适合中学生实验的Fe(OH)3胶体电泳实验研究
【摘 要】以中学实验条件为前提，运用正交设计试验法探讨了Fe(OH)3胶体电泳的实验条件，结果表明FeCl 3浓度为15%，胶体制备时加尿素，并渗析1天，陈化4天，电泳时电极间距3.5cm ，电压24V ，5分钟界面可移动1.7cm 且界面清晰，完全适合中学实验的要求。
【关键词】Fe(OH)3胶体；电泳；中学
1. 前言
化学是以实验为基础的科学，化学实验在化学教学中占有十分重要的地位。化学现象的发生和发展是很复杂的，单纯用文字叙述往往不易透彻地讲清和理解这些复杂变化的实质。在中学阶段，学生刚开始接触化学，对于化学知识很陌生，而借助于对一些实验现象的观察、分析，会令他们感到新奇有趣，
[1]
有助于认识变化的实质，加深对教学内容的理解，达到提高教学质量的目的。因此，化学教科书中针对不同的内容，安排了许多教学实验. 这些实验确实在教学中起着非常重要的指导作用。
在新课程的背景下，要求学生通过探究实验来体验到化学的乐趣，掌握科学研究的方法，感受化学
[2]
在解决人类面临的重大挑战时所做出的贡献。电泳是胶体的重要性质之一，为加深学生印象，在课堂上可增加Fe(OH)3胶体电泳的演示实验。甚至可以把这个实验让学生亲自动手做，使学生更加容易理解胶体性质。如何以较低的电压和简易的电泳装置获得较快的电泳速率和清晰的电泳界面；如何减小电解对电泳的干扰；如何减小电流热效应对界面的破坏等, 是值得研究的课题。为此，笔者探讨了该实验的影响因素，利用正交试验法对实验条件进行深入研究。
2. 实验部分
2.1 实验原理
氯化铁水解生成氢氧化铁胶体，发生下列反应：
[4]
+
氢氧化铁吸附溶液中带正电荷的离子（FeO ），因此在电场作用下向阴极移动，使原本均一的胶体溶液变得不均匀，U 型管两端液体的密度会发生变化，阴极液面会上升，阳极液面会下降，出现电泳现象。
2.2 实验仪器与试剂
213型铂电极（上海紧密科学仪器有限公司） 无水乙醇（AR 国药集团化学试剂有限公司） 硝酸钾（AR 国药集团化学试剂有限公司） 尿素（CP 中国上海试剂一厂）
氯化铁（AR 国药集团化学试剂有限公司） 盐酸（上海试剂四厂昆山分厂）
J12101-1 低压电源（2V-24V ）(福州无线电三厂) U 形管（单边长15cm*极间距3.5cm*内径1.3cm ）自制 U 形管（单边长15cm*极间距5.5cm*内径1.3cm ）自制 半透膜袋*5 试管，量筒，锥形瓶等若干
2.3 实验装置与操作过程 2.2.1 实验装置图
图1 电泳实验装置
2.2.2 胶体的制备
量取FeCl 3溶液6ml ，慢慢加入到100ml 沸水中（1d/s）, 并使在沸水继续沸腾2min ，冷却备用（若要加尿素则在冷却后加入）。将制得的胶体放入半透膜袋浸入大量蒸馏水进行渗析，每5小时换次水，渗析一天。 2.2.3 电泳
将胶体加入到U 形管中，使其距离U 形管底部5cm, 用滴管吸取电解质溶液分别沿两端U 形管的内壁慢慢滴入，注意不要使界面混浊，直至液面高度离界面3cm 。轻轻地在左右电解质溶液中放入电极，注意不要搅动两液接触界面，并使两极浸入液面下的深度相等。接连在两极上的导线，分别接直流稳压电源的两个输出极端上，选择合适的电压，进行电泳5分钟。 2.2.4 数据处理
测量胶体两界面之间的间距，比较各数据之间的差异
3. 结果与讨论
3.1 初步分析-七因素两水平正交试验设计
3.1.1 考察指标及指标标准的确定
本试验以在一定时间内胶体电泳时的效果为考察指标。 由于正交试验设计是一种定量的研究方法，因此，需要通过对胶体电泳时在一定时间内移动的距离多少及界面是否清晰进行评分，将定性指标转化为定量指标。胶体电泳时指标评分标准如下：
表2 胶体电泳效果评分标准
分值 100 80-99 70-79 60-69 60分以下
外观效果
5min 电泳时间内界面间距在1cm 以上，胶体界面清晰，电泳效果明显 5min 电泳时间内界面间距在0.8cm 以上，, 胶体界面清晰，电泳效果明显
