Opiekun ćwiczenia: mgr in. Sandra Pluczyk Miejsce ćwiczenia

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
Katedra Fizykochemii i Technologii Polimerów
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
Opiekun ćwiczenia: mgr inż. Sandra Pluczyk
Miejsce ćwiczenia: Czerwona Chemia, ul. Strzody 9,
sala nr 209/210
LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
1. WSTĘP TEORETYCZNY
Trwałość koloidów liofilowych uwarunkowana jest istnieniem otoczki solwatacyjnej
związanej
z
powierzchnią
cząstki
koloidalnej.
Destrukcja
warstewki
solwatacyjnej,
prowadząca w konsekwencji do przejścia zolu w żel, dokonana może być dwoma
sposobami. Jeden to wysalanie, czyli wprowadzenie do układu dużych ilości elektrolitu.
Drugi
sposób
koagulacji
koloidów
liofilowych
polega
na
dodawaniu
do
układu
rozpuszczalników organicznych mieszających się z wodą.
W przypadku koloidów liofobowych, ich trwałość wiąże się z istnieniem pewnego
ładunku elektrycznego cząstki koloidalnej. Ładunek ten powstaje w wyniku adsorpcji
jonów elektrolitu na powierzchni cząstek fazy rozproszonej. W efekcie adsorpcji tworzy
się podwójna warstwa elektryczna. Warstwa przypowierzchniowa (wewnętrzna) - to sztywna
warstwa adsorpcyjna, natomiast zewnętrzna jest rozmytą warstwą dyfuzyjną. Koagulację
koloidów liofobowych powoduje dodatek niewielkich ilości elektrolitu. Gdy warstwa
adsorpcyjna ma ładunek ujemny, wówczas koagulację wywołują kationy, w przypadku
dodatniego ładunku powierzchniowego destrukcję koloidów powodują aniony. Rezultatem
takiego mechanizmu jest fakt, że jony o wyższej wartościowości posiadają - przy tym
samym stężeniu - wyższą zdolność koagulowania zoli niż jony o wartościowości niższej.
Najniższe stężenie elektrolitu wywołujące przejście zolu w żel nazywane jest wartością
koagulacyjną.
Istnienie ładunku elektrycznego cząstki koloidalnej jest bezpośrednią przyczyną
charakterystycznych zjawisk zachodzących w układzie koloidalnym umieszczonym w polu
elektrycznym.
o
Zjawiska te to
ilościowym
przebiegu
tych
elektroforeza i
zjawisk
jest
elektroosmoza. Wielkością decydującą
potencjał
elektrokinetyczny
ζ (dzeta).
Potencjał ζ określany jest jako różnica potencjału w płaszczyźnie granicznej między
warstwą adsorpcyjną i dyfuzyjną oraz potencjału w głębi roztworu (fazy rozpraszającej).
Wartość
potencjału
elektrokinetycznego niektórych koloidów wyznaczyć
można
eksperymentalnie na podstawie pomiaru szybkości poruszania się cząstek koloidalnych w
polu
elektrycznym korzystając z metody obserwacji ruchomej granicy. Jeżeli
jednostkową
szybkością
elektroforezy
określoną
jako stosunek
oznaczonej
U
jest
wielkości
szybkości poruszania się cząstek A do gradientu potencjału H występującego w badanym
układzie:
2
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
U= A
H
[m2/V⋅s]
gdzie:
l
A=
t
[m/s]
(1)
wówczas szybkość ta (U) związana jest z potencjałem elektrokinetycznym równaniem
Helmholtza - Smoluchowskiego:
U=
εζ
αη
(2)
gdzie:
ε - stała dielektryczna fazy rozpraszającej
η - współczynnik lepkości dynamicznej fazy rozpraszającej
α - współczynnik, zależny od kształtu cząstki koloidalnej; wynosi 6π dla cząstek kulistych,
4π dla cząstek cylindrycznych
Biorąc pod uwagę, że gradient potencjału H równy jest:
H
=
V
L
[V/m]
(3)
gdzie:
L - odległość elektrod [m]
V – napięcie [V]
i korzystając z równań (1) i (2), potencjał elektrokinetyczny wyznaczyć można z równania:
ζ
=
αη AL
εV
(4)
Wykorzystanie wprost powyższego równania w tej postaci jest jednak dość kłopotliwe,
ponieważ bezpośredni pomiar odległości pomiędzy elektrodami w aparacie Burtona jest bardzo
niedokładny, a ponadto w każdym eksperymencie elektrody ustawiają się względem siebie nieco
inaczej. Oba niekorzystne czynniki można jednak wyeliminować przez zastosowanie metody
pomiaru porównawczego. Istota tej dość uniwersalnej metody polega na wykonaniu dwóch
pomiarów szybkości elektroforezy w tym samym aparacie Burtona i przy tym samym gradiencie
pola elektrycznego. W pierwszym doświadczeniu dokonujemy pomiaru szybkości przesuwania
się ruchomej granicy nieznanego koloidu w polu elektrycznym o zadanym natężeniu, a następnie
3
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
wykonujemy identyczny pomiar w tych samych warunkach, napełniając jednak aparat Burtona
roztworem koloidu "wzorcowego" o znanej lub dokładnie wyznaczonej wartości szybkości
elektroforezy Uwz. przy tym samym natężeniu pola elektrycznego.
