胶体之旅胶体溶液之探讨解析

1、膠體之旅膠體溶液之探討一、研究動機：炎炎夏日，喝著豆漿的同時，便想到了化學課本裡有提到膠態溶液，便好 奇明明我喝的是鹹豆漿，為什麼沒有凝析呢？同學說是因為加了醋的關係，我便 好奇到底加上什麼東西才會有豆花般的凝析。課本上說加上了硫酸鈣，便會有豆 花的產生，那麼加上有關鈣離子的溶液，是否都可以有此現象產生呢？而不同的 溫度會不會影響它凝析的效果，而是否可以使膠體溶液更穩定而不產生凝析？我 們打算研究有關膠態溶液的凝析現象，進一步在生活中有所利用。二、研究目的：探討電解質對酸鹼鹽類的影響（一）、探討不同濃度的酸對膠態溶液的影響（二）、探討鹼類、鹽類對膠體溶液凝析的影響（三）、探討不同溫度的含鈣電解

2、質對豆漿凝析的影響（四）、探討介面活性劑是否可以減緩凝析的現象三、文獻探討：（一）、溶液是由溶質和溶劑所構成一其性質可分為下列三種：1. 真溶液（true solution）:又稱溶液，物質以分子、離子或原子均勻分散於液 體中，形成均勻的溶液，真溶液不分散光線，且溶質、溶劑無法以過濾方式分離， 非常安定，不發生沉澱，也極易透過濾紙。分散相粒子最小，其直徑約為10 公尺。例如：蔗糖和食鹽水溶液。2. 懸浮液（suspension）:分散相粒子最大，其直徑在10-4cm以上，和液體混合 生成不均勻的混合物。可以分散光線，分散相暫時懸浮於溶液中，極不穩定，靜 置後立刻發生沉澱，可用濾紙分離懸浮物質。

3、例如：水和泥土混合，得到懸浮液, 靜置，泥土沉澱下來。3. 膠體溶液（colloidsolution）:分散相粒子之大小介於真溶液與懸浮液之間，約10-1000A。可以分散光線，膠體溶液相當安定，不易沉澱，也不會溶於溶劑中, 而是維持懸浮分散在液體中可以透過濾紙，但速度較真溶液為慢，且靜置也不發 生沉澱。例如：牛奶。（二八膠體溶液：在膠體溶液中，分散在物質中的粒子（即溶質）稱為分散質，而溶劑稱為分 散媒，膠體溶液就是分散質被分散媒散開所形成的混和物，為一種分散系。分散 質和分散媒都可是氣體、液體或固體，其可分為具流動性的液膠（溶膠）、不具流動性成凝固狀的膠凝體（凝膠）和氣溶膠，共可組成九個體系

4、，其中氣體一氣 體之混合為真溶液，所以膠體溶液只有八種體系，如下表：分散質分散媒膠體名稱範列液體氣體液態氣溶膠雲、霧固體氣體固態氣溶膠煙、塵埃氣體液體泡沫肥皂泡沫、啤酒泡液體液體乳膠牛奶、蛋黃醬、農藥固體液體溶膠、凝膠墨水、油漆、漿糊氣體固體固態泡沫浮石、多孔質固體、海綿、氣體 被活性炭吸附液體固體固態乳膠凍膠、蛋白石、牛油、膠糖固體固體固態溶膠玻璃、合金、有色寶石（表一）（三）、膠體粒子的特性：1. 布朗運動：當光線通過膠體溶液，並在顯微鏡中以垂直光線的方向觀察，可發 現其個別的粒子並不能看見，卻能看到一些微光在液體中舞蹈，就叫布朗運動。 它很穩定卻不規則，這些粒子的運動是因為快速分子的撞擊

5、，呈現混亂的運動。 其速率隨溫度增加而增加。一般膠體粒子帶有同性電荷，當粒子進行布朗運動時，由於同性電荷互斥使其不能接觸凝結，這就是膠體穩定原因。2. 廷得耳效應：當一道很強的光通過膠體，則由於膠體粒子較大，足以散射光線 的緣故的關係，使得這道光線更清楚可見，叫廷得耳效應。3. 膠體粒子的電性質：膠體粒子表面會吸附溶液中的離子（H、0H）而帶有電荷， 若同一膠體粒子帶有相同的電荷，則彼此產生靜電力而互相排斥，不能聚集而懸 浮於溶液中，其所帶的電荷可能為正或負電，而大小則是與膠體粒子的本質有關。在膠體溶液中加入少量電解質或插入電極，使膠體粒子所帶的電荷中和，失 去斥力互相聚集而產生沉澱，這種作用

