电泳法测定分散体系中微粒的荷电性质与Zeta电位

实验一电泳法测定分散体系中微粒的荷电性质与Zeta电位一、实验目的熟悉电泳仪的工作原理与使用方法掌握钛酸领胶体的荷电性质与g电位测定方法掌握钛酸领胶体等电点的测量方法二、基本原理在自然界中，固体与液体接触时，由于表面性质的差异，会使固体表面荷电，而固-液界面的液体带相反电荷，这种界面荷电影响界面周围介质中离子的分布，与固体表面荷电符号相反的介质中的离子被吸向界面，而同符号的离子被排离界面，同时，离子的热运动又促使它们均匀混合在一起，因此，在界面上形成一层扩散双电层。固体在溶液中荷电而构成双电层的原因，除外加电场外，大致有以下几种情况：电离作用固体表面在溶液中产生电离或溶液中的电离成分依靠某种结合力与固体表面结合而使其荷电。例如，玻璃与水接触时，玻璃中的硅酸盐可电离出钾、钠、氢等离子，使玻璃带负电，而溶液带正电；蛋白质分子具有羧基（-COOH）和胺基（-NH2）官能团，但pH值较低时，溶液中电离的H+与胺基以氢键结合，形成（-NH3+）使蛋白质带正电，溶液一侧带负电，当pH值升高后，蛋白质的羧基电离形成（-COO-）而使蛋白质带负电，在某一pH值时，酸性基团和碱性基团的电离度相同，蛋白质分子上的静电荷为零，此时的pH值成为等电点（iso-electricpoint）。离子交换作用由非等电荷离子发生交换而引起荷电。例如，但玻璃与CaCl2水溶液接触时，玻璃中的硅酸盐的钠离子被钙离子等摩尔量交换，使得玻璃带正电，而溶液侧带负电；又如粘土晶格表面的Si4+可被Al3+取代而带负电，或者其中的Ca2+^Al3+取代而带正电。离子吸附作用微粒表面在溶液中能选择吸附某种离子而使表面带电，其荷电性质决定于微粒的组成与溶液中离子性质，如AgI溶胶微粒，当KI过量存在，吸附I-荷负电，当AgNO3过量时，吸附Ag+荷正电。从阴、阳离子水化强弱来分析，通常阳离子比阴离子更容易水化，留在溶液中倾向大，而不容易水化的阴离子则被表面吸附的倾向大，因此表面带负电荷较多。电子取向作用固体金属中的电子云可以一定程度地伸展到与紧贴固体接界的溶液分子层中，从而引起溶液分子的偶极取向，此时离子也能依靠静电力和Vanderwaals力聚集在固体表面而是固体荷电。摩擦荷电作用非导电固体在高速流动的流体中，由于两相接触摩擦而产生电荷，从一相转入另一相而使固体表面荷电。通常介电常数大的相带正电，介电常数小的相带负电。例如玻璃（£=5-6）在水中（£=81）带负电；在苯中（£=2）则带正电。固体在溶液中的荷电性质，影响着固体表面性质和界面区的电荷转移反应及其反应速度，因而引起科学家们的重视和研究。有关固-液界面荷电双电层的研究相继出现了Helmholtz平板电容式双电层、Gouy-Chapman扩散双电层、Stern扩散双电层、Grahame双电层等理论。其中Stern和Grahame双电层理论较完善，适用性较广，应用较多。在此只就Grahame双电层理论作简要介绍。1947年Grahame就Stern双电层概念做了进一步发展，他将Stern层又分为两层，即内Helmholtz层和外Helmholtz层，内Helmholtz层是由未水化离子组成，紧靠近固体表面，即Stern模型中的Stern层；外Helmholtz层是由一部分溶剂化的离子组成的，与界面吸附较紧密，随固体一起运动。外层是扩散层，由水化离子组成，不随固体一起运动。固体作相对运动时滑动面（shearsurface）上的电位称Z电位。Grahame双电层模型如图7-1。图7-1Grahame双电层模型目前测量Zeta电位的方法主要有电泳法、电渗法、流动电位法以及超声波法，其中以电泳法应用最广。电泳是指分散体系在电场的作用下，带电颗粒向带相反电荷的电极运动的现象°Zeta电位是通过测量颗粒在某一特定电场中的泳动速度进行的。根据Helmholtz公式可有如下关系：(7-1)式中Z为Zeta电位（动电电位，mV）；u为电泳速度（四m/s）；n为分散介质粘度(p)；e为分散介质的介电常数；E为电位梯度(v/cm);u/E为电泳淌度;Kt为不同温度下Z电位与淌度的比值(四m/sec/v/cm)。以水溶液为介质时，其不同温度下的比值见附表7-1，其值一般已合成在测试软件中。电泳速度：在选定距离内，电泳所需的时间，以微米/每秒数表示：u=l/t(7-2)式中l为微粒电泳距离(pm)；t为电泳时间(sec)；E为电位梯度E。E=U/L(7-3)式中U为外加电场直流电压(V)；L为两极间的距离(cm)。将(7-2)，(7-3)式及Kt数据代入(7-1)式可求得Z位。三、仪器与药品电泳仪(JS94-J型)；pH计；钛酸领(BTO)溶胶；乳酸；氨水四、仪器说明1.测试仪器样品池样品台

