多功能膠體演示儀的制作及膠體性質(zhì)的探究

孫葉武，康 一，周婭鈴,劉愛云，唐明君

(1.四川師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 微納光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610101;2.四川省學(xué)校國有資產(chǎn)與教育裝備中心，四川 成都 610213)

膠體屬于特殊的分散系統(tǒng)，其分散質(zhì)粒的直徑在1～100 nm. 膠體的性質(zhì)主要包括電泳現(xiàn)象、吸附現(xiàn)象、丁達(dá)爾效應(yīng)及布朗運(yùn)動(dòng)等. 傳統(tǒng)的電泳現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)存在電壓高、操作時(shí)間長(zhǎng)[1-4]，對(duì)硬件環(huán)境要求高等不足. 對(duì)于吸附現(xiàn)象，往往以明礬凈水為例說明該性質(zhì)，并沒有對(duì)吸附性能進(jìn)行深入探究[5-6],學(xué)生缺乏對(duì)膠體吸附性的直觀感受. 傳統(tǒng)的丁達(dá)爾效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)常采用膠體和純凈水對(duì)照的方法，通過激光筆照射，對(duì)比觀察有無明亮“通路”出現(xiàn)[7-9]. 這些實(shí)驗(yàn)方法過于單一，無法探究丁達(dá)爾效應(yīng)與激光顏色、膠體種類、膠體濃度等之間的關(guān)聯(lián). 對(duì)于膠體性質(zhì)的探究一般都集中在某一現(xiàn)象的研究上[1,10-12]，少見系統(tǒng)的演示設(shè)計(jì)和性質(zhì)探究. 針對(duì)以上問題，通過自主設(shè)計(jì)并制作多功能的膠體性質(zhì)實(shí)驗(yàn)演示儀，可以對(duì)膠體的電泳現(xiàn)象、吸附現(xiàn)象、丁達(dá)爾效應(yīng)等性質(zhì)進(jìn)行全面且具備觀賞性的演示和探究.

1 實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

1)電泳現(xiàn)象：Y型三通管(1個(gè))、銅電極(2個(gè))、飽和KCl緩沖液、Fe(OH)3膠體、光敏電阻模塊(1個(gè))、激光筆(1支).

2)吸附現(xiàn)象：黑亞克力外殼(40 cm×40 cm×30 cm暗盒1個(gè))、100 mL燒杯(5個(gè))、500 mL燒杯(2個(gè))、由馬達(dá)帶動(dòng)的攪拌器(5個(gè))、杜邦線(若干)、Arduino控制板(1塊)、不同顆粒大小的熒光粉、明礬(500 g)、水泵(5臺(tái)).

3)丁達(dá)爾效應(yīng)：激光筆(紅色、綠色、藍(lán)紫色各4支)、激光疊層表盤(外徑為10 cm，1個(gè))、Arduino控制板(1塊)、杜邦線(若干).

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及原理

多功能膠體實(shí)驗(yàn)演示儀如圖1所示.

圖1 多功能膠體實(shí)驗(yàn)演示儀

1.2.1 電泳現(xiàn)象演示裝置

傳統(tǒng)的膠體電泳現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)一般在U型管中進(jìn)行. 由于電極位于上方，在通直流電時(shí)，帶電的Fe(OH)3膠體粒子除了受到正、負(fù)電性作用外，還需要克服重力. 因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)電壓高(110 V)、時(shí)間長(zhǎng)(約20 min)，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯[1]. 本文使用飽和KCl溶液作為緩沖液，定制“Y”型三通管[2]，倒立放置(圖2)進(jìn)行電泳實(shí)驗(yàn)[3-4].

圖2 電泳裝置示意圖

為觸發(fā)吸附現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)自動(dòng)進(jìn)行，在電泳現(xiàn)象發(fā)生前，將Y型三通管倒置固定后，在緩沖液的液面處右側(cè)固定激光筆，在與激光筆相同高度的Y型三通管陰極處安裝光敏開關(guān)，如圖3所示.

(a)示意圖

當(dāng)電泳現(xiàn)象發(fā)生后，由于膠體液面下降，光敏開關(guān)處出現(xiàn)丁達(dá)爾效應(yīng)，從而觸發(fā)光敏電阻開關(guān)打開. 光敏電阻開關(guān)打開控制暗箱外的水泵開關(guān)，水泵開始將熒光液泵入燒杯中. 使用該裝置可開展膠體吸附性質(zhì)的演示實(shí)驗(yàn)及性能研究.

