姚葉

摘要：結(jié)合瑞利散射定律、膠體和表面化學(xué)等知識(shí)以及簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，對(duì)膠體教學(xué)中存在的一些常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行解讀。并指出了人教版教師教學(xué)用書(shū)以及2019年啟用的人教版新教材中對(duì)于膠體知識(shí)描述的不當(dāng)之處。

關(guān)鍵詞：膠體;膠粒;丁達(dá)爾效應(yīng)

文章編號(hào)：1008-0546（ 2020）08-0030-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/i.issn. 1008-0546.2020.08.009

新的人教版教材中，物質(zhì)的分類成為了高中化學(xué)的第一課，而在其中的膠體的教學(xué)中，學(xué)生和老師常常會(huì)自然而然地產(chǎn)生一些疑問(wèn)：丁達(dá)爾效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么？溶液有無(wú)產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)的可能呢？牛奶和豆?jié){是膠體，但為什么看不到丁達(dá)爾效應(yīng)呢？為什么氯化鐵溶液水解得到膠體，而與氫氧化鈉反應(yīng)得到沉淀？分散質(zhì)粒徑1-100nm為膠體，那么101nm呢？作為高中教師，應(yīng)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(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和化學(xué)素養(yǎng)，上好高中化學(xué)第一課。

一、丁達(dá)爾效應(yīng)

1.丁達(dá)爾效應(yīng)的本質(zhì)

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(dá)爾效應(yīng)。溶液中的溶質(zhì)粒子由于半徑太小，小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，故對(duì)可見(jiàn)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(jiàn)光的波長(zhǎng)，導(dǎo)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(jiàn)光的波長(zhǎng)相當(dāng)（稍小一些），導(dǎo)致光線可以部分穿過(guò)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(qiáng)度，于是我們可以觀察到一條光路，即丁達(dá)爾效應(yīng)。其本質(zhì)是一種光的散射現(xiàn)象，散射就是在光的進(jìn)行方向之外也可以看到光的現(xiàn)象。

瑞利曾對(duì)光的散射現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)研究，得到散射光強(qiáng)，與入射光強(qiáng)Io之間的關(guān)系如下：

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

2.影響丁達(dá)爾效應(yīng)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(dá)爾現(xiàn)象不僅僅與粒子的大小有關(guān)，還與很多其他因素有關(guān)。

（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(dá)爾效應(yīng)。李俊生等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，極濃的豆?jié){無(wú)法看到丁達(dá)爾效應(yīng)，將1滴豆?jié){與50mL純水混合后，則可以觀察到丁達(dá)爾效應(yīng);筆者用紅光照射飽和氯化鈉溶液時(shí)可以觀察到較弱的丁達(dá)爾效應(yīng)，但是將其稀釋5、10、25、100倍后都無(wú)法觀察到丁達(dá)爾效應(yīng)。印證了上述結(jié)論。

（2）A的影響

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

（3）I0的影響

與濃度、波長(zhǎng)不同的是，理論上：入射光的強(qiáng)度越大越利于所有分散系發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)，因?yàn)槿松涔鈴?qiáng)度越大，則散射光的強(qiáng)度越大，越容易被觀察到;同時(shí)，透射光的強(qiáng)度也大，所以有利于光線穿過(guò)整個(gè)分散系。王小利等[2]將入射光先穿過(guò)膠體，再射入溶液，發(fā)現(xiàn)溶液很難產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，將光的射入順序改變，則溶液與膠體都能觀察到丁達(dá)爾效應(yīng)。

（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

筆者對(duì)濃度、波長(zhǎng)對(duì)丁達(dá)爾效應(yīng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖1、圖2所示：