W tych warunkach równanie na szybkość elektroforezy nieznanego koloidu ma postać (1),
natomiast analogiczne równanie na szybkość elektroforezy koloidu wzorcowego można zapisać w
postaci:
U wz. =
A wz.
H
[m2/V⋅s]
(5)
Dzieląc stronami równanie (1) i (5) eliminujemy natychmiast gradient potencjału i
otrzymujemy:
U = U wz.
A
A wz.
[m2/V⋅s]
(6)
Po podstawieniu równania (6) do równania (2) otrzymujemy następujące wyrażenie na
potencjał elektrokinetyczny:

 A
= U 
wz 
A
 wz
ζ

 αη

[V] *
 ε


(7)
* Przy przeliczaniu jednostek zwrócić uwagę na relację: 1V/m = 1N/C (Poradnik
Fizykochemiczny B/str.119, WNT, Warszawa 1974).
Gdy faza rozproszona jest nieruchoma (np. materiał porowaty), wówczas w polu
elektrycznym
wywoływany
jest
ruch
fazy
rozpraszającej.
Zjawisko
to
zwane
jest
elektroosmozą.
Jeżeli w układzie koloidalnym zostanie wymuszony ruch cząsteczek względem
unieruchomionych cząstek koloidalnych, wówczas elektrody umieszczone w takich układach
wykazują
pewną
różnicę
potencjałów
elektroforetycznym lub potencjałem przepływu.
4
określaną
odpowiednio
potencjałem
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura:
aparat Burtona, zasilacz stabilizowany prądu stałego.
Odczynniki: roztwór zolu barwnika, roztwór wzorcowego zolu barwnika.
Zbiornik badanego zolu
Elektroda
Poziom zalania
U - rurki
Woda
destylowana
Suwak do odczytu
położenia granicy faz
Granica faz:
woda - zol
()
()
(+
)
(+
)
Skala do odczytu
położenia granicy faz
Zol
Generator
Napięcia
Kran wpustowy zolu
Rys.1. Aparat Burtona w obwodzie elektrycznym zestawionym do pomiaru szybkości
elektroforezy koloidów metodą ruchomej granicy.
W pierwszej fazie ćwiczenia istotnym jest takie napełnienie aparatu Burtona, które
zapewni ostro zarysowaną granicę między zolem barwnika a cieczą graniczącą, którą jest
woda destylowana. W tym celu najpierw należy umieścić w menzurce 20 ml zolu barwnika i
niewielką ilość tego zolu
wlać powoli cienkim strumieniem po ściance do
środkowego
ramienia aparatu, a następnie ostrożnie otwierając kran napełnić jego kanał przelotowy.
Należy przy tym uważać, aby zol barwnika nie przedostał się na drugą stronę kranu. Po
wykonaniu tej czynności, przy zamkniętym kranie, napełnić środkowe ramię aparatu zolem
resztą barwnika, a U - rurkę wodą destylowaną , powoli po ściance, do poziomu 4 na skali
podziałki milimetrowej. Część łącząca U - rurkę z kranem winna być wolna od pęcherzyków
powietrza. Następnie należy umieścić w obu ramionach aparatu elektrody.
Otworzyć ostrożnie kran i wprowadzić powoli do U - rurki zol barwnika w takiej
ilości, aby ostra granica między cieczami mieściła się na poziomie 4 skali podziałki. Po
zamknięciu kranu zanotować położenie granicy cieczy w obu ramionach U - rurki. W tym
5
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
stanie elektrody powinny być zanurzone w wodzie - aparat jest przygotowany do pomiarów i
należy go chronić przed wstrząsami.
