氫氧化鐵膠體保護劑的探究

高思未 高耀文 王富強

（寧夏大學 化學化工學院，寧夏 銀川 750021）

1 問題的提出

膠體分散質顆粒的直徑在1nm-100nm 之間，這一關鍵性質使膠體成為日常實際生活中具有重要作用的分散系，分散質微粒的直徑大小也是區別溶液、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實驗及應用，例如：丁達爾效應、滲析、電泳、聚沉等。性質決定用途，膠體在生活中的應用也比較普遍，例如：鹵水點豆腐、靜電除塵、沖擊島形成、納米材料等[1]。因此，保護膠體提高其應用價值具有重要意義，通過定性分析膠體的保護情況是普遍常用的方法，目前信息化技術也為教學提供了很多輔助作用，可以通過智能手機實現半定量分析。教科書講解了有關膠體保護的試劑主要是明膠，明膠是一種親水性膠體，常用來保護膠體，但是存放在潮濕地方會發霉，黏度、質量都會受到影響，因此保護劑的選擇會影響膠體的穩定性。

本實驗借助顏色識別器軟件來輔助學生對實現現象的觀察，將定性的實驗半定量化，學生通過讀取顏色識別器上的V 值就可以一目了然地判斷此時該物質屬于哪種分散系。這種方法不僅使學生可以更直觀地學習和理解膠體的概念，也能培養學生對化學實驗的興趣，教師在傳授課堂知識的過程中逐漸從單一化的形式向多元化的手段發展，這一思想也符合我國新課程改革的理念，以學生為主體，教師為引導的學習方式推進新課知識的學習，提升學生積極主動探究的學科核心素養。

2 實驗設計

2.1 實驗原理

強酸和強堿反應形成的鹽叫強酸弱堿鹽，如硫酸鋁、硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵等[2]。FeCl3+3H2O=Fe(OH)3(膠體)+3HCl，弱堿陽離子Fe3+與水溶液中的OH-形成難電離的物質。膠體也被稱作膠狀分散體，是一種部內部均勻的混合物[3]。根據分散質粒子的直徑大小分為溶液、膠體和濁液，分散質微粒直徑小于1nm為溶液、介于1nm-100nm 之間為膠體、大于100nm 為濁液，因此溶液分散質既可以透過濾紙、也可以透過半透膜，而膠體分散質能透過濾紙但不能透過半透膜。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行擴散的場所。通常來說，只有離子和小分子物質通過，而生物大分子是不能自由通過的，一般會選用羊皮紙、玻璃紙等做半透膜，但由于實驗室中的玻璃紙較硬，在使用時容易折碎，不易使用，不僅容易對實驗過程造成一定的影響，也比較浪費。從環保取材的角度看，雞蛋膜比玻璃紙更經濟實惠，因此本實驗選取的是用醋酸浸泡過的的雞蛋，在一段時間后被酸浸泡的雞蛋殼逐漸脫離，內層雞蛋膜完整無損，可以用來做半透膜。因為膠體粒子的表面積大，有很強的吸附力，加電解質、輻射或者加熱都會使膠體顆粒變大，會出現聚沉現象[4]。為探究膠體的保護劑防止聚沉現象產生，可以運用“顏色識別器”軟件來辨識膠體的保護情況，從而提高膠體的保護程度，體現更高價值。

2.2 實驗試劑與儀器

實驗試劑：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。

實驗儀器：燒杯、激光筆、一次性膠頭滴管、量筒、酒精燈、石棉網、三腳架、LED 燈、試管、雞蛋半透膜（自制）、橡皮筋、顏色識別器、計時器。

2.3 實驗過程

（1）氫氧化鐵膠體制備。稱取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，并于較暗環境中用激光筆照射盛有Fe(OH)3膠體的燒杯觀察丁達爾現象。

（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。

圖1 滲析

（3）膠體的保護。常見保護試劑有明膠、聚丙烯酸鈉、瓊脂、硅酸鎂鋁等。其中明膠是教科書指定保護劑，明膠是一種天然營養型的食品增稠劑，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；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定，除熱穩定性外，聚丙烯酸鈉在經過凍結、攪拌和長期儲存后，其黏度均無顯著變化；瓊脂具有凝固性、穩定性，能與一些物質形成絡合物等，可作為增稠劑、凝固劑、懸浮劑、乳化劑、保鮮劑和穩定劑。由此推測聚丙烯酸鈉、瓊脂的保護作用優于明膠，進而設計實驗進行探究。

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，置于空氣中放置數小時后觀察現象，記錄數據。

3 實驗結果分析

借助“顏色識別器”軟件對膠體保護現象進行分析，拍照時由于環境因素影響，因此統一選擇在LED 燈光下進行，同時以白色為背景來避免光照強度因素的干擾，“顏色識別器”APP 是一款非常方便的顏色識別軟件，通過輸入“顏色識別器”便可免費下載應用，僅需將圖標對準某一位置即可得出對應點的顏色名稱和代碼YUV（明亮度、色度、色密度）、RGB（紅、綠、藍）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]。