我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于NaCl溶液而言，無(wú)論是紅光還是綠光，丁達(dá)爾效應(yīng)都隨著溶液濃度的降低而變得不明顯;且綠光的丁達(dá)爾效應(yīng)總是比紅光強(qiáng)。對(duì)于溶液這樣的分散質(zhì)粒子較小的分散系，增大濃度、降低波長(zhǎng)從而提高光的散射程度，有利于丁達(dá)爾效應(yīng)的觀察。結(jié)果與理論相符。對(duì)于CuS04溶液而言，若用綠光照射，則丁達(dá)爾效應(yīng)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(dá)爾效應(yīng)[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(dá)爾效應(yīng)，這可能是因?yàn)樗乃香~離子對(duì)紅色光的吸收程度大導(dǎo)致的（硫酸銅溶液顯藍(lán)色也是因此）。

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

3.對(duì)課堂教學(xué)的啟示

（1）我們可以對(duì)丁達(dá)爾效應(yīng)的本質(zhì)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(dāng)一個(gè)人站在一堵墻的一側(cè)說(shuō)話時(shí)，墻越高越寬，聲音就越容易反彈導(dǎo)致回聲;墻越矮越窄，聲音則越容易繞過(guò)。這和我們的膠體丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是很類似的：光也是一種波，而分散系中的粒子就相當(dāng)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;障礙物越小（粒徑越小，如溶液），則光越容易穿透。

再如，我們可以將丁達(dá)爾效應(yīng)比作剎車時(shí)留下的剎車印。若是地面對(duì)輪胎的摩擦太弱，輪胎幾乎沒(méi)有阻礙地滾動(dòng)過(guò)去，則不會(huì)留下印記;反之，若是阻礙太強(qiáng)（假設(shè)一剎即停），則剎車印長(zhǎng)度太短，我們也無(wú)法觀察到;只有摩擦力強(qiáng)度在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)，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(duì)子彈具有適中的阻礙作用時(shí)才能看到其運(yùn)動(dòng)軌跡）。

……

上述例子都可以形象地解釋為什么粒徑過(guò)大或過(guò)?。ㄉ⑸溥^(guò)強(qiáng)或過(guò)弱）都無(wú)法導(dǎo)致丁達(dá)爾效應(yīng)的產(chǎn)生。

（2）我們可以將丁達(dá)爾效應(yīng)的知識(shí)與生活實(shí)際相聯(lián)系。

例如，初中物理學(xué)過(guò)“頻率高的超聲波的穿透力強(qiáng)，但是頻率低的次聲波具有繞過(guò)障礙物（比如一堵墻）的能力，往往可以傳播更遠(yuǎn)”，可以據(jù)此讓學(xué)生們猜測(cè)，能否改變激光燈的波長(zhǎng)（顏色），令原本不能發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)的硫酸銅溶液也發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)。另外，現(xiàn)今家中路由器信號(hào)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(dāng)我們離路由器隔了幾堵墻之后，5G信號(hào)強(qiáng)度下降很快，這時(shí)只能改用頻率較低，但是易于繞過(guò)障礙物的2.4G信號(hào)了。

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

（3）我們應(yīng)該引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的探究精神。

在初中的教學(xué)中，我們一直強(qiáng)調(diào)控制變量法，而現(xiàn)今，做了一個(gè)硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體的實(shí)驗(yàn)就能說(shuō)明只有膠體才能發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)嗎？?jī)煞N體系的顏色不同，而激光筆都是使用的紅光，這就導(dǎo)致這個(gè)實(shí)驗(yàn)明顯是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。作為教師，此時(shí)是激發(fā)學(xué)生探究精神，讓課堂活躍，百家爭(zhēng)鳴是絕好契機(jī)。

對(duì)于該問(wèn)題，劉建英通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于紅棕色的氯化鐵溶液，紅光可以產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，而綠光不能;對(duì)于藍(lán)色的硫酸銅溶液，綠光可以產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，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?yàn)槲樟思t色的補(bǔ)色綠色，所以綠光無(wú)法在紅色的氯化鐵溶液中產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)。紅光無(wú)法在硫酸銅中產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)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(méi)有透射過(guò)去，因?yàn)樵诠庠戳硪粋?cè)的燒杯壁上并沒(méi)有看到紅色光點(diǎn)。

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(yīng)得到沉淀的問(wèn)題。

1.晶核的形成與晶粒的生長(zhǎng)