Zasilacz przygotować do pracy zgodnie z instrukcją stanowiskową obsługi i połączyć
go
z
elektrodami
aparatu
Burtona. Po tej czynności należy poprosić prowadzącego
laboratoria o skontrolowanie połączeń elektrycznych i włączenie zasilacza do sieci. Od
momentu włączenia żądanego napięcia rozpocząć pomiar czasu. Obserwując przesuwanie
granicy barwnika w aparacie, ustalić odstęp czasu, w którym wykonywane będą pomiary
jej położenia. Czas ten przyjąć tak długi, aby przesunięcie granicy cieczy było wyraźne i
wynosiło kilka milimetrów.
Granice cieczy w ramionach aparatu Burtona nie są równocenne. W ramieniu, w którym
granica cieczy wznosi się, obserwuje się dość szybkie jej rozmycie spowodowane tym, że
kierunek gradientu pola elektrycznego pokrywa się z kierunkiem gradientu stężenia zolu, który to
gradient wywołuje dodatkowy ruch dyfuzyjny cząstek zolu. W ramieniu, w którym granica cieczy
opada, obserwuje się wyraźną linię podziału, ponieważ tutaj kierunek gradientu pola
elektrycznego jest przeciwnie skierowany w stosunku do gradientu stężenia cząstek zolu. Można
powiedzieć, że ruch dyfuzyjny cząstek zolu jest w znacznym stopniu tłumiony przez przeciwnie
skierowany ruch elektroforetyczny tych cząstek. W związku z tym zaleca się w czasie pomiarów
obserwować ruch granicy cieczy w tym ramieniu, w którym następuje jej opadanie
Pomiar należy zakończyć gdy zol barwnika przesunął się przynajmniej o 20 - 30 mm.
Wówczas w obecności prowadzącego laboratoria należy wyłączyć zasilacz i odłączyć od
niego elektrody.
6
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Zmianę położenia granicy cieczy jako funkcję czasu zestawić w poniższych tabelach.
Tabela I
Zol koloidu nieznanego
Temperatura pomiaru:..................[K]
Czas t [s]
Położenie granicy
cieczy l [mm]
Położenie granicy
cieczy l⋅103 [m]
Przyłożone napięcie:..............[V]
0
4,0
4,0
Tabela II
Zol koloidu wzorcowego
Temperatura pomiaru:..................[K]
Czas twz. [s]
Położenie granicy
cieczy lwz. [mm]
Położenie granicy
cieczy lwz.⋅103 [m]
Przyłożone napięcie:..............[V]
0
4,0
4,0
Korzystając z powyższych danych sporządzić wykresy w układzie współrzędnych l - t i na
ich
podstawie wyznaczyć szybkości
poruszania się granicy cieczy A i Awz. [m/s] (jako
współczynniki kierunkowe wykreślonych linii prostych) przy zadanym gradiencie potencjału.
Wiedząc, że fazą
rozpraszającą nieznanego i wzorcowego układu koloidalnego jest
mieszanina wody i gliceryny (skład: 7 j.obj. wody + 3 j.obj. gliceryny) oraz znając temperaturę
otoczenia w czasie pomiarów, należy obliczyć skład fazy rozpraszającej w % wagowych
posługując się tabelami gęstości wody i gliceryny w różnych temperaturach (Kalendarz
Chemiczny, tom I, PWT, Warszawa, 1954).
Korzystając z danych zawartych w poniższych tabelach III i IV i posługując się metodą
interpolacji liniowej, należy obliczyć poprawne wartości ε i η niezbędnie potrzebne do
wyznaczenia potencjału elektrokinetycznego według równania (7). Wartość Uwz. dla danego zolu
wzorcowego podawana jest na karteczce tematycznej ćwiczenia, natomiast za α należy podstawić
wartość odpowiadającą cząstkom kulistym.
7
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
Tabela III
Względna stała dielektryczna εr układu gliceryna + woda w temperaturze 298 K*
% wag. gliceryny woda 9,88 20,33 30,19 39,67 50,23 60,15 70,00 90,42 100,00
78,64 75,98 73,86 71,44 68,93 65,72 62,38 58,52 48,66 42,50
εr
Wartość εr gliceryny maleje o 0,2035 na każdy 1K powyżej 298 K, a wody o 0,36 na 1K.**
Wartość εr gliceryny wzrasta o 0,2035 na każdy 1K poniżej 298 K, a wody o 0,36 na 1K.**
*Poradnik Fizykochemiczny B/str.119, WNT, Warszawa 1974.
**A.M. James, M.P. Lord – "Macmillan's Chemical and Physical Data",
(table V.14 and V.15), The Macmillan Press Ltd., London, 1992.
