Ⅰ. Fe(OH)3溶胶制备及其ζ电势的测定
一、实验目的
（1） 用电泳法测定氢氧化铁溶胶的ζ电势。
（2） 掌握电泳法测定ζ电势的原理和技术。
二、实验原理
图56双电层示意图
溶胶是一个多相体系，其分散相胶粒的大小约在1nm~1μm之间。胶核大多是分子或原子的聚集体，因选择性地吸附介质中的某种离子（或自身电离）而带电。介质中存在的与吸附离子电荷相反的离子称为反离子，反离子中有一部分因静电引力（或范德华力）的作用，与吸附离子一起紧密地吸附于胶核表面，形成紧密层。于是胶核、吸附离子和部分反离子（即紧密层）构成了胶粒。反离子的另一部分由于热扩散分布于介质中，故称为扩散层，见图５６。
紧密层与扩散层交界处称为滑移面（或Stern面），显然滑移面与介质内部之间存在电势差，该电势差称为电动电势或ζ电势。在电场作用下，分散相粒子相对于分散介质的运动称为电泳。在特定的电场中，ζ电势的大小取决于胶粒的运动速度，是衡量溶胶稳定性的重要参数。
利用电泳现象可测定ζ电势。电泳法又分为宏观法和微观法，前者是将溶胶置于电场中，观察溶胶与另一不含溶胶的导电液（辅助液）间所形成的界面的移动速率；后者是直接观测单个胶粒在电场中的泳动速率。对高分散或过浓的溶胶采用宏观法；对颜色太浅或浓度过稀的溶胶采用微观法。
本实验是在一定的外加电场强度下，通过测定Fe(OH)3胶粒的电泳速度然后计算出ζ电位。
ζ=Kπηuε(U/l)×3002(1)
式中:η、ε为测量温度下介质的黏度（Pa·s）和介电常数，取文献值；u为胶粒电泳的相对移动速率（m·s-1）；（U/l）为电位梯度（V·m-1）,U为两电极间电位差（V）；l为两电极间距离（m）；K是与胶粒形状有关的常数，球形粒子为6，棒状粒子为4，对Fe(OH)3K值为4。
本实验中，测定电泳测定管中胶体溶液界面在t(s)内移动的距离d（m），求得电泳速度u=d/t.
Fe（OH）3溶胶用水解凝聚法制备，制备过程中所涉及的化学反应过程如下：
① 在沸水中加入FeCl3溶液：FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HCl;
② 溶胶表面的Fe(OH)3会再与HCl反应：Fe(OH)3+HClFeOCl+2H2O;
③ FeOCl离解成FeO+和Cl-。胶团结构为[Fe(OH)3]m·nFeO+·(n-x)Cl-]x+·xCl-。
在制得的溶胶中常含有一些电解质，通常除了形成胶团所需要的电解质以外，过多的电解质存在反而会破坏溶胶的稳定性，因此必须将溶胶净化。最常用的净化方法是渗析法。它是利用半透膜具有能透过离子和某些分子，而不能透过胶粒的能力，将溶胶中过量的电解质和杂质分离出来，半透膜可由胶棉液制得。纯化时，将刚制备的溶胶，装在半透膜袋内，浸入蒸馏水中，由于电解质和杂质在膜内的浓度大于在膜外的浓度，因此，膜内的离子和其他能透过膜的分子向膜外迁移，这样就降低了膜内溶胶中电解质和杂质的浓度，多次更换蒸馏水，即可达到纯化的目的。适当提高温度，可以加快纯化过程。
三、仪器与试剂
1． 仪器
电泳仪1台（附铂电极2个），电泳管1支，秒表1只，滴管2支，漏斗1个，细铜线1条，直尺1把。
2． 试剂
0.001mol·L-1稀KCl溶液，Fe(OH)3溶胶。
四、实验步骤
1． Fe(OH)3溶胶的制备及纯化
(1) 半透膜的制备
在一个内壁洁净、干燥的250mL锥形瓶中，加入约100mL火棉胶液，小心转动锥形瓶，使火棉胶液黏附在锥形瓶内壁上形成均匀薄层，倾出多余的火棉胶。此时锥形瓶仍需倒置，并不断旋转。待剩余的火棉胶流尽后，使瓶中的乙醚蒸发至闻不出气味为止(可用吹风机冷风吹锥形瓶口加快蒸发)，此时用手轻触火棉胶膜，若不黏手，则可再用电吹风热风吹5min。然后再往瓶中注满水(若乙醚未蒸发完全，加水过早，半透膜会发白，则不合用。若吹风时间过长，使膜变为干硬，易裂开)，浸泡10min。倒出瓶中的水，小心用手分开膜与瓶壁之间隙。慢慢注水于夹层中，使膜脱离瓶壁，轻轻取出，在膜袋中注入水，观察是否有漏洞。制好的半透膜不使用时，要浸放在蒸馏水中。
