2023年三则新设计的胶体实验.docx

三那么新设计的胶体实验 曾德琨　韩佳睿 ： 利用生鸡蛋卵壳膜透过选择性的特点做水和蛋白质微粒大小的比照实验，发现生鸡蛋浸泡在水中，一周可增重37%。灌在动物肠衣中的豆浆遇到盐卤发生凝聚，可制作豆腐灌肠。用自然光照射硫代硫酸钠溶液和稀盐酸的反响体系，可以看到溶液、胶体、悬浊液三种分散系的渐变过程，自然光中波长较短的蓝光容易被散射，表现出丁达尔现象的光路是蓝色的，波长较长的橙光透过分散系在纸上留下光斑。 关键词： 胶体实验; 鸡蛋卵壳膜; 胶原蛋白肠衣; 丁达尔现象 ;实验探究 文章编号： 10056629（2022）08006304 中图分类号： G633 8 文献标识码： B 高一必修课程中“物质的分类〞的相关教学内容对初、高中化学知识有承上启下的设计，符合学生认知开展规律。其中对胶体分散系的学习，和初中化学的溶液、悬浊液体系有平行比照的关系，完善了物质按微粒大小进行分类的知识架构。胶体是一种具有重要实际应用的分散系，影响其性质的关键点是其分散质的颗粒直径在10-9～10-7m，介于溶液与浊液分散质颗粒直径之间。在教学中设计方案将微粒大小呈现出来，可使学生深刻理解胶体具有不同于溶液和浊液的特殊性质及其形成的原因。教材中用红色激光笔分别照射氢氧化铁胶体和硫酸铜溶液以区别胶体与溶液。本文利用家庭常见素材，设计以下3个生活实验让学生体验胶体分散质的大小。 1  实验一  鸡蛋卵壳膜的选择透过性 1.1  实验步骤 （1） 轻轻敲碎鸡蛋底部（气室的局部），保证鸡蛋卵壳膜完整（见图1）。 （2） 在鸡蛋顶部凿出小孔，将毛细管从小孔处插入鸡蛋适当深度。 （3） 用熔融石蜡将毛细管与蛋壳间缝隙进行蜡封，保持密封性良好。 （4） 将此插有毛细管的鸡蛋置于盛有蒸馏水的烧杯上，保证露出气室的鸡蛋底部接触烧杯中的蒸馏水（见图2），每隔一段时间观察其变化。 1.2  实验现象及解释 观察到鸡蛋液从毛细管中上升。禽类的蛋壳内贴有一层可透水的卵壳膜。脱钙的鸡蛋，其内部液体仅由卵壳膜支持。鸡蛋中的液体为含有蛋白、脂类、碳水化合物和盐的复杂溶液[1]。鸡蛋卵壳膜为半透膜，具有透过选择性，仅允许小分子物质如水等通过，而蛋白质分子不能穿过。将鸡蛋底部的气室浸在蒸馏水中，由于渗透压，高浓度物质会向低浓度物质渗透，鸡蛋内部水为低浓度相，蛋白质为高浓度相，外部蒸馏水中水为高浓度相，蛋白质为低浓度相。因此，水分子有由烧杯进入鸡蛋内部的趋势，蛋白质分子有由鸡蛋内部进入烧杯的趋势，而半透膜仅允许水分子通过，造成鸡蛋内部液体增多压力增大，从而观察到鸡蛋液从毛细管中上升的现象。 本实验通过毛细管内液体高度的上升让学生看到水分子与蛋白质分子微粒大小的区别。还有一种做法，用6mol/L的盐酸浸泡生鸡蛋，将外壳去除。将去除外壳的鸡蛋浸泡于蒸馏水中，记录每天鸡蛋的质量变化（见表1），测量周期为一周。 将仅带有卵壳膜的鸡蛋浸泡在蒸馏水中，由于卵壳膜为半透膜，水分子可通过膜向鸡蛋内部迁移，一周后，去壳鸡蛋总质量增加37%。 2  实验二  制作豆腐灌肠 滤纸的平均孔隙在10-7m数量级，能阻挡大局部浊液的分散质微粒，但可允许胶体粒子及小分子微粒通过。肠衣是一种生活中典型的天然半透膜材料，允许小分子透过，不允许浊液分散质微粒及胶体粒子通过。生物科技公司利用动物皮的真皮层、骨胶等制作的胶原蛋白肠衣和天然肠衣性质相近，可以制作食品，也可以在胶体教学上使用。食物保鲜袋主要为高分子聚乙烯材料，分子排列紧密，不透气不透水。因此，可以用豆浆中分散质微粒是否能通过上述三种材料作比照实验，以比较滤纸、半透膜、保鲜袋的孔隙大小，到达比较微粒大小的宏观呈现效果。 2.1  实验步骤 （1） 取一节胶原蛋白肠衣，用棉线扎好一端，再用漏斗将豆浆灌入，扎好另一端，置于盛有蒸馏水的烧杯中，在水中加两滴管氯化镁溶液，记为比照实验1。