“丁达尔效应”实验的两个疑问.doc

。“丁达尔效应”实验的两个疑问李培香，李明雪，韩秋霞*（河南大学 化学化工学院 河南 开封 475004）摘要：丁达尔效应是高中阶段常见的一个演示实验，人教版高中化学（必修一）对该实验的描述存在一定的缺陷：忽视了对浊液的讨论，采用激光笔作为光源，无法证明溶液、胶体、浊液三者中只有胶体有丁达尔效应。把CuSO4溶液换做NaCl溶液或者酒精，把Fe(OH)3胶体换做鸡蛋清，或许能够更有助于学生对溶液、胶体、浊液三者性质的认识。关键词：丁达尔效应；胶体；CuSO4溶液；Fe(OH)3胶体一丁达尔效应是在1869年，由英国物理学家丁达尔发现而得名，是人教版高中化学（必修一）“第一章”中的一个小知识点。该知识点属于高考常考知识点之一，尽管难度不是很大，但是，它是教师在教学中易忽略的地方。而且，在对此进行的有关的演示实验中，观察到了异常现象，于是产生了种种疑问。下面我们先来看一下教材中对丁达尔效应的叙述：当光束通过Fe(OH)3胶体时，可以看到一条光亮的“通路”, 而光束通过CuSO4溶液时，看不到此现象。这条光亮的“通路”是由于胶体粒子对光散射（光波偏离原来方向而分散传播）形成的，叫做丁达尔效应，利用丁达尔效应是区分胶体与溶液的一种常用物理方法。高中化学（必修一），人民教育出版社，2007年3月版，第27页。文中对溶液、溶胶、浊液从本质和外观上做了比较说明。即，溶液：分散质粒子的直径小于109 m，外观均一、透明、性质稳定。 胶体：分散质粒子的直径介于109 m 107 m，外观均一、透明，性质不太稳定。 浊液：分散质粒子的直径大于107m；外观不均一、不透明，性质不稳定。胶体能产生丁达尔效应就是由于入射光的波长大于胶体粒子的直径，所产生的现象称为光的散射现象或称乳光现象。这里的表述似乎清晰地解释了丁达尔现象，同时也会产生以下两个疑问：疑问一：丁达尔效应是区分胶体与溶液的一种常用物理方法，本部分知识说阐述的是溶液、溶胶、悬浊液三者之间的区别与联系。在讲述完这部分知识之后，很容易对悬浊液有没有丁达尔效应产生疑问。对此，教材应明确给出答案，或者设计一个实验让学生进行探究。疑问二：教材中选用的是蓝色的CuSO4溶液，光源选用的是红色的激光笔，而蓝色的溶液对红色的光源有没有影响，该现象是否能够有力地说明溶液就没有丁达尔效应呢？二 对于疑问一，我们可做以下的实验探究：实验一：取二个小烧杯，分别加入25ml的泥水，25ml的油水混合物。将烧杯置于暗处，分别用激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。待泥水与油水混合物不太浑浊时，再用激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。现象：二个小烧杯中开始都观察不到光亮的“通路”，静置片刻后在盛有泥水的小烧杯中看到有条光亮的“通路”，另外一个而油水混合物则看不到光亮的“通路”。分析：我们知道，泥水，是常见的悬浊液，油水混合物是常见的乳浊液。泥水的这一系列现象是与泥水的性质有关，是因为泥水并不是一个简单的分散体系，它是一种比较复杂的分散体系。泥水中既包含有悬浊液，又包含有土壤胶体，还包含有真溶液。在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果分散质的粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射，是看不到丁达尔效应的，所以开始观察不到一条光亮的“通路”，静置片刻后，泥水中悬浮的大颗粒，大部分都沉积在烧杯底部，而一些大小在109 m 107 m 之间的分散质粒子和水就形成了胶体，故静置后的泥水能观察到丁达尔现象。而油水混合物是乳浊液，而开始时看不到丁达尔现象，分散质的粒子大于入射光波长很多倍，所以没有丁达尔现象。静置后油水分开，就更看到丁达尔现象了。在这里，我认为，有必要说一下牛奶，因为它在高中的资料里经常出现，并且不同的资料说法不同，有的说是胶体，有的说是乳浊液，可谓是众说纷纭。