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摘要:
本文介紹了一個創新性的物理化學設計實驗，嘗試利用基礎物理化學的實驗技術“最大泡壓法”來考察明膠溶液在等電點時物理化學性質的變化規律，進而拓展測定明膠溶液等電點的實驗方法。實驗結果顯示，明膠溶液在等電點時表面張力發生了明顯的變化，利用最大泡壓法測定明膠溶液表面張力的變化趨勢可以初步確定明膠的等電點范圍。本實驗的設計能夠提高學生綜合運用所學知識和實驗技術的能力，豐富基礎物理化學實驗教學的內容。
關鍵詞:
明膠;等電點;最大泡壓法;分光光度法
為了培養學生的創新意識，提高他們利用所學的理論知識來解決實際應用問題的能力，使學生從實驗中領悟科研探索的思路與方法，各個高校都在基礎物理化學實驗中開設了具有創新性的設計實驗。但是這些設計性實驗經過幾年的教學實踐，其內容的創新性就會有所降低，不斷研究探索新的具有創新性的設計實驗項目是我們一直在實驗教學工作中探索的課題[1]。明膠的主要成分是氨基酸組成相同而分子量分布很寬的多肽分子混合物，由于它具有極其優良的物理性質，如膠凍力、親和性、高度分散性、低黏度特性、分散穩定性、持水性、被覆性、韌性及可逆性等，被廣泛地用于食品、醫藥及工業等各行業。明膠是一種兩性物質，明膠的膠團是帶電的，在電場作用下，它將向兩極中的某一極移動。在某一pH值的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，明膠分子所帶凈電荷為零，分子呈電中性，此時溶液的pH稱為明膠的等電點。等電點對于明膠來說，無論在生產還是在實際應用中都是一個非常重要的特性參數。例如，在制備高聚物載藥材料時，必須控制明膠的等電點，從而有利于藥物在體內長距離輸送和靶點釋放[2]，以便使某些特用藥或刺激性較強的藥能在特殊的部位發揮作用。根據文獻報道，明膠在等電點時會呈現一些物理化學特性的變化，比如，黏度降低[3,4]，濁度增大[5]，滲透壓降低[6]等等。因此大多數研究明膠的等電點的方法都是利用其在等電點時發生物理和化學性能的改變而獲得，比如黏度法，乙醇沉淀法[7]，熒光法[8]、離子交換法[9]等。表面張力是引起液體表面收縮的單位長度的力，是由于表面層的分子處于力場不對稱的環境中產生的，是物質重要的物理化學性質[10]。由于明膠在等電點時分子的靜電荷數量是零，那么帶電程度的不同是否會影響分子間的作用力，進而導致明膠的表面張力在等電點時呈現出一定的變化呢，這使我們想到能否通過測定明膠在不同酸度下的表面張力來確定明膠的等電點位置，而目前研究明膠在等電點時表面張力變化情況的文獻尚很少見報道?；A物理化學實驗中常用最大泡壓法測定物質表面張力[11-12]，其具有操作簡單、測定快速的優點。本實驗讓學生嘗試設計利用最大泡壓法測定明膠的等電點，研究和探討明膠在等電點時表面張力的性質變化規律，加深學生對表面化學方面理論知識以及最大泡壓法實驗原理及技術的理解，提高他們獨立思考問題與解決問題的能力。
1實驗原理
1.1明膠的等電點
氨基酸分子由于既有銨基又有羧基因此具有兩性，常常用表示中性氨基酸分子，在酸性介質和堿性介質中，氨基酸分子所帶電荷的性質的變化可以分別表示如下：明膠分子由氨基酸分子組成，因此當明膠分子處于pH較低溶液中時帶正電荷，pH較高溶液中時帶負電荷。當明膠溶液的pH處于每個數值時，明膠分子中的陽離子與陰離子數量恰好相等，即明膠分子的凈電荷為零，此時的pH值即為明膠的等電點。等電點與明膠的濃度無關，取決于明膠的性質。明膠的等電點隨膠原的處理過程的不同而變化不一。一般商品明膠很難具有完全一致的等電點。
1.2最大泡壓法