1.2.2 吸附現(xiàn)象演示裝置

為了演示膠體吸附現(xiàn)象并探究不同粒徑大小的顆粒雜質(zhì)對(duì)膠體吸附效果的影響，使用亞克力板組裝活動(dòng)暗箱，構(gòu)造黑暗環(huán)境，在暗箱中放置5個(gè)容量為100 mL的燒杯. 實(shí)驗(yàn)前先各取40 mL Al(OH)3膠體分別加入5個(gè)燒杯中，暗箱外由于電泳現(xiàn)象的產(chǎn)生，觸發(fā)光敏開關(guān)打開，水泵開始運(yùn)行，并分別將熒光顆粒直徑為18,23,38,75 μm的熒光液及純凈水泵入5個(gè)燒杯中，同時(shí)，在每個(gè)燒杯中還加裝了自制的濁度檢測(cè)器(圖4). 由于灰度傳感器采用光線反射獲得溶液的表面信息，而濁度傳感器則通過溶液的透光度來獲得液體濁度信息，二者原理雖然一致，但是通過透射光來獲取信息更方便. 將灰度傳感器上的LED燈取下，與傳感器感應(yīng)部分分別加裝在燒杯的兩側(cè)，構(gòu)成自制的濁度測(cè)量裝置. 暗箱內(nèi)部圖5所示.

圖4 濁度檢測(cè)器示意圖

圖5 暗箱內(nèi)部裝置實(shí)物圖

然后，將5個(gè)傳感器連接在Arduino開發(fā)板上，通過外接電腦實(shí)時(shí)顯示燒杯中溶液的濁度信息. 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，即可得出明礬對(duì)不同顆粒雜質(zhì)的吸附效果.

1.2.3 丁達(dá)爾效應(yīng)

傳統(tǒng)的膠體丁達(dá)爾效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)往往局限于單一波長(zhǎng)的激光照射單一的膠體，并且只停留在對(duì)丁達(dá)爾效應(yīng)表面現(xiàn)象的觀察上，沒有深入探究丁達(dá)爾效應(yīng)散射光強(qiáng)度與其他變量之間的關(guān)系[10]，缺乏不同實(shí)驗(yàn)效果的對(duì)比分析. 由瑞利散射公式可知，不同波長(zhǎng)的激光照射在不同種類、濃度、顆粒大小的膠體上，產(chǎn)生的丁達(dá)爾效應(yīng)的光強(qiáng)不同，故探究更多變量對(duì)膠體丁達(dá)爾效應(yīng)的影響很有必要.

設(shè)計(jì)了激光疊層計(jì)時(shí)表盤，如圖6所示，以小矩形容器替代內(nèi)外表盤上1～12的時(shí)間刻度，矩形容器內(nèi)部密封不同濃度的Al(OH)3、淀粉、牛奶、豆?jié){、紅墨水等膠體. 分別將紅色、綠色和藍(lán)紫色的激光筆固定在外圓盤外側(cè). 內(nèi)圓盤由伺服馬達(dá)提供動(dòng)力，馬達(dá)由Arduino控制板控制，以每5 s轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)刻度的速度勻速旋轉(zhuǎn). 接通電源便可實(shí)現(xiàn)不同顏色激光照射在不同膠體上產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，并對(duì)其做定性探究. 由于該裝置的表盤和電泳實(shí)驗(yàn)裝置的電源同時(shí)打開，因此，該表盤具備記錄電泳現(xiàn)象發(fā)生的全過程時(shí)間的功能. 同時(shí)，隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)，可以直觀看出丁達(dá)爾效應(yīng)的變化情況.

圖6 丁達(dá)爾效應(yīng)激光疊層計(jì)時(shí)表盤實(shí)物圖

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法

將實(shí)驗(yàn)器材按照?qǐng)D1安裝調(diào)試. 將配置好的不同顆粒大小的熒光液放在相同光源處吸收光能，吸收時(shí)間為0.5 h，取等量配置好的Al(OH)3膠體,分別加入置于暗箱中的5個(gè)燒杯內(nèi)，隨即關(guān)閉暗箱. 待熒光液準(zhǔn)備完畢后，將水泵導(dǎo)管插入對(duì)應(yīng)裝有熒光液和純凈水的燒杯中并且固定. 然后，接通激光疊層計(jì)時(shí)表盤(已裝填各類膠體)和電泳裝置[已經(jīng)裝填Fe(OH)3膠體和飽和KCl緩沖液]的電源. 當(dāng)陰極附近的膠體液面下移并出現(xiàn)丁達(dá)爾效應(yīng)時(shí)，光敏電阻開關(guān)感光打開，水泵開始將熒光液和純凈水泵入暗箱內(nèi)的燒杯中[裝有Al(OH)3膠體]. 當(dāng)液體到達(dá)燒杯的3/4刻度時(shí)關(guān)閉光敏開關(guān)，同時(shí)打開所有攪拌器，攪拌5 s后關(guān)閉. 最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究. 當(dāng)燒杯中的熒光強(qiáng)度不再發(fā)生變化時(shí)，打開暗箱倒出實(shí)驗(yàn)廢液，清洗實(shí)驗(yàn)裝置.

