氫氧化鐵膠體電泳速率影響因素的實驗研究

吳睿奇　姜祎　白宇　李鑫偉

【摘 要】本實驗對常規的氫氧化鐵膠體電泳實驗進行了拓展與創新，通過控制變量法設計實驗，研究超聲波頻率、電壓和溫度對氫氧化鐵膠體電泳速率的影響并探討其原理。結果表明：電壓、溫度與氫氧化鐵膠體電泳速率呈正相關，超聲波頻率對氫氧化鐵膠體電泳速率影響不大。

【關鍵詞】氫氧化鐵膠體;電泳速率;超聲波頻率;電壓;溫度

【中圖分類號】G642? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2021）28-0251-03

氫氧化鐵膠體電泳實驗是大學階段的重要實驗，在不同作者撰寫的化學類高等院校教材中都有涉及，如關振民等[1]的《物理化學》和林憲杰等[2]的《物理化學》。高中化學也涉及氫氧化鐵膠體實驗。本文中的實驗在常規氫氧化鐵膠體電泳實驗的基礎上進行了拓展創新，研究氫氧化鐵膠體電泳速率的影響因素。文中實驗使用控制變量法，研究電壓、溫度和超聲波頻率對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制。

1? ?理論依據

溶膠是一個多相體系，其膠體顆粒的直徑大小在1～1000 nm之間。在外加電場的作用下，膠體顆粒向陰極或陽極遷移的現象稱為電泳現象。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面之間的電勢差稱為ζ電勢[3]，如圖1

所示。

電泳現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為時間t內電泳前后界面刻度差，η為分散介質的黏度，ε為介電常數，L是兩極間的距離。

2? ?實驗

本次實驗使用氫氧化鐵（Fe（OH）3）膠體作為研究對象。首先制備出氫氧化鐵膠體和輔助液，然后對氫氧化鐵膠體進行電泳實驗，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。實驗流程如圖2所示。

2.1? 制備氫氧化鐵膠體并檢驗

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，再繼續煮沸3分鐘，得到紅棕色Fe（OH）3膠體。接著利用膠體的丁達爾現象進行檢驗。使用激光筆照射膠體，發現一條光亮的“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，用細線拴住袋口，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），證明膠體已經純化完畢。將其倒入U型管并放入水浴加熱裝置。

2.3? 配置輔助液

使用電導率儀檢測氫氧化鐵膠體的電導率，配置相同電導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強度突變造成兩壁界面移動速度不等產生的界面模糊。

2.4? 準備實驗

將電泳儀插入U型管兩端，將超聲波儀對準U型管，進行控制變量法實驗，分別研究電壓、溫度、超聲波頻率對氫氧化鐵膠體電泳速率的影響。實驗裝置如圖3所示。

3? ?實驗數據與分析

電壓與溫度實驗每隔5分鐘記錄一次數據，超聲波頻率實驗每隔2分鐘記錄一次數據。每組實驗進行3次，取數據平均值，使用python繪制對應關系圖并進行分析。

3.1? 電壓實驗

使用同一批膠體分成若干組進行電壓實驗，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進行實驗。陰極膠體液面初始界面高度均為9 cm。如表1所示。

根據實驗數據畫出圖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。電位梯度E（電壓除以兩極間距離）是影響電泳速度的一個重要因素，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，電極對帶電粒子的作用力就越大，最終導致電泳速率增大。

3.2? 溫度實驗

使用同一批膠體分成若干組進行溫度實驗，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 ℃進行實驗。陰極膠體液面初始界面高度均為9 cm。如表2所示。

根據實驗數據畫出圖5，由圖5可知，40℃環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，呈現良好的線性關系。這是由于溫度的升高，離子無規則運動速率增大，遷移速度加快，所以電泳速率隨溫度上升而增大。同時發現在30℃、40℃溫度下，隨著電泳實驗進行，陰極處膠體表面會出現結膜現象，導致液面不再上升，而在室溫下（22℃）則未出現此情況。猜測這是由于溫度升高之后，膠體對粒子的吸附力變弱，膠團的水化膜被破壞，膠粒運動加快，膠粒間的碰撞增加，從而使膠粒聚沉。

3.3? 超聲波實驗

使用同一批膠體分成若干組進行超聲波實驗，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進行實驗。陰極膠體液面初始界面高度均為9 cm。如表3所示。

根據實驗數據畫出圖6，由圖6可知，超聲波頻率為20 kHz、30 kHz、40 kHz時，電泳速率變化并不明顯，所以超聲波頻率對氫氧化鐵膠體電泳速率影響不大。同時發現當超聲波頻率為30 kHz時，其電泳速率要略低于兩外兩組，猜測30 kHz的超聲波與膠體顆粒產生了更強的共振，膠體顆粒震蕩導致其移動速率變低。

4? ?結論

4.1? 宏觀角度

（1）電壓與氫氧化鐵膠體電泳速率呈正相關。

（2）溫度與氫氧化鐵膠體電泳速率呈正相關。

（3）超聲波頻率對氫氧化鐵膠體電泳速率影響

不大。

4.2? 微觀角度

外加電壓的增大導致電極對帶電膠粒的作用力更強，從而使電泳速率增大。

由于溫度的升高，離子無規則運動速率增大，遷移速度加快，所以電泳速率隨溫度上升而增大。

【參考文獻】

[1]關振民，衛應亮.物理化學[M].北京：中國環境科學出版社，2010.

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

【作者簡介】

吳睿奇，姜祎，白宇均為北京林業大學電子信息2018級科學與技術本科生。

【通訊作者】

李鑫偉，講師，北京林業大學理學院。