五、实验操作用乳酸和氨水调节BTO溶胶的pH值，制备不同pH值的BTO以备用。将盛有钛酸领溶胶的十字池放入样品槽中，其中“X”记号面背向自己。点击JS94J微电泳仪软件图标，弹出如下窗口。点击“Option”按钮，在下拉窗口中点击“Connect”按钮。

在弹出窗口中连续点击“确定”按钮，此时微电泳仪与电脑连接成功。点击“Option”按钮，在下拉窗口中点击“Setting”按钮，然后在弹出窗口中设置将要保存的文件名以及电压切换时间。点击“OK”按钮后点击“活动图像”按钮，出现如下界面。其中Q”“A”“z”“X”按钮表示取景框的“上”“下”“左”“右”移动；“<”“>”按钮表示亮度；“{”“}”按钮表示对比度。

调节样品台上的“左右调节螺杆”、“上下调节螺杆”、以及“聚焦调节螺杆”，直至出现如图所示的清晰十字标志。将十字池取出，再放入盛有钛酸领溶胶的Pt(Ag)极池，将电源线与池极导针相连，然后点击“启动”按钮，输入溶胶的/pH值，再调节“电压，，和“电压切换时间”以确保电极不会电解水，同时观察到的颗粒在窗口中稳定的来回运动(一般还伴随下降，如若是上升，则观察到的极有可能是气泡)，调整取景框，使颗粒在测试过程中，都在框内，最后按下“存盘”钮。存盘完后按“分析程序”钮弹出如下窗口

点击“开始”按钮，在弹出窗口中输入刚才保存的文件名，然后点击“OK”,弹出如下窗口。光标位置状态平均平均位移2厂[30T颗粒0A|0颗粒0B：0光标位置状态平均平均位移2厂[30T颗粒0A|0颗粒0B：0颗粒1妇虹颗粒邙'0颗粒2启0颗粒2E0颗粒3启0颗粒3E0颗粒4A|0颗粒4B0颗粒5A颗粒5E0颗粒6A|0颗粒6E0颗粒TA10颗粒7E0颗粒8Ai。颗粒8E0颗粒9A|0颗粒9E0位移1点击上下图片中颗粒的位置，然后点击“继续”按钮，弹出如下窗口。继续点击上下图片中颗粒的位置，通过四张图片颗粒位置的变化，就能知道颗粒电泳距离1,而所加电压U和电极距离L是已知的，根据公式(7-1)可以计算出Zeta电位Z而所带电荷正负可以根据颗粒相对电极的移动方向判断。点击“存盘”得Z值，然后点击“OK”按钮。开始继续温度侦4电流|0.4电压|3.6pH佰2.0000C电压切软时间,700开始继续温度侦4电流|0.4电压|3.6pH佰2.0000C电压切软时间,700[Zeta电位T2.43F光标位置颗粒0A匚颗粒0B颗粒1A：。颗粒1B颗粒2A0颗粒2B颗粒3火I5-颗粒3B颗粒4A0颗粒4B颗粒5A0颗粒5B颗粒6A堕颗粒6B颗粒7A匚颗粒7B颗粒8人何2颗粒都颗粒9A0颗粒9B[37厂12.厂厂厂厂厂厂厂厂|02均移平位换一种测试液，重复步骤8-11，得到不同pH值BTO溶胶的Z值。六、数据处理与结果分析以BTO胶体的pH值为横坐标，以Zeta电位为纵坐标作图，通过曲线连接获得BTO胶体的等电点，同时分析实验误差以及等电点在实际应用中的作用。注意事项：样品池池内不测定时，应灌满蒸馏水；选取粒子速度以取中间为好，太快或太慢都不好；BTO胶体在测试前，应超声一段时间，以使颗粒均匀分布。参考文献JS94J增强型微电泳仪使用说明书WareBR.JColloidInterfSci,1972,39:6703王复生，王建军，显微电泳法及建材矿物Z电位的测定，山东建材学院学报，1995,9(1)，47-514张立永，贾树妍，肖光辉等，应用Zeta电位研究液态奶的稳定机制，中国乳品工业，2007，35(12)，38-41

附表7-1不同温度下Z-电位与淌度比值％（液相是水或水溶液）温度。CmV温度CmVrm/sec/V/cmrm/sec/V/cm429.172313.86528.002413.35626.872512.85725.802612.37824.