2 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

2.1 電泳現(xiàn)象

由于采用較小尺寸的Y型管縮短了兩極間距離，提高了電泳速率；通過將Y型管倒立放置，使原來(采用正立U型管)阻礙膠體粒子向上移動(dòng)的重力轉(zhuǎn)變成促進(jìn)膠體向下移動(dòng)的動(dòng)力. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電極兩端接入25 V直流電源，經(jīng)2～3 min后，即可觀察到陽極管內(nèi)的膠體液面向上遷移，陰極管內(nèi)的膠體液面向下遷移.

當(dāng)兩電極通電以后，由于膠體粒子帶正電，隨著電泳的進(jìn)行，Y型管中陰極附近的膠體粒子會(huì)下移進(jìn)入緩沖液中，使緩沖液的顏色逐漸變紅，產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，自動(dòng)觸發(fā)光敏電阻的開關(guān)，進(jìn)入膠體吸附現(xiàn)象的演示和探究.

2.2 吸附現(xiàn)象

膠體質(zhì)點(diǎn)因表面積大，具有很大的表面能，需吸附其他物質(zhì)，才能降低其表面能達(dá)到穩(wěn)態(tài). 明礬固體溶于水后會(huì)很快發(fā)生電離，電離出的Al3+會(huì)和水發(fā)生反應(yīng)生成Al(OH)3膠體，該膠體具有強(qiáng)吸附性，能吸附水中的雜質(zhì)顆粒生成沉淀，從而實(shí)現(xiàn)凈水的功能. 為了形象演示膠體吸附現(xiàn)象的具體過程，采用日常生活中常見的明礬凈水實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，用熒光液代替污水，并將所有吸附裝置放置在暗箱內(nèi). 實(shí)驗(yàn)前，在暗箱前面安裝手機(jī)攝像，這樣可以利用黑暗環(huán)境中的熒光發(fā)光效果，清晰地觀察到明礬凈水的全過程.

實(shí)驗(yàn)時(shí)將明礬固體溶于500 mL純凈水，配置成Al(OH)3膠體，再將Al(OH)3膠體分別取出40 mL放入5個(gè)小燒杯中等待吸附. 圖7顯示了熒光液被膠體吸附的全過程，從左到右分別表示開始泵入、注入完畢、攪拌液體、停止攪拌、吸附開始、吸附結(jié)束.

圖7 Al(OH)3膠體吸附熒光粉的過程

為了增加趣味性，將注入水管設(shè)計(jì)成不同圖案，如圖8所示，實(shí)驗(yàn)過程中顯示了“川師”和“膠體”字樣.

(a)川師

在暗箱的燒杯中，相同時(shí)間內(nèi)通入相同容量的熒光液和純凈水. 利用濁度傳感器研究了Al(OH)3膠體對(duì)不同顆粒大小的雜質(zhì)(熒光粉)的吸附效果.濁度隨時(shí)間變化如圖9所示，橫軸表示從通入熒光液開始的時(shí)間(由激光疊層計(jì)時(shí)表盤記錄數(shù)據(jù))，縱軸表示燒杯中溶液的濁度(由濁度檢測(cè)器記錄數(shù)據(jù)).

