浅谈中学化学的胶体教学

姚叶

摘要：结合瑞利散射定律、胶体和表面化学等知识以及简单的实验，对胶体教学中存在的一些常见问题进行解读。并指出了人教版教师教学用书以及2019年启用的人教版新教材中对于胶体知识描述的不当之处。

关键词：胶体;胶粒;丁达尔效应

文章编号：1008-0546（ 2020）08-0030-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/i.issn. 1008-0546.2020.08.009

新的人教版教材中，物质的分类成为了高中化学的第一课，而在其中的胶体的教学中，学生和老师常常会自然而然地产生一些疑问：丁达尔效应的实质是什么？溶液有无产生丁达尔效应的可能呢？牛奶和豆浆是胶体，但为什么看不到丁达尔效应呢？为什么氯化铁溶液水解得到胶体，而与氢氧化钠反应得到沉淀？分散质粒径1-100nm为胶体，那么101nm呢？作为高中教师，应该理解其背后的原因并以高中生可以理解的方式给予形象、易懂的讲解，提升学生学习化学的兴趣和化学素养，上好高中化学第一课。

一、丁达尔效应

1.丁达尔效应的本质

以一束光线射人胶体，在垂直于入射光的方向上可以看到一条光带，这就是丁达尔效应。溶液中的溶质粒子由于半径太小，小于可见光的波长，故对可见光的反射非常弱，肉眼难以观察到;浊液中的粒子半径太大，大于可见光的波长，导致光线难以穿透浊液，大部分都直接反射掉了。而胶体粒子的直径与可见光的波长相当（稍小一些），导致光线可以部分穿过胶体、部分发生反射，散射光和透射光都具有可以被人眼观察到的强度，于是我们可以观察到一条光路，即丁达尔效应。其本质是一种光的散射现象，散射就是在光的进行方向之外也可以看到光的现象。

瑞利曾对光的散射现象进行过研究，得到散射光强，与入射光强Io之间的关系如下：

其中c为浓度、V为粒子体积、λ为入射光波长、n1和n2分别为分散介质和分散相的折射率。由此可见：光的散射强度不仅和粒子的大小有关，还与浓度、入射光波长、强度以及分散剂有关。而光的散射过强或过弱都无法导致丁达尔效应。这就是为什么溶液与浊液难以被观察到丁達尔效应，而胶体恰巧可以产生丁达尔效应。

2.影响丁达尔效应的其他因素

根据瑞利散射公式，不难看出，能否发生丁达尔现象不仅仅与粒子的大小有关，还与很多其他因素有关。

（1）c的影响

根据散射公式，浓度很低的浊液或浓度很大的溶液可能可以发生丁达尔效应。李俊生等[1]通过实验发现，极浓的豆浆无法看到丁达尔效应，将1滴豆浆与50mL纯水混合后，则可以观察到丁达尔效应;笔者用红光照射饱和氯化钠溶液时可以观察到较弱的丁达尔效应，但是将其稀释5、10、25、100倍后都无法观察到丁达尔效应。印证了上述结论。

（2）A的影响

根据散射公式，波长较短的光有利于溶液发生丁达尔效应、波长较长的光有利于浊液发生丁达尔效应。

（3）I0的影响

与浓度、波长不同的是，理论上：入射光的强度越大越利于所有分散系发生丁达尔效应，因为人射光强度越大，则散射光的强度越大，越容易被观察到;同时，透射光的强度也大，所以有利于光线穿过整个分散系。王小利等[2]将入射光先穿过胶体，再射入溶液，发现溶液很难产生丁达尔效应，将光的射入顺序改变，则溶液与胶体都能观察到丁达尔效应。