生成產(chǎn)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(zhǎng)速率（V2）。若v1<>v2，則會(huì)產(chǎn)生較多且分散的小微粒，易于產(chǎn)生膠體。理論說(shuō)明：在一定的濃度范圍內(nèi)，溶液的過(guò)飽和度越大，一般來(lái)說(shuō)越有利于產(chǎn)生沉淀，反之，易于產(chǎn)生膠體。（濃度過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生凝膠，詳細(xì)理論參見(jiàn)《膠體與表面化學(xué)》[6]。）

2.關(guān)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(chǎn)生大量氫氧化鐵，其過(guò)飽和度較大，容易產(chǎn)生沉淀;而讓氯化鐵緩慢地水解，產(chǎn)生少量的氫氧化鐵，過(guò)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“通常”一詞，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(dǎo)致錯(cuò)誤。然而，在一些教輔和實(shí)際上課過(guò)程中，這段話中的“通常”一詞往往被忽略，使得學(xué)生將這樣一段話理解成一種“定義”或者“概念”。雖然并不會(huì)造成考試分?jǐn)?shù)的丟失，但是這樣的“固定式世界觀”不應(yīng)該是我們希望學(xué)生形成的。比如筆者就曾向?qū)W生提問(wèn)：分散質(zhì)粒徑為101nm的分散系是不是膠體呢？大多數(shù)學(xué)生都認(rèn)為不是，因?yàn)槟z體粒子的直徑一定在1-100nm之間。這顯然是把化學(xué)學(xué)死了。正如上文中所述，丁達(dá)爾效應(yīng)本質(zhì)上是體系對(duì)光的散射導(dǎo)致在光的進(jìn)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(huì)突然變強(qiáng)到轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆⑸?，而只是散射變?qiáng)了一些，光線穿透體系的距離變短了一些，相對(duì)來(lái)說(shuō)較難觀察到丁達(dá)爾現(xiàn)象了一些;比1nm小一些，光的散射現(xiàn)象并不會(huì)突然消失而只是散射變?nèi)趿艘恍?，垂直于光線方向上觀察到的光強(qiáng)度變?nèi)趿艘恍?。同樣，分散系的其他性質(zhì)也是隨著膠粒大小的變化而逐漸變化的，并不會(huì)因?yàn)榉稚①|(zhì)粒徑為101nm，分散系就立馬變?yōu)椴痪徊环€(wěn)定的濁液。

但是因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，粒徑在1-100nm范圍之外時(shí)，分散系的性質(zhì)與膠體逐漸偏離，較難發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)，于是我們說(shuō)丁達(dá)爾效應(yīng)可以用于區(qū)分溶液與膠體。事實(shí)上，也有人建議將該范圍定為1-1000nm，因?yàn)橛胁簧俜稚①|(zhì)粒徑在100-1000nm之間的分散系，具備膠體的各種性質(zhì)[8]。

2.對(duì)課堂教學(xué)的啟示

（1）防止課堂教學(xué)教條化和固定化

牛奶和豆?jié){是不是膠體的問(wèn)題也有過(guò)爭(zhēng)議，因?yàn)橛腥苏J(rèn)為牛奶和豆?jié){不能發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)，所以很難認(rèn)定為膠體。在李俊生等人的實(shí)驗(yàn)中：1滴牛奶（或豆?jié){）配50mL水，則可觀察到丁達(dá)爾效應(yīng)，純的較濃的牛奶（或豆?jié){）則無(wú)法觀察到丁達(dá)爾效應(yīng)。牛奶和豆?jié){既是膠體又是濁液，其中的細(xì)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(duì)光的阻礙降低，其中以膠體形式存在的蛋白質(zhì)則開(kāi)始體現(xiàn)出丁達(dá)爾效應(yīng)的特點(diǎn)。所以它們既是膠體又是濁液。在學(xué)習(xí)膠體之前剛剛學(xué)習(xí)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(wèn)題中分個(gè)對(duì)錯(cuò)高低呢？

