大学物理化学实验“胶体电泳”的改进研究

韩锡光+李秋艳

[摘 要]Fe（OH）3胶体电泳是物理化学电学部分的一个重要实验，本文针对该实验耗时长、电泳实验现象不明显等问题，给出了适当的修改建议，即重新调整实验步骤和时间分配；稍提高渗析温度、延长单次渗析时间、减少渗析次数对胶体进行纯化；改用最后的渗析液作辅助液；选用较粗的电泳U型管和较粗的石墨电极，根据电极距离确定合适的外加电压值，经以上措施，较成功地完成了电泳实验。

[关键词]物理化学实验；胶体电泳；实验改进

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）11-0084-03

物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化基本规律的一门科学。物理化学实验则借用物理和数学的方法来完成化学测试表征任务，是一门多学科交叉的实验科学。[1]物理化学实验作为一门独立的基础实验课，是学生学习和研究物理化学的重要手段和途径，是物理化学教学的重要组成部分，在物理化学教学中起着举足轻重的作用。[2]

胶体电泳实验是物理化学实验电学部分的一个重要实验，该实验的目的是使学生掌握Fe（OH）3溶胶的制备和纯化方法，掌握电泳法测定胶粒的电泳速度和ζ电位的方法，它对于学生理解胶体的电学性质、电泳情况以及电动电势概念具有重要的意义。[3]但是现实中，学生在做此实验时成功率不高，主要存在以下问题：（1）实验操作步骤繁琐，胶体制备纯化耗时长，时间分配不合理，学生缺少耐心，经常在实验等待期无所事事。（2）电泳实验现象不明显，界面不迁移或界面模糊迁，移速度慢。第二个问题的出现将直接导致实验的失败。针对以上两个主要问题，各种文献报道中亦有很多改进措施。高明国等针对Fe（OH）3胶体纯化时间长的问题，利用电渗析法代替传统渗析法来纯化胶体，缩短了纯化时间，节省了蒸馏水。[4]董家新等將传统火棉胶渗析袋换为硫酸纸半透膜材料，采用热渗析和大接触面积，提高了胶体的渗析效率。[5]肖文敏从胶体的制备方面入手，加入尿素、蔗糖、硫脲等增大胶体的密度，改善界面清晰度。[6]钟玉贞通过增大胶体双电层附近与异电离子符号相反的离子的浓度，即通过增加钙离子浓度，从而提高了ζ电位和电泳速度，用15～20伏直流电，1～2分钟就能观察到电泳现象。[7]

本文在作者多年进行物理化学实验教学的基础上，以南京大学出版社出版的前后两本物理化学实验课本为教材，[8][9]针对学生实验过程中出现的各种问题，进行探索改进，以期解决实验设计、时间分配、实验现象、界面移动清晰度等问题。

一、重新调整实验步骤的时间分配

胶体电泳实验是物理化学实验中一个步骤相对繁多、耗时比较长的实验。整个实验步骤包括溶胶的制备及降温、火棉胶渗析袋（也称为珂珞酊渗析袋）的制备、溶胶的渗析纯化、溶胶的再次降温、溶胶电导率的测定、辅助液的制备及最后的胶体电泳实验，大概有七个大步骤，比较繁琐。这就要求实验前教师的讲解要仔细，各个实验步骤的操作要领、注意事项等都要讲明白。整个讲解，若再加上详细的实验原理、各个实验的步骤演示及注意事项，就要占去将近一个小时的时间。溶胶的制备及降温、五次渗析纯化，又占去将近两个小时的时间，然后用刚制备好的溶胶做下面的电泳实验，再用掉一个小时，整个实验顺利完成，算上教师讲解的时间共需四个小时。如果中间某个环节出了问题，比如渗析袋漏水、胶体电泳无速度等，则需要占用更多的时间才能完成实验。而且好多步骤如渗析过程、降温过程占据了很多等待时间，学生在此期间经常无所事事，浪费了很多时间。

