三則新設計的膠體實驗

曾德琨　韓佳睿

摘要： 利用生雞蛋卵殼膜透過選擇性的特點做水和蛋白質微粒大小的對比實驗，發現生雞蛋浸泡在水中，一周可增重37%。灌在動物腸衣中的豆漿遇到鹽鹵發生凝聚，可制作豆腐灌腸。用自然光照射硫代硫酸鈉溶液和稀鹽酸的反應體系，可以看到溶液、膠體、懸濁液三種分散系的漸變過程，自然光中波長較短的藍光容易被散射，表現出丁達爾現象的光路是藍色的，波長較長的橙光透過分散系在紙上留下光斑。

關鍵詞： 膠體實驗; 雞蛋卵殼膜; 膠原蛋白腸衣; 丁達爾現象 ;實驗探究

文章編號： 10056629（2020）08006304

中圖分類號： G633 8

文獻標識碼： B

高一必修課程中“物質的分類”的相關教學內容對初、高中化學知識有承上啟下的設計，符合學生認知發展規律。其中對膠體分散系的學習，和初中化學的溶液、懸濁液體系有平行對比的關系，完善了物質按微粒大小進行分類的知識架構。膠體是一種具有重要實際應用的分散系，影響其性質的關鍵點是其分散質的顆粒直徑在10-9～10-7m，介于溶液與濁液分散質顆粒直徑之間。在教學中設計方案將微粒大小呈現出來，可使學生深刻理解膠體具有不同于溶液和濁液的特殊性質及其形成的原因。教材中用紅色激光筆分別照射氫氧化鐵膠體和硫酸銅溶液以區別膠體與溶液。本文利用家庭常見素材，設計以下3個生活實驗讓學生體驗膠體分散質的大小。

1? 實驗一? 雞蛋卵殼膜的選擇透過性

1.1? 實驗步驟

（1） 輕輕敲碎雞蛋底部（氣室的部分），保證雞蛋卵殼膜完整（見圖1）。

（2） 在雞蛋頂部鑿出小孔，將毛細管從小孔處插入雞蛋適當深度。

（3） 用熔融石蠟將毛細管與蛋殼間縫隙進行蠟封，保持密封性良好。

（4） 將此插有毛細管的雞蛋置于盛有蒸餾水的燒杯上，保證露出氣室的雞蛋底部接觸燒杯中的蒸餾水（見圖2），每隔一段時間觀察其變化。

1.2? 實驗現象及解釋

觀察到雞蛋液從毛細管中上升。禽類的蛋殼內貼有一層可透水的卵殼膜。脫鈣的雞蛋，其內部液體僅由卵殼膜支持。雞蛋中的液體為含有蛋白、脂類、碳水化合物和鹽的復雜溶液[1]。雞蛋卵殼膜為半透膜，具有透過選擇性，僅允許小分子物質如水等通過，而蛋白質分子不能穿過。將雞蛋底部的氣室浸在蒸餾水中，由于滲透壓，高濃度物質會向低濃度物質滲透，雞蛋內部水為低濃度相，蛋白質為高濃度相，外部蒸餾水中水為高濃度相，蛋白質為低濃度相。因此，水分子有由燒杯進入雞蛋內部的趨勢，蛋白質分子有由雞蛋內部進入燒杯的趨勢，而半透膜僅允許水分子通過，造成雞蛋內部液體增多壓力增大，從而觀察到雞蛋液從毛細管中上升的現象。

本實驗通過毛細管內液體高度的上升讓學生看到水分子與蛋白質分子微粒大小的區別。還有一種做法，用6mol/L的鹽酸浸泡生雞蛋，將外殼去除。將去除外殼的雞蛋浸泡于蒸餾水中，記錄每天雞蛋的質量變化（見表1），測量周期為一周。

將僅帶有卵殼膜的雞蛋浸泡在蒸餾水中，由于卵殼膜為半透膜，水分子可通過膜向雞蛋內部遷移，一周后，去殼雞蛋總質量增加37%。

2? 實驗二? 制作豆腐灌腸

濾紙的平均孔隙在10-7m數量級，能阻擋大部分濁液的分散質微粒，但可允許膠體粒子及小分子微粒通過。腸衣是一種生活中典型的天然半透膜材料，允許小分子透過，不允許濁液分散質微粒及膠體粒子通過。生物科技公司利用動物皮的真皮層、骨膠等制作的膠原蛋白腸衣和天然腸衣性質相近，可以制作食品，也可以在膠體教學上使用。食物保鮮袋主要為高分子聚乙烯材料，分子排列緊密，不透氣不透水。因此，可以用豆漿中分散質微粒是否能通過上述三種材料作對比實驗，以比較濾紙、半透膜、保鮮袋的孔隙大小，達到比較微粒大小的宏觀呈現效果。