（4）实验验证

笔者对浓度、波长对丁达尔效应的影响进行了实验验证，结果如图1、图2所示：

我们发现，对于NaCl溶液而言，无论是红光还是绿光，丁达尔效应都随着溶液浓度的降低而变得不明显;且绿光的丁达尔效应总是比红光强。对于溶液这样的分散质粒子较小的分散系，增大浓度、降低波长从而提高光的散射程度，有利于丁达尔效应的观察。结果与理论相符。对于CuS04溶液而言，若用绿光照射，则丁达尔效应随浓度的降低而减弱;若用红光照射，饱和硫酸铜完全看不到丁达尔效应[3]，反而是浓度很低的硫酸铜和纯水可以观察到极其微弱的丁达尔效应，这可能是因为四水合铜离子对红色光的吸收程度大导致的（硫酸铜溶液显蓝色也是因此）。

本实验所用激光笔为铁稳（TIEWEN）H2激光手电KA-853-A款，红光波长650nm、绿光波长532nm;配制溶液使用桶装饮用水;容器为普通试管（实验条件有限，没有分光光度计和比色皿）;氯化钠（A.R.）;硫酸铜为98%教学用，配制为饱和溶液后过滤并加入浓硫酸酸化防止水解。

3.对课堂教学的启示

（1）我们可以对丁达尔效应的本质做出一些较为形象的解释或类比。

例如，我们将光波与声波类比。当一个人站在一堵墙的一侧说话时，墙越高越宽，声音就越容易反弹导致回声;墙越矮越窄，声音则越容易绕过。这和我们的胶体丁达尔效应实验是很类似的：光也是一种波，而分散系中的粒子就相当于障碍物（比如一堵墙），障碍物越大（粒径越大，如浊液），则光越难以穿透;障碍物越小（粒径越小，如溶液），则光越容易穿透。

再如，我们可以将丁达尔效应比作刹车时留下的刹车印。若是地面对轮胎的摩擦太弱，轮胎几乎没有阻碍地滚动过去，则不会留下印记;反之，若是阻碍太强（假设一刹即停），则刹车印长度太短，我们也无法观察到;只有摩擦力强度在某个范围内时，不仅可以蹭下轮胎上的一层橡胶，还能让车滑行一段距离时，才能看到刹车印。

再如，不妨将光射入溶液、胶体、浊液类比成子弹射入空气、水、防弹玻璃（对子弹具有适中的阻碍作用时才能看到其运动轨迹）。

……

上述例子都可以形象地解释为什么粒径过大或过小（散射过强或过弱）都无法导致丁达尔效应的产生。

（2）我们可以将丁达尔效应的知识与生活实际相联系。

例如，初中物理学过“频率高的超声波的穿透力强，但是频率低的次声波具有绕过障碍物（比如一堵墙）的能力，往往可以传播更远”，可以据此让学生们猜测，能否改变激光灯的波长（颜色），令原本不能发生丁达尔效应的硫酸铜溶液也发生丁达尔效应。另外，现今家中路由器信号常常有2.4G和5G两种，5G频率高，传输数据速度快，可是当我们离路由器隔了几堵墙之后，5G信号强度下降很快，这时只能改用频率较低，但是易于绕过障碍物的2.4G信号了。

再如，我们也可以解释为什么天空是蓝色的，晚霞是红色的。这是由于波长较短的蓝光的穿透力弱，在大气中散射程度大，使得天空呈现淡蓝色;而波长较长的红色光则顺利地绕过大气中的障碍物，洒满大地。

（3）我们应该引导和激发学生的探究精神。

在初中的教学中，我们一直强调控制变量法，而现今，做了一个硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体的实验就能说明只有胶体才能发生丁达尔效应吗？两种体系的颜色不同，而激光笔都是使用的红光，这就导致这个实验明显是不严谨的。作为教师，此时是激发学生探究精神，让课堂活跃，百家争鸣是绝好契机。

