淺談中學化學的膠體教學

姚葉

摘要：結合瑞利散射定律、膠體和表面化學等知識以及簡單的實驗，對膠體教學中存在的一些常見問題進行解讀。并指出了人教版教師教學用書以及2019年啟用的人教版新教材中對于膠體知識描述的不當之處。

關鍵詞：膠體;膠粒;丁達爾效應

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0030-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/i.issn. 1008-0546.2020.08.009

新的人教版教材中，物質的分類成為了高中化學的第一課，而在其中的膠體的教學中，學生和老師常常會自然而然地產生一些疑問：丁達爾效應的實質是什么？溶液有無產生丁達爾效應的可能呢？牛奶和豆?jié){是膠體，但為什么看不到丁達爾效應呢？為什么氯化鐵溶液水解得到膠體，而與氫氧化鈉反應得到沉淀？分散質粒徑1-100nm為膠體，那么101nm呢？作為高中教師，應該理解其背后的原因并以高中生可以理解的方式給予形象、易懂的講解，提升學生學習化學的興趣和化學素養(yǎng)，上好高中化學第一課。

一、丁達爾效應

1.丁達爾效應的本質

以一束光線射人膠體，在垂直于入射光的方向上可以看到一條光帶，這就是丁達爾效應。溶液中的溶質粒子由于半徑太小，小于可見光的波長，故對可見光的反射非常弱，肉眼難以觀察到;濁液中的粒子半徑太大，大于可見光的波長，導致光線難以穿透濁液，大部分都直接反射掉了。而膠體粒子的直徑與可見光的波長相當（稍小一些），導致光線可以部分穿過膠體、部分發(fā)生反射，散射光和透射光都具有可以被人眼觀察到的強度，于是我們可以觀察到一條光路，即丁達爾效應。其本質是一種光的散射現(xiàn)象，散射就是在光的進行方向之外也可以看到光的現(xiàn)象。

瑞利曾對光的散射現(xiàn)象進行過研究，得到散射光強，與入射光強Io之間的關系如下：

其中c為濃度、V為粒子體積、λ為入射光波長、n1和n2分別為分散介質和分散相的折射率。由此可見：光的散射強度不僅和粒子的大小有關，還與濃度、入射光波長、強度以及分散劑有關。而光的散射過強或過弱都無法導致丁達爾效應。這就是為什么溶液與濁液難以被觀察到丁達爾效應，而膠體恰巧可以產生丁達爾效應。

2.影響丁達爾效應的其他因素

根據(jù)瑞利散射公式，不難看出，能否發(fā)生丁達爾現(xiàn)象不僅僅與粒子的大小有關，還與很多其他因素有關。

（1）c的影響

根據(jù)散射公式，濃度很低的濁液或濃度很大的溶液可能可以發(fā)生丁達爾效應。李俊生等[1]通過實驗發(fā)現(xiàn)，極濃的豆?jié){無法看到丁達爾效應，將1滴豆?jié){與50mL純水混合后，則可以觀察到丁達爾效應;筆者用紅光照射飽和氯化鈉溶液時可以觀察到較弱的丁達爾效應，但是將其稀釋5、10、25、100倍后都無法觀察到丁達爾效應。印證了上述結論。

（2）A的影響

根據(jù)散射公式，波長較短的光有利于溶液發(fā)生丁達爾效應、波長較長的光有利于濁液發(fā)生丁達爾效應。

（3）I0的影響

與濃度、波長不同的是，理論上：入射光的強度越大越利于所有分散系發(fā)生丁達爾效應，因為人射光強度越大，則散射光的強度越大，越容易被觀察到;同時，透射光的強度也大，所以有利于光線穿過整個分散系。王小利等[2]將入射光先穿過膠體，再射入溶液，發(fā)現(xiàn)溶液很難產生丁達爾效應，將光的射入順序改變，則溶液與膠體都能觀察到丁達爾效應。

