氢氧化铁胶体电泳速率影响因素的实验研究

吴睿奇　姜祎　白宇　李鑫伟

【摘 要】本实验对常规的氢氧化铁胶体电泳实验进行了拓展与创新，通过控制变量法设计实验，研究超声波频率、电压和温度对氢氧化铁胶体电泳速率的影响并探讨其原理。结果表明：电压、温度与氢氧化铁胶体电泳速率呈正相关，超声波频率对氢氧化铁胶体电泳速率影响不大。

【关键词】氢氧化铁胶体;电泳速率;超声波频率;电压;温度

【中图分类号】G642  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）28-0251-03

氢氧化铁胶体电泳实验是大学阶段的重要实验，在不同作者撰写的化学类高等院校教材中都有涉及，如关振民等[1]的《物理化学》和林宪杰等[2]的《物理化学》。高中化学也涉及氢氧化铁胶体实验。本文中的实验在常规氢氧化铁胶体电泳实验的基础上进行了拓展创新，研究氢氧化铁胶体电泳速率的影响因素。文中实验使用控制变量法，研究电压、温度和超声波频率对氢氧化铁胶体电泳速率的影响，并剖析微观角度下的作用机制。

1   理论依据

溶胶是一个多相体系，其胶体颗粒的直径大小在1～1000 nm之间。在外加电场的作用下，胶体颗粒向阴极或阳极迁移的现象称为电泳现象。这是由于胶体颗粒表面带有一定量的电荷，而胶体颗粒周围的介质中分布着反离子，反离子符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布，其中胶体颗粒表面与滑动面之间的电势差称为ζ电势[3]，如图1

所示。

电泳现象是溶胶的重要物理特性之一，电泳公式可表示为：

E为电泳仪电压（V），s为时间t内电泳前后界面刻度差，η為分散介质的黏度，ε为介电常数，L是两极间的距离。

2   实验

本次实验使用氢氧化铁（Fe（OH）3）胶体作为研究对象。首先制备出氢氧化铁胶体和辅助液，然后对氢氧化铁胶体进行电泳实验，通过改变外界条件（电压、温度、超声波频率），研究电泳速率的影响因素。实验流程如图2所示。

2.1  制备氢氧化铁胶体并检验

量取50 mL去离子水，置于100 mL烧杯中，将烧杯放入磁力搅拌器中加热30分钟至煮沸，用刻度移液管逐滴加入10%的FeCl3溶液10 mL，再继续煮沸3分钟，得到红棕色Fe（OH）3胶体。接着利用胶体的丁达尔现象进行检验。使用激光笔照射胶体，发现一条光亮的“通路”，证明Fe（OH）3胶体制作成功[4]。

2.2  胶体的纯化

把制得的Fe（OH）3胶体置于半透膜袋内，用细线拴住袋口，置于1000 mL烧杯中，加600 mL去离子水，将温度保持在60℃到70℃进行热渗析。每30分钟换一次水，并取出少许换出的水用AgNO3溶液检验其中的氯离子，直到无白色沉淀（即不能检出氯离子），证明胶体已经纯化完毕。将其倒入U型管并放入水浴加热装置。

2.3  配置辅助液

使用电导率仪检测氢氧化铁胶体的电导率，配置相同电导率的氯化钾溶液作为辅助液，使用胶头滴管将辅助液沿U型管两端管壁缓慢流下，直至与氢氧化铁胶体有明显分液面。

辅助液的电导率要与氢氧化铁胶体基本一致，避免因两种液体界面处电场强度突变造成两壁界面移动速度不等产生的界面模糊。

2.4  准备实验

将电泳仪插入U型管两端，将超声波仪对准U型管，进行控制变量法实验，分别研究电压、温度、超声波频率对氢氧化铁胶体电泳速率的影响。实验装置如图3所示。

3   实验数据与分析

电压与温度实验每隔5分钟记录一次数据，超声波频率实验每隔2分钟记录一次数据。每组实验进行3次，取数据平均值，使用python绘制对应关系图并进行分析。

3.1  电压实验

使用同一批胶体分成若干组进行电压实验，保持温度为22℃，不外加超声波，将变量电压分别控制在60 V、80 V、100 V进行实验。阴极胶体液面初始界面高度均为9 cm。如表1所示。

根据实验数据画出图4，由图4可知，随电压升高，氢氧化铁胶体电泳速率增加，电泳速率与电压呈正相关。电位梯度E（电压除以两极间距离）是影响电泳速度的一个重要因素，由公式u=得出：电位梯度E越大，电泳速率越大，所以电压越大导致电泳速率越大。从微观上看，胶体颗粒是带电粒子，外加电压越大，电极对带电粒子的作用力就越大，最终导致电泳速率增大。

3.2  温度实验

使用同一批胶体分成若干组进行温度实验，保持电压为60 V，不外加超声波，将变量温度分别控制在

30 ℃、40 ℃进行实验。阴极胶体液面初始界面高度均为9 cm。如表2所示。

根据实验数据画出图5，由图5可知，40℃环境下的氢氧化铁胶体电泳速率明显高于30℃条件下的电泳速率，电泳速率随温度上升而增大，呈现良好的线性关系。这是由于温度的升高，离子无规则运动速率增大，迁移速度加快，所以电泳速率随温度上升而增大。同时发现在30℃、40℃温度下，随着电泳实验进行，阴极处胶体表面会出现结膜现象，导致液面不再上升，而在室温下（22℃）则未出现此情况。猜测这是由于温度升高之后，胶体对粒子的吸附力变弱，胶团的水化膜被破坏，胶粒运动加快，胶粒间的碰撞增加，从而使胶粒聚沉。

3.3  超声波实验

使用同一批胶体分成若干组进行超声波实验，保持温度为22℃，电压为60 V，将超声波频率分别控制在

20 kHz、30 kHz、40 kHz进行实验。阴极胶体液面初始界面高度均为9 cm。如表3所示。

根据实验数据画出图6，由图6可知，超声波频率为20 kHz、30 kHz、40 kHz时，电泳速率变化并不明显，所以超声波频率对氢氧化铁胶体电泳速率影响不大。同时发现当超声波频率为30 kHz时，其电泳速率要略低于两外两组，猜测30 kHz的超声波与胶体颗粒产生了更强的共振，胶体颗粒震荡导致其移动速率变低。

4   结论

4.1  宏观角度

（1）电压与氢氧化铁胶体电泳速率呈正相关。

（2）温度与氢氧化铁胶体电泳速率呈正相关。

（3）超声波频率对氢氧化铁胶体电泳速率影响

不大。

4.2  微观角度

外加电压的增大导致电极对带电胶粒的作用力更强，从而使电泳速率增大。

由于温度的升高，离子无规则运动速率增大，迁移速度加快，所以电泳速率随温度上升而增大。

【参考文献】

[1]关振民，卫应亮.物理化学[M].北京：中国环境科学出版社，2010.

[2]林宪杰，许和允，殷保华，等.物理化学[M].北京：科学出版社，2010.

【作者简介】

吴睿奇，姜祎，白宇均为北京林业大学电子信息2018级科学与技术本科生。

【通讯作者】

李鑫伟，讲师，北京林业大学理学院。