半透膜教具的創新設計和膠體性質的一體化實驗

廖程和 林祥

摘要：利用火棉膠半透膜的創新自制教具進行過濾、滲析、丁達爾效應一體化實驗，讓學生通過對實驗宏觀現象的觀察來探析膠體結構的微觀特征，從而建立對膠體本質的模型認知。

關鍵詞：氫氧化鐵膠體；半透膜；滲析；新教具；火棉膠溶液

文章編號：1008-0546（2021）11-0093-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.024

一、問題的提出

膠體在工農業生產、生活中的應用十分廣泛，例如土壤保肥、血液透析、豆腐制作等，對膠體性質的初步認識離不開膠體的實驗教學。制得膠體后，為了提高膠體的穩定性，通常采用如圖1的裝置滲析純化膠體。膠體實驗涉及制備、滲析、性質等各種實驗，實驗多且操作復雜，一套簡易可靠的一體化的膠體實驗裝置亟待開發。

教師純理論的講解，學生很難去理解哪些微觀粒子能透過半透膜？哪些微觀粒子不能透過半透膜？如果能通過一系列具體的實驗讓學生“看到”哪些粒子能通過濾紙，哪些粒子能通過半透膜，那么學生就能更好地理解和掌握膠體的性質。在人教版高一化學必修一課本中對膠體的相關實驗僅限于“膠體的制備”和“丁達爾效應”，筆者通過查找資料發現主要是因為半透膜不容易制備，而且現有制備半透膜的方法大多是通過火棉膠溶液制備的半透膜和雞蛋殼制備的半透膜[1]。火棉膠溶液制備半透膜時需要將火棉膠溶液加入到潔凈干燥的錐形瓶中，以錐形瓶為模具在錐形瓶中制備，制備好后再將半透膜與錐形瓶剝離，這個過程比較繁瑣。而雞蛋殼制作半透膜成功率不高，耗時長。有沒有一種更簡易適用的制備半透膜的方法呢？筆者將實驗創新如下：

二、實驗原理

1.制取膠體

化學凝聚法制膠體：把幾滴飽和FeCl3溶液加到沸騰的蒸餾水中，則發生如下反應：

FeCl3+3H2OFe（OH）3（膠體）+3HCl[2]

火棉膠制半透膜的常規方法

2.取6mL市售4-8%的火棉膠，加入干燥的錐形瓶中，將錐形瓶不斷轉動，使瓶的內壁和瓶口都均勻涂有火棉膠。倒出多余的火棉膠，然后放置約5min使乙醚、乙醇溶劑不斷蒸發，直到干燥。逐步剝離瓶口的薄膜，沿瓶壁與薄膜之間的夾縫注入蒸餾水，使薄膜逐步跟瓶壁脫離，輕輕取出，浸入蒸餾水中備用。

3.滲析

在制得的溶膠中常含有一些電解質，通常除了形成膠團所需要的電解質以外，過多的電解質存在反而會破壞溶膠的穩定性，因此必須將溶膠凈化。利用硝酸纖維素（別名：火棉膠）制取的半透膜采用滲析法對溶膠凈化比較簡單易行[3]。

三、實驗過程

1.實驗儀器及用品

4-8%火棉膠溶液（AR，4-8% in ethanol /diethyl ether）、分析純氯化鐵固體、分析純硝酸銀溶液、分析純硫氰化鉀固體、去離子水、高14cm內徑5cm自制大塑料管、試管、100mL燒杯、500mL燒杯、膠頭滴管、試管架、普通漏斗、鐵架臺、激光筆。

2.膠體的制備和半透膜的制作

（1）膠體的制備：

將92.0g的FeCl3.6H2O固體溶于100mL蒸餾水中，制得飽和氯化鐵溶液備用[4]。將25mL蒸餾水加入小燒杯中，加熱至沸騰，用膠頭滴管滴入5-6滴飽和氯化鐵溶液，繼續煮沸至溶液呈紅褐色即停止加熱[5]，利用丁達爾效應檢驗制備好的氫氧化鐵膠體。