圖9 不同粒徑大小的熒光液和純凈水的 濁度隨時(shí)間變化

由圖9和表1可知，當(dāng)熒光粉顆粒的粒徑為18 μm和23 μm時(shí)，溶液的濁度達(dá)到最大值用時(shí)約70 s(最大濁度值分別為504 mg/L和497 mg/L). 隨著吸附的進(jìn)行，當(dāng)時(shí)間到達(dá)170 s和155 s時(shí)，濁度最小，分別為250 mg/L和200 mg/L，即凈水過程分別用時(shí)100 s和85 s. 當(dāng)顆粒粒徑增大為38 μm和75 μm時(shí)，在較短時(shí)間(45 s和50 s)達(dá)到濁度最大值(最大濁度值分別為474 mg/L和501 mg/L)，通過110 s吸附后，凈水過程完成，濁度達(dá)到最小值(170 mg/L). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著熒光顆粒(雜質(zhì))尺寸的增大(38 μm和75 μm)，Al(OH)3膠體完成吸附的時(shí)間相同，且溶液的濁度均達(dá)到最小值(170 mg/L)，接近純凈水的濁度值(165 mg/L). 由此可知，Al(OH)3膠體的吸附效應(yīng)隨熒光顆粒尺寸的增大存在飽和現(xiàn)象. 因此，該裝置可以直觀觀察到膠體吸附雜質(zhì)的過程，并定量分析膠體吸附效應(yīng)與雜質(zhì)顆粒粒徑大小的關(guān)系.

表1 明礬凈水過程中，雜質(zhì)直徑D與吸附過程對(duì)比表

2.3 丁達(dá)爾效應(yīng)

光在傳播過程中照射到微粒時(shí)，如果微粒粒徑小于入射光的波長(zhǎng)，則會(huì)發(fā)生光的散射，這時(shí)可觀察到光波環(huán)繞微粒而向其四周發(fā)射的散射光，因此丁達(dá)爾效應(yīng)屬于光的散射現(xiàn)象. 當(dāng)光束透過微粒直徑為1～100 nm的膠體時(shí)，從垂直于入射光方向觀察，可以看到膠體中出現(xiàn)1條光亮的“通路”. 這條“通路”的形成是由于溶膠粒子一般不超過100 nm，小于可見光波長(zhǎng)(400～700 nm)，從而當(dāng)可見光透過溶膠時(shí)產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng). 而對(duì)于溶液，由于分子或離子粒徑更小，且散射光的強(qiáng)度會(huì)隨散射粒子體積的減小而明顯減弱，從而不會(huì)產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng). 因此，在日常生活中，可以利用丁達(dá)爾效應(yīng)來區(qū)分膠體和溶液.

此外，散射光的強(qiáng)度還隨分散體系中粒子濃度和顆粒大小等因素的改變而改變. 在丁達(dá)爾效應(yīng)中，通過膠體的散射光強(qiáng)度可以用瑞利散射公式表示為

其中，I0為入射光強(qiáng)度,θ為觀察方向與入射光方向的夾角,I為θ方向上、散射距離為R處的散射光強(qiáng)度，n和n0分別為分散相粒子和分散介質(zhì)的折射率，C為粒子數(shù)密度，V為每個(gè)分散相粒子的體積，λ為入射光波長(zhǎng).

為了定性探究散射光強(qiáng)度與膠體的種類和濃度之間的關(guān)系，分別用紅色、綠色和藍(lán)紫色激光筆照射不同濃度的膠體，觀察其丁達(dá)爾效應(yīng)，同時(shí)由馬達(dá)帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)時(shí). 如圖10所示,不同種類、不同濃度的膠體經(jīng)波長(zhǎng)不同的激光筆(依次為紅色、綠色、藍(lán)紫色)照射，發(fā)生不同現(xiàn)象的丁達(dá)爾效應(yīng).

圖10 不同種類、不同濃度的膠體在不同波長(zhǎng)激光的照射下產(chǎn)生的丁達(dá)爾效應(yīng)

可以看出，同一膠體情況下，同一波長(zhǎng)的激光入射，膠體濃度越大，丁達(dá)爾效應(yīng)光通路越亮，即散射光強(qiáng)度越大. 該結(jié)論可以從瑞利散射公式得到解釋，對(duì)于同一波長(zhǎng)的入射光，當(dāng)入射光強(qiáng)度、觀察方向與入射光方向的夾角、分散介質(zhì)的折射率、分散相粒子的體積相同時(shí)，濃度越大，其折射率和數(shù)密度越大，因此，其散射光的強(qiáng)度越大.

3 結(jié)束語

多功能膠體實(shí)驗(yàn)演示裝置將膠體的電泳現(xiàn)象、吸附現(xiàn)象和丁達(dá)爾效應(yīng)進(jìn)行了交叉融合，此裝置有效改進(jìn)了傳統(tǒng)膠體性質(zhì)演示實(shí)驗(yàn)裝置的演示現(xiàn)象單一、演示時(shí)間長(zhǎng)等不足. 在電泳現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了光敏電阻開關(guān)，能自動(dòng)觸發(fā)、啟動(dòng)吸附現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的開啟. 同時(shí)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件(設(shè)備更加小型化、驅(qū)動(dòng)電壓更低、電泳現(xiàn)象的產(chǎn)生時(shí)間更短).