 mL的去離子水中滴加NaCl溶液，使其電導率增加到與備用溶膠的電導率一致.

至此，電泳用的溶膠和輔助液已完全備好.

這一步驟所用時間大約為20min.

步驟二：指導學生將準備好的溶膠和輔助液裝在電泳管中.

裝管過程如下：指導學生們裝溶膠，提示學生潤洗電泳管三次；演示并指導學生如何少量多次地將溶膠裝在電泳管的下半部分，使溶膠高度超過中間大旋塞的1～2 cm.少量多次地裝管是為了避免在裝管過程中產生滯留在管壁上的氣泡，因為滯留在管壁上的氣泡可能在電泳過程中逸出電泳管，破壞溶膠與輔助液之間的清晰界面，導致實驗失敗.

溶膠裝好后，教師指導學生用配置好的輔助液潤洗電泳管的上半部，潤洗三次，演示并指導學生用以上同樣的方法裝管，裝管的高度要高于橫梁1 cm左右.

此步驟所用時間為20min左右.

步驟三：裝好電極，打開穩壓電源，進行電泳，設置電泳時間為60min.

本步驟進行電泳操作.指導學生將裝好的電泳管安置在架子上，放置時提醒學生“刻度朝前”，以方便讀數.教師指導學生把電極輕輕放入電泳管的彎管中，并關好電泳管的小旋塞，讓學生把電極連接到穩壓電源上，并兩手同步打開電泳管的兩個大旋塞.指導學生觀察左右兩邊電泳管中膠體與輔助液之間的界面，記錄下管中界面的位置.全部準備完畢，指導學生打開穩壓電源，調整電壓為150 V，開始電泳.指導學生記錄電泳開始的時間，電泳時長為60min.

在電泳進行的60min內，將完成后面的“步驟四+步驟五+步驟六”，這是提高本實驗效率的一個關鍵點.

電泳過程不單獨占用實驗時間，所以本步驟操作所用時間大約為10min.

步驟四：電泳開始后，指導學生完成溶膠的制備和滲析.

教師在講解“Fe（OH）3溶膠制備”之前，首先指導學生用燒杯取200 mL去離子水，放置在電爐上加熱，利用其加熱至沸騰的時間進行講解.教師講解溶膠制備的方法和注意事項，講解完成后，學生們進行稱量、溶解等操作，完成后，電爐上的水基本已沸騰，教師再指導學生將FeCl3溶液滴加到沸水中，進行溶膠的制備.溶膠制備好后，將溶膠放置在通風處降溫，降溫到50～60℃.

本步驟中有兩點操作可以提高效率：第一，將“加熱水至沸”的時間統籌利用，進行試驗的講解、FeCl3溶液的準備；第二，利用膠體降溫的時間完成后面的步驟五.

本步驟操作所用時間大約為20min.

步驟五：在電泳的剩余時間和膠體的降溫過程中，完成滲析袋的制備.

在膠體開始降溫后、滲析袋制備前，教師指導學生打開水浴，設置溫度為60℃，并在水浴中放入2～4個500 mL的燒杯，每個燒杯中裝約半杯去離子水.隨后，教師著手指導學生制備滲析袋：首先進行講解和演示，然后監督學生完成滲析袋的制備.在制備滲析袋的過程中，提醒學生放入膠棉液100～150 mL，提高制備的成功率，并提醒學生將多余的膠棉液回收.

本步驟中，有一點操作可以提高效率：在制備滲析袋之前提前準備好水浴以及滲析用的大燒杯和水，待滲析袋制備好后就可以直接進行溶膠的滲析，這樣可以節省水浴升溫的時間，進一步提高了實驗效率.

本步驟所用時間大約為20min.

步驟六：在電泳的剩余時間內完成膠體的滲析.

滲析袋制備好后，溶膠的溫度也基本降到50～60℃，教師指導學生將降溫合適的溶膠轉移到滲析袋中，扎好袋口；此時，水浴鍋的溫度已經穩定，教師即可指導學生將裝好溶膠的滲析袋放入水浴的大燒杯中開始滲析，滲析5～6次，每次10min.

這一步的時間大約為：5 min操作+60min滲析.

步驟七：結束電泳，觀察實驗現象，記錄實驗數據.

溶膠滲析進行1～2次之后，電泳管中的電泳時間即達到60min，電泳即已結束.此時，教師指導學生首先關閉穩壓電源，然后觀察一下實驗的現象和結果，具體內容包括：溶膠電泳是向哪個電極移動；左右兩管滲析結束時界面的位置；兩個電極之間的距離.

此步驟與“步驟六”同時進行，不額外占用時間.

步驟八：收拾好實驗所用儀器，等待滲析結束.

教師指導學生觀察實驗現象，記錄實驗數據，讓學生收拾好所用的儀器和試劑，等待最后幾次滲析.5～6次滲析完成后，指導學生將溶膠放入一大杯適溫的去離子水中（滲析直至下一組物理化學實驗的時間），關閉水浴電源，實驗即結束.

本步驟所用時間為1 min.

綜上所述，我們統籌安排了實驗，電泳的時間為60min，實驗中可以觀察到明顯、清晰的電泳移動，并且可以減小讀數的相對誤差.另外，滲析時間足夠長，滲析時間既包括課上60℃的6×10min，還包括課下室溫下的“至少一整天”的滲析時間，這樣下一個物理化學實驗小組來到實驗室時使用方便，使得電泳所用為一份滲析非常徹底的、高質量的溶膠.同時，本實驗時長為：20+20+10+20+20+5+60+1≈150min，即三個課時，采用三個課時的時間達到了最好的實驗效果，結果詳見表1、表2.

表1 新舊實驗方案安排、時長對比

表2 新舊實驗方案效果對比

2 結論

本研究認真分析了“Fe（OH）3膠體電泳”物理化學實驗，在反復實驗中獲得了新的實踐經驗，重新統籌安排了實驗的各個步驟.統籌安排后的電泳時間加長，可以減小讀數的相對誤差；另外，滲析時間變長，可以大大降低電泳用溶膠的電導率，提高了實驗的成功率和效果；統籌后的實驗時長約為150min，比正常實驗時長（210min）減小了大約一個小時.綜上所述，本文通過對實驗的統籌安排和系統改進，實驗用時縮短，實驗效果較好，使學生獲到最好的實驗鍛煉、收獲最好的實驗經驗.