高思未 高耀文 王富強(qiáng)

摘 要 氫氧化鐵膠體的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)之一，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)教科書(shū)中保護(hù)氫氧化鐵膠體所選用的試劑是明膠，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)提前配置好的明膠試劑用于課堂教學(xué)時(shí)，加入聚沉劑后仍然有沉淀產(chǎn)生，保護(hù)效果不佳。因此本實(shí)驗(yàn)根據(jù)這一問(wèn)題探究了最佳的保護(hù)試劑，基于“顏色識(shí)別器”軟件中的V值（色密度）與常見(jiàn)保護(hù)劑之間存在的半定量關(guān)系進(jìn)行分析，獲得經(jīng)濟(jì)、高效率的保護(hù)試劑，提高氫氧化鐵膠體的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 氫氧化鐵膠體 保護(hù)劑 顏色識(shí)別器 半定量研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）02-0004-03

1 問(wèn)題的提出

膠體分散質(zhì)顆粒的直徑在1nm-100nm之間，這一關(guān)鍵性質(zhì)使膠體成為日常實(shí)際生活中具有重要作用的分散系，分散質(zhì)微粒的直徑大小也是區(qū)別溶液、膠體和濁液的根本。正是由于其直徑大小的不同才具備了膠體的多種性質(zhì)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用，例如：丁達(dá)爾效應(yīng)、滲析、電泳、聚沉等。性質(zhì)決定用途，膠體在生活中的應(yīng)用也比較普遍，例如：鹵水點(diǎn)豆腐、靜電除塵、沖擊島形成、納米材料等[1]。因此，保護(hù)膠體提高其應(yīng)用價(jià)值具有重要意義，通過(guò)定性分析膠體的保護(hù)情況是普遍常用的方法，目前信息化技術(shù)也為教學(xué)提供了很多輔助作用，可以通過(guò)智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)半定量分析。教科書(shū)講解了有關(guān)膠體保護(hù)的試劑主要是明膠，明膠是一種親水性膠體，常用來(lái)保護(hù)膠體，但是存放在潮濕地方會(huì)發(fā)霉，黏度、質(zhì)量都會(huì)受到影響，因此保護(hù)劑的選擇會(huì)影響膠體的穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)借助顏色識(shí)別器軟件來(lái)輔助學(xué)生對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象的觀察，將定性的實(shí)驗(yàn)半定量化，學(xué)生通過(guò)讀取顏色識(shí)別器上的V值就可以一目了然地判斷此時(shí)該物質(zhì)屬于哪種分散系。這種方法不僅使學(xué)生可以更直觀地學(xué)習(xí)和理解膠體的概念，也能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，教師在傳授課堂知識(shí)的過(guò)程中逐漸從單一化的形式向多元化的手段發(fā)展，這一思想也符合我國(guó)新課程改革的理念，以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式推進(jìn)新課知識(shí)的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生積極主動(dòng)探究的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