5min 电泳时间内界面间距在0.6cm 以上, 电泳效果明显 5min 电泳时间内界面间距在0.4cm 以上, 电泳效果较明显 5min 电泳时间内界面间距在0.4cm 以下, 电泳效果不明显
3.1.2 因素水平的确定
影响氢氧化铁胶体电泳的因素很多，不同资料对影响氢氧化铁胶体电泳的因素叙述也有所不同。未经纯化过的胶体溶液，电泳过程中界面不平整，且电泳层呈浅黄色，而纯化后的胶体溶液则不会出现此
[5]
类现象。可见是否纯化对胶体电泳的效果影响很大；在不同文献中所用的电解质的类型不同，种类繁多，但不同的电解质类型几乎对胶体在电泳时的效果没有太大的影响；在一些文献中认为在电解质中加
入乙醇，会使电解质的密度变小，减小界面间的密度差从而电泳时使界面清晰；电极间距越小，电压越高，电泳效果越明显；还有FeCl 3浓度、是否加尿素不同的文献说法不尽相同。在分析总结大量文献资料的基础上总结归纳出FeCl 3浓度、尿素、渗析、电解质、乙醇、电极间距、电压七个因素作为本试验的影响因素。考虑到一些因素对中学实验的局限性如：中学生直流电源电压一般不超过30V 等。在实验中由于因素所处的状态和条件不同，可能引起考察指标的变化，故本试验第一阶段对所确定的七个因
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素均选择两种状态，即选用七因素两水平的正交表L 8(2) 安排实验。
表2 因素水平表
因素 1 FeCl 3浓度(%) 10 是否加尿素
加 是否渗析 是 电解质 类 型 KNO 3 是否在电解质中加乙 醇 加 电极间距 （cm ） 3.5 电压 (v) 20 [6]
3.1.3 实验方案及结果的直观分析
表3 正交试验方案及其结果的直观分析—L8（2）正交表
1 2 3 4 5 6 7 8 K 1 K 2 R
从表3可以直接看出A 2B 2C 1D 2E 1F 1G 2是胶体电泳时的最佳条件，从对各因素试验指标影响的主次关系：A>F>G=B>C>D>E,可以得出最佳的实验条件是A 2B 2C 1D 1E 2F 1G 2 ，即选用20%FeCl3不加尿素，胶体必须渗析，用KNO 3或HCl 做为辅助液均可，加不加乙醇均可，电极间距为3.5cm ，电压为24V 。主要影响因素无论从直接看还是算一算结果均相同，次要因素两种结果大不相同。
但是在试验过程中发现电解质的不同电泳效果还是有所差别，HNO 3效果要比HCl 好；若加乙醇电泳速度会减慢，但电泳效果没有多大的优势；加了尿素同样会使移动速度减慢，但同时可以使界面变得更加清晰。为此，综合考虑A 2B 2C 1D 1E 2F 1G 2为最佳的实验条件。即用20%FeCl3不加尿素，胶体必须渗析，用KNO 3做为辅助液，不加乙醇，电极间距为3.5cm ，电压为24V 。
对于两个水平的因素，能够看出两个用量谁好谁差，但看不出继续提高效果的好用量。在第一阶段试验中对指标影响最大的因素是FeCl 3浓度，从K 的结果看浓度大好。另外在试验过程中发现还有两个因素对指标影响很大，是预先没有考虑到的：胶体陈化时间和胶体的量。
1(是) 1 2(否) 2 2 2 1 1 51.250 42.500 8.750
1(KNO3) 2(HCl) 1 2 1 2 1 2 48.750 45.000 3.750
1（加） 2（不加）
1 2 2 1 2 1 46.250 47.500 1.250
1(3.5) 2(5.5) 2 1 1 2 2 1 53.750 40.000 13.750
1(20) 2(24) 2 1 2 1 1 2 41.250 52.500 11.250
40 35 40 40 60 30 55 75
7
1(10) 1(加) 1 1 1 2(不) 1 2 2(20) 1 2 1 2 2 2 2 38.750 41.250 55.000 52.500 16.250 11.250
3.2 深入分析各影响因素
3.2.1、浓度的影响
制备了10%、15%、20%、25%、30%五种不同浓度的胶体，加尿素并渗析陈化4天后，取12ml 胶体在最佳条件下进行电泳结果见表4。
表4 浓度对胶体电泳的影响
浓度
界面移动距离(cm) 渐变层距离(cm)
