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文档简介
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質
2、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1010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。例如:
3、水和泥土混合,得到懸浮液,靜置,泥土沉澱下來。3.膠體溶液(colloid solution):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)、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,其中氣體氣體
4、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,呈現混亂的運動。其速率隨
5、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+、OH-)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,這種作用稱為凝聚。例如:豆漿加石膏,蛋白質凝
6、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-COONa、-SO3Na、-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),我們利用這兩種界面活性劑,嘗試是否能降低其凝聚效果
7、。H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 O C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 O-Na+(圖一)H3C CH2 CH2 CH2 CH2 O S O-Na+ CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 O (圖二)四、 研究設備及器材:(一)藥品:CH3COOH6M、3M、1M50mlHCl6M、3M、1M50mlKCl1M50mlNaCl1M50mlNaOH0.001M50mlCa(OH)20.001M50mlCaSO40.001M50mlCaCl20.001M50ml(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
8、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)(二)、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(CH3COOH、HCl)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。 (圖三)2.再用同種電解質水溶液
9、調配成3M和1M,以上述同樣方法檢視混合的情況。(二)、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、Ca(OH)2)水溶液調配成1M水溶液50ml, (圖四)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(CaSO4、CaCl2)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、CaSO4、C
10、aCl2)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20加熱至50,觀察其凝析情形有無變化(四)、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
11、塊狀有001008CH3COOH比HCl較不稠不變細小顆粒有001002(表五) HCl (6M):牛奶比豆漿濃稠,凝析出來的物質也比較多(2.)電解質水溶液 (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001002CH3COOH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,HCl對牛奶的凝析效果較好,CH3COOH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001001CH3COOH稀不變塊狀, 顆粒較6
12、M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)HCl稀不變小顆粒塊狀有001001CH3COOH較6M不濃不變細小(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)HCl稀不變片狀,顆粒較3M小有001003CH3COOH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)HCl稀不變小顆粒塊狀有001001CH3COOH較3M稀不變細小(顆
13、粒大小進似3M)有001001(表十)(二)、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)KCl不變不變無無004004NaCl不變不變無無004006(表十一)(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)KCl不變不變無無002004NaCl不變不變無無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不變不變無無006008Ca(OH)2不變不變無無001002(表十三)(4.)電解質水溶液 (飽和) : 豆漿
14、= 1:25外觀顏色顆粒凝析測光(平行)測光(垂直)NaOH不變變淡黃無無003004Ca(OH)2稍濃不變顆粒細小有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不變不變無無001002CaCl2 50稀,成豆花狀不變顆粒小塊狀有003008CaSO420不變不變無無001003CaSO450稀不變顆粒細小燒杯底有少許凝析004005Ca(OH)220不變不變無無001002Ca(OH)250稀變淡黃無無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)
15、CaCl220比原豆漿濃不變顆粒細小粉狀有001002 CaCl2 50比20時更濃不變顆粒細小粉塊狀有001003CaSO420稍濃不變細小有003003CaSO450稀,成豆花狀不變較20時大,塊狀有003004Ca(OH)220稍濃變黃顆粒細小粉狀有002006Ca(OH)250稍濃與20時相同顆粒較20時大有003008(表十六)(三)、實驗四(1.)將CaSO4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CaSO4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
16、的較稀,近似於原牛奶2. 顆粒也變較細小 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) (圖五)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
17、杯大小的直徑所影響,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,進而整理出一個結
18、論。(2) 由實驗一發現:1. HCl和CH3COOH皆會使豆漿和牛奶產生凝析,但效果不同,溶液在6M時,HCl對牛奶的凝析效果較好,CH3COOH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,將向
19、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。而如果加入電解質無法產生凝析,應是其未達
20、等電點之緣故。(2)由實驗二發現:1. 鹽類:KCl和NaCl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(OH)2、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)2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HCl(強酸)中之凝析效果佳,可見牛奶裡的蛋白質的等電點較豆漿為低
21、。(3)由實驗三發現:1. 在Ca(OH)2、CaCl2、CaSO4加入牛奶中,我們發現在20時皆無變化,但加熱至50時,CaSO4和CaCl2產生了凝析,且溶液變稀。2. Ca(OH)2加入牛奶,在20時無變化,加熱至50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、CaCl2、CaSO4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20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
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