強(qiáng)酸和強(qiáng)堿反應(yīng)形成的鹽叫強(qiáng)酸弱堿鹽，如硫酸鋁、硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵等[2]。FeCl3+3H2O= Fe（OH）3（膠體）+3HCl，弱堿陽(yáng)離子Fe3+與水溶液中的OH-形成難電離的物質(zhì)。膠體也被稱(chēng)作膠狀分散體，是一種部?jī)?nèi)部均勻的混合物[3]。根據(jù)分散質(zhì)粒子的直徑大小分為溶液、膠體和濁液，分散質(zhì)微粒直徑小于1nm為溶液、介于1nm-100nm之間為膠體、大于100nm為濁液，因此溶液分散質(zhì)既可以透過(guò)濾紙、也可以透過(guò)半透膜，而膠體分散質(zhì)能透過(guò)濾紙但不能透過(guò)半透膜。半透膜是一種存在小空隙的薄膜，常用于一些分子和離子進(jìn)行擴(kuò)散的場(chǎng)所。通常來(lái)說(shuō)，只有離子和小分子物質(zhì)通過(guò)，而生物大分子是不能自由通過(guò)的，一般會(huì)選用羊皮紙、玻璃紙等做半透膜，但由于實(shí)驗(yàn)室中的玻璃紙較硬，在使用時(shí)容易折碎，不易使用，不僅容易對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程造成一定的影響，也比較浪費(fèi)。從環(huán)保取材的角度看，雞蛋膜比玻璃紙更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此本實(shí)驗(yàn)選取的是用醋酸浸泡過(guò)的的雞蛋，在一段時(shí)間后被酸浸泡的雞蛋殼逐漸脫離，內(nèi)層雞蛋膜完整無(wú)損，可以用來(lái)做半透膜。因?yàn)槟z體粒子的表面積大，有很強(qiáng)的吸附力，加電解質(zhì)、輻射或者加熱都會(huì)使膠體顆粒變大，會(huì)出現(xiàn)聚沉現(xiàn)象[4]。為探究膠體的保護(hù)劑防止聚沉現(xiàn)象產(chǎn)生，可以運(yùn)用“顏色識(shí)別器”軟件來(lái)辨識(shí)膠體的保護(hù)情況，從而提高膠體的保護(hù)程度，體現(xiàn)更高價(jià)值。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：六水三氯化鐵、去離子水、明膠、聚丙烯酸鈉、瓊脂、硝酸銀溶液、亞鐵氰化鉀、甲基橙溶液。

實(shí)驗(yàn)儀器：燒杯、激光筆、一次性膠頭滴管、量筒、酒精燈、石棉網(wǎng)、三腳架、LED燈、試管、雞蛋半透膜（自制）、橡皮筋、顏色識(shí)別器、計(jì)時(shí)器。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）氫氧化鐵膠體制備。稱(chēng)取20g六水氯化鐵固體溶于20ml水中攪拌溶解，量取50mL蒸餾水于燒杯中加熱煮沸，逐滴加入飽和FeCl3溶液并保持加熱，待溶液呈深紅褐色，停止加熱后靜置，并于較暗環(huán)境中用激光筆照射盛有Fe（OH）3膠體的燒杯觀察丁達(dá)爾現(xiàn)象。

（2）滲析。一支吸管懸掛在玻璃棒上，上端橡皮筋套在玻璃棒上，下端橡皮筋裹緊半透膜，另取一支試管吸取冷卻后的Fe（OH）3膠體從上端滴于雞蛋膜中，將盛有膠體半透膜部分浸泡在蒸餾水中滲析5min，如圖1所示。取少量燒杯中的溶液于試管1、2、3中，試管1：滴加2-3滴AgNO3溶液;試管2：滴加K4[Fe（CN）6]溶液;試管3：滴加甲基紅試劑。

（3）膠體的保護(hù)。常見(jiàn)保護(hù)試劑有明膠、聚丙烯酸鈉、瓊脂、硅酸鎂鋁等。其中明膠是教科書(shū)指定保護(hù)劑，明膠是一種天然營(yíng)養(yǎng)型的食品增稠劑，其溶解度與凝固溫度相差很小，易受水份、溫度、濕度的影響而變質(zhì);聚丙烯酸鈉為淡黃色粘稠液體，易溶于水，呈弱堿性，耐熱性很好，久存黏度變化極小，即使在高溫下也極為穩(wěn)定，除熱穩(wěn)定性外，聚丙烯酸鈉在經(jīng)過(guò)凍結(jié)、攪拌和長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，其黏度均無(wú)顯著變化;瓊脂具有凝固性、穩(wěn)定性，能與一些物質(zhì)形成絡(luò)合物等，可作為增稠劑、凝固劑、懸浮劑、乳化劑、保鮮劑和穩(wěn)定劑。由此推測(cè)聚丙烯酸鈉、瓊脂的保護(hù)作用優(yōu)于明膠，進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

取三支試管滴加2ml滲析三次后的氫氧化鐵膠體，分別滴加1ml的1%明膠、1%聚丙烯酸鈉、1%瓊脂，置于空氣中放置數(shù)小時(shí)后觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

