半透膜教具的创新设计和胶体性质的一体化实验

廖程和 林祥

摘要：利用火棉胶半透膜的创新自制教具进行过滤、渗析、丁达尔效应一体化实验，让学生通过对实验宏观现象的观察来探析胶体结构的微观特征，从而建立对胶体本质的模型认知。

关键词：氢氧化铁胶体；半透膜；渗析；新教具；火棉胶溶液

文章编号：1008-0546（2021）11-0093-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.024

一、问题的提出

胶体在工农业生产、生活中的应用十分广泛，例如土壤保肥、血液透析、豆腐制作等，对胶体性质的初步认识离不开胶体的实验教学。制得胶体后，为了提高胶体的稳定性，通常采用如图1的装置渗析纯化胶体。胶体实验涉及制备、渗析、性质等各种实验，实验多且操作复杂，一套简易可靠的一体化的胶体实验装置亟待开发。

教师纯理论的讲解，学生很难去理解哪些微观粒子能透过半透膜？哪些微观粒子不能透过半透膜？如果能通过一系列具体的实验让学生“看到”哪些粒子能通过滤纸，哪些粒子能通过半透膜，那么学生就能更好地理解和掌握胶体的性质。在人教版高一化学必修一课本中对胶体的相关实验仅限于“胶体的制备”和“丁达尔效应”，笔者通过查找资料发现主要是因为半透膜不容易制备，而且现有制备半透膜的方法大多是通过火棉胶溶液制备的半透膜和鸡蛋壳制备的半透膜[1]。火棉胶溶液制备半透膜时需要将火棉胶溶液加入到洁净干燥的锥形瓶中，以锥形瓶为模具在锥形瓶中制备，制备好后再将半透膜与锥形瓶剥离，这个过程比较繁琐。而鸡蛋壳制作半透膜成功率不高，耗时长。有没有一种更简易适用的制备半透膜的方法呢？笔者将实验创新如下：

二、实验原理

1.制取胶体

化学凝聚法制胶体：把几滴饱和FeCl3溶液加到沸腾的蒸馏水中，则发生如下反应：

FeCl3+3H2OFe（OH）3（胶体）+3HCl[2]

火棉胶制半透膜的常规方法

2.取6mL市售4-8%的火棉胶，加入干燥的锥形瓶中，将锥形瓶不断转动，使瓶的内壁和瓶口都均匀涂有火棉胶。倒出多余的火棉胶，然后放置约5min使乙醚、乙醇溶剂不断蒸发，直到干燥。逐步剥离瓶口的薄膜，沿瓶壁与薄膜之间的夹缝注入蒸馏水，使薄膜逐步跟瓶壁脱离，轻轻取出，浸入蒸馏水中备用。

3.渗析

在制得的溶胶中常含有一些電解质，通常除了形成胶团所需要的电解质以外，过多的电解质存在反而会破坏溶胶的稳定性，因此必须将溶胶净化。利用硝酸纤维素（别名：火棉胶）制取的半透膜采用渗析法对溶胶净化比较简单易行[3]。

三、实验过程

1.实验仪器及用品

4-8%火棉胶溶液（AR，4-8% in ethanol /diethyl ether）、分析纯氯化铁固体、分析纯硝酸银溶液、分析纯硫氰化钾固体、去离子水、高14cm内径5cm自制大塑料管、试管、100mL烧杯、500mL烧杯、胶头滴管、试管架、普通漏斗、铁架台、激光笔。

2.胶体的制备和半透膜的制作

（1）胶体的制备：

将92.0g的FeCl3.6H2O固体溶于100mL蒸馏水中，制得饱和氯化铁溶液备用[4]。将25mL蒸馏水加入小烧杯中，加热至沸腾，用胶头滴管滴入5-6滴饱和氯化铁溶液，继续煮沸至溶液呈红褐色即停止加热[5]，利用丁达尔效应检验制备好的氢氧化铁胶体。

