胶体是固体颗粒悬浮在液体中的混合物。胶体中的固体颗粒可以吸水,使胶体膨胀,体积增大。如果你曾经把尿不湿浸入一桶水中,你会发现:尿布吸水时会膨胀,如果你把尿不湿剪开,你会看到一片片的胶体正在吸水。胶体的这些特点让它们有很多不同的用途。你能想到可以用胶体做的哪些事情?
背景
胶体很普通,因为它们有很多用途——不只是日常生活中,在科学领域也是。在日常生活中你可能也会在下列物品中找到胶体:护膝、果冻、自行车坐垫、固体酒精、空气清新剂、美发产品、冷敷包、玩具和药用胶体胶囊。在医学领域,生物胶体(含有药物的胶体)被研究用于身体修复或输送药物。胶体,特别是气凝胶,已经被用于航天探测器来收集星尘并返送回地球研究。胶体甚至被设计用来清理放射性污染物。
我们可以用玉米淀粉和水制作简单的胶体,不同的比例会改变它的性能。玉米淀粉,正如它的名字所指,是来自于玉米的淀粉。淀粉是普通的消耗型碳水化合物,它由很多结合在一起的葡萄糖(一种糖)分子构成。它由大部分植物制造,用来作为能量来源。当加入水并加热时,一些葡萄糖分子之间的键破裂,淀粉发生“凝胶化作用”,于是,完全属于你的自制胶体诞生了!
材料
玉米淀粉
水
量匙和杯子
两个搅拌棒或叉子
两个微波炉可用的大碗
微波炉
微波炉手套或小毛巾
蜡纸
一个平整的、坚硬的表面(如厨房台面)
草稿纸和笔(可选择的)
坐标纸(可选择的)
准备
在一个碗中加入三分之一杯加三茶匙(或一汤匙)水。在同一个碗中加入一茶匙玉米淀粉。现在这个碗中有百分之五的玉米淀粉。
在第二个碗中,加入三分之一杯水。还是在这个碗中,加入四茶匙(或一汤匙加一茶匙)玉米淀粉。这个碗中有百分之20的玉米淀粉。
每个碗内应该有相同的总体积。记录哪个碗是哪个。你可能需要用草纸和笔做小标签。
当用微波加热胶体时一定要小心。当你加热胶体时,它可能会变得过热引起灼伤。
步骤
充分搅拌每个碗(每个碗用不同的搅拌棒)。百分之五和百分之二十的玉米淀粉溶液看起来怎么样,觉得它们不同还是相似?
用微波炉高档分别加热每个碗,每个的总时长为一分三十秒。对每个碗,加热30秒钟,然后停止微波加热并搅拌,接下来再加热30秒钟然后搅拌,最后再加热30秒钟。搅拌碗和拿着它们时要小心,因为胶体会变得过热。
用微波炉手套或是小毛巾小心地把每个热碗移除出微波炉。把每个碗拿出来后搅拌里面的东西。每个碗中的玉米淀粉溶液如何变化?当你搅拌的时候,每个溶液外表看起来和感觉起来怎么样?
在碰溶液之前让它们凉到室温,因为它们会非常热。它们冷却大概需要5到10分钟。它们凉下来的时候,你注意到更多的变化吗?
当溶液凉到室温的时候,用你的手指触摸它们。跟百分之二十的溶液相比,百分之五的溶液感觉如何?
把一张蜡纸铺在平整坚硬的表面上,然后小心地把胶体溶液倒在上面,一次倒一碗,让胶体散开。如果你想确定每份胶体散开的量,在把胶体溶液放在蜡纸上之前把一张坐标纸放在蜡纸上。
让胶体静置大约五分钟。跟20%的溶液相比,5%的溶液散开了多少?两个溶液是相似还是不同?
如果你使用坐标纸,在胶体扩散完之后你可以沿着胶体描绘它的痕迹,然后数出描绘区域内的方格数量。哪个溶液覆盖的方格更多?它多覆盖了多少方格?
拓展:淀粉可以有很多不同的来源,比如玉米,马铃薯,大米和红薯。在这个活动中,你使用的是玉米淀粉,但是你可以用其他不同的淀粉尝试这个活动。你用不同的淀粉得到的胶体类似吗?
拓展:胶体可以用很多不同的材料制作,比如明胶,琼脂,尿布填充物,树薯粉,海藻,或水果果胶。你可以尝试用这些不同的材料制作胶体。用不同材料制作的胶体如何不同?它们如何相似?
观察和结果
在用微波炉加热之前,20%的淀粉溶液是不是比5%的淀粉溶液更加透光,更白且搅拌起来更硬?微波炉加热之后,两个溶液都变得透明了吗?20%的溶液比5%的溶液变得更粘稠了吗?冷却之后,20%溶液扩散的比5%的少很多吗?
玉米淀粉由很多葡萄糖分子构成,具体来说是支链淀粉和淀粉酶。当淀粉与水加热时,淀粉颗粒膨胀爆裂,使它们分解并释放葡萄糖分子到水中。因此,淀粉分子与更多的水相互作用,增加了溶液的无序性。这个过程被称作凝胶化作用。当加热的玉米淀粉和水的溶液冷却下来时,淀粉酶分子可以再次互相结合在一起形成分子网格。淀粉酶分子越多,网格会越坚固,越有粘性。加热之后,有更多淀粉的溶液,比如20%的玉米淀粉溶液跟5%相比,会更坚固,更有黏性。因为20%的溶液更粘,一旦冷却,它扩散的会比5% 的少很多。用不同的淀粉可以制作不同的胶体,这是因为淀粉的稠度随着组成它们的淀粉酶和支链淀粉的比例而变化。
你可以用胶体做什么呢?
玉米淀粉和水在室温下混合时也会得到有趣的性能。尝试活动“它是固体……它是液体……它是欧不裂!”用这些简单的材料得到更多的科学趣味。
清理
玉米淀粉溶液会非常粘和散。20%的玉米淀粉胶体可以用来堆肥或是直接扔进垃圾桶。5%的溶液可以扔掉或是用水稀释然后冲进下水道。