1、實驗一 電泳法測定分散體系中微粒的荷電性質與 Zeta 電位一、實驗目的1. 熟悉電泳儀的工作原理與使用方法2. 掌握鈦酸鋇膠體的荷電性質與E電位測定方法3. 掌握鈦酸鋇膠體等電點的測量方法二、根本原理在自然界中， 固體與液體接觸時， 由于外表性質的差異， 會使固體外表荷 電，而固 -液界面的液體帶相反電荷，這種界面荷電影響界面周圍介質中離子 的分布，與固體外表荷電符號相反的介質中的離子被吸向界面， 而同符號的離 子被排離界面，同時，離子的熱運動又促使它們均勻混合在一起，因此，在界 面上形成一層擴散雙電層。 固體在溶液中荷電而構成雙電層的原因， 除外加電 場外，大致有以下幾種情況：1. 電離作

2、用 固體外表在溶液中產生電離或溶液中的電離成分依靠某種 結合力與固體外表結合而使其荷電。 例如，玻璃與水接觸時， 玻璃中的硅酸鹽 可電離出鉀、鈉、氫等離子，使玻璃帶負電，而溶液帶正電；蛋白質分子具有 羧基-COOH和胺基-NH2官能團，但pH值較低時，溶液中電離的 H + 與胺基以氫鍵結合，形成-NH3+使蛋白質帶正電，溶液一側帶負電，當 pH 值升高后，蛋白質的羧基電離形成-COO-而使蛋白質帶負電，在某一 pH 值時，酸性基團和堿性基團的電離度相同， 蛋白質分子上的靜電荷為零， 此時 的 pH 值成為等電點 iso-electric point 。2. 離子交換作用 由非等電荷離子發生交換

3、而引起荷電。例如，但玻璃與CaCl2水溶液接觸時，玻璃中的硅酸鹽的鈉離子被鈣離子等摩爾量交換，使得 玻璃帶正電，而溶液側帶負電；又如粘土晶格外表的sf+可被ai3+取代而帶負電，或者其中的Ca2+被Al3+取代而帶正電。3. 離子吸附作用 微粒外表在溶液中能選擇吸附某種離子而使外表帶電，其荷電性質決定于微粒的組成與溶液中離子性質，如AgI溶膠微粒，當KI過量存在，吸附荷負電，當AgNO3過量時，吸附Ag+荷正電。從陰、陽離子 水化強弱來分析， 通常陽離子比陰離子更容易水化， 留在溶液中傾向大， 而不 容易水化的陰離子那么被外表吸附的傾向大，因此外表帶負電荷較多。4. 電子取向作用固體金屬中的電

4、子云可以一定程度地伸展到與緊貼固體接界的溶液分子層中， 從而引起溶液分子的偶極取向， 此時離子也能依靠靜 電力和Van der waals力聚集在固體外表而是固體荷電。5. 摩擦荷電作用 非導電固體在高速流動的流體中， 由于兩相接觸摩擦而 產生電荷，從一相轉入另一相而使固體外表荷電。 通常介電常數大的相帶正電， 介電常數小的相帶負電。例如玻璃f56在水中£=81 帶負電；在苯中£=2那么帶正電。固體在溶液中的荷電性質， 影響著固體外表性質和界面區的電荷轉移反響及其反響速度，因而引起科學家們的重視和研究。有關固 -液界面荷電雙電層 的研究相繼出現了 Helmholtz平板電容

5、式雙電層、Gouy-Chapman擴散雙電層、 Stern擴散雙電層、Grahame雙電層等理論。其中Stern和Grahame雙電層理論 較完善，適用性較廣，應用較多。在此只就 Grahame雙電層理論作簡要介紹。1947年Grahame就Stern雙電層概念做了進一步開展，他將Stern層又分 為兩層，即內 Helmholtz層和外Helmholtz層，內Helmholtz層是由未水化離 子組成，緊靠近固體外表，即Stern模型中的Stern層；外Helmholtz層是由一 局部溶劑化的離子組成的，與界面吸附較緊密，隨固體一起運動。外層是擴散 層，由水化離子組成，不隨固體一起運動。固體作相

6、對運動時滑動面shearsurface上的電位稱 Z電位。Grahame雙電層模型如圖7-1。層滑層 變 切 不0屮擴散層圖7-1 Grahame雙電層模型目前測量Zeta電位的方法主要有電泳法、電滲法、流動電位法以及超聲波法，其中以電泳法應用最廣。電泳是指分散體系在電場的作用下，帶電顆粒向帶相反電荷的電極運動的現象。Zeta電位是通過測量顆粒在某一特定電場中 的泳動速度進行的。根據Helmholtz公式可有如下關系：(7-1)式中Z為Zeta電位動電電位，mV ； u為電泳速度卩m/S; n為分散介 質粘度p; &為分散介質的介電常數；E為電位梯度v/cm; u/E為電泳淌度; Kt