6、稱為凝聚。例如：豆漿加石膏，蛋白質凝 聚成豆腐。（四）、界面活性劑在液體表面的分子，受到內部分子的吸引，會形成表面張力，當兩種不同的液體相混時，形成一個不能均勻混合的界面（例如水和油），若欲使其形成安定的膠液，就必須加入界面活性劑，以降低表面張力的差異。界面活性劑分子中， 通常具有高極性基和非極性基兩部分，高極性基有時為離子性基（親水性基）， 易溶於水或其他極性溶劑中，例如-C00N、-S6Na -COOH -OH等，而非極性基 為親油基，易溶於油等非極性溶劑中。我們所使用的為洗衣粉和肥皂兩種界面活 性劑，肥皂的主要成份為硬脂酸鈉（圖一），洗衣粉的主要成份為十二烷基苯磺 酸納（圖二），我們利用

7、這兩種界面活性劑，嘗試是否能降低其凝聚效果。C+CH 2 CH CH CHCHCHO-Na四、研究設備及器材:（一）藥品：CH3COOH6M 3M 1M50mlHCl6M 3M 1M50mlKCl1M50mlNaCl1M50mlNaOH0.001M50mlCa(OH 20.001M50mlCaSO0.001M50mlCaCl20.001M50ml（表二）（二）器材:溫度計2支量筒2個玻棒2支燒杯4個三梁天平1組加熱器1台測光器2個牛奶2瓶括杓3支豆漿2瓶手電筒1支暗箱1個（表三）五、研究過程或方法：（一）、自製暗箱以測透光度（如圖三）（1）取一有蓋之暗箱，左側挖洞，把測光器放置裡面固定（兩種位

8、置：一為與手 電筒光線平行，一為與手電筒光線垂直），將數値顯示器置於暗箱外。（2）在前方挖一洞，放置手電筒並固定位置，手電筒用黑紙包覆，露出一狹縫之 光線（如圖）（圖三）（二八實驗一我們鎖定兩種膠體溶液作探討：牛奶和 豆漿1. 先用兩種不同的酸類電解質 （CH3C00HHCI）調配成6M的水溶液50ml電解質水溶液：豆漿/牛奶以體 積比1： 25的比例混合觀察：有 無凝析現象、凝析顆粒大小和凝 析情況，並利用測光器測量透光度（圖四）2. 再用同種電解質水溶液調配成3M和1M以上述同樣方法檢視混合的情況。（二八實驗二我們依然使用牛奶和豆漿兩種膠體 溶液1. 我們用兩種不同的鹼類電解質（NaOH

9、Ca（ OH 2）水溶液調配成1M水溶液50ml，電解質水溶液：豆漿/牛奶以體積比1: 25的比例混合觀察：無凝析現象、凝析顆粒大小、凝析情況， 並以測光器測量透光度。2. 我們用兩種不同的鹽類電解質（CaS CaC2）水溶液調配成1M水溶液 50ml，電解質水溶液：豆漿/牛奶以體積比1： 25的比例混合觀察：無凝 析現象、凝析顆粒大小、凝析情況，並以測光器測量透光度。（三）、實驗三1. 用三種含有鈣離子的電解質水溶液（Ca（ OH 2、CaSO CaCl2） 調製成0.05M的水溶液以1： 25的比例和膠體溶液混合，觀察：有無凝析 現象、凝析顆粒大小、凝析情況和透光度。並從室溫20E加熱至5

10、0C,觀察其凝析情形有無變化（四八實驗四1. 把已產生凝析現象的膠體溶液，加入肥皂水，觀察溶液有無變化2. 把已產生凝析現象的膠體溶液，加入洗衣粉水，觀察溶液有無變化六、研究結果：（一）、實驗一光値：測光單位範圍：01999 Lux（x1）測光平行垂直不放任何物品910011清水087004純豆漿002004純牛奶002005（表四）（1.）電解質水溶液（6M）:牛奶=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）HCl濃稠不變顆粒小 成塊狀有001008CHCOO卜1比HCI較不稠不變細小顆 粒有001002（表五）探HCI （6M）:牛奶比豆漿濃稠，凝析出來的物質也比較多（2.）電解質水

