大學物理化學實驗“膠體電泳”的改進研究

2017-12-05 16:36:14韓錫光李秋艷

大學教育 2017年11期

韓錫光+李秋艷

[摘要]Fe（OH）3膠體電泳是物理化學電學部分的一個重要實驗，本文針對該實驗耗時長、電泳實驗現象不明顯等問題，給出了適當的修改建議，即重新調整實驗步驟和時間分配；稍提高滲析溫度、延長單次滲析時間、減少滲析次數對膠體進行純化；改用最后的滲析液作輔助液；選用較粗的電泳U型管和較粗的石墨電極，根據電極距離確定合適的外加電壓值，經以上措施，較成功地完成了電泳實驗。

[關鍵詞]物理化學實驗；膠體電泳；實驗改進

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）11-0084-03

物理化學是從物質的物理現象和化學現象的聯系入手，來探求化學變化基本規律的一門科學。物理化學實驗則借用物理和數學的方法來完成化學測試表征任務，是一門多學科交叉的實驗科學。[1]物理化學實驗作為一門獨立的基礎實驗課，是學生學習和研究物理化學的重要手段和途徑，是物理化學教學的重要組成部分，在物理化學教學中起著舉足輕重的作用。[2]

膠體電泳實驗是物理化學實驗電學部分的一個重要實驗，該實驗的目的是使學生掌握Fe（OH）3溶膠的制備和純化方法，掌握電泳法測定膠粒的電泳速度和ζ電位的方法，它對于學生理解膠體的電學性質、電泳情況以及電動電勢概念具有重要的意義。[3]但是現實中，學生在做此實驗時成功率不高，主要存在以下問題：（1）實驗操作步驟繁瑣，膠體制備純化耗時長，時間分配不合理，學生缺少耐心，經常在實驗等待期無所事事。（2）電泳實驗現象不明顯，界面不遷移或界面模糊遷，移速度慢。第二個問題的出現將直接導致實驗的失敗。針對以上兩個主要問題，各種文獻報道中亦有很多改進措施。高明國等針對Fe（OH）3膠體純化時間長的問題，利用電滲析法代替傳統滲析法來純化膠體，縮短了純化時間，節省了蒸餾水。[4]董家新等將傳統火棉膠滲析袋換為硫酸紙半透膜材料，采用熱滲析和大接觸面積，提高了膠體的滲析效率。[5]肖文敏從膠體的制備方面入手，加入尿素、蔗糖、硫脲等增大膠體的密度，改善界面清晰度。[6]鐘玉貞通過增大膠體雙電層附近與異電離子符號相反的離子的濃度，即通過增加鈣離子濃度，從而提高了ζ電位和電泳速度，用15～20伏直流電，1～2分鐘就能觀察到電泳現象。[7]

本文在作者多年進行物理化學實驗教學的基礎上，以南京大學出版社出版的前后兩本物理化學實驗課本為教材，[8][9]針對學生實驗過程中出現的各種問題，進行探索改進，以期解決實驗設計、時間分配、實驗現象、界面移動清晰度等問題。

一、重新調整實驗步驟的時間分配

膠體電泳實驗是物理化學實驗中一個步驟相對繁多、耗時比較長的實驗。整個實驗步驟包括溶膠的制備及降溫、火棉膠滲析袋（也稱為珂珞酊滲析袋）的制備、溶膠的滲析純化、溶膠的再次降溫、溶膠電導率的測定、輔助液的制備及最后的膠體電泳實驗，大概有七個大步驟，比較繁瑣。這就要求實驗前教師的講解要仔細，各個實驗步驟的操作要領、注意事項等都要講明白。整個講解，若再加上詳細的實驗原理、各個實驗的步驟演示及注意事項，就要占去將近一個小時的時間。溶膠的制備及降溫、五次滲析純化，又占去將近兩個小時的時間，然后用剛制備好的溶膠做下面的電泳實驗，再用掉一個小時，整個實驗順利完成，算上教師講解的時間共需四個小時。如果中間某個環節出了問題，比如滲析袋漏水、膠體電泳無速度等，則需要占用更多的時間才能完成實驗。而且好多步驟如滲析過程、降溫過程占據了很多等待時間，學生在此期間經常無所事事，浪費了很多時間。