（4）實驗驗證

筆者對濃度、波長對丁達爾效應的影響進行了實驗驗證，結果如圖1、圖2所示：

我們發(fā)現(xiàn)，對于NaCl溶液而言，無論是紅光還是綠光，丁達爾效應都隨著溶液濃度的降低而變得不明顯;且綠光的丁達爾效應總是比紅光強。對于溶液這樣的分散質粒子較小的分散系，增大濃度、降低波長從而提高光的散射程度，有利于丁達爾效應的觀察。結果與理論相符。對于CuS04溶液而言，若用綠光照射，則丁達爾效應隨濃度的降低而減弱;若用紅光照射，飽和硫酸銅完全看不到丁達爾效應[3]，反而是濃度很低的硫酸銅和純水可以觀察到極其微弱的丁達爾效應，這可能是因為四水合銅離子對紅色光的吸收程度大導致的（硫酸銅溶液顯藍色也是因此）。

本實驗所用激光筆為鐵穩(wěn)（TIEWEN）H2激光手電KA-853-A款，紅光波長650nm、綠光波長532nm;配制溶液使用桶裝飲用水;容器為普通試管（實驗條件有限，沒有分光光度計和比色皿）;氯化鈉（A.R.）;硫酸銅為98%教學用，配制為飽和溶液后過濾并加入濃硫酸酸化防止水解。

3.對課堂教學的啟示

（1）我們可以對丁達爾效應的本質做出一些較為形象的解釋或類比。

例如，我們將光波與聲波類比。當一個人站在一堵墻的一側說話時，墻越高越寬，聲音就越容易反彈導致回聲;墻越矮越窄，聲音則越容易繞過。這和我們的膠體丁達爾效應實驗是很類似的：光也是一種波，而分散系中的粒子就相當于障礙物（比如一堵墻），障礙物越大（粒徑越大，如濁液），則光越難以穿透;障礙物越?。皆叫。缛芤海?，則光越容易穿透。

再如，我們可以將丁達爾效應比作剎車時留下的剎車印。若是地面對輪胎的摩擦太弱，輪胎幾乎沒有阻礙地滾動過去，則不會留下印記;反之，若是阻礙太強（假設一剎即停），則剎車印長度太短，我們也無法觀察到;只有摩擦力強度在某個范圍內時，不僅可以蹭下輪胎上的一層橡膠，還能讓車滑行一段距離時，才能看到剎車印。

再如，不妨將光射入溶液、膠體、濁液類比成子彈射入空氣、水、防彈玻璃（對子彈具有適中的阻礙作用時才能看到其運動軌跡）。

……

上述例子都可以形象地解釋為什么粒徑過大或過?。ㄉ⑸溥^強或過弱）都無法導致丁達爾效應的產生。

（2）我們可以將丁達爾效應的知識與生活實際相聯(lián)系。

例如，初中物理學過“頻率高的超聲波的穿透力強，但是頻率低的次聲波具有繞過障礙物（比如一堵墻）的能力，往往可以傳播更遠”，可以據(jù)此讓學生們猜測，能否改變激光燈的波長（顏色），令原本不能發(fā)生丁達爾效應的硫酸銅溶液也發(fā)生丁達爾效應。另外，現(xiàn)今家中路由器信號常常有2.4G和5G兩種，5G頻率高，傳輸數(shù)據(jù)速度快，可是當我們離路由器隔了幾堵墻之后，5G信號強度下降很快，這時只能改用頻率較低，但是易于繞過障礙物的2.4G信號了。

再如，我們也可以解釋為什么天空是藍色的，晚霞是紅色的。這是由于波長較短的藍光的穿透力弱，在大氣中散射程度大，使得天空呈現(xiàn)淡藍色;而波長較長的紅色光則順利地繞過大氣中的障礙物，灑滿大地。

（3）我們應該引導和激發(fā)學生的探究精神。

在初中的教學中，我們一直強調控制變量法，而現(xiàn)今，做了一個硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體的實驗就能說明只有膠體才能發(fā)生丁達爾效應嗎？兩種體系的顏色不同，而激光筆都是使用的紅光，這就導致這個實驗明顯是不嚴謹?shù)?。作為教師，此時是激發(fā)學生探究精神，讓課堂活躍，百家爭鳴是絕好契機。