11、溶液（6M）:豆漿=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）HCl稀不變小顆粒 成片狀有001002CHCOO卜1較濃（效果較好HCl）不變小顆粒 成塊狀有001001（表六）電解質在6M時，HCI對牛奶的凝析效果較好，CHCOOI對豆漿的凝析效果較好（3.）電解質水溶液（3M）:牛奶=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）HCl稍濃稠不變塊狀,顆粒較6M小有001001CHCOO卜1稀不變塊狀，顆粒較6M小有001001（表七）（4.）電解質水溶液（3M）:豆漿=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）HCI稀不變小顆粒 塊狀有001001CHCOOH1較6M不濃不

12、變細小（顆粒比 6M小）有001001（表八）（5.）電解質水溶液（1M）:牛奶=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）HCI稀不變片狀，顆粒較3M小有001003CHCOOH1稀，較3M稀不變塊狀，顆粒較3M小有001001（表九）（6.）電解質水溶液（1M）:豆漿=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）HCI稀不變小顆粒 塊狀有001001CHCOOH1 較 3M稀不變細小（顆粒大小進似3M）有001001（表十（二八實驗二（1.）電解質水溶液(1M): 牛奶=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）KCI不變不變無八、Illi:八、004004NaCI不變不變

13、無八、Illi:八、004006(: 一 |_亠一、（2.：電解質水溶液（飽和）（表十:豆漿=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）KCI不變不變無八、Illi:八、002004NaCI不變不變無八、Illi:八、004003（表十二）（3.）電解質水溶液（飽和）：牛奶=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）NaOH不變不變Illi:八、Illi:八、006008Ca(OH2不變不變Illi:八、Illi:八、001002（表十三）（4.）電解質水溶液（飽和）：豆漿=1:25外觀顏色顆粒凝析測光（平行）測光（垂直）NaOH不變變淡黃無八、無八、003004Ca(OH稍濃不變

14、顆粒細 小有002006（表十四）（三）、實驗三（1.）電解質水溶液（飽和）：牛奶=1: 25外觀顏色顆粒凝析測光 （平行）測光 （垂直）CaCl220 r不變不變無八、無八、001002CaCl250 r稀，成豆 花狀不變顆粒小 塊狀有003008CaSO20 r不變不變無八、無八、001003CaSO50 r稀不變顆粒細小燒杯底有 少許凝析004005Ca(OH20 r不變不變無八、無八、001002Ca(OH)50 r稀變淡黃無八、無八、004005（表十五）（2.）電解質水溶液（飽和）：豆漿=1: 25外觀顏色顆粒凝析測光 （平行）測光 （垂直）CaCl220 C比原豆漿 濃不變顆粒細

15、小 粉狀有001002CaCl250 C比20 C時更濃不變顆粒細小 粉塊狀有001003CaSO20 C稍濃不變細小有003003CaSO50 C稀，成豆 花狀不變較20 C時 大，塊狀有003004Ca(OH20 C稍濃變黃顆粒細小 粉狀有002006Ca(OH50 C稍濃與20 C時相同顆粒較20C時大有003008（表十六）（三八實驗四（1.）將CaSO加入豆漿中，會產生凝析，這時我們再將肥皂水加進去，觀察其 變化：1. 溶液變的較稀，近似於原豆漿2. 顆粒變較細小，且看不見明顯顆粒（2.）將CaSO加入牛奶中，會產生凝析，這時我們再將洗衣粉水加進去，觀察 其變化：1. 溶液變的較稀，

16、近似於原牛奶2. 顆粒也變較細小（圖五）左為凝析的膠體溶液 右為加入肥皂水後 （觀察杯底之凝析顆粒）七、討論:名稱主原料營養成分低脂鮮乳生乳（乳脂含量0.5%2.0%非脂肪乳固形 物8%以上）（每100ml含量）:熱量：48.7Kcal、碳水化合物：5.5g 脂肪：1.5g、蛋白質：3.3g 鈉：43.5mg、寡糖：700mg豆漿大豆蛋白、卵磷脂、異黃 酮、黃豆蔗糖、果糖、油脂（1）測光部分：1. 膠體溶液加入電解質後，有些用肉眼就可分辨出是否凝析，但為了避免用觀察 而判斷錯誤的可能性，我們用測光的方法檢視膠體溶液是否產生凝析。2. 我們用了平行和垂直兩種方法測光，但因平行會受到燒杯大小的直徑