空白組與實驗組：

空白組是在經過滲析后的氫氧化鐵膠體中直接滴加亞鐵氰化鉀試劑，用激光筆照射發現沒有丁達爾效應，溶液聚沉，試管懸掛于鐵架臺上拍照；實驗組是在經過滲析后的氫氧化鐵膠體中分別滴加保護試劑明膠、聚丙烯酸鈉和瓊脂，然后再滴加亞鐵氰化鉀試劑，用激光筆照射發現有丁達爾效應。

空白實驗發現，等體積的氫氧化鐵膠體加聚沉劑后無丁達爾效應，利用“顏色識別器”測得V 值；實驗組發現等體積的氫氧化鐵膠體加保護劑后再加聚沉劑仍有丁達爾效應，其V 值隨時間變化呈現規律變化。利用作圖軟件將所測得V 值描繪成曲線圖，得到規律性高，具有代表性的實驗結果，如圖2 所示。

圖2 加入不同保護劑V 值變化趨線

觀察V 值的變化趨勢可以發現，明膠、聚丙烯酸鈉、瓊脂對氫氧化鐵均起到保護作用，不同時間段保護劑對氫氧化鐵膠體保護程度不同，其中瓊脂的保護效果最佳，傳統實驗中選用的保護劑明膠在未加保鮮膜的情況下觀察到五小時后開始絮凝，聚丙烯酸鈉八小時后開始絮凝。

4 實驗結論

4.1 實驗結果

膠體中存在的微粒是膠團，膠體是由膠團組成的，膠團是由膠核、吸附層、擴散層構成，膠核又是由許多分子或其他微粒聚集而成的，它具有強吸附能力。在膠核的外圍存在著一個雙電層，即吸附層和擴散層，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（簡稱反離子）；擴散層指的是除過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，這種帶相反電荷的離子就越少，相反離子如果為零，即說明反離子到膠核表面對電荷無影響的區域了，所以吸附層界面中帶相反電荷的離子少到為零的區域叫擴散層。通俗地說，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一步吸附帶相反電荷的物質。

因此加保護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，增強膠體的穩定性，而保護劑又有區分，明膠作為常見膠體保護劑其保護效果清晰可見，但受時間、溫度、濕度等多種因素影響使得明膠只起到暫時性的保護作用，通過對其它保護試劑的探索研究發現，聚丙烯酸鈉、瓊脂也起到良好的保護作用。相比較下，瓊脂的保護效果可達到數天，穩定劑的加入后能夠使膠體表面能降低，膠體粒子不會立刻聚集，保證膠體粒子之間的間距大小不變，在中學化學教學中，膠體的穩定性問題也是教學中的重要部分，這節內容新課程標準的要求是學生能夠根據分散系粒子的大小區分溶液、膠體、濁液，膠體穩定性問題是膠體分散系學習的重要內容之一，也是膠體的制備及性質實驗的基礎。這部分內容的學習需要教師及時梳理和正確引導學生認識和學習膠體分散系的內容，膠體的結構也和大學物理化學的學習緊密聯系著，因此在中學學習的過程中要避免錯誤的認知。這一部分的內容對中學生的學習是處于不上不下的狀態，如果教師講解得深了學生就會聽不懂，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程中可以將膠體的穩定性及相關性質實驗介紹給學生，并以圖示的方式引導學生分析膠體的空間結構，這樣學生在學習膠體分散系的知識時，在內容的設置上就不淺不深，比較符合學生的認知結構，從而提高課堂教學效率

4.2 顏色識別器應用于中學化學實驗教學

1.為中學化學探究性實驗提供參考。化學是一門以實驗為基礎的學科，隨著信息化技術的不斷發展，化學學科與科學緊密聯系，通過借助智能手機的顏色識別功能應用于化學課堂教學能夠將抽象的概念進行直觀分析，從生活中選取素材導入再結合化學知識解決生活中的實際問題，這樣有助于學生的理解并能夠有效激發學生的學習興趣。學生通過小組合作進行實驗探究溶液、膠體、濁液的本質區別，既提高了學生的動手操作能力也培養了學生的語言組織和表達能力，可以以學生為主體開展教學內容，使學生的主動性得到增強、課堂參與率提高，最終學生通過親身實踐得出的實驗結論以及歸納概括的知識會記憶得更深刻。

2.提高化學概念知識學習的效率。顏色識別器是一款簡潔方便的軟件，將實驗結果以數字化形式展現出來，相比手持數字化實驗儀器來說經濟易操作。實驗過程能直觀呈現，相比于傳統的概念講解方式來說，課堂上學生主動操作，學生之間互動探究，以多樣化的方式進行授課更有利于學生的主動參與，提高學習效率。但在使用過程為減少實驗結果的誤差，應選擇在相同的環境下進行實驗。