對于該問題，劉建英通過實驗發(fā)現(xiàn)：對于紅棕色的氯化鐵溶液，紅光可以產生丁達爾效應，而綠光不能;對于藍色的硫酸銅溶液，綠光可以產生丁達爾效應，而紅光不能[4]。這是由于紅棕色的氯化鐵溶液之所以顯紅色，是因為吸收了紅色的補色綠色，所以綠光無法在紅色的氯化鐵溶液中產生丁達爾效應。紅光無法在硫酸銅中產生丁達爾效應也是同樣的道理。從人教版課本中給出的紅色激光筆照射硫酸銅溶液的圖[5]中也可以看出，照射在硫酸銅溶液上的紅色光被溶液所吸收，紅色光并沒有透射過去，因為在光源另一側的燒杯壁上并沒有看到紅色光點。

二、凝聚法制備膠體的原理

了解膠粒形成的原理，可以幫助我們初步解決為什么氯化鐵溶液水解得到膠體、而與氫氧化鈉反應得到沉淀的問題。

1.晶核的形成與晶粒的生長

生成產物的粒子直徑大小取決于晶核的形成速率（vl）和晶粒的成長速率（V2）。若v1<>v2，則會產生較多且分散的小微粒，易于產生膠體。理論說明：在一定的濃度范圍內，溶液的過飽和度越大，一般來說越有利于產生沉淀，反之，易于產生膠體。（濃度過大也會導致產生凝膠，詳細理論參見《膠體與表面化學》[6]。）

2.關于氫氧化鐵膠體的制備

根據(jù)上述理論可以得知，氯化鐵與氫氧化鈉溶液混合后，產生大量氫氧化鐵，其過飽和度較大，容易產生沉淀;而讓氯化鐵緩慢地水解，產生少量的氫氧化鐵，過飽和度較低，容易形成膠體。

三、膠體粒子的直徑

1.膠體粒子的直徑

人教版課本是這樣描述的：“溶液中的粒子通常小于1nm，濁液中的粒子通常大于100nm。介于二者之間的膠體粒子，其大小在1-100nm之間?！盵7]該敘述中兩次使用“通?！币辉~，其本意是不想將溶液、膠體、濁液三者的粒徑區(qū)分死，從而導致錯誤。然而，在一些教輔和實際上課過程中，這段話中的“通常”一詞往往被忽略，使得學生將這樣一段話理解成一種“定義”或者“概念”。雖然并不會造成考試分數(shù)的丟失，但是這樣的“固定式世界觀”不應該是我們希望學生形成的。比如筆者就曾向學生提問：分散質粒徑為101nm的分散系是不是膠體呢？大多數(shù)學生都認為不是，因為膠體粒子的直徑一定在1-100nm之間。這顯然是把化學學死了。正如上文中所述，丁達爾效應本質上是體系對光的散射導致在光的進行方向之外也可以看到光的現(xiàn)象。粒徑比100nm大一些，光的散射現(xiàn)象并不會突然變強到轉變?yōu)橥耆⑸?，而只是散射變強了一些，光線穿透體系的距離變短了一些，相對來說較難觀察到丁達爾現(xiàn)象了一些;比1nm小一些，光的散射現(xiàn)象并不會突然消失而只是散射變弱了一些，垂直于光線方向上觀察到的光強度變弱了一些。同樣，分散系的其他性質也是隨著膠粒大小的變化而逐漸變化的，并不會因為分散質粒徑為101nm，分散系就立馬變?yōu)椴痪徊环€(wěn)定的濁液。

但是因為一般來說，粒徑在1-100nm范圍之外時，分散系的性質與膠體逐漸偏離，較難發(fā)生丁達爾效應，于是我們說丁達爾效應可以用于區(qū)分溶液與膠體。事實上，也有人建議將該范圍定為1-1000nm，因為有不少分散質粒徑在100-1000nm之間的分散系，具備膠體的各種性質[8]。

2.對課堂教學的啟示

（1）防止課堂教學教條化和固定化

牛奶和豆?jié){是不是膠體的問題也有過爭議，因為有人認為牛奶和豆?jié){不能發(fā)生丁達爾效應，所以很難認定為膠體。在李俊生等人的實驗中：1滴牛奶（或豆?jié){）配50mL水，則可觀察到丁達爾效應，純的較濃的牛奶（或豆?jié){）則無法觀察到丁達爾效應。牛奶和豆?jié){既是膠體又是濁液，其中的細小豆渣和沉淀物以濁液形式存在，遮擋光路，但是稀釋之后，對光的阻礙降低，其中以膠體形式存在的蛋白質則開始體現(xiàn)出丁達爾效應的特點。所以它們既是膠體又是濁液。在學習膠體之前剛剛學習的交叉分類，怎么就被我們忘記了，而非要在牛奶到底是膠體還是濁液的問題中分個對錯高低呢？