对于该问题，刘建英通过实验发现：对于红棕色的氯化铁溶液，红光可以产生丁达尔效应，而绿光不能;对于蓝色的硫酸铜溶液，绿光可以产生丁达尔效应，而红光不能[4]。这是由于红棕色的氯化铁溶液之所以显红色，是因为吸收了红色的补色绿色，所以绿光无法在红色的氯化铁溶液中产生丁达尔效应。红光无法在硫酸铜中产生丁达尔效应也是同样的道理。从人教版课本中给出的红色激光笔照射硫酸铜溶液的图[5]中也可以看出，照射在硫酸铜溶液上的红色光被溶液所吸收，红色光并没有透射过去，因为在光源另一侧的烧杯壁上并没有看到红色光点。

二、凝聚法制备胶体的原理

了解胶粒形成的原理，可以帮助我们初步解决为什么氯化铁溶液水解得到胶体、而与氢氧化钠反应得到沉淀的问题。

1.晶核的形成与晶粒的生长

生成产物的粒子直径大小取决于晶核的形成速率（vl）和晶粒的成長速率（V2）。若v1<>v2，则会产生较多且分散的小微粒，易于产生胶体。理论说明：在一定的浓度范围内，溶液的过饱和度越大，一般来说越有利于产生沉淀，反之，易于产生胶体。（浓度过大也会导致产生凝胶，详细理论参见《胶体与表面化学》[6]。）

2.关于氢氧化铁胶体的制备

根据上述理论可以得知，氯化铁与氢氧化钠溶液混合后，产生大量氢氧化铁，其过饱和度较大，容易产生沉淀;而让氯化铁缓慢地水解，产生少量的氢氧化铁，过饱和度较低，容易形成胶体。

三、胶体粒子的直径

1.胶体粒子的直径

人教版课本是这样描述的：“溶液中的粒子通常小于1nm，浊液中的粒子通常大于100nm。介于二者之间的胶体粒子，其大小在1-100nm之间。”[7]该叙述中两次使用“通常”一词，其本意是不想将溶液、胶体、浊液三者的粒径区分死，从而导致错误。然而，在一些教辅和实际上课过程中，这段话中的“通常”一词往往被忽略，使得学生将这样一段话理解成一种“定义”或者“概念”。虽然并不会造成考试分数的丢失，但是这样的“固定式世界观”不应该是我们希望学生形成的。比如笔者就曾向学生提问：分散质粒径为101nm的分散系是不是胶体呢？大多数学生都认为不是，因为胶体粒子的直径一定在1-100nm之间。这显然是把化学学死了。正如上文中所述，丁达尔效应本质上是体系对光的散射导致在光的进行方向之外也可以看到光的现象。粒径比100nm大一些，光的散射现象并不会突然变强到转变为完全散射，而只是散射变强了一些，光线穿透体系的距离变短了一些，相对来说较难观察到丁达尔现象了一些;比1nm小一些，光的散射现象并不会突然消失而只是散射变弱了一些，垂直于光线方向上观察到的光强度变弱了一些。同样，分散系的其他性质也是随着胶粒大小的变化而逐渐变化的，并不会因为分散质粒径为101nm，分散系就立马变为不均一不稳定的浊液。

但是因为一般来说，粒径在1-100nm范围之外时，分散系的性质与胶体逐渐偏离，较难发生丁达尔效应，于是我们说丁达尔效应可以用于区分溶液与胶体。事实上，也有人建议将该范围定为1-1000nm，因为有不少分散质粒径在100-1000nm之间的分散系，具备胶体的各种性质[8]。

2.对课堂教学的启示

（1）防止课堂教学教条化和固定化

牛奶和豆浆是不是胶体的问题也有过争议，因为有人认为牛奶和豆浆不能发生丁达尔效应，所以很难认定为胶体。在李俊生等人的实验中：1滴牛奶（或豆浆）配50mL水，则可观察到丁达尔效应，纯的较浓的牛奶（或豆浆）则无法观察到丁达尔效应。牛奶和豆浆既是胶体又是浊液，其中的细小豆渣和沉淀物以浊液形式存在，遮挡光路，但是稀释之后，对光的阻碍降低，其中以胶体形式存在的蛋白质则开始体现出丁达尔效应的特点。所以它们既是胶体又是浊液。在学习胶体之前刚刚学习的交叉分类，怎么就被我们忘记了，而非要在牛奶到底是胶体还是浊液的问题中分个对错高低呢？

