氫氧化鐵膠體電泳速率影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

吳睿奇　姜祎　白宇　李鑫偉

【摘 要】本實(shí)驗(yàn)對(duì)常規(guī)的氫氧化鐵膠體電泳實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了拓展與創(chuàng)新，通過控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究超聲波頻率、電壓和溫度對(duì)氫氧化鐵膠體電泳速率的影響并探討其原理。結(jié)果表明：電壓、溫度與氫氧化鐵膠體電泳速率呈正相關(guān)，超聲波頻率對(duì)氫氧化鐵膠體電泳速率影響不大。

【關(guān)鍵詞】氫氧化鐵膠體;電泳速率;超聲波頻率;電壓;溫度

【中圖分類號(hào)】G642? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1671-8437（2021）28-0251-03

氫氧化鐵膠體電泳實(shí)驗(yàn)是大學(xué)階段的重要實(shí)驗(yàn)，在不同作者撰寫的化學(xué)類高等院校教材中都有涉及，如關(guān)振民等[1]的《物理化學(xué)》和林憲杰等[2]的《物理化學(xué)》。高中化學(xué)也涉及氫氧化鐵膠體實(shí)驗(yàn)。本文中的實(shí)驗(yàn)在常規(guī)氫氧化鐵膠體電泳實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展創(chuàng)新，研究氫氧化鐵膠體電泳速率的影響因素。文中實(shí)驗(yàn)使用控制變量法，研究電壓、溫度和超聲波頻率對(duì)氫氧化鐵膠體電泳速率的影響，并剖析微觀角度下的作用機(jī)制。

1? ?理論依據(jù)

溶膠是一個(gè)多相體系，其膠體顆粒的直徑大小在1～1000 nm之間。在外加電場(chǎng)的作用下，膠體顆粒向陰極或陽極遷移的現(xiàn)象稱為電泳現(xiàn)象。這是由于膠體顆粒表面帶有一定量的電荷，而膠體顆粒周圍的介質(zhì)中分布著反離子，反離子符合麥克斯韋-玻爾茲曼分布，其中膠體顆粒表面與滑動(dòng)面之間的電勢(shì)差稱為ζ電勢(shì)[3]，如圖1

所示。

電泳現(xiàn)象是溶膠的重要物理特性之一，電泳公式可表示為：

E為電泳儀電壓（V），s為時(shí)間t內(nèi)電泳前后界面刻度差，η為分散介質(zhì)的黏度，ε為介電常數(shù)，L是兩極間的距離。

2? ?實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)使用氫氧化鐵（Fe（OH）3）膠體作為研究對(duì)象。首先制備出氫氧化鐵膠體和輔助液，然后對(duì)氫氧化鐵膠體進(jìn)行電泳實(shí)驗(yàn)，通過改變外界條件（電壓、溫度、超聲波頻率），研究電泳速率的影響因素。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

2.1? 制備氫氧化鐵膠體并檢驗(yàn)

量取50 mL去離子水，置于100 mL燒杯中，將燒杯放入磁力攪拌器中加熱30分鐘至煮沸，用刻度移液管逐滴加入10%的FeCl3溶液10 mL，再繼續(xù)煮沸3分鐘，得到紅棕色Fe（OH）3膠體。接著利用膠體的丁達(dá)爾現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn)。使用激光筆照射膠體，發(fā)現(xiàn)一條光亮的“通路”，證明Fe（OH）3膠體制作成功[4]。

2.2? 膠體的純化

把制得的Fe（OH）3膠體置于半透膜袋內(nèi)，用細(xì)線拴住袋口，置于1000 mL燒杯中，加600 mL去離子水，將溫度保持在60℃到70℃進(jìn)行熱滲析。每30分鐘換一次水，并取出少許換出的水用AgNO3溶液檢驗(yàn)其中的氯離子，直到無白色沉淀（即不能檢出氯離子），證明膠體已經(jīng)純化完畢。將其倒入U(xiǎn)型管并放入水浴加熱裝置。

2.3? 配置輔助液

使用電導(dǎo)率儀檢測(cè)氫氧化鐵膠體的電導(dǎo)率，配置相同電導(dǎo)率的氯化鉀溶液作為輔助液，使用膠頭滴管將輔助液沿U型管兩端管壁緩慢流下，直至與氫氧化鐵膠體有明顯分液面。

輔助液的電導(dǎo)率要與氫氧化鐵膠體基本一致，避免因兩種液體界面處電場(chǎng)強(qiáng)度突變?cè)斐蓛杀诮缑嬉苿?dòng)速度不等產(chǎn)生的界面模糊。