(2) 用水解法制备Fe(OH)3溶胶
在250mL烧杯中，加入100mL蒸馏水，加热至沸，慢慢滴入5mL(10%)FeCl3溶液（控制在4～5min内滴完），并不断搅拌，加毕继续保持沸腾3～5min，即可得到红棕色的Fe(OH)3溶胶。在胶体体系中存在的过量H+、Cl-等离子需要除去。
(3) 用热渗析法纯化Fe(OH)3溶胶
将制得的Fe(OH)3溶胶，注入半透膜内用线拴住袋口，置于800mL的清洁烧杯中，杯中加蒸馏水约300mL，维持温度在60℃左右，进行渗析。每20min换一次蒸馏水，反复4次后取出1mL渗析水，分别用1% AgNO3及1% KCNS溶液检查是否存在Cl-及Fe3+，如果仍存在，应继续换水渗析，直到检查不出为止，将纯化过的Fe(OH)3溶胶移入一清洁干燥的100mL小烧杯中待用。
2． 盐酸辅助液的制备
调节恒温槽温度为(25.0±0.1)℃，用电导率仪测定Fe(OH)3溶胶在25℃时的电导率，用盐酸溶液和蒸馏水配制与之相同电导率的盐酸溶液。
图57电泳测定装置
3． 仪器的安装
用蒸馏水洗净电泳管后，再用少量溶胶洗一次，将渗析好的Fe(OH)3溶胶倒入电泳管中见图57，使液面超过活塞②、③。关闭这两个活塞，把电泳管倒置，将多余的溶胶倒净，并用蒸馏水洗净活塞②、③以上的管壁。打开活塞①，用HCl溶液冲洗一次后，再加入该溶液，并超过活塞①少许，关闭活塞①。插入铂电极按装置图连接好线路。
4． 溶胶电泳的测定
缓缓开启活塞②、③（勿使溶胶液面搅动），可得到溶胶和辅液间一清晰界面。然后接通稳压电源，迅速调节输出电压为150～300V。观察溶胶液面移动现象及电极表面现象。当界面上升至活塞②或③上少许时，开始计时，并准确记下溶胶在电泳管中液面位置，以后每隔5min记录一次时间及下降端液液界面的位置及电压，连续电泳40min左右，断开电源，记下准确的通电时间t和溶胶面上升的距离d，从伏特计上读取电压U，并且量取两极之间的距离l。
实验结束后，拆除线路，用自来水洗电泳管多次，最后用蒸馏水洗一次并注满。
五、实验数据记录和处理
(1) 数据记录：
室温：大气压：
表59胶体电泳
t/min0510152025303540
d/cm
U/V
l/cm
(2) 由上表数据作d～t关系图，求出斜率u(u即为胶体的电泳速度)。
(3) 由u及U的平均数据，计算胶体的ζ电势值。
六、思考与讨论
(1) 水的黏度见附表12。水的介电常数按下式计算：
ε=80-0.4(T-29３)
(2) 在Fe(OH)3溶胶实验中制备半透膜时，一定要使整个锥形瓶的内壁上均匀地附着一层火棉胶液，在取出半透膜时，一定要借助水的浮力将膜托出。
(3) 制备Fe(OH)3溶胶时，FeCl3一定要逐滴加入，并不断搅拌。
(4) 纯化Fe(OH)3溶胶时，换水后要渗析一段时间再检查Fe3+及Cl-的存在。
(5) 量取两电极的距离时，要沿电泳管的中心线量取。
(6) Fe(OH)3溶胶进行电泳试验，因为需要渗析，实验时间较长，如果为了减少实验总学时，可以做AgI溶胶的电泳实验，相关实验原理步骤等可以查看Ⅱ AgI胶体制备及其ζ电势的测定。
ⅡAgI胶体制备及其ζ电势的测定
一、实验目的
(1) 掌握电泳法测定ζ电势的原理与技术。
(2) 加深理解电泳是胶体中液相和固相在外电场作用下相对移动而产生的电性现象。
二、实验原理
胶体溶液是一个多相体系，分散相胶粒和分散介质带有数量相等而符号相反的电荷，因此在相界面上建立了双电层结构。当胶体相对静止时，整个溶液是电中性。但在外电场作用下，胶体中的胶粒和分散介质反向相对移动时，就会产生电位差，此电位差称为ζ电势。ζ电势是表征胶粒特性的重要物理量之一，在研究胶体性质及实际应用中有着重要的作用。ζ电势和胶体的稳定性有密切的关系。|ζ|值越大，表明胶粒电荷越多，胶粒之间的斥力越大，胶体越稳定。反之，则不稳定。当ζ电势等于零时，胶体的稳定性最差，此时可观察到聚沉现象。因此，无论制备或破坏胶体，均需要了解所研究胶体的ζ电势。