1-100nm这个范围并不是约束死的，偏离该范围一点点的分散系也不一定就不具备胶体的性质;牛奶和豆浆也不是胶体和浊液只能取其一的。正如化学中的概念不是一成不变的，定死的。它们常常是为了帮助我们理解问题的，而不是让我们陷入概念的桎梏而变得教条化的。就如争论过一段时间的“盐酸是不是电解质”“铜是不是非电解质”等问题。

（2）在课堂教学中渗透化学学科核心素养

我们可以通过丁达尔效应的宏观表现与微观实质来培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养;以胶体粒子半径范围问题引出的化学理论渐变性规律来培养学生变化观念与平衡思想的核心素养;以课本中丁达尔效应实验的不严谨来引发学生的科学探究和创新意识。

此外，部分地区在2019年开始启用人教版新教材，广东省也将在2020年开始启用。新教材中，“物质的分类及转化”为第一章第一节，物质的分类和胶体将成为高中化学的“第一课”。我们应该借助胶体的教学，在高中化学课程的最开始，就让学生认识到化学物质世界的精彩与丰富;化学思维的灵活与生动;实验探究中的严谨与细致。引起学生对化学学科的兴趣，提高学生学习的积极性。

四、人教版教师用书以及人教版新教材中关于胶体的不当表述

人教版教师教学用书的第二章第一节中，有这样一段话：“研究胶体的概念时，教师可以“如果空气中没有气溶胶，我们的环境将会是什么样？”等问题组织讨论，让学生充分发表自己的意见，相互交流，互相争论，最后得出“光照下无丁达尔效应——空间变得一团漆黑——人类难以生存”的结论。这样的教学方式能充分发挥学生的主体作用，激发学生的创新思维，从而加深对知识的记忆、理解和应用。”[9]显然，没有丁达尔效应则空间一片漆黑的观点是错误的。我们看到物体是因为物体反射的光进入了我们的眼睛，与空气中的丁达尔效应无关。当然，若是硬要扯上关系也可，毕竟丁达尔效应的本质是光的散射，若是没有光的散射，空间确实一片漆黑。但是这明显不是本书想表达的观点。

此外，2019年开始启用的人教版新教材中，將原本对胶体粒径的描述更改为“分散质粒子的直径小于Inm的是溶液.大于100nm的是乳浊液或悬浊液，而分散质粒子的直径在1-100nm的分散系是胶体”原人教版教材中的“通常”二字全部去掉了[10]，个人认为此表述不如上一版本的表述恰当。

五、结语

在胶体的教学中，我们不应该回避这些教学中自然而然产生的问题，而是应该了解其背后的本质，并利用针对这些问题的小实验、课堂讨论以及它们与生活的联系来促进学生对胶体、分散系、声波、电磁波等物理现象的理解，提高学生的科学视野与素养。

参考文献

[1]李俊生，赵琳，孙晶，等.对丁达尔效应的研究[J].化学教学，2014，1（4）：44-47

[2]王小利，汪欢，伍晓春.丁达尔效应能区分溶液和胶体吗[J].中学化学教学参考，2018，6（1）：67-68

[3]郑志信，对“红光照射硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体实验”的探究[J].化学教育，2010，7（2）：76-77

[4]刘建英，丁达尔效应再探究[J].化学教育，2013，9（3）：69-71

[5][7]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书：化学（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2007

[6][8]沈钟，赵振国，康万利.胶体与表面化学（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2012

[9]入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教师教学用书：化学（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2007：23-24

[10]王晶，郑长龙.普通高中教科书：化学（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2019：8