如何統籌安排好實驗步驟，不至于將時間白白浪費在等待過程中呢？考慮到溶膠制備、純化和降溫過程耗時長的問題，而且新制備的膠體若經過老化處理后再用于電泳實驗效果會更好，我們在實踐教學中略微調整了一下策略。實驗教材上寫的是制備好Fe（OH）3膠體后需進行5次滲析純化，然后降到室溫，才可以進行膠體電泳實驗，純化和降溫時間大概需要一個半小時。在這段時間內，學生沒有事情可以做，也沒有辦法做后續的實驗，因后面電泳實驗要用到剛剛制備純化好的膠體。對此，我們的改進策略是：學生所有的實驗步驟還是要做，包括溶膠制備、純化、電泳實驗，只不過學生做電泳實驗時用到的溶膠，不是他們剛剛制備好的，而是上一撥同學制備的，這些膠體距離上一撥同學制備好至少已超過24小時的時間，這樣經過充分純化、降溫、老化的膠體特別適合作膠體電泳實驗。學生自己剛剛制備、純化好的溶膠則裝瓶保存，留待下一撥同學使用。第一撥學生做電泳實驗所需的膠體可由實驗員老師提前準備好。這樣經此改進，便可重新分配時間，做到統籌兼顧，提高效率。學生至少省出了一個小時的時間，即學生原來用于等待新制備的膠體純化和降溫的時間，學生可以直接往電泳儀的U型管內裝上一撥同學已制好的膠體，準備下面的電泳實驗。

二、改動溶膠純化以及輔助液制備的程序

Fe（OH）3溶膠經FeCl3水解制備后，因里面存在過多的電解質離子，如鐵離子、氯離子、氫離子等，會影響Fe（OH）3溶膠的穩定性，使ζ電位變小，進而發生聚沉，因此必須進行純化處理。一般實驗課本中的純化處理方法都是使用火棉膠滲析袋，用約50～60℃的蒸餾水滲析，約10分鐘換一次水，滲析5次。這樣的操作比較繁瑣，我們稍微做了一下改動，將一袋200mL的Fe（OH）3溶膠，浸入600mL左右的蒸餾水中，保持水溫60～70℃，每隔30分鐘換一次水，這樣滲析3次，同時在30分鐘的滲析等待時間里，如前文所述，學生可以先去做別的工作。

溶膠純化的目的，除了可以分離過多的電解質離子，另一方面還可以降低溶膠的電導率，有利于后續的電泳實驗。[10]因電泳實驗過程同時也是電解水的過程，因此電流不可過大，否則水的電解將影響膠體的電遷移現象，同時大量輔助液的消耗可能引起液面下降離開電極，從而使系統斷電。因此要降低膠體的電導率，保證在相同的外加電壓下可使系統有較低的電流通過。關于滲析溫度的選擇，若溫度過低，則滲析速度過慢，若溫度過高，則溶膠容易引起聚沉，因此稍提高滲析溫度，可增加離子的滲析速度，但不至于引起溶膠聚沉。單次稍多一些的滲析蒸餾水，可加大離子或小分子的內外濃度差，從而增大滲析的驅動力，有利于滲析的進行。延長單次滲析時間可使每次滲析充分達到平衡，這樣即使減少滲析次數，亦可降低多余電解質雜質的濃度，最終達到教材中低電導率的要求。最后一次滲析完成后，經測試，溶膠的電導率低于100uS/cm，可以用于后續的電泳實驗。然后學生純化好膠體且冷卻至室溫后，便可裝瓶備用。endprint

另一則改動便是輔助液的制備。一般教材的方法是測試純化好了的Fe（OH）3溶膠的電導率，然后用KCl溶液和蒸餾水配制與溶膠電導率相同的輔助液。而我們在Fe（OH）3溶膠的純化過程中，最后一次的滲析液已與溶膠達到滲析平衡，該液體的電導率必然與溶膠的電導率相同，可以當做輔助液來用了。那么教材為什么要用氯化鉀溶液作輔助液呢？輔助液除了需要電導率與Fe（OH）3溶膠的電導率相同，還需要正負離子的電遷移率相同，剛好KCl溶液中K+和Cl-的電遷移率近似相等，這樣在溶膠與輔助液的交接界面處，溶膠與輔助液導電能力相同，正負離子的遷移速度也相同，故在外加電壓的作用下，界面不致發生擾動而使界面不清。而換成滲析液作輔助液后，雖然其中的正負離子遷移速度不同，但實驗證明只要兩者導電能力相同，對界面清晰度影響就會很小。這樣做既省去了重新配制KCl溶液的過程，亦節省了KCl和蒸餾水。因此學生最后一次滲析液不必倒掉，也裝瓶，作為下一撥同學的輔助液待用。

三、界面遷移法電泳實驗的改進

到實驗的第七個大步驟——界面遷移法進行電泳實驗，學生經常出現電泳現象不明顯，界面不遷移，或者界面模糊、遷移速度慢等問題，沒有辦法進行電泳速度的測量。這幾個問題的出現直接導致實驗的失敗。具體問題出在哪呢？經過多次實驗總結發現，如果前面膠體方面已經按照要求嚴格純化，并測試電導率也已達標，即小于100uS/cm，那問題就出在電泳儀器本身和外加電壓的選取上。