所以在这里就加入了对牛奶的探究实验。实验二：取一个小烧杯，加入25 mL的牛奶。将烧杯置于暗处，分别用激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。 再向烧杯中加入25mL的水，将烧杯置于暗处，分别用激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察,并记录现象。现象：开始没有丁达尔效应。这就说明了牛奶不是胶体。稀释后在烧杯中看到了一条光亮的“通路”，这说明牛奶是胶体。分析：这样的结果，就使我们很迷惑了，似乎都对，又似乎都不对。牛奶是一种复杂的液态分散体系，里面酪素占3，脂肪占3.64，乳蛋白占0.53，乳糖占4.88，剩下的都是水的含量。脂肪和水形成乳浊液，酪素和乳蛋白均形成胶体，乳糖形成溶液。在一个复杂的液态分散体系中，如果有一种不溶于水的小液滴存在，而这种小液滴的大小又正好在特定的范围内，就可以叫做乳浊液，因此，牛奶可看作乳浊液。当多相液态的复杂体系被稀释一定的倍数后，胶体的性质就凸显了出来，所以就有了比较明显的丁达尔效应。结论：有上面的实验可知，真正的悬浊液或乳浊液一般是没有丁达尔效应的。但在高中阶段，对泥水、牛奶的探究性实验，不失为一种好的选择，有利于激发学生的求知欲。三对于疑问二，在今天，多种光源都进入到了我们的生活中，激光笔随处可见，学生的手中也有多种多样的激光笔。所以就设计了如下的实验。 实验三：取一个小烧杯，分别加入25 mL的CuSO4溶液。将烧杯置于暗处，分别用红色和绿色的激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。现象：用红色的激光笔照射，看不到光亮的“通路”，用绿色的激光笔照射能看到光亮的“通路”。猜想一：可能是以因为红色激光笔和绿色激光笔发射出的光的波长不一样，红光的波长小于CuSO4溶液中离子的直径，所以用红色激光笔照射时没有看到光亮的“通路”。而绿光的波长大于CuSO4溶液中离子的直径，所以用绿色激光笔照射时能看到光亮的“通路”。或者是二者都大于CuSO4溶液中离子的直径，绿光可能大于红光波长，致使用绿色激光笔照射时能看到光亮的“通路”，而用红色激光笔照射时能看到的光亮的“通路”太弱了，我们肉眼观察不到。查阅后发现红光：波长范围：760-622nm，绿光：波长范围：577492nm；是红光的波长大于绿光的波长。而对于小分子真溶液或纯溶剂，因粒子太小，对光的散射作用很微弱，一般用肉眼难以分辨。这就是说，猜想一是不合理的。猜想二：不同颜色的激光笔照射有色溶液会不会存在被溶液吸收的可能。就像是用红色激光笔照射CuSO4溶液没有看到光路，而用绿色激光笔照射时现象就不一样了。对于猜想二，设计如下的实验：实验四：取一个小烧杯，加入25 mL的FeCl3溶液。将烧杯置于暗处，分别用红色和绿色的激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。现象：用红激光笔照射，可看到有一条弱的、不太明亮的光路；用绿色的激光笔照射，看不到光路。当粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比。即微粒的直径必须远小于入射波的波长，通常上界大约是波长的1/10（1300 nm），此时散射光线的强度与入射光线波长的四次方成反比，也就是说，波长愈短，散射愈强。这就是瑞利散射原理。分析：FeCl3溶液对绿色的光源有吸收作用，所以用绿色的激光笔照射，看不到光路。FeCl3溶液对红色的光源有散射作用，而绿光的波长小于红光的波长，所以用红激光笔照射，可看到有一条弱的、不太明亮的光路。结论：用不同颜色的光源照射溶液时，入射激光颜色和溶液中颜色互补，看不到光路。由于激光笔功率的大小不同，在溶液中有的能看到光的散射现象。猜想三：也有可能是CuSO4溶液的浓度大，在溶液中发生了如下的反应：CuSO4+ 2H2O = Cu(OH)2+H2SO4CuSO4+Cu(OH)2 = Cu2(OH)2SO4由于难溶物Cu2(OH)2SO4 的生成，可能形成疏水胶体。