Tabela IV
Współczynnik lepkości dynamicznej η [(Pa⋅s)=(N⋅s/m2)] roztworów
gliceryna + woda w różnych temperaturach i pod ciśnieniem standardowym*
% wag. gliceryny
Temperatura [K]
293
303
313
woda
10
20
50
80
95
96
97
98
99
100
1,002⋅10-3
0,00131
0,00175
0,00598
0,0599
0,521
0,622
0,763
0,936
1,146
1,408
0,7973⋅10-3
0,00103
0,00135
0,0042
0,0338
0,236
0,280
0,339
0,408
0,498
0,610
0,6526⋅10-3
0,000823
0,00107
0,00309
0,0207
0,121
0,142
0,165
0,195
0,234
0,283
*A.M. James, M.P. Lord – "Macmillan's Chemical and Physical Data",
(table II.27 and II.28), The Macmillan Press Ltd., London, 1992.
8
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
Tabela V
Zestawienie danych i wyników obliczeń
Wielkość
Wartość liczbowa
Jednostka
T
K
V
V
A
m/s
Awz
m/s
Uwz.
m2 / V⋅s
η
N⋅s / m2
ε
C / V⋅m
α
Bezw.
ζ
V
4. PYTANIA KONTROLNE
1. Scharakteryzować stan koloidalny.
2. Przedstawić sposoby otrzymywania koloidów.
3. Podać klasyfikację koloidów (różne fazy rozpraszające).
4. Budowa cząstki koloidalnej i potencjał elektrokinetyczny.
5. Elektroforeza i inne zjawiska elektrokinetyczne.
5. LITERATURA
1. Praca zbiorowa - Chemia fizyczna, PWN, Warszawa, 1965.
2. R. Brdicka
- Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa, 1965.
3. K. Gumiński
- Wykłady z chemii fizycznej, PWN, Warszawa, 1971.
9
ELEKTROFOREZA KOLOIDÓW
6. ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW
UWAGA: Zasilacz stabilizowany prądu stałego przygotować
do pracy i
połączyć
go
z elektrodami aparatu Burtona zgodnie z instrukcją stanowiskową. Nieprawidłowe podłączenie
grozi porażeniem prądem elektrycznym. Zasilacz należy włączyć do sieci i wyłączyć po
skontrolowaniu połączeń elektrycznych przez prowadzącego laboratoria. W razie porażeniem
prądem elektrycznym natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia.
W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić
prowadzącego zajęcia.
KlasyfikaOdczynnik
cja
PostępowaZagrożenia
Środki bezpieczeństwa
nie
z odpadami
roztwór zolu
błękitu
metylenowego
Acute Tox.
4, H302
roztwór zolu
czerwieni Kongo
Carc.
1B, H350;
Repr.
2, H361d
roztwór zolu
zieleni
malachitowa
Acute Tox.
3, H301
Eye Dam.
1, H318
Repr.
2, H361d
Aquatic Acute 1,
H400
Aquatic Chronic
1, H410
Dokładnie umyć ręce po użyciu. Nie jeść, nie pić, ani nie Umieścić w
Działa szkodliwie po
palić podczas używania produktu. W PRZYPADKU pojemniku na
połknięciu
POŁKNIĘCIA: W przypadku złego samopoczucia odpady O.
skontaktować się z OŚRODKIEM ZATRUĆ / lekarzem.
Wypłukać usta.
Działa drażniąco na
oczy.
Może
powodować
raka.
Podejrzewa się, że
działa szkodliwie na
płód.
Działa toksycznie po
połknięciu.
Powoduje poważne
uszkodzenie oczu.
Podejrzewa się, że
działa szkodliwie na
płód. Działa bardzo
toksycznie
na
organizmy wodne,
powodując
długotrwałe skutki.
Nosić okulary ochronne, rękawice ochronne. Unikać Umieścić w
narażenia - przed użyciem zapoznać się z instrukcją. pojemniku na
Unikać ekspozycji podczas ciąży. Nie używać przed odpady O.
zapoznaniem się i zrozumieniem wszystkich środków
bezpieczeństwa. Nie dopuścić, do przedostania się do
oczu, na skórę lub ubranie. Nie spożywać.
Nosić okulary ochronne. Unikać uwolnienia do Umieścić w
środowiska.
W
PRZYPADKU
POŁKNIĘCIA: pojemniku na
Natychmiast skontaktować się z OŚRODKIEM odpady O.
ZATRUĆ lub wezwać lekarza. W PRZYPADKU
DOSTANIA SIĘ DO OCZU: skontaktować się z
lekarzem.
Data ostatniej modyfikacji: 13.04.2016
10