作者調研過很多關于膠體電泳改進方面的文獻，大多都停留在溶膠的制備、溶膠的濃度、輔助液的溶度、電導率的大小等因素對膠體電泳現象的影響上，很少涉及電泳儀本身即拉比諾維奇-付其曼U型電泳儀對實驗的影響。如圖1所示，為拉比諾維奇-付其曼U型電泳儀的示意圖，它主要由U型管、連接U型管的活塞及電極等組成。根據實驗室各自的條件，電極可以選用鉑電極或石墨電極。我們實驗室配備的是簡易石墨電極，U型管的內徑一般在8～15mm左右。多次教學實踐總結發現，在相同的外加電壓下，若選用細的U型管（內徑8mm）、細的石墨電極（直徑約5mm），則界面遷移很慢，甚至不遷移。而若選用較粗的U型管（內徑15mm）、較粗的石墨電極（直徑約10mm），則整個電泳的實驗現象很明顯，界面清晰且遷移速度適中。其中可能的原因是若選用細的U型管，實際上增大了膠體與器壁的阻力，不利于膠體的電泳，而選用細的石墨電極，相當于降低了外加電壓，從而降低了電勢梯度，故也不利于膠體的定向遷移。同時選用細的U型管和細的石墨電極，必然造成膠體的定向遷移速度慢甚至不遷移，最終導致實驗失敗。

至于外加電壓的選取，各種關于膠體電泳實驗改進的文獻，包括各種教材，所給出的電壓值都不相同，有的選取的電壓值很低（30～40V），[11]有的又較高（80～180V），[8]且給出的范圍很寬泛，給學生具體做此實驗帶來了困惑：具體該是多少呢？在實驗過程中所加電壓過高或過低都不利于電泳現象的觀察，電壓過高會導致實驗過程中水的電解加劇、膠體電泳速度過快，導致輔助液與膠體之間的界面模糊，而電壓過低會造成膠體運動太慢，長時間觀察不到實驗現象。[12]那如何選取合適的電壓值呢？這還要根據自身的實驗儀器來決定，要由具體的電泳儀兩電極之間的距離來確定。對電泳速度造成影響的，看似是外加電壓，實際應是電勢梯度，即外加電壓除以電極距離所得的數值。實驗證明，能夠做出接近理論值ζ=44mv的實驗條件，所選取的適宜電勢梯度是4V/cm。[13]照此推算，若兩電極間的距離較短，比如20cm，則外加電壓就取80V，反過來若所用儀器兩電極間距離較大，比如60cm，則外加電壓就要加到240V。我們實驗室所用電泳儀兩電極間的距離較大，選取的電壓高達300V才能觀察到明顯的實驗現象。這便解釋了文獻值差別如此之大的原因。

四、其他建議及注意事項

（1）制備珂珞酊袋時要小心轉動錐形瓶，使瓶內壁均勻鋪展一層液膜，傾出多余的棉膠液，在半透膜與器壁夾層間加水以剝離開來的時間要適中，加水過早，膜強度差，不能用，加水過晚則膜變干脆，不易取出。應以膠膜剛不沾手時剝離最佳。剝離后在袋中加水驗漏，若發現有小漏洞，可先擦干洞口部分，用玻璃棒蘸少許膠棉液輕輕接觸洞口即可補好。[14]

（2）溶膠的制備條件和凈化效果均影響電泳速度。制備膠體過程中要控制好濃度、溫度和滴加速度，滲析時要控制好水溫，防止水溫下降而降低滲析效果。

（3）往電泳儀U型管中加入溶膠前，要先檢查電泳儀的活塞處是否有滲漏或轉動不靈活現象，如有可用凡士林涂抹活塞。

（4）電泳實驗中電極兩端的電壓要恒定，整個U型管的溶液中應無大的氣泡產生。測試電泳速度時所選取的液面遷移距離不可過長，上升高度保持在3cm以內為佳，再高，溶膠會因密度改變而降低遷移速度。

五、結語

Fe（OH）3膠體電泳是物理化學電學部分的一個重要實驗，總體來說，雖然該實驗操作步驟多，耗時長，實驗條件苛刻，但卻能在很大程度上考驗學生的獨立思考和創新的能力，培養學生的動手操作能力，提高學生對物理化學實驗的興趣。本文針對該實驗耗時長、電泳實驗現象不明顯等問題，給出了適當的修改建議，即重新調整實驗步驟和時間分配；稍提高滲析溫度、延長單次滲析時間、減少滲析次數對膠體進行純化；改用最后的滲析液作輔助液；選用較粗的電泳U型管和較粗的石墨電極，根據電極距離確定合適的外加電壓值。經以上措施，較完美地完成了電泳實驗，使學生進一步了解了膠體的電學性質、電泳情況以及電動電勢的概念，更重要的是培養了學生發現問題、解決問題及運用實驗技能的能力，保持了學生對物理化學實驗的極大熱情和探索精神。[15]

[ 參考文獻 ]

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[4] 高明國，范國康.Fe（OH）3膠體電泳實驗的兩則改進[J].太原科技，2003（1）：19-20.

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[11] 陳書鴻，莫春燕.氫氧化鐵膠體電泳實驗的改進[J].中國西部科技，2008（28）：13-14.