1-100nm這個范圍并不是約束死的，偏離該范圍一點點的分散系也不一定就不具備膠體的性質;牛奶和豆?jié){也不是膠體和濁液只能取其一的。正如化學中的概念不是一成不變的，定死的。它們常常是為了幫助我們理解問題的，而不是讓我們陷入概念的桎梏而變得教條化的。就如爭論過一段時間的“鹽酸是不是電解質”“銅是不是非電解質”等問題。

（2）在課堂教學中滲透化學學科核心素養(yǎng)

我們可以通過丁達爾效應的宏觀表現(xiàn)與微觀實質來培養(yǎng)學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng);以膠體粒子半徑范圍問題引出的化學理論漸變性規(guī)律來培養(yǎng)學生變化觀念與平衡思想的核心素養(yǎng);以課本中丁達爾效應實驗的不嚴謹來引發(fā)學生的科學探究和創(chuàng)新意識。

此外，部分地區(qū)在2019年開始啟用人教版新教材，廣東省也將在2020年開始啟用。新教材中，“物質的分類及轉化”為第一章第一節(jié)，物質的分類和膠體將成為高中化學的“第一課”。我們應該借助膠體的教學，在高中化學課程的最開始，就讓學生認識到化學物質世界的精彩與豐富;化學思維的靈活與生動;實驗探究中的嚴謹與細致。引起學生對化學學科的興趣，提高學生學習的積極性。

四、人教版教師用書以及人教版新教材中關于膠體的不當表述

人教版教師教學用書的第二章第一節(jié)中，有這樣一段話：“研究膠體的概念時，教師可以“如果空氣中沒有氣溶膠，我們的環(huán)境將會是什么樣？”等問題組織討論，讓學生充分發(fā)表自己的意見，相互交流，互相爭論，最后得出“光照下無丁達爾效應——空間變得一團漆黑——人類難以生存”的結論。這樣的教學方式能充分發(fā)揮學生的主體作用，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，從而加深對知識的記憶、理解和應用?！盵9]顯然，沒有丁達爾效應則空間一片漆黑的觀點是錯誤的。我們看到物體是因為物體反射的光進入了我們的眼睛，與空氣中的丁達爾效應無關。當然，若是硬要扯上關系也可，畢竟丁達爾效應的本質是光的散射，若是沒有光的散射，空間確實一片漆黑。但是這明顯不是本書想表達的觀點。

此外，2019年開始啟用的人教版新教材中，將原本對膠體粒徑的描述更改為“分散質粒子的直徑小于Inm的是溶液.大于100nm的是乳濁液或懸濁液，而分散質粒子的直徑在1-100nm的分散系是膠體”原人教版教材中的“通?！倍秩咳サ袅薣10]，個人認為此表述不如上一版本的表述恰當。

五、結語

在膠體的教學中，我們不應該回避這些教學中自然而然產生的問題，而是應該了解其背后的本質，并利用針對這些問題的小實驗、課堂討論以及它們與生活的聯(lián)系來促進學生對膠體、分散系、聲波、電磁波等物理現(xiàn)象的理解，提高學生的科學視野與素養(yǎng)。

參考文獻

[1]李俊生，趙琳，孫晶，等.對丁達爾效應的研究[J].化學教學，2014，1（4）：44-47

[2]王小利，汪歡，伍曉春.丁達爾效應能區(qū)分溶液和膠體嗎[J].中學化學教學參考，2018，6（1）：67-68

[3]鄭志信，對“紅光照射硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體實驗”的探究[J].化學教育，2010，7（2）：76-77

[4]劉建英，丁達爾效應再探究[J].化學教育，2013，9（3）：69-71

[5][7]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書：化學（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2007

[6][8]沈鐘，趙振國，康萬利.膠體與表面化學（第四版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012

[9]入民教育出版社課程教材研究所化學課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書教師教學用書：化學（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2007：23-24

[10]王晶，鄭長龍.普通高中教科書：化學（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2019：8