静置观察大约3分钟左右。 （2） 将豆浆灌在保鲜袋中，扎好袋口，重复步骤（1）中操作，记为比照实验2。 （3） 将豆浆倾入有滤纸的漏斗中，下接烧杯，静置观察，记为比照实验3。 2.2  实验现象及解释 实验观察到： 肠衣中豆浆变成絮状;保鲜袋中豆浆既不渗出也未发生凝聚;滤纸中豆浆全部滤过。 保鲜袋材料既不允许小分子亦不允许胶体粒子、浊液微粒通过，因此比照实验2中豆浆无变化;滤纸孔径较大，比照实验3中豆浆全部通过滤纸流入烧杯;而胶原蛋白肠衣类似鸡蛋卵壳膜均为半透膜，比滤纸的孔隙要小，小分子和离子可以自由进出，但是大分子（如蛋白质、淀粉等高分子化合物等）不能通过。豆浆的主要成分是蛋白质，蛋白质外表带有羧基和氨基，使蛋白质颗粒外表形成带有同样电荷的膠状物，使颗粒之间相互排斥，不能结合下沉，因此刚开始豆浆呈现稳定体系。烧杯中水分子、Mg2+、 Cl-等微粒通过肠衣进入豆浆，带负电荷的蛋白质胶粒吸引阳离子，使胶粒的电荷减少或者消失，失去电荷的胶粒容易互相碰撞而结合凝聚，从而使蛋白质凝聚成沉淀形成豆腐。 本实验利用豆浆水体系通过滤纸、肠衣、保鲜袋三种不同材料能力的比照实验，比较豆浆的不同表现，让学生看到胶体和溶液性质的差异性。 3  实验三  用自然光照射不同分散系 3.1  实验步骤 （1） 在一适宜体积的玻璃水缸中将0.05mol/L的Na2S2O3溶液与0.10mol/L的盐酸溶液充分混合，逐渐生成硫单质和二氧化硫。静置，在水缸一侧放置一张白纸，用于接收透射而过的光点。 （2） 翻开手电筒，贴着水缸对混合溶液进行照射，观察溶液中光路的变化以及对面白纸上光点的变化并记录现象。 3.2  实验现象及解释 实验大约1分钟后，出现偏蓝色的光路，白纸上呈现橙色光斑。白纸上光点逐渐模糊，3分钟后，溶液中出现大量沉淀，光束被大颗粒阻挡，反射回来，白纸光点消失。 当将0.05mol/L的Na2S2O3溶液与0.10mol/L盐酸混合时，体系中会逐渐发生如下反响： Na2S2O3+2HCl2NaCl+S↓+H2SO3 反响初期，硫单质还未形成，用白光光束照射溶液，光束穿过溶液落在对面的纸上;反响过程中硫单质逐渐形成，当生成小颗粒硫时，符合胶粒大小，散射现象明显，从垂直于光束的方向看到笔直的光路，光路呈蓝色，射出水缸后在纸上出现橙色的光斑（见图3）[2];反响后期更多硫单质生成，微粒逐渐长大形成浊液，光线被大颗粒反射，因此溶液中光路消失，同时白纸上的光斑也逐渐模糊至无。 当一束光照射到分散系时，可以发生光的吸收、反射、散射或折射（见图4）。当分散系中分子的固有频率与入射光相匹配时，即发生光的吸收;当光束与体系不发生任何相互作用时光可透过;当入射光通过粗分散系时，由于其波长小于分散体系中微粒尺寸，发生光的反射，使体系呈现混浊状;当入射光波长大于分散相微粒尺寸时，那么发生光的散射。溶液微粒尺寸（小于1nm）和胶体微粒尺寸（1～100nm）均小于可见光波长（400～760nm），所以溶液和胶体对可见光都有光散射作用。当光波作用到尺寸小于光波波长的粒子上时，粒子中的电子被迫振动（其振动频率与入射光波的 频率相同），微粒当中的每个分子便以次级光源的形式，向各个方向发射电磁波，这就是散射波，即散射光，这就是丁达尔（Tyndall）效应，其实质是光的散射。 1871年，瑞利（Rayleigh）提出了稀薄气溶胶散射光强度的计算公式，后经其他学者推广到稀的其他溶胶系统当中，称为瑞利公式，即当入射光为非偏振光时，单位体积液溶胶的散射光强度I，可近似用以下公式表示[3]： I=9π2V2C2λ4l2n2-n20n2+2n20（1+cos2α）I0 式中，I0及λ为入射光的强度及波长，V为每个分散相粒子的体积，C为单位体积内的微粒数， n， n0为分散相及介质折射率，l为观察者与散射中心距离，α表示散射角，通常为90°。