2.1? 實驗步驟

（1） 取一節膠原蛋白腸衣，用棉線扎好一端，再用漏斗將豆漿灌入，扎好另一端，置于盛有蒸餾水的燒杯中，在水中加兩滴管氯化鎂溶液，記為對比實驗1。靜置觀察大約3分鐘左右。

（2） 將豆漿灌在保鮮袋中，扎好袋口，重復步驟（1）中操作，記為對比實驗2。

（3） 將豆漿傾入有濾紙的漏斗中，下接燒杯，靜置觀察，記為對比實驗3。

2.2? 實驗現象及解釋

實驗觀察到： 腸衣中豆漿變成絮狀;保鮮袋中豆漿既不滲出也未發生凝聚;濾紙中豆漿全部濾過。

保鮮袋材料既不允許小分子亦不允許膠體粒子、濁液微粒通過，因此對比實驗2中豆漿無變化;濾紙孔徑較大，對比實驗3中豆漿全部通過濾紙流入燒杯;而膠原蛋白腸衣類似雞蛋卵殼膜均為半透膜，比濾紙的孔隙要小，小分子和離子可以自由進出，但是大分子（如蛋白質、淀粉等高分子化合物等）不能通過。豆漿的主要成分是蛋白質，蛋白質表面帶有羧基和氨基，使蛋白質顆粒表面形成帶有同樣電荷的膠狀物，使顆粒之間相互排斥，不能結合下沉，因此剛開始豆漿呈現穩定體系。燒杯中水分子、Mg2+、 Cl-等微粒通過腸衣進入豆漿，帶負電荷的蛋白質膠粒吸引陽離子，使膠粒的電荷減少或者消失，失去電荷的膠粒容易互相碰撞而結合凝聚，從而使蛋白質凝聚成沉淀形成豆腐。

本實驗利用豆漿水體系通過濾紙、腸衣、保鮮袋三種不同材料能力的對比實驗，比較豆漿的不同表現，讓學生看到膠體和溶液性質的差異性。

3? 實驗三? 用自然光照射不同分散系

3.1? 實驗步驟

（1） 在一適宜體積的玻璃水缸中將0.05mol/L的Na2S2O3溶液與0.10mol/L的鹽酸溶液充分混合，逐漸生成硫單質和二氧化硫。靜置，在水缸一側放置一張白紙，用于接收透射而過的光點。

（2） 打開手電筒，貼著水缸對混合溶液進行照射，觀察溶液中光路的變化以及對面白紙上光點的變化并記錄現象。

3.2? 實驗現象及解釋

實驗大約1分鐘后，出現偏藍色的光路，白紙上呈現橙色光斑。白紙上光點逐漸模糊，3分鐘后，溶液中出現大量沉淀，光束被大顆粒阻擋，反射回來，白紙光點消失。

當將0.05mol/L的Na2S2O3溶液與0.10mol/L鹽酸混合時，體系中會逐漸發生如下反應：

Na2S2O3+2HCl2NaCl+S↓+H2SO3

反應初期，硫單質還未形成，用白光光束照射溶液，光束穿過溶液落在對面的紙上;反應過程中硫單質逐漸形成，當生成小顆粒硫時，符合膠粒大小，散射現象明顯，從垂直于光束的方向看到筆直的光路，光路呈藍色，射出水缸后在紙上出現橙色的光斑（見圖3）[2];反應后期更多硫單質生成，微粒逐漸長大形成濁液，光線被大顆粒反射，因此溶液中光路消失，同時白紙上的光斑也逐漸模糊至無。

當一束光照射到分散系時，可以發生光的吸收、反射、散射或折射（見圖4）。當分散系中分子的固有頻率與入射光相匹配時，即發生光的吸收;當光束與體系不發生任何相互作用時光可透過;當入射光通過粗分散系時，由于其波長小于分散體系中微粒尺寸，發生光的反射，使體系呈現混濁狀;當入射光波長大于分散相微粒尺寸時，則發生光的散射。溶液微粒尺寸（小于1nm）和膠體微粒尺寸（1～100nm）均小于可見光波長（400～760nm），所以溶液和膠體對可見光都有光散射作用。當光波作用到尺寸小于光波波長的粒子上時，粒子中的電子被迫振動（其振動頻率與入射光波的