如果加热的话，会促使平衡向生成胶体的方向进行，这时用白光或绿光照射，现象可能会更明显。对于猜想三，可做如下的实验来求证：实验五: 取二个小烧杯，一个加入25 mL稀的CuSO4溶液，另一个加入25 mL浓的CuSO4溶液，将烧杯置于暗处，用绿色的激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察,并记录现象。然后把盛有浓的CuSO4溶液小烧杯在酒精灯上加热35分钟，将烧杯置于暗处，用绿色的激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。现象：用绿激光笔照射稀溶液有极弱的光路，用绿激光笔照射浓溶液有明显的光路。对浓溶液加热后，再用激光笔照射，有更为明显的光路出现。结论：在浓的CuSO4溶液中，光照有丁达尔效应，说明有疏水胶体这一因素的影响。从以上的实验结果来看，在教材中选用CuSO4溶液来作为实验用品，是不太合理和科学的，不利于实验结果的得出，还容易混淆学生的理解。假如我们选择无色的溶液又会如何呢？实验六：取二个小烧杯，一个加入25 mL的NaCl溶液，另一个加入25 mL酒精，将烧杯置于暗处，分别用绿色和红色的激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察,并记录观察现象现象：均无光路。所以，我们在进行课堂演示的时候，避开那些有色的溶液，选择诸如NaCl溶液或者酒精这些常见的无色溶液来进行，以保证演示实验的稳定性。 这时候可能还会有新的疑问出现，既然溶液中存在入射激光颜色和分散系颜色互补，那么有色的胶体呢，会不会也会出现入射激光颜色和分散系颜色互补？我们就可以设计下面的实验来看一下是否如此.实验六：取一个小烧杯，加入Fe(OH)3胶体。将烧杯置于暗处，分别用红色和绿色的激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。现象：用红色的激光笔照射可看到光亮的“通路”，用绿色的激光笔照射则看不到明显的光路。这下我们就知道了，胶体也会出现入射激光颜色和分散系颜色互补的情况，那么在课堂上我们该如何选择合适的胶体，以达到预期的教学目的呢？并且选择的胶体在我们生活又为常见的？设计了下面的实验：实验七：取一个小烧杯，加入一定量的鸡蛋清。将烧杯置于暗处，分别用红色和绿色的激光笔照射杯中的液体，在与光线垂直的方向上进行观察, 并记录现象。现象：都可以看到光亮的“通路”。四综上所述，可以得到如下结论：第一，一个光学现象的产生往往是多种因素共同作用的结果。在基础的化学教学中，应保证演示实验的稳定性，不能让学生留下模糊或者似是而非的结论，而CuSO4溶液不具备演示结论的稳定性，Fe(OH)3胶体也不是理想的实验药品的选择。若选用NaCl溶液或者酒精，胶体选用鸡蛋清，无论选用何种光源，也会得出与教材描述相一致的结论。就可保证实验的稳定性。第二，化学毕竟是以实验为基础的学科，丁达尔研究这种光学现象时没有出现的问题，随着社会的发展也随之而出了，在鼓励学生多动手，多动脑的同时，也就要求老师不要拘泥与常规，多了解一些科学发展的前沿问题，如实验中的Fe(OH)3胶体，如果我们满足与以前的知识，如何解释用绿色的激光笔照射就没有丁达尔效应这一现象。即使我们选择了鸡蛋清来实验，也可能还会有其它问题出现。参考文献：1高中化学（必修一）M，人民教育出版社，2007年3月版。2傅献彩主编：物理化学( 第五版) M，北京：高等教育出版社，2006年版。3李俊生, 赵琳，孙晶，郭瑞红：对丁达尔效应的研究，化学研究J, 2014(1)，4447。4李平，丁达尔效应实验的新光源，天津师范大学学报(基础教育版) J，2000(02)，70。5刘建英：丁达尔效应再探究，化学教育J，2013(9)，6971。6芦岳锋, 对丁达尔效应实验的疑义与补充,化学教与学J，2012(3)，96。