借助“顏色識(shí)別器”軟件對(duì)膠體保護(hù)現(xiàn)象進(jìn)行分析，拍照時(shí)由于環(huán)境因素影響，因此統(tǒng)一選擇在LED燈光下進(jìn)行，同時(shí)以白色為背景來(lái)避免光照強(qiáng)度因素的干擾，“顏色識(shí)別器”APP是一款非常方便的顏色識(shí)別軟件，通過(guò)輸入“顏色識(shí)別器”便可免費(fèi)下載應(yīng)用，僅需將圖標(biāo)對(duì)準(zhǔn)某一位置即可得出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色名稱(chēng)和代碼YUV（明亮度、色度、色密度）、RGB（紅、綠、藍(lán)）等，其中V主要用于描述圖像色彩飽和度，V值越高，代表該像素的顏色飽和度越高[5]。

空白組與實(shí)驗(yàn)組：

空白組是在經(jīng)過(guò)滲析后的氫氧化鐵膠體中直接滴加亞鐵氰化鉀試劑，用激光筆照射發(fā)現(xiàn)沒(méi)有丁達(dá)爾效應(yīng)，溶液聚沉，試管懸掛于鐵架臺(tái)上拍照;實(shí)驗(yàn)組是在經(jīng)過(guò)滲析后的氫氧化鐵膠體中分別滴加保護(hù)試劑明膠、聚丙烯酸鈉和瓊脂，然后再滴加亞鐵氰化鉀試劑，用激光筆照射發(fā)現(xiàn)有丁達(dá)爾效應(yīng)。

空白實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等體積的氫氧化鐵膠體加聚沉劑后無(wú)丁達(dá)爾效應(yīng)，利用“顏色識(shí)別器”測(cè)得V值;實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)等體積的氫氧化鐵膠體加保護(hù)劑后再加聚沉劑仍有丁達(dá)爾效應(yīng)，其V值隨時(shí)間變化呈現(xiàn)規(guī)律變化。利用作圖軟件將所測(cè)得V值描繪成曲線圖，得到規(guī)律性高，具有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

觀察V值的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，明膠、聚丙烯酸鈉、瓊脂對(duì)氫氧化鐵均起到保護(hù)作用，不同時(shí)間段保護(hù)劑對(duì)氫氧化鐵膠體保護(hù)程度不同，其中瓊脂的保護(hù)效果最佳，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中選用的保護(hù)劑明膠在未加保鮮膜的情況下觀察到五小時(shí)后開(kāi)始絮凝，聚丙烯酸鈉八小時(shí)后開(kāi)始絮凝。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

膠體中存在的微粒是膠團(tuán)，膠體是由膠團(tuán)組成的，膠團(tuán)是由膠核、吸附層、擴(kuò)散層構(gòu)成，膠核又是由許多分子或其他微粒聚集而成的，它具有強(qiáng)吸附能力。在膠核的外圍存在著一個(gè)雙電層，即吸附層和擴(kuò)散層，吸附層指的是膠核表面吸附的離子靜電吸引其它帶相反電荷的離子（簡(jiǎn)稱(chēng)反離子）;擴(kuò)散層指的是除過(guò)吸附層的反離子之外，在吸附層的外圍是其余的反離子，離吸附層越遠(yuǎn)，這種帶相反電荷的離子就越少，相反離子如果為零，即說(shuō)明反離子到膠核表面對(duì)電荷無(wú)影響的區(qū)域了，所以吸附層界面中帶相反電荷的離子少到為零的區(qū)域叫擴(kuò)散層。通俗地說(shuō)，膠核吸附了帶某種電荷的離子后，形成膠粒，帶電荷的膠粒又可進(jìn)一步吸附帶相反電荷的物質(zhì)。