17、所影響， 且若凝析時，顆粒大的可能會擋住光線，使測光値變小，也可能不會擋住光線， 使測光値變大，所以較不具參考價值。3. 在做實驗之前，我們猜想垂直部分的測光値，不產生凝析時，膠體溶液較穩定， 膠體粒子可散射光線，而產生凝析時，膠體粒子凝聚在一起，較不能散射光線， 所以膠體溶液沒有凝析時的垂直測光値，會大於有凝析時的垂直測光値。但做完實驗後，我們發現結果不如之前所預期，垂直測光值在凝析後反而變 大，且無法歸納出一個結論，可能因實驗當中種種的變因、誤差或器材等方面的 錯誤，也或許凝析現象根本無法以測光器來定量，我們將重新檢討，看是否能將 實驗裝置加以改良，讀出具有參考價值之測光值，進而整理出一個

18、結論。（2）由實驗一發現：1. HCI和CHCOO皆會使豆漿和牛奶產生凝析，但效果不同，溶液在6M時，HCI對牛奶的凝析效果較好，CHCOO對豆漿的凝析效果較好。2. 電解質的濃度會影響凝析的效果。電解質濃不同時，其濃稠度大小、顆粒的大小，若依順序排列濃度6M 濃度3M 濃度1M3. 產生凝析的原因：牛奶和豆漿裡含有蛋白質，其都是由胺基酸所構成，胺基酸 具有兩性離子的性質，凡在分子內具有內鹽結構的化合物，稱為兩性離子 （zwitter ion），胺基酸即為此種分子。當加酸於一胺基酸溶液時，質子（H+）即加於胺基上，當加入鹼時，則由胺基上移去質子。在酸性溶液中，胺基酸將具一 陽電荷，置於電場中，

19、將向陰極移動；在鹼性溶液中，胺基酸將具一陰電荷，若 置於電場中，將向陽極移動；在某一特定的 pH值時，胺基酸的靜電荷為零，在 電場中不發生移動，此一特定的 pH值稱為等電點。不同胺基酸由於結構不同， 致其等電點也不同，因此等電點值是胺基酸的特性常數。當蛋白質分子上的正、負電荷數量相等（淨電荷為零）時，此時溶液的 pH 值稱為這種蛋白質的等電點。天然蛋白質的種類很多，由於不同蛋白質的胺基酸 組成的數目和種類不同，所以各種蛋白質的等電點是不同的。會產生凝析，是因為在等電點時，蛋白質分子上的淨電荷為零，分子呈電 中性，所以其親水性減弱，溶解度減小，分子之間極易相互碰撞、凝聚而析出。 而如果加入電解質

20、無法產生凝析，應是其未達等電點之緣故。 （2）由實驗二發現：1. 鹽類：KCI和NaCI皆不會使豆漿和牛奶凝析，其應是未達到等電點，膠體粒 子仍然帶電，而不能產生凝聚。2. 鹼類：Ca（OHX NaOH對牛奶皆不會產生凝析，可能因其等電點為鹼性，所以 在鹼性條件下，其膠質粒子靜電荷不為零，不會凝析。而豆漿在加入 NaOH 後也不會凝析，但在Ca（OH加入後，會產生凝析，因此，我們猜測是否鈣 離子與豆漿粒子間有特殊的作用力。3. 將 NaOH 加入豆漿中，會使豆漿變黃，我們猜測是否是 NaOH 使溶液中產生 變化。4. 豆漿於CH3COOH弱酸）中之凝析效果佳；則牛奶於 HCI （強酸）中之凝析

21、效 果佳，可見牛奶裡的蛋白質的等電點較豆漿為低。（ 3）由實驗三發現：1. 在Ca（OH）2、CaCl2、CaSO加入牛奶中，我們發現在 20C時皆無變化，但加 熱至50C時，CaSO4和CaCl2產生了凝析，且溶液變稀。2. Ca（OH）2加入牛奶，在20C時無變化，加熱至50C時，牛奶呈淡黃色，其原因可能是乳清（製造乳酪過程中，牛奶凝固後剩下的液體）裡的酪蛋白，能 與石灰生成不溶於水的酪蛋白鈣，而造成溶液呈黃色。而Ca（OH）2皆不能使牛奶產生凝析，因其未達等電點。3. Ca（OH）2、CaC2 CaSO加入豆漿中皆可使其產生凝析，此三種鹽的共同點是皆有鈣離子導致其凝析。可見對豆漿而言，除了達等電點可凝析外，加入Ca2+ 之鹽類也可讓豆漿凝析。4. 溫度升高時，顆粒越大，且凝析現象更明顯。5. Ca（OH）2加入豆漿時，在20E時也產生變黃的情形，其原因可能與第 2點相 同。（ 4）由實驗四發現：1. 加入界面活性劑，