如何统筹安排好实验步骤，不至于将时间白白浪费在等待过程中呢？考虑到溶胶制备、纯化和降温过程耗时长的问题，而且新制备的胶体若经过老化处理后再用于电泳实验效果会更好，我们在实践教学中略微调整了一下策略。实验教材上写的是制备好Fe（OH）3胶体后需进行5次渗析纯化，然后降到室温，才可以进行胶体电泳实验，纯化和降温时间大概需要一个半小时。在这段时间内，学生没有事情可以做，也没有办法做后续的实验，因后面电泳实验要用到刚刚制备纯化好的胶体。对此，我们的改进策略是：学生所有的实验步骤还是要做，包括溶胶制备、纯化、电泳实验，只不过学生做电泳实验时用到的溶胶，不是他们刚刚制备好的，而是上一拨同学制备的，这些胶体距离上一拨同学制备好至少已超过24小时的时间，这样经过充分纯化、降温、老化的胶体特别适合作胶体电泳实验。学生自己刚刚制备、纯化好的溶胶则装瓶保存，留待下一拨同学使用。第一拨学生做电泳实验所需的胶体可由实验员老师提前准备好。这样经此改进，便可重新分配时间，做到统筹兼顾，提高效率。学生至少省出了一个小时的时间，即学生原来用于等待新制备的胶体纯化和降温的时间，学生可以直接往电泳仪的U型管内装上一拨同学已制好的胶体，准备下面的电泳实验。

二、改动溶胶纯化以及辅助液制备的程序

Fe（OH）3溶胶经FeCl3水解制备后，因里面存在过多的电解质离子，如铁离子、氯离子、氢离子等，会影响Fe（OH）3溶胶的稳定性，使ζ电位变小，进而发生聚沉，因此必须进行纯化处理。一般实验课本中的纯化处理方法都是使用火棉胶渗析袋，用约50～60℃的蒸馏水渗析，约10分钟换一次水，渗析5次。这样的操作比较繁琐，我们稍微做了一下改动，将一袋200mL的Fe（OH）3溶胶，浸入600mL左右的蒸馏水中，保持水温60～70℃，每隔30分钟换一次水，这样渗析3次，同时在30分钟的渗析等待时间里，如前文所述，学生可以先去做别的工作。

溶胶纯化的目的，除了可以分离过多的电解质离子，另一方面还可以降低溶胶的电导率，有利于后续的电泳实验。[10]因电泳实验过程同时也是电解水的过程，因此电流不可过大，否则水的电解将影响胶体的电迁移现象，同时大量辅助液的消耗可能引起液面下降离开电极，从而使系统断电。因此要降低胶体的电导率，保证在相同的外加电压下可使系统有较低的电流通过。关于渗析温度的选择，若温度过低，则渗析速度过慢，若温度过高，则溶胶容易引起聚沉，因此稍提高渗析温度，可增加离子的渗析速度，但不至于引起溶胶聚沉。单次稍多一些的渗析蒸馏水，可加大离子或小分子的内外浓度差，从而增大渗析的驱动力，有利于渗析的进行。延长单次渗析时间可使每次渗析充分达到平衡，这样即使减少渗析次数，亦可降低多余电解质杂质的浓度，最终达到教材中低电导率的要求。最后一次渗析完成后，经测试，溶胶的电导率低于100uS/cm，可以用于后续的电泳实验。然后学生纯化好胶体且冷却至室温后，便可装瓶备用。endprint