7、為不同溫度下Z電位與淌度的比值卩m/sec/v/cm以水溶液為介質時，其不 同溫度下的比值見附表7-1,其值一般已合成在測試軟件中電泳速度：在選定距離內，電泳所需的時間，以微米/每秒數表示：u=l/t7-2式中I為微粒電泳距離im; t為電泳時間sec; E為電位梯度EE=U/L7-3式中U為外加電場直流電壓V; L為兩極間的距離cm將7-2, 7-3式及Kt數據代入7-1 式可求得Z位三、儀器與藥品電泳儀JS94-J型；pH計；鈦酸鋇BTO溶膠；乳酸；氨水四、儀器說明1測試儀器2.樣品池3.樣品臺五、實驗操作1. 用乳酸和氨水調節BTO溶膠的pH值，制備不同pH值的BTO以備用2. 將盛有鈦

8、酸鋇溶膠的十字池放入樣品槽中，其中“X記號面背向自己。點擊JS94J微電泳儀軟件圖標，彈出如下窗口。3. 點擊“ Option按鈕，在下拉窗口中點擊“ Connect按鈕4. 在彈出窗口中連續點擊“確定按鈕，此時微電泳儀與電腦連接成功5. 點擊“ Option按鈕，在下拉窗口中點擊“ Setting按鈕，然后在彈 出窗口中設臵將要保存的文件名以及電壓切換時間。6. 點擊“0K按鈕后點擊“活動圖像按鈕，出現如下界面。其中“ Q “A “Z “X按鈕表示取景框的“上“下 “左 “右移動；“<“ >按鈕表示亮度；“ “ 按鈕表示比照度。7. 調節樣品臺上的“左右調節螺桿、“上下調節螺桿、

9、以及“聚焦調節 螺桿，直至出現如下圖的清晰十字標志。8. 將十字池取出，再放入盛有鈦酸鋇溶膠的Pt(Ag)極池，將電源線與池極導針相連，然后點擊“啟動按鈕，輸入溶膠的 pH值，再調節“電 壓和“電壓切換時間，以確保電極不會電解水，同時觀察到的顆粒 在窗口中穩定的來回運動(一般還伴隨下降，如假設是上升，那么觀察到 的極有可能是氣泡)，調整取景框，使顆粒在測試過程中，都在框內， 最后按下“存盤鈕。存盤完后按“分析程序鈕彈出如下窗口廠廠廠廠廠廠廠廠廠AIKtffllFhM 0規I廠建叡廠49廠廠廠廠廠廠廠廠廠廠商£:ss: KEkfffifi網靜9點擊“開始按鈕，在彈出窗口中輸入剛剛保存的

10、文件名，然后點擊 “OK，彈出如下窗口。01C«e*l血4電詩lol-Ta-M.2 OOfeX電辰更1河值|w-|- IS. «c| 訐略 / fflA 77S |廠廠廠廠一-a 一-g 廠廠 -n-6國理睚a!函賦他收N網解網額就就廠廠廠廠廠廠廠廠10點擊上下列圖片中顆粒的位臵，然后點擊“繼續按鈕，彈出如下窗口。11. 繼續點擊上下列圖片中顆粒的位臵，通過四張圖片顆粒位臵的變化，就 能知道顆粒電泳距離I，而所加電壓U和電極距離L是的，根據 公式(7-1)可以計算出Zeta電位Z而所帶電荷正負可以根據顆粒相對電極的移動方向判斷。點擊“存盤得 Z值，然后點擊“ 0K按鈕12.

11、 換一種測試液，重復步驟8-11，得到不同pH值BTO溶膠的Z值。六、數據處理與結果分析以BTO膠體的pH值為橫坐標，以Zeta電位為縱坐標作圖，通過曲線連 接獲得BTO膠體的等電點，同時分析實驗誤差以及等電點在實際應用中的作 用。考前須知：(1) 樣品池池內不測定時，應灌滿蒸餾水；(2) 選取粒子速度以取中間為好，太快或太慢都不好；(3) BTO膠體在測試前，應超聲一段時間，以使顆粒均勻分布。參考文獻1 JS94J增強型微電泳儀使用說明書2 Ware BR. J Colloid Interf Sci, 1972, 39:6703王復生，王建軍，顯微電泳法及建材礦物Z電位的測定，山東建材學院學報，1995，9(1)，47-514張立永，賈樹妍，肖光芒等，應用Zeta電位研究液態奶的穩定機制，中國 乳品工業，2007，35(12)，38-41附表7-1不同溫度下Z-電位與淌度比值 Kt 液相是水或水溶液溫度CmV溫度cmVm/sec/V / cmm/sec/V / cm429.172313.86528.002413.35626.872512.85725.802612.37824.792