（2）改进的半透膜制作

在自制大塑料管（将直径约5cm的透明塑料瓶底部剪去）管口用保鲜膜包住并绷紧，再用塑料盖盖上以固定保鲜膜如图2。将6mL火棉胶溶液倒入塑料管中。用手托住塑料盖，将塑料管横斜并不断转动，使底部均匀地铺满火棉胶溶液。倒出多余的火棉胶溶液，然后放置约5min使乙醚溶剂不断挥发（电吹风可以加快乙醚挥发），直至干燥。倒出的多余火棉胶会形成一细长条状的薄膜连接半透膜与出口处，用手指触摸挂壁的出口处火棉胶，如若干燥，则说明制得的半透膜已干燥。此时再向塑料管中加入50mL去离子水浸泡3分钟，遇水后在乙醚未完全挥发完的地方半透膜容易泛白，去掉塑料盖子，撕去保鲜膜，即可得到平整光滑的半透膜，如图3，浸入去离子水中备用。

3.实验装置

在500mL烧杯中倒入约150mL去离子水，把制备好的半透膜放入烧杯中，然后将漏斗放在大塑料管中，固定好，如图4。

4.实验过程及其现象

将制备好的氢氧化铁胶体，沿着玻璃棒加入漏斗中，我们可以清晰地观察到氢氧化铁胶体全部透过了滤纸，进入一端有半透膜的塑料管中，此时要保持塑料管内外液面相持平。加完氢氧化铁胶体静置3-5分钟。接下来对渗透液进行检验：分别用胶头滴管取少量渗透液于两支试管中，分别滴加硝酸银溶液和硫氰化钾溶液。另取两只试管加入少量去离子水分别滴加硝酸银溶液和硫氰化钾溶液作对照组。用激光笔从500mL烧杯外水平照射塑料管中的氢氧化铁胶体和渗透液。

实验现象及分析：往去离子水中滴加硝酸银溶液的试管中无明显现象，而往渗透液中滴加硝酸银溶液的试管中产生白色沉淀，如图5。往去离子水中滴加硫氰化钾溶液的试管中无明显现象，而往渗透液中滴加硫氰化钾溶液的试管溶液变为红色，如图6。说明氯离子和铁离子透过了半透膜。用激光笔照射后俯视装置发现塑料管内出现一条光亮的通路，而烧杯中无光亮的通路，说明氢氧化铁没有透过半透膜，如图7。

四、实验注意事项

1.实验应该用去离子水，不能用蒸馏水，因为蒸馏水中还残留少量氯离子，干扰后面实验中氯离子检验，实验中发现有些二次蒸馏水中极微量的氯离子还是能被硝酸银溶液检测到。

2.本实验用于封闭透明塑料圆筒制取半透膜的保鲜膜或玻璃纸一定要光滑平整。

3.大烧杯中加入约150mL去离子水，不能加入太多去离子水，否则会稀释铁离子浓度从而影响铁离子检验的灵敏度。

4.往一端形成半透膜的塑料瓶中加入胶体后，半透膜内外液面高度一致，以防半透膜破裂。

5.火棉胶溶液是纤维素硝酸酯的乙醚溶液，乙醚易挥发，气味浓烈，建议教师在通风橱下完成制作，给学生探究实验提前准备好半透膜[6]。

五、自制实验教具的优点

1.实验现象明显，可以过滤、渗析实验一起做，向学生展示胶体能透过滤纸而不能透过半透膜的一体化设计，便于学生形成对膠体粒子半径大小的认识。

2.操作简单、实用，实验装置可以上下移动，调整装置在烧杯中的高度。

3.该装置制备的半透膜所需火棉胶溶液用量比较少，制备好的半透膜可以多次重复使用。

4.该装置制作的半透膜，耗时短、成功率高，现象非常明显。

5.过滤、渗析、丁达尔效应一体化实验设计便于学生对胶体性质进行科学探究，在实践过程中建立对胶体的模型认知。

参考文献

[1]王学坦，汪丹丹.利用数字化实验选择Fe（OH）3胶体渗析实验的半透膜[J].化学教与学，2016（9）：87-88+77

[2]傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学.4版[M].北京：高等教育出版社，1990（2003重印）：994

[3]傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学.4版[M].北京：高等教育出版社，1990（2003重印）：996

[4]魏钊，赵国勇，孙玉婷.运用数字化实验技术探究凝聚法制备氢氧化铁胶体的过程[J].化学教育，2018（1）：63-65

[5]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书：化学1[M].北京：人民教育出版社，2009：26

[6]刘晓红，袁文文，邓海威，周海亮.利用手持技术选择氢氧化铁胶体渗析实验半透膜[J].化学教育，2014（3）：77-79