另一则改动便是辅助液的制备。一般教材的方法是测试纯化好了的Fe（OH）3溶胶的电导率，然后用KCl溶液和蒸馏水配制与溶胶电导率相同的辅助液。而我们在Fe（OH）3溶胶的纯化过程中，最后一次的渗析液已与溶胶达到渗析平衡，该液体的电导率必然与溶胶的电导率相同，可以当做辅助液来用了。那么教材为什么要用氯化钾溶液作辅助液呢？辅助液除了需要电导率与Fe（OH）3溶胶的电导率相同，还需要正负离子的电迁移率相同，刚好KCl溶液中K+和Cl-的电迁移率近似相等，这样在溶胶与辅助液的交接界面处，溶胶与辅助液导电能力相同，正负离子的迁移速度也相同，故在外加电压的作用下，界面不致发生扰动而使界面不清。而换成渗析液作辅助液后，虽然其中的正负离子迁移速度不同，但实验证明只要两者导电能力相同，对界面清晰度影响就会很小。这样做既省去了重新配制KCl溶液的过程，亦节省了KCl和蒸馏水。因此学生最后一次渗析液不必倒掉，也装瓶，作为下一拨同学的辅助液待用。

三、界面迁移法电泳实验的改进

到实验的第七个大步骤——界面迁移法进行电泳实验，学生经常出现电泳现象不明显，界面不迁移，或者界面模糊、迁移速度慢等问题，没有办法进行电泳速度的测量。这几个问题的出现直接导致实验的失败。具体问题出在哪呢？经过多次实验总结发现，如果前面胶体方面已经按照要求严格纯化，并测试电导率也已达标，即小于100uS/cm，那问题就出在电泳仪器本身和外加电压的选取上。

作者调研过很多关于胶体电泳改进方面的文献，大多都停留在溶胶的制备、溶胶的浓度、辅助液的溶度、电导率的大小等因素对胶体电泳现象的影响上，很少涉及电泳仪本身即拉比诺维奇-付其曼U型电泳仪对实验的影响。如图1所示，为拉比诺维奇-付其曼U型电泳仪的示意图，它主要由U型管、连接U型管的活塞及电极等组成。根据实验室各自的条件，电极可以选用铂电极或石墨电极。我们实验室配备的是简易石墨电极，U型管的内径一般在8～15mm左右。多次教学实践总结发现，在相同的外加电压下，若选用细的U型管（内径8mm）、细的石墨电极（直径约5mm），则界面迁移很慢，甚至不迁移。而若选用较粗的U型管（内径15mm）、较粗的石墨电极（直径约10mm），则整个电泳的实验现象很明显，界面清晰且迁移速度适中。其中可能的原因是若选用细的U型管，实际上增大了胶体与器壁的阻力，不利于胶体的电泳，而选用细的石墨电极，相当于降低了外加电压，从而降低了电势梯度，故也不利于胶体的定向迁移。同时选用细的U型管和细的石墨电极，必然造成胶体的定向迁移速度慢甚至不迁移，最终导致实验失败。

至于外加电压的选取，各种关于胶体电泳实验改进的文献，包括各种教材，所给出的电压值都不相同，有的选取的电压值很低（30～40V），[11]有的又较高（80～180V），[8]且给出的范围很宽泛，给学生具体做此实验带来了困惑：具体该是多少呢？在实验过程中所加电压过高或过低都不利于电泳现象的观察，电压过高会导致实验过程中水的电解加剧、胶体电泳速度过快，导致辅助液与胶体之间的界面模糊，而电压过低会造成胶体运动太慢，长时间观察不到实验现象。[12]那如何选取合适的电压值呢？这还要根据自身的实验仪器来决定，要由具体的电泳仪两电极之间的距离来确定。对电泳速度造成影响的，看似是外加电压，实际应是电势梯度，即外加电压除以电极距离所得的数值。实验证明，能够做出接近理论值ζ=44mv的实验条件，所选取的适宜电势梯度是4V/cm。[13]照此推算，若两电极间的距离较短，比如20cm，则外加电压就取80V，反过来若所用仪器两电极间距离较大，比如60cm，则外加电压就要加到240V。我们实验室所用电泳仪两电极间的距离较大，选取的电压高达300V才能观察到明显的实验现象。这便解释了文献值差别如此之大的原因。

四、其他建议及注意事项

（1）制备珂珞酊袋时要小心转动锥形瓶，使瓶内壁均匀铺展一层液膜，倾出多余的棉胶液，在半透膜与器壁夹层间加水以剥离开来的时间要适中，加水过早，膜强度差，不能用，加水过晚则膜变干脆，不易取出。应以胶膜刚不沾手时剥离最佳。剥离后在袋中加水验漏，若发现有小漏洞，可先擦干洞口部分，用玻璃棒蘸少许胶棉液轻轻接触洞口即可补好。[14]

