曾德琨　韓佳睿

摘要： 利用生雞蛋卵殼膜透過選擇性的特點(diǎn)做水和蛋白質(zhì)微粒大小的對比實驗，發(fā)現(xiàn)生雞蛋浸泡在水中，一周可增重37%。灌在動物腸衣中的豆?jié){遇到鹽鹵發(fā)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(yīng)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(lán)光容易被散射，表現(xiàn)出丁達(dá)爾現(xiàn)象的光路是藍(lán)色的，波長較長的橙光透過分散系在紙上留下光斑。

關(guān)鍵詞： 膠體實驗; 雞蛋卵殼膜; 膠原蛋白腸衣; 丁達(dá)爾現(xiàn)象 ;實驗探究

文章編號： 10056629（2020）08006304

中圖分類號： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

高一必修課程中“物質(zhì)的分類”的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容對初、高中化學(xué)知識有承上啟下的設(shè)計，符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。其中對膠體分散系的學(xué)習(xí)，和初中化學(xué)的溶液、懸濁液體系有平行對比的關(guān)系，完善了物質(zhì)按微粒大小進(jìn)行分類的知識架構(gòu)。膠體是一種具有重要實際應(yīng)用的分散系，影響其性質(zhì)的關(guān)鍵點(diǎn)是其分散質(zhì)的顆粒直徑在10-9～10-7m，介于溶液與濁液分散質(zhì)顆粒直徑之間。在教學(xué)中設(shè)計方案將微粒大小呈現(xiàn)出來，可使學(xué)生深刻理解膠體具有不同于溶液和濁液的特殊性質(zhì)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(qū)別膠體與溶液。本文利用家庭常見素材，設(shè)計以下3個生活實驗讓學(xué)生體驗?zāi)z體分散質(zhì)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(xì)管從小孔處插入雞蛋適當(dāng)深度。

（3） 用熔融石蠟將毛細(xì)管與蛋殼間縫隙進(jìn)行蠟封，保持密封性良好。

（4） 將此插有毛細(xì)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(xiàn)象及解釋

觀察到雞蛋液從毛細(xì)管中上升。禽類的蛋殼內(nèi)貼有一層可透水的卵殼膜。脫鈣的雞蛋，其內(nèi)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(fù)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(zhì)如水等通過，而蛋白質(zhì)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(zhì)會向低濃度物質(zhì)滲透，雞蛋內(nèi)部水為低濃度相，蛋白質(zhì)為高濃度相，外部蒸餾水中水為高濃度相，蛋白質(zhì)為低濃度相。因此，水分子有由燒杯進(jìn)入雞蛋內(nèi)部的趨勢，蛋白質(zhì)分子有由雞蛋內(nèi)部進(jìn)入燒杯的趨勢，而半透膜僅允許水分子通過，造成雞蛋內(nèi)部液體增多壓力增大，從而觀察到雞蛋液從毛細(xì)管中上升的現(xiàn)象。

本實驗通過毛細(xì)管內(nèi)液體高度的上升讓學(xué)生看到水分子與蛋白質(zhì)分子微粒大小的區(qū)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(zhì)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(nèi)部遷移，一周后，去殼雞蛋總質(zhì)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(shù)量級，能阻擋大部分濁液的分散質(zhì)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(zhì)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(zhì)相近，可以制作食品，也可以在膠體教學(xué)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?jié){中分散質(zhì)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(dá)到比較微粒大小的宏觀呈現(xiàn)效果。

2.1? 實驗步驟

（1） 取一節(jié)膠原蛋白腸衣，用棉線扎好一端，再用漏斗將豆?jié){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?jié){灌在保鮮袋中，扎好袋口，重復(fù)步驟（1）中操作，記為對比實驗2。

（3） 將豆?jié){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(xiàn)象及解釋

實驗觀察到： 腸衣中豆?jié){變成絮狀;保鮮袋中豆?jié){既不滲出也未發(fā)生凝聚;濾紙中豆?jié){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?jié){無變化;濾紙孔徑較大，對比實驗3中豆?jié){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(jìn)出，但是大分子（如蛋白質(zhì)、淀粉等高分子化合物等）不能通過。豆?jié){的主要成分是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)表面帶有羧基和氨基，使蛋白質(zhì)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(jié)合下沉，因此剛開始豆?jié){呈現(xiàn)穩(wěn)定體系。燒杯中水分子、Mg2+、 Cl-等微粒通過腸衣進(jìn)入豆?jié){，帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)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(jié)合凝聚，從而使蛋白質(zhì)凝聚成沉淀形成豆腐。

本實驗利用豆?jié){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?jié){的不同表現(xiàn)，讓學(xué)生看到膠體和溶液性質(zhì)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(zhì)和二氧化硫。靜置，在水缸一側(cè)放置一張白紙，用于接收透射而過的光點(diǎn)。