在外加电场作用下，若分散介质对静态的分散相胶粒发生相对移动，称为电渗；若分散相胶粒对分散介质发生相对移动，则称为电泳。实质上两者都是荷电粒子在电场作用下的定向运动，所不同的电渗研究**的运动，而电泳研究固体粒子的运动。
ζ电势可通过电渗或电泳实验测定。
当带电的胶粒在外电场作用下迁移时，若胶粒的电荷为q，两电极间的电位梯度为ω，则胶粒受到的静电力为
f1=qω(1)
球形胶粒在介质中运动受到的阻力按斯托克斯(Stokes)定律为
f2=6πηru(2)
若胶粒运动速度u达到恒定，则有
qω=6πηru(3)
u=qω6πηr(4)
胶粒的带电性质通常用ζ电势而不用电量q表示，根据静电学原理
ζ=qεr(5)
式中，r为胶粒半径。代入式(4)得
u=ζεω6πη(6)
式(6)适用于球形的胶粒。对于棒状胶粒，其电泳速度为
u=ζεω4πη(7)
或ζ=4πηuεω(8)
式(7)即为电泳公式。同样，若已知ε、η，则通过测量u和ω，代入式(8)也可算出ζ电势。
对于分散介质为水的胶体溶液，则有
ζ=139.5sL/tV(9)
其中，s为t时间内界面移动的距离，cm；L为两电极之间的距离，cm；V为加在两电极间的电压，V。
三、实验步骤
图58电泳仪示意图
1. U形管电泳仪：见实验装置图58。电泳仪在使用前要清洗干净，若有电解质会影响ζ电势的数值。
2. 负电AgI溶胶的制备：在400mL烧杯中加入100mL0.01mol·dm-3KI，搅拌下用滴定管加入95mL 0.01mol·dm-3 AgNO3，得到负电的AgI溶胶。
3. 辅助液的配制：辅助液是指在界面电泳测定中与溶胶直接形成界面的**，对此**的要求是：
① 与溶胶无化学反应；② 不使溶胶发生聚沉；③ 能和溶胶形成清晰的、易观测的界面；④ 和溶胶的电导尽可能相等。前三个条件主要由构成辅助液物质的性质所决定，对于有色的疏液胶体(如AgI，Fe(OH)3溶胶)，浓度不大的KCl水溶液可以满足这些条件。因此，可用电导与AgI溶胶相同的一定浓度的KCl水溶液做辅助液。本实验用的辅助液是浓度约为0.005mol·dm-3的KCl水溶液。
4. 负电AgI溶胶的ζ电势的测定：取制备好的AgI溶胶45mL，加入5mL水后将其用小漏斗从U型管中间管道注入电泳仪U型管底部至5cm刻度处；再用两支滴管将电导率与胶体溶液相同的KCl水溶液沿U型管左右两壁的壁管，等量徐徐加入至液面浸没电极，保持两液相间的界面清晰。轻轻将铂电极插入KCl液层中，切勿扰动液面。铂电极应保持垂直，并使两电极浸入液面下的深度相等，记下胶体液面的高度位置。
将两电极与200V直流电源连接，按下电键，开启直流电源，使电压一直稳定在200V。同时停钟开始计时，记录经15、30min时两边界面位置的读数。沿U形管中线量出两电极之间的距离，多次测量后，取平均值。实验完毕，关闭电源，仔细清洗电泳仪。
5. Al3+的加入对负电AgI溶胶ζ电势的影响：取实验步骤2中制备的溶胶45mL，加入5mL 0.0001mol·dm-3Al(NO3)3水溶液，依实验步骤4测定加入Al3+后AgI溶胶的ζ电势。
四、数据处理与分析
根据测定结果计算负电AgI溶胶ζ电势和加入Al3+后的ζ电势。比较它们的差别，说明Al3+的加入对负电AgI溶胶ζ电势影响的原因。
五、思考题
(1) 如果电泳仪事先没有洗净，管壁上残留有微量的电解质，对电泳测量的结果将有什么影响？
(2) 电泳速度的快慢与哪些因素有关？
(3) 说明影响实验准确性的主要因素。
(4) 电泳时间，溶胶配制等对实验结果的影响和分析，可以参见文献的讨论，以加深对胶体电泳知识和实验的进一步了解。相关内容请扫描下方二维码查看。
延伸阅读：AgNO3/KI配比对电泳法测定AgI胶体
ζ电势的影响及实验现象探讨