可见，单位体积的散射光强度与微粒体积的平方成正比，溶液中微粒体积太小，因此仅可产生微弱的散射光，浊液体系由于分散相尺寸大于可见光波长，不产生丁达尔效应，只有胶体微粒尺寸与可见光波长相匹配，使其具有明显的丁达尔效应，故可由此鉴别分散系的种类。 由瑞利公式可知，散射光强度与入射光波长的4次方成反比，即入射光波越短，其散射强度越强。自然光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光复合而成，波长由红光到紫光由长至短，其中波长较短的蓝紫区光可引起更强的散射。如图5所示，靛蓝色（455～390nm）比 橙色（597～577nm）波长短，可看到蓝光被分散系散射，呈现出蓝色光路;而橙光散射得少，透过分散系投在纸上呈现橙色光斑。 在课堂教学中往往需要借助实验呈现物质单一、纯粹的某种特性，这是准确传递科学知识的手段。所以，教师在胶体性质实验中采用硫酸铜溶液、氢氧化铁胶体[4]作对照实验，红色激光笔作为光源观察丁达尔现象，玻璃纸作为渗析实验中的半透膜，此类教学载体均可以准确传达物质性质，但学科知识终究要回到实践中，学生亦会对课堂实验中采用的相关实验条件及材料提出疑惑，这就是知识的生长点。例如，假设照射分散系的光源白光（自然光）代替红色激光笔，会有不同现象吗？胶体与其他分散系所不同的本质特征就是分散质微粒大小，而白光中包含了波长不同的七色光，波长较短的蓝色散射强度高，因此假设用自然光照射无色透明的胶体分散系，这时散射光为蓝紫色，透射光为橙黄色，具有互补性，硅酸溶胶的丁达尔效应实验现象就符合这样的散射光和透射光结论[5]。这个现象和天空、海水为什么看上去是蓝色是同一个道理。将红光替换为白光，可以把物理知识、自然界的现象更多地融合起来，将知识作一个横向的教学设计，具有更广泛的应用范围，对于学生的核心素养达成是一个很自然的教学设计，更易于激发学生对生活中各类现象的科学探索欲望。 同理，鸡蛋卵壳膜是一种天然半透膜，用常见的鸡蛋作为教具，让学生进一步理解渗透压的概念、大分子蛋白质的胶体属性。同样，人造胶原蛋白肠衣比鸡蛋卵壳膜更易获得，可以用做渗析、胶体提纯等实验。用生活中的各种材质进行化学实验，以学生的感受为主，可使其发现生活中各类材料、现象所包含的丰富知识，体验鸡蛋卵壳、肠衣、蛋白质、豆浆等生活中常见物质的性质，可迁移到分散系这一知识体系[6， 7];并结合学过的氯化铁水解、硫代硫酸钠与酸反响的现象进一步认识丁达尔现象，可根本完善对胶体的认识，形成一定的创新思维能力，到达抽象的学科知识与生活情境的交叉融合，不仅可将微观事实用宏观实验来表现，更可在运用所学化学知识解决实际问题的过程中培养学生对化学学科的学习热情，激发学生的探究和求知欲，亦可在学科知识点上辅以生活制作，以提升学生学以致用的能力。 參考文献： [1][2]巴萨姆， Z. 沙哈施利著. 王冠博，马玉国译. 化学演示实验[M]. 北京： 北京大学出版社， 2022： 240， 297. [3]天津大学物理化学教研室. 物理化学[M]. 北京： 高等教育出版社， 2022： 618～620. [4]王磊， 陈光巨. 普通高中教科书·化学必修1[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2022： 46. [5]李俊生等. 对丁达尔效应的研究[J]. 化学教学， 2022， （1）： 47. [6]杨飞. 胶体性质的“生活化〞实验设计[J]. 化学教与学， 2022， （5）： 92. [7]李梦雪. 关于胶体稳定性问题的疑难解析[J]. 化学教学， 2022， （1）： 78.