（2）溶胶的制备条件和净化效果均影响电泳速度。制备胶体过程中要控制好浓度、温度和滴加速度，渗析时要控制好水温，防止水温下降而降低渗析效果。

（3）往电泳仪U型管中加入溶胶前，要先检查电泳仪的活塞处是否有渗漏或转动不灵活现象，如有可用凡士林涂抹活塞。

（4）电泳实验中电极两端的电压要恒定，整个U型管的溶液中应无大的气泡产生。测试电泳速度时所选取的液面迁移距离不可过长，上升高度保持在3cm以内为佳，再高，溶胶会因密度改变而降低迁移速度。

五、结语

Fe（OH）3胶体电泳是物理化学电学部分的一个重要实验，总体来说，虽然该实验操作步骤多，耗时长，实验条件苛刻，但却能在很大程度上考验学生的独立思考和创新的能力，培养学生的动手操作能力，提高学生对物理化学实验的兴趣。本文针对该实验耗時长、电泳实验现象不明显等问题，给出了适当的修改建议，即重新调整实验步骤和时间分配；稍提高渗析温度、延长单次渗析时间、减少渗析次数对胶体进行纯化；改用最后的渗析液作辅助液；选用较粗的电泳U型管和较粗的石墨电极，根据电极距离确定合适的外加电压值。经以上措施，较完美地完成了电泳实验，使学生进一步了解了胶体的电学性质、电泳情况以及电动电势的概念，更重要的是培养了学生发现问题、解决问题及运用实验技能的能力，保持了学生对物理化学实验的极大热情和探索精神。[15]

[ 参 考 文 献 ]

[1] 韩阗俐，张忠平.浅析地方高校物理化学实验教学中的不足与改进方法[J].大学教育，2012（1）：53-54.

[2] 杨冬梅，王军.物理化学实验教学的绿色化改革[J].大学教育，2016（1）：90-92.

[3] 付献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华.物理化学（第五版）[M].北京：高等教育出版，2006：429-441.

[4] 高明国，范国康.Fe（OH）3胶体电泳实验的两则改进[J].太原科技，2003（1）：19-20.

[5] 董家新，谢晓莉，陈静.界面电泳法测胶体电动电势实验改进[J].实验技术与管理，2013（4）：33-35.

[6] 肖文敏.Fe（OH）3胶体电泳实验的改进研究[J].赤峰学院学报，2012（28）：3-5.

[7] 钟玉贞.氢氧化铁胶体电泳方法的探讨和改进[J].四川教育学院学报，1994（10）：82-84.

[8] 刁国旺，薛怀国.大学化学实验——基础化学实验二[M].南京：南京大学出版社，2006：106.

[9] 孙尔康，徐维清，邱金恒.物理化学实验[M].南京：南京大学出版社，1997：103 .

[10] 刘春辉，赵艳茹，高明.Fe（OH）3电泳实验探究[J].广州化工，2009（8）：238-240.

[11] 陈书鸿，莫春燕.氢氧化铁胶体电泳实验的改进[J].中国西部科技，2008（28）：13-14.

[12] 钱亚兵，袁红霞，等. Fe（OH）3胶体电泳实验再探索[J].四川师范学院学报（自然科学版），2002（23）：310-313.

[13] 易回阳.氢氧化铁胶体电泳实验条件的探讨[J].湖北师范学院学报，1994（8）：149-152.

[14] 周薇薇，赵旺等.Fe（OH）3胶体电泳实验的研究与讨论[J].考试周刊，2015（3）：142-143.

[15] 于长顺，翟滨，高世萍，等.开展研究性学习与实践、提升学生创新能力的探索[J].大学教育，2015（8）：29-31.

[责任编辑：罗 艳]endprint