（2）改進的半透膜制作

在自制大塑料管（將直徑約5cm的透明塑料瓶底部剪去）管口用保鮮膜包住并繃緊，再用塑料蓋蓋上以固定保鮮膜如圖2。將6mL火棉膠溶液倒入塑料管中。用手托住塑料蓋，將塑料管橫斜并不斷轉動，使底部均勻地鋪滿火棉膠溶液。倒出多余的火棉膠溶液，然后放置約5min使乙醚溶劑不斷揮發（電吹風可以加快乙醚揮發），直至干燥。倒出的多余火棉膠會形成一細長條狀的薄膜連接半透膜與出口處，用手指觸摸掛壁的出口處火棉膠，如若干燥，則說明制得的半透膜已干燥。此時再向塑料管中加入50mL去離子水浸泡3分鐘，遇水后在乙醚未完全揮發完的地方半透膜容易泛白，去掉塑料蓋子，撕去保鮮膜，即可得到平整光滑的半透膜，如圖3，浸入去離子水中備用。

3.實驗裝置

在500mL燒杯中倒入約150mL去離子水，把制備好的半透膜放入燒杯中，然后將漏斗放在大塑料管中，固定好，如圖4。

4.實驗過程及其現象

將制備好的氫氧化鐵膠體，沿著玻璃棒加入漏斗中，我們可以清晰地觀察到氫氧化鐵膠體全部透過了濾紙，進入一端有半透膜的塑料管中，此時要保持塑料管內外液面相持平。加完氫氧化鐵膠體靜置3-5分鐘。接下來對滲透液進行檢驗：分別用膠頭滴管取少量滲透液于兩支試管中，分別滴加硝酸銀溶液和硫氰化鉀溶液。另取兩只試管加入少量去離子水分別滴加硝酸銀溶液和硫氰化鉀溶液作對照組。用激光筆從500mL燒杯外水平照射塑料管中的氫氧化鐵膠體和滲透液。

實驗現象及分析：往去離子水中滴加硝酸銀溶液的試管中無明顯現象，而往滲透液中滴加硝酸銀溶液的試管中產生白色沉淀，如圖5。往去離子水中滴加硫氰化鉀溶液的試管中無明顯現象，而往滲透液中滴加硫氰化鉀溶液的試管溶液變為紅色，如圖6。說明氯離子和鐵離子透過了半透膜。用激光筆照射后俯視裝置發現塑料管內出現一條光亮的通路，而燒杯中無光亮的通路，說明氫氧化鐵沒有透過半透膜，如圖7。

四、實驗注意事項

1.實驗應該用去離子水，不能用蒸餾水，因為蒸餾水中還殘留少量氯離子，干擾后面實驗中氯離子檢驗，實驗中發現有些二次蒸餾水中極微量的氯離子還是能被硝酸銀溶液檢測到。

2.本實驗用于封閉透明塑料圓筒制取半透膜的保鮮膜或玻璃紙一定要光滑平整。

3.大燒杯中加入約150mL去離子水，不能加入太多去離子水，否則會稀釋鐵離子濃度從而影響鐵離子檢驗的靈敏度。

4.往一端形成半透膜的塑料瓶中加入膠體后，半透膜內外液面高度一致，以防半透膜破裂。

5.火棉膠溶液是纖維素硝酸酯的乙醚溶液，乙醚易揮發，氣味濃烈，建議教師在通風櫥下完成制作，給學生探究實驗提前準備好半透膜[6]。

五、自制實驗教具的優點

1.實驗現象明顯，可以過濾、滲析實驗一起做，向學生展示膠體能透過濾紙而不能透過半透膜的一體化設計，便于學生形成對膠體粒子半徑大小的認識。

2.操作簡單、實用，實驗裝置可以上下移動，調整裝置在燒杯中的高度。

3.該裝置制備的半透膜所需火棉膠溶液用量比較少，制備好的半透膜可以多次重復使用。

4.該裝置制作的半透膜，耗時短、成功率高，現象非常明顯。

5.過濾、滲析、丁達爾效應一體化實驗設計便于學生對膠體性質進行科學探究，在實踐過程中建立對膠體的模型認知。

參考文獻

[1]王學坦，汪丹丹.利用數字化實驗選擇Fe（OH）3膠體滲析實驗的半透膜[J].化學教與學，2016（9）：87-88+77

[2]傅獻彩，沈文霞，姚天揚.物理化學.4版[M].北京：高等教育出版社，1990（2003重印）：994

[3]傅獻彩，沈文霞，姚天揚.物理化學.4版[M].北京：高等教育出版社，1990（2003重印）：996

[4]魏釗，趙國勇，孫玉婷.運用數字化實驗技術探究凝聚法制備氫氧化鐵膠體的過程[J].化學教育，2018（1）：63-65

[5]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書：化學1[M].北京：人民教育出版社，2009：26

[6]劉曉紅，袁文文，鄧海威，周海亮.利用手持技術選擇氫氧化鐵膠體滲析實驗半透膜[J].化學教育，2014（3）：77-79