因此加保護(hù)試劑的目的是防止帶電荷的膠粒吸附其它相反電荷的粒子，從而阻止聚集成大顆粒，增強(qiáng)膠體的穩(wěn)定性，而保護(hù)劑又有區(qū)分，明膠作為常見(jiàn)膠體保護(hù)劑其保護(hù)效果清晰可見(jiàn)，但受時(shí)間、溫度、濕度等多種因素影響使得明膠只起到暫時(shí)性的保護(hù)作用，通過(guò)對(duì)其它保護(hù)試劑的探索研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酸鈉、瓊脂也起到良好的保護(hù)作用。相比較下，瓊脂的保護(hù)效果可達(dá)到數(shù)天，穩(wěn)定劑的加入后能夠使膠體表面能降低，膠體粒子不會(huì)立刻聚集，保證膠體粒子之間的間距大小不變，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，膠體的穩(wěn)定性問(wèn)題也是教學(xué)中的重要部分，這節(jié)內(nèi)容新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求是學(xué)生能夠根據(jù)分散系粒子的大小區(qū)分溶液、膠體、濁液，膠體穩(wěn)定性問(wèn)題是膠體分散系學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一，也是膠體的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)需要教師及時(shí)梳理和正確引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)膠體分散系的內(nèi)容，膠體的結(jié)構(gòu)也和大學(xué)物理化學(xué)的學(xué)習(xí)緊密聯(lián)系著，因此在中學(xué)學(xué)習(xí)的過(guò)程中要避免錯(cuò)誤的認(rèn)知。這一部分的內(nèi)容對(duì)中學(xué)生的學(xué)習(xí)是處于不上不下的狀態(tài)，如果教師講解得深了學(xué)生就會(huì)聽(tīng)不懂，如果講解得太淺了又不符合高考的考察要求，因此在第一遍講解的過(guò)程中可以將膠體的穩(wěn)定性及相關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)介紹給學(xué)生，并以圖示的方式引導(dǎo)學(xué)生分析膠體的空間結(jié)構(gòu)，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)膠體分散系的知識(shí)時(shí)，在內(nèi)容的設(shè)置上就不淺不深，比較符合學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而提高課堂教學(xué)效率

4.2 顏色識(shí)別器應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.為中學(xué)化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)提供參考。化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)學(xué)科與科學(xué)緊密聯(lián)系，通過(guò)借助智能手機(jī)的顏色識(shí)別功能應(yīng)用于化學(xué)課堂教學(xué)能夠?qū)⒊橄蟮母拍钸M(jìn)行直觀分析，從生活中選取素材導(dǎo)入再結(jié)合化學(xué)知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，這樣有助于學(xué)生的理解并能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過(guò)小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究溶液、膠體、濁液的本質(zhì)區(qū)別，既提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力也培養(yǎng)了學(xué)生的語(yǔ)言組織和表達(dá)能力，可以以學(xué)生為主體開(kāi)展教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生的主動(dòng)性得到增強(qiáng)、課堂參與率提高，最終學(xué)生通過(guò)親身實(shí)踐得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及歸納概括的知識(shí)會(huì)記憶得更深刻。

2.提高化學(xué)概念知識(shí)學(xué)習(xí)的效率。顏色識(shí)別器是一款簡(jiǎn)潔方便的軟件，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)字化形式展現(xiàn)出來(lái)，相比手持?jǐn)?shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)易操作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程能直觀呈現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的概念講解方式來(lái)說(shuō)，課堂上學(xué)生主動(dòng)操作，學(xué)生之間互動(dòng)探究，以多樣化的方式進(jìn)行授課更有利于學(xué)生的主動(dòng)參與，提高學(xué)習(xí)效率。但在使用過(guò)程為減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，應(yīng)選擇在相同的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾德琨.基于宏微結(jié)合素養(yǎng)的教學(xué)案例設(shè)計(jì)——以膠體分散質(zhì)大小的認(rèn)知為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2021（05）： 57-60，48.

[2] 范必紅.黃河水是膠體嗎[J].中學(xué)生數(shù)理化（自主招生），2020（02）：40.

[3] 同[2].

[4] 李嬌.膠體的性質(zhì)教學(xué)設(shè)計(jì)探究[J].化工管理，2016 （20）：225-226.

[5] 周琳，王紅波.氫氧化鐵溶膠實(shí)驗(yàn)制備方法的改進(jìn)[J].山東醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2020，42（05）：353-354.