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

3.2? 實驗現(xiàn)象及解釋

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

當(dāng)將0.05mol/L的Na2S2O3溶液與0.10mol/L鹽酸混合時，體系中會逐漸發(fā)生如下反應(yīng)：

Na2S2O3+2HCl2NaCl+S↓+H2SO3

反應(yīng)初期，硫單質(zhì)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(yīng)過程中硫單質(zhì)逐漸形成，當(dāng)生成小顆粒硫時，符合膠粒大小，散射現(xiàn)象明顯，從垂直于光束的方向看到筆直的光路，光路呈藍(lán)色，射出水缸后在紙上出現(xiàn)橙色的光斑（見圖3）[2];反應(yīng)后期更多硫單質(zhì)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(dāng)一束光照射到分散系時，可以發(fā)生光的吸收、反射、散射或折射（見圖4）。當(dāng)分散系中分子的固有頻率與入射光相匹配時，即發(fā)生光的吸收;當(dāng)光束與體系不發(fā)生任何相互作用時光可透過;當(dāng)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(fā)生光的反射，使體系呈現(xiàn)混濁狀;當(dāng)入射光波長大于分散相微粒尺寸時，則發(fā)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(dāng)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(dāng)中的每個分子便以次級光源的形式，向各個方向發(fā)射電磁波，這就是散射波，即散射光，這就是丁達(dá)爾（Tyndall）效應(yīng)，其實質(zhì)是光的散射。

1871年，瑞利（Rayleigh）提出了稀薄氣溶膠散射光強(qiáng)度的計算公式，后經(jīng)其他學(xué)者推廣到稀的其他溶膠系統(tǒng)當(dāng)中，稱為瑞利公式，即當(dāng)入射光為非偏振光時，單位體積液溶膠的散射光強(qiáng)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(qiáng)度及波長，V為每個分散相粒子的體積，C為單位體積內(nèi)的微粒數(shù)， n， n0為分散相及介質(zhì)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°?？梢?，單位體積的散射光強(qiáng)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(chǎn)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(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，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(dá)爾效應(yīng)，故可由此鑒別分散系的種類。

由瑞利公式可知，散射光強(qiáng)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(qiáng)度越強(qiáng)。自然光由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七色光復(fù)合而成，波長由紅光到紫光由長至短，其中波長較短的藍(lán)紫區(qū)光可引起更強(qiáng)的散射。如圖5所示，靛藍(lán)色（455～390nm）比

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

在課堂教學(xué)中往往需要借助實驗呈現(xiàn)物質(zhì)單一、純粹的某種特性，這是準(zhǔn)確傳遞科學(xué)知識的手段。所以，教師在膠體性質(zhì)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(dá)爾現(xiàn)象，玻璃紙作為滲析實驗中的半透膜，此類教學(xué)載體均可以準(zhǔn)確傳達(dá)物質(zhì)性質(zhì)，但學(xué)科知識終究要回到實踐中，學(xué)生亦會對課堂實驗中采用的相關(guān)實驗條件及材料提出疑惑，這就是知識的生長點(diǎn)。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(xiàn)象嗎？膠體與其他分散系所不同的本質(zhì)特征就是分散質(zhì)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(lán)色散射強(qiáng)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(lán)紫色，透射光為橙黃色，具有互補(bǔ)性，硅酸溶膠的丁達(dá)爾效應(yīng)實驗現(xiàn)象就符合這樣的散射光和透射光結(jié)論[5]。這個現(xiàn)象和天空、海水為什么看上去是藍(lán)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(xiàn)象更多地融合起來，將知識作一個橫向的教學(xué)設(shè)計，具有更廣泛的應(yīng)用范圍，對于學(xué)生的核心素養(yǎng)達(dá)成是一個很自然的教學(xué)設(shè)計，更易于激發(fā)學(xué)生對生活中各類現(xiàn)象的科學(xué)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(xué)生進(jìn)一步理解滲透壓的概念、大分子蛋白質(zhì)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(zhì)進(jìn)行化學(xué)實驗，以學(xué)生的感受為主，可使其發(fā)現(xiàn)生活中各類材料、現(xiàn)象所包含的豐富知識，體驗雞蛋卵殼、腸衣、蛋白質(zhì)、豆?jié){等生活中常見物質(zhì)的性質(zhì)，可遷移到分散系這一知識體系[6， 7];并結(jié)合學(xué)過的氯化鐵水解、硫代硫酸鈉與酸反應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)一步認(rèn)識丁達(dá)爾現(xiàn)象，可基本完善對膠體的認(rèn)識，形成一定的創(chuàng)新思維能力，達(dá)到抽象的學(xué)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(xiàn)，更可在運(yùn)用所學(xué)化學(xué)知識解決實際問題的過程中培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生的探究和求知欲，亦可在學(xué)科知識點(diǎn)上輔以生活制作，以提升學(xué)生學(xué)以致用的能力。

參考文獻(xiàn)：

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

[3]天津大學(xué)物理化學(xué)教研室. 物理化學(xué)[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(xué)必修1[M]. 濟(jì)南： 山東科學(xué)技術(shù)出版社， 2019： 46.

[5]李俊生等. 對丁達(dá)爾效應(yīng)的研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （1）： 47.

[6]楊飛. 膠體性質(zhì)的“生活化”實驗設(shè)計[J]. 化學(xué)教與學(xué)， 2014， （5）： 92.

[7]李夢雪. 關(guān)于膠體穩(wěn)定性問題的疑難解析[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （1）： 78.