10% 1.6 0.7
15% 2 0.4
20% 1.3 0.6
25% 1.1 0.5
30% 1.1 0.3
图2 浓度对胶体电泳的影响
以胶体浓度作横坐标，电泳移动距离为纵坐标作图，见图2。由图2可看出，随着胶体浓度的增大，胶体电泳移动距离先增大后减小，在浓度为15%时移动速率最大。根据Helmholz 方程的变式V =ξεE/ 4 ×3002πηL , 又胶体的粘度η和介电常数ε主要是由其浓度决定的, 所以胶体浓度对胶体电泳速率有很大的影响. 一般来讲, 浓度越大, ε和η也越大, 前者有利于电泳速率增大, 而后者不利于电泳速率的
[7][8]
增大, 因此，必须在合适的浓度下(或合适的浓度范围内) 才能获得最佳的电泳速率。 3.2.2陈化时间的影响：
用15%浓度FeCl 3胶体，不陈化、分别陈化2、3、4、5、6天、半个月时间，取12ml 在最佳条件下进行电泳结果见表5。
表5 陈化时间对胶体电泳的影响
时间（天）
界面移动距离(cm) 渐变层距离(cm)
不陈化 2 0 1.5 0 0.9
3 1.4 0.5
4 2 0.4
5 1.7 0.9
6 半个月 1.6 0.9
注：半个月后重复实验，还是可以看到明显的电泳现象
图3 陈化时间对胶体电泳的影响
以陈化时间（天）为横坐标，电泳移动距离为纵坐标作图，见图3。从图中可以看出陈化时间对速率的影响很大，不陈化，电泳几乎不能进行，只要陈化1天以上就显示出明显的效果，半个月后仍可看到明显的电泳现象。陈化3-5天为最佳。如果要作电泳实验，最好在实验前3-5天配好胶体，这样效果最好，对于学生实验则可以让上组的学生配好给下一组用，因为中学实验时间差约为3天。 3.2.3 胶体量的影响
用15%浓度的胶体，陈化4天在最佳条件下分别取12ml 、14ml 、16ml 、18ml 、20ml 胶体量进行电泳结果见表6。
表6 胶体量对胶体电泳的影响
胶体量（ml ） 界面移动距离(cm) 渐变层距离(cm)
12 1.4 0.5
14 1.3 0.6
16 1 0.6
18 0.8 0.7
20 0.9 0.7
图4 胶体量对胶体电泳的影响
以胶体量为横坐标，电泳移动距离为纵坐标作图，见图4。图中可见氢氧化铁胶体的使用量与其电泳速度呈反比，即胶体在U 型管中的量越多，胶体电泳时的移动速度越小，但是如果体积太小，则不容易观察。因此，在U 型管中的体积以12ml 为宜，此时距离U 形管底部约为5cm 。，便于观察。
4. 结论
通过对氢氧化铁胶体电泳的七因素两水正交水平分析及浓度、陈化时间、电泳时胶体量的深入分析，结果表明，在常温下，用6ml 15%的FeCl 3加入到100ml 沸水中，加入10克尿素，渗析一天，陈化四天，进行电泳实验，所制胶体用于电泳实验效果最好。电泳过程选择3.5cm 极间距，24V 电压，电泳5分钟，界面可移动1.7cm ，渐变层距离0.5cm ，实验效果明显，完全符合中学教学要求。
参考文献
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[4] 武转玲, 雒 勇. 如何加快电泳速度[J].雁北师范学院学报,2005,21(5):44-46 [5] 李晓萍.Fe(OH)3 胶体电泳实验改进[J].中小学实验与装备,2006,16(2):34
[6] 谢祖芳, 陈希慧, 晏全. 对氢氧化铁溶胶电泳实验改进的研究[J].玉林师范学院学报（自然科学）,
2001,12(3):83-84
[7] Xue Huaiguo And Kan J inqing. effect of internal radius of electrophoretic tube on colloid electrophoresis ,Bulletin of Electrochemistry 11 (8) August, 1995, (11) : 399 - 401
[8] 钱亚兵, 袁红霞, 鲍正荣, 黄会林.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）,2002,23(3):310-313