一般情況下液體的表面是水平的，而液滴、水中的氣泡的表面則是彎曲的。在一定外壓下，水平液面下的液體所承受的壓力就等于外界壓力，但是由于表面張力的存在，曲面液面下液體不僅要承受外界的壓力，還要受到因液面彎曲而產生的附加壓力。彎曲液面受到的附加壓力，方向總是指向曲率中心。附加壓力與表面張力的關系可以用拉普拉斯(Laplace)方程表示：式中，σ為表面張力，r為彎曲表面的曲率半徑，拉普拉斯方程表明彎曲液面的附加壓力與液體表面張力成正比，與曲率半徑成反比，曲率半徑越小，附加壓力越大。圖1顯示了最大泡壓法測定表面張力的裝置圖[13]。將被測液體裝于測定管中，使玻璃管下端毛細管端與液面相切，液面沿毛細管上升，打開滴液減壓管的活塞緩緩放水抽氣，則測定管中的壓力Pr逐漸減小，毛細管中壓力P0就會將毛細管中液面壓至管口，并形成氣泡，其曲率半徑由大到小，直至恰好等于毛細管半徑r，氣泡曲率半徑達到最小，根據拉普拉斯公式，這時氣泡能承受的壓力差也最大。隨后大氣壓力將把此氣泡壓出管口。氣泡曲率半徑再次增大，因此氣泡表面膜所能承受的壓力差必然減少，實際上測定管中的壓力差卻在進一步加大，所以立即導致氣泡的破裂。因此測得氣泡承受的最大壓差△Pmax和毛細管的半徑r，就可以求得液體的表面張力σ。毛細管的半徑可以通過測量已知表面張力的物質來確定。
2實驗部分
2.1主要儀器
微差儀（DP-AW型，南京桑力電子設備廠），超級恒溫水浴（ZH-2C型，南京桑力電子設備廠），酸度計（PHS-3C型，上海儀電科學儀器股份有限公司），可見分光光度計（722-100型，上海精密儀器儀表有限公司）。
2.2試劑
1%明膠溶液（明膠，天津市科密歐化學試劑有限公司），2mol•L-1NaOH溶液，4mol•L-1HCl溶液，本實驗中所用試劑均為分析純，水為蒸餾水。
2.3實驗結果與討論
本實驗數據都是在恒溫25℃下測定的。首先通過測定純水的最大泡壓來測定毛細管半徑。測定數據見表1。已知25℃時純水的表面張力是71.97×10-3N•m-1，將以上數據代入拉普拉斯公式，計算毛細管半徑為：即實驗中測定裝置中的毛細管半徑是2.4×10-4m。本實驗利用鹽酸和氫氧化鈉溶液調節明膠溶液的pH。明膠溶液在不同pH下的最大泡壓測定值與相應的表面張力計算結果見表2。圖2顯示了明膠溶液在不同pH下的表面張力，從圖可以看出，隨著pH的增大，明膠溶液的表面張力開始顯著降低，pH在4左右時表面張力較小，pH在4~5之間表面張力變化趨勢非常緩慢，然后隨著pH的進一步增大，表面張力又出現顯著增加的趨勢。分析認為，明膠分子帶電程度不同，分子間的相互作用力將不同。當介質pH值在等電點附近時，分子為電中性，此時分子間作用力較小，根據表面張力與分子間作用力的關系，表面張力也較小[9]，當介質的pH值偏離等電點時，明膠分子將質子化或去質子化，從而帶正電或帶負電，導致分子間作用力增大，表面張力也隨之增大，因此可以初步得出結論，明膠的等電點在pH4~5之間。另外，從圖可以看出，當pH增加到約為7時，隨著pH的繼續增大，表面張力增大的趨勢非常小，分析認為，這可能是由于此時介質pH值偏離等電點較遠，明膠分子帶電程度已逐漸趨于飽和，因此導致分子間的作用力變化較小。上面的實驗結果初步告訴我們明膠的等電點的范圍應在pH4~5之間，為了確定較精確的等電點位置，我們進行了近一步的測定實驗。實驗的測定結果見表3，將實驗結果繪制成圖（圖3），從圖可以明顯看出明膠的等電點在pH約為4.7左右。為了驗證以上最大泡壓法的測定結果，我們采用了實驗室中常用的分光光度法測定了明膠溶液的等電點。圖4和圖5分別顯示了吸收波長是400nm和600nm時明膠溶液吸光度與溶液pH值的關系，從圖可以看出，在兩個吸收波長下，都出現了當溶液的pH接近4.7左右時，溶液吸光度增大趨勢顯著，在4.7時達到了最大的現象，根據文獻報告[5]，明膠在等電點時，呈兩性離子狀態，此時明膠水合程度小，濁度高，透明度低，因此吸光度大，可以推斷此處為明膠溶液的等電點，由此可見，分光光度法測定的等電點位置與最大泡壓法測定的結果是一致的。
3結束語
本實驗是一個具有創新性的物理化學設計實驗，讓學生設計利用最大泡壓法測定明膠的等電點，學生首先要查閱文獻了解明膠的性質、用途、等電點的概念，測定等電點的方法及測定其的意義，然后設計實驗的方案，獨立操作完成實驗。實驗結果表明，明膠在等電點時由于分子呈現電中性，分子間作用力相對較小，導致表面張力減小，因此可以通過最大泡壓法測定明膠溶液的表面張力隨pH的變化規律來測定明膠的等電點，測定結果與分光光度法測定結果相符合。本實驗的開展豐富了學生的理論知識，提高了他們的實驗技能，也為他們將來從事科研工作奠定初步的基礎。希望本研究能夠為從事高校基礎物理化學實驗教學的同行在教學改革工作方面提供一些可以借鑒的思路。
作者:屈宜春 李里 單位:黑龍江大學