1-100nm這個(gè)范圍并不是約束死的，偏離該范圍一點(diǎn)點(diǎn)的分散系也不一定就不具備膠體的性質(zhì);牛奶和豆?jié){也不是膠體和濁液只能取其一的。正如化學(xué)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(wèn)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(zhēng)論過(guò)一段時(shí)間的“鹽酸是不是電解質(zhì)”“銅是不是非電解質(zhì)”等問(wèn)題。

（2）在課堂教學(xué)中滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

我們可以通過(guò)丁達(dá)爾效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)與微觀實(shí)質(zhì)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng);以膠體粒子半徑范圍問(wèn)題引出的化學(xué)理論漸變性規(guī)律來(lái)培養(yǎng)學(xué)生變化觀念與平衡思想的核心素養(yǎng);以課本中丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的不嚴(yán)謹(jǐn)來(lái)引發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)。

此外，部分地區(qū)在2019年開(kāi)始啟用人教版新教材，廣東省也將在2020年開(kāi)始啟用。新教材中，“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”為第一章第一節(jié)，物質(zhì)的分類和膠體將成為高中化學(xué)的“第一課”。我們應(yīng)該借助膠體的教學(xué)，在高中化學(xué)課程的最開(kāi)始，就讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)物質(zhì)世界的精彩與豐富;化學(xué)思維的靈活與生動(dòng);實(shí)驗(yàn)探究中的嚴(yán)謹(jǐn)與細(xì)致。引起學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

四、人教版教師用書(shū)以及人教版新教材中關(guān)于膠體的不當(dāng)表述

人教版教師教學(xué)用書(shū)的第二章第一節(jié)中，有這樣一段話：“研究膠體的概念時(shí)，教師可以“如果空氣中沒(méi)有氣溶膠，我們的環(huán)境將會(huì)是什么樣？”等問(wèn)題組織討論，讓學(xué)生充分發(fā)表自己的意見(jiàn)，相互交流，互相爭(zhēng)論，最后得出“光照下無(wú)丁達(dá)爾效應(yīng)——空間變得一團(tuán)漆黑——人類難以生存”的結(jié)論。這樣的教學(xué)方式能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，從而加深對(duì)知識(shí)的記憶、理解和應(yīng)用?！盵9]顯然，沒(méi)有丁達(dá)爾效應(yīng)則空間一片漆黑的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。我們看到物體是因?yàn)槲矬w反射的光進(jìn)入了我們的眼睛，與空氣中的丁達(dá)爾效應(yīng)無(wú)關(guān)。當(dāng)然，若是硬要扯上關(guān)系也可，畢竟丁達(dá)爾效應(yīng)的本質(zhì)是光的散射，若是沒(méi)有光的散射，空間確實(shí)一片漆黑。但是這明顯不是本書(shū)想表達(dá)的觀點(diǎn)。

此外，2019年開(kāi)始啟用的人教版新教材中，將原本對(duì)膠體粒徑的描述更改為“分散質(zhì)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(zhì)粒子的直徑在1-100nm的分散系是膠體”原人教版教材中的“通常”二字全部去掉了[10]，個(gè)人認(rèn)為此表述不如上一版本的表述恰當(dāng)。

五、結(jié)語(yǔ)

在膠體的教學(xué)中，我們不應(yīng)該回避這些教學(xué)中自然而然產(chǎn)生的問(wèn)題，而是應(yīng)該了解其背后的本質(zhì)，并利用針對(duì)這些問(wèn)題的小實(shí)驗(yàn)、課堂討論以及它們與生活的聯(lián)系來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)膠體、分散系、聲波、電磁波等物理現(xiàn)象的理解，提高學(xué)生的科學(xué)視野與素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李俊生，趙琳，孫晶，等.對(duì)丁達(dá)爾效應(yīng)的研究[J].化學(xué)教學(xué)，2014，1（4）：44-47

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

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

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

[5][7]宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)：化學(xué)（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2007

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

[9]入民教育出版社課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)教師教學(xué)用書(shū)：化學(xué)（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2007：23-24

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