頻率相同），微粒當中的每個分子便以次級光源的形式，向各個方向發射電磁波，這就是散射波，即散射光，這就是丁達爾（Tyndall）效應，其實質是光的散射。

1871年，瑞利（Rayleigh）提出了稀薄氣溶膠散射光強度的計算公式，后經其他學者推廣到稀的其他溶膠系統當中，稱為瑞利公式，即當入射光為非偏振光時，單位體積液溶膠的散射光強度I，可近似用下列公式表示[3]：

I=9π2V2C2λ4l2n2-n20n2+2n20（1+cos2α）I0

式中，I0及λ為入射光的強度及波長，V為每個分散相粒子的體積，C為單位體積內的微粒數， n， n0為分散相及介質折射率，l為觀察者與散射中心距離，α表示散射角，通常為90°。可見，單位體積的散射光強度與微粒體積的平方成正比，溶液中微粒體積太小，因此僅可產生微弱的散射光，濁液體系由于分散相尺寸大于可見光波長，不產生丁達爾效應，只有膠體微粒尺寸與可見光波長相匹配，使其具有明顯的丁達爾效應，故可由此鑒別分散系的種類。

由瑞利公式可知，散射光強度與入射光波長的4次方成反比，即入射光波越短，其散射強度越強。自然光由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光復合而成，波長由紅光到紫光由長至短，其中波長較短的藍紫區光可引起更強的散射。如圖5所示，靛藍色（455～390nm）比

橙色（597～577nm）波長短，可看到藍光被分散系散射，呈現出藍色光路;而橙光散射得少，透過分散系投在紙上呈現橙色光斑。

在課堂教學中往往需要借助實驗呈現物質單一、純粹的某種特性，這是準確傳遞科學知識的手段。所以，教師在膠體性質實驗中采用硫酸銅溶液、氫氧化鐵膠體[4]作對照實驗，紅色激光筆作為光源觀察丁達爾現象，玻璃紙作為滲析實驗中的半透膜，此類教學載體均可以準確傳達物質性質，但學科知識終究要回到實踐中，學生亦會對課堂實驗中采用的相關實驗條件及材料提出疑惑，這就是知識的生長點。例如，若照射分散系的光源白光（自然光）代替紅色激光筆，會有不同現象嗎？膠體與其他分散系所不同的本質特征就是分散質微粒大小，而白光中包含了波長不同的七色光，波長較短的藍色散射強度高，因此若用自然光照射無色透明的膠體分散系，這時散射光為藍紫色，透射光為橙黃色，具有互補性，硅酸溶膠的丁達爾效應實驗現象就符合這樣的散射光和透射光結論[5]。這個現象和天空、海水為什么看上去是藍色是同一個道理。將紅光替換為白光，可以把物理知識、自然界的現象更多地融合起來，將知識作一個橫向的教學設計，具有更廣泛的應用范圍，對于學生的核心素養達成是一個很自然的教學設計，更易于激發學生對生活中各類現象的科學探索欲望。

同理，雞蛋卵殼膜是一種天然半透膜，用常見的雞蛋作為教具，讓學生進一步理解滲透壓的概念、大分子蛋白質的膠體屬性。同樣，人造膠原蛋白腸衣比雞蛋卵殼膜更易獲得，可以用做滲析、膠體提純等實驗。用生活中的各種材質進行化學實驗，以學生的感受為主，可使其發現生活中各類材料、現象所包含的豐富知識，體驗雞蛋卵殼、腸衣、蛋白質、豆漿等生活中常見物質的性質，可遷移到分散系這一知識體系[6， 7];并結合學過的氯化鐵水解、硫代硫酸鈉與酸反應的現象進一步認識丁達爾現象，可基本完善對膠體的認識，形成一定的創新思維能力，達到抽象的學科知識與生活情境的交叉融合，不僅可將微觀事實用宏觀實驗來表現，更可在運用所學化學知識解決實際問題的過程中培養學生對化學學科的學習熱情，激發學生的探究和求知欲，亦可在學科知識點上輔以生活制作，以提升學生學以致用的能力。

參考文獻：

[1][2]巴薩姆， Z. 沙哈施利著. 王冠博，馬玉國譯. 化學演示實驗[M]. 北京： 北京大學出版社， 2013： 240， 297.

[3]天津大學物理化學教研室. 物理化學[M]. 北京： 高等教育出版社， 2009： 618～620.

[4]王磊， 陳光巨. 普通高中教科書·化學必修1[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019： 46.

[5]李俊生等. 對丁達爾效應的研究[J]. 化學教學， 2014， （1）： 47.

[6]楊飛. 膠體性質的“生活化”實驗設計[J]. 化學教與學， 2014， （5）： 92.

[7]李夢雪. 關于膠體穩定性問題的疑難解析[J]. 化學教學， 2018， （1）： 78.