2.4? 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)

將電泳儀插入U(xiǎn)型管兩端，將超聲波儀對(duì)準(zhǔn)U型管，進(jìn)行控制變量法實(shí)驗(yàn)，分別研究電壓、溫度、超聲波頻率對(duì)氫氧化鐵膠體電泳速率的影響。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

3? ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

電壓與溫度實(shí)驗(yàn)每隔5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，超聲波頻率實(shí)驗(yàn)每隔2分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，取數(shù)據(jù)平均值，使用python繪制對(duì)應(yīng)關(guān)系圖并進(jìn)行分析。

3.1? 電壓實(shí)驗(yàn)

使用同一批膠體分成若干組進(jìn)行電壓實(shí)驗(yàn)，保持溫度為22℃，不外加超聲波，將變量電壓分別控制在60 V、80 V、100 V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。陰極膠體液面初始界面高度均為9 cm。如表1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出圖4，由圖4可知，隨電壓升高，氫氧化鐵膠體電泳速率增加，電泳速率與電壓呈正相關(guān)。電位梯度E（電壓除以兩極間距離）是影響電泳速度的一個(gè)重要因素，由公式u=得出：電位梯度E越大，電泳速率越大，所以電壓越大導(dǎo)致電泳速率越大。從微觀上看，膠體顆粒是帶電粒子，外加電壓越大，電極對(duì)帶電粒子的作用力就越大，最終導(dǎo)致電泳速率增大。

3.2? 溫度實(shí)驗(yàn)

使用同一批膠體分成若干組進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，保持電壓為60 V，不外加超聲波，將變量溫度分別控制在

30 ℃、40 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。陰極膠體液面初始界面高度均為9 cm。如表2所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出圖5，由圖5可知，40℃環(huán)境下的氫氧化鐵膠體電泳速率明顯高于30℃條件下的電泳速率，電泳速率隨溫度上升而增大，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。這是由于溫度的升高，離子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)速率增大，遷移速度加快，所以電泳速率隨溫度上升而增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在30℃、40℃溫度下，隨著電泳實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，陰極處膠體表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)膜現(xiàn)象，導(dǎo)致液面不再上升，而在室溫下（22℃）則未出現(xiàn)此情況。猜測(cè)這是由于溫度升高之后，膠體對(duì)粒子的吸附力變?nèi)酰z團(tuán)的水化膜被破壞，膠粒運(yùn)動(dòng)加快，膠粒間的碰撞增加，從而使膠粒聚沉。

3.3? 超聲波實(shí)驗(yàn)

使用同一批膠體分成若干組進(jìn)行超聲波實(shí)驗(yàn)，保持溫度為22℃，電壓為60 V，將超聲波頻率分別控制在

20 kHz、30 kHz、40 kHz進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。陰極膠體液面初始界面高度均為9 cm。如表3所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出圖6，由圖6可知，超聲波頻率為20 kHz、30 kHz、40 kHz時(shí)，電泳速率變化并不明顯，所以超聲波頻率對(duì)氫氧化鐵膠體電泳速率影響不大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲波頻率為30 kHz時(shí)，其電泳速率要略低于兩外兩組，猜測(cè)30 kHz的超聲波與膠體顆粒產(chǎn)生了更強(qiáng)的共振，膠體顆粒震蕩導(dǎo)致其移動(dòng)速率變低。

4? ?結(jié)論

4.1? 宏觀角度

（1）電壓與氫氧化鐵膠體電泳速率呈正相關(guān)。

（2）溫度與氫氧化鐵膠體電泳速率呈正相關(guān)。

（3）超聲波頻率對(duì)氫氧化鐵膠體電泳速率影響

不大。

4.2? 微觀角度

外加電壓的增大導(dǎo)致電極對(duì)帶電膠粒的作用力更強(qiáng)，從而使電泳速率增大。

由于溫度的升高，離子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)速率增大，遷移速度加快，所以電泳速率隨溫度上升而增大。

【參考文獻(xiàn)】

[1]關(guān)振民，衛(wèi)應(yīng)亮.物理化學(xué)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010.

[2]林憲杰，許和允，殷保華，等.物理化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

【作者簡(jiǎn)介】

吳睿奇，姜祎，白宇均為北京林業(yè)大學(xué)電子信息2018級(jí)科學(xué)與技術(shù)本科生。

【通訊作者】

李鑫偉，講師，北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院。