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摘要:
本文介绍了一个创新性的物理化学设计实验，尝试利用基础物理化学的实验技术“最大泡压法”来考察明胶溶液在等电点时物理化学性质的变化规律，进而拓展测定明胶溶液等电点的实验方法。实验结果显示，明胶溶液在等电点时表面张力发生了明显的变化，利用最大泡压法测定明胶溶液表面张力的变化趋势可以初步确定明胶的等电点范围。本实验的设计能够提高学生综合运用所学知识和实验技术的能力，丰富基础物理化学实验教学的内容。
关键词:
明胶;等电点;最大泡压法;分光光度法
为了培养学生的创新意识，提高他们利用所学的理论知识来解决实际应用问题的能力，使学生从实验中领悟科研探索的思路与方法，各个高校都在基础物理化学实验中开设了具有创新性的设计实验。但是这些设计性实验经过几年的教学实践，其内容的创新性就会有所降低，不断研究探索新的具有创新性的设计实验项目是我们一直在实验教学工作中探索的课题[1]。明胶的主要成分是氨基酸组成相同而分子量分布很宽的多肽分子混合物，由于它具有极其优良的物理性质，如胶冻力、亲和性、高度分散性、低黏度特性、分散稳定性、持水性、被覆性、韧性及可逆性等，被广泛地用于食品、医药及工业等各行业。明胶是一种两性物质，明胶的胶团是带电的，在电场作用下，它将向两极中的某一极移动。在某一pH值的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，明胶分子所带净电荷为零，分子呈电中性，此时溶液的pH称为明胶的等电点。等电点对于明胶来说，无论在生产还是在实际应用中都是一个非常重要的特性参数。例如，在制备高聚物载药材料时，必须控制明胶的等电点，从而有利于药物在体内长距离输送和靶点释放[2]，以便使某些特用药或刺激性较强的药能在特殊的部位发挥作用。根据文献报道，明胶在等电点时会呈现一些物理化学特性的变化，比如，黏度降低[3,4]，浊度增大[5]，渗透压降低[6]等等。因此大多数研究明胶的等电点的方法都是利用其在等电点时发生物理和化学性能的改变而获得，比如黏度法，乙醇沉淀法[7]，荧光法[8]、离子交换法[9]等。表面张力是引起液体表面收缩的单位长度的力，是由于表面层的分子处于力场不对称的环境中产生的，是物质重要的物理化学性质[10]。由于明胶在等电点时分子的静电荷数量是零，那么带电程度的不同是否会影响分子间的作用力，进而导致明胶的表面张力在等电点时呈现出一定的变化呢，这使我们想到能否通过测定明胶在不同酸度下的表面张力来确定明胶的等电点位置，而目前研究明胶在等电点时表面张力变化情况的文献尚很少见报道。基础物理化学实验中常用最大泡压法测定物质表面张力[11-12]，其具有操作简单、测定快速的优点。本实验让学生尝试设计利用最大泡压法测定明胶的等电点，研究和探讨明胶在等电点时表面张力的性质变化规律，加深学生对表面化学方面理论知识以及最大泡压法实验原理及技术的理解，提高他们独立思考问题与解决问题的能力。
1实验原理
1.1明胶的等电点
氨基酸分子由于既有铵基又有羧基因此具有两性，常常用表示中性氨基酸分子，在酸性介质和碱性介质中，氨基酸分子所带电荷的性质的变化可以分别表示如下：明胶分子由氨基酸分子组成，因此当明胶分子处于pH较低溶液中时带正电荷，pH较高溶液中时带负电荷。当明胶溶液的pH处于每个数值时，明胶分子中的阳离子与阴离子数量恰好相等，即明胶分子的净电荷为零，此时的pH值即为明胶的等电点。等电点与明胶的浓度无关，取决于明胶的性质。明胶的等电点随胶原的处理过程的不同而变化不一。一般商品明胶很难具有完全一致的等电点。
1.2最大泡压法
一般情况下液体的表面是水平的，而液滴、水中的气泡的表面则是弯曲的。在一定外压下，水平液面下的液体所承受的压力就等于外界压力，但是由于表面张力的存在，曲面液面下液体不仅要承受外界的压力，还要受到因液面弯曲而产生的附加压力。弯曲液面受到的附加压力，方向总是指向曲率中心。附加压力与表面张力的关系可以用拉普拉斯(Laplace)方程表示：式中，σ为表面张力，r为弯曲表面的曲率半径，拉普拉斯方程表明弯曲液面的附加压力与液体表面张力成正比，与曲率半径成反比，曲率半径越小，附加压力越大。图1显示了最大泡压法测定表面张力的装置图[13]。将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管端与液面相切，液面沿毛细管上升，打开滴液减压管的活塞缓缓放水抽气，则测定管中的压力Pr逐渐减小，毛细管中压力P0就会将毛细管中液面压至管口，并形成气泡，其曲率半径由大到小，直至恰好等于毛细管半径r，气泡曲率半径达到最小，根据拉普拉斯公式，这时气泡能承受的压力差也最大。随后大气压力将把此气泡压出管口。气泡曲率半径再次增大，因此气泡表面膜所能承受的压力差必然减少，实际上测定管中的压力差却在进一步加大，所以立即导致气泡的破裂。因此测得气泡承受的最大压差△Pmax和毛细管的半径r，就可以求得液体的表面张力σ。毛细管的半径可以通过测量已知表面张力的物质来确定。
2实验部分
2.1主要仪器
微差仪（DP-AW型，南京桑力电子设备厂），超级恒温水浴（ZH-2C型，南京桑力电子设备厂），酸度计（PHS-3C型，上海仪电科学仪器股份有限公司），可见分光光度计（722-100型，上海精密仪器仪表有限公司）。
2.2试剂
1%明胶溶液（明胶，天津市科密欧化学试剂有限公司），2mol•L-1NaOH溶液，4mol•L-1HCl溶液，本实验中所用试剂均为分析纯，水为蒸馏水。
2.3实验结果与讨论
本实验数据都是在恒温25℃下测定的。首先通过测定纯水的最大泡压来测定毛细管半径。测定数据见表1。已知25℃时纯水的表面张力是71.97×10-3N•m-1，将以上数据代入拉普拉斯公式，计算毛细管半径为：即实验中测定装置中的毛细管半径是2.4×10-4m。本实验利用盐酸和氢氧化钠溶液调节明胶溶液的pH。明胶溶液在不同pH下的最大泡压测定值与相应的表面张力计算结果见表2。图2显示了明胶溶液在不同pH下的表面张力，从图可以看出，随着pH的增大，明胶溶液的表面张力开始显著降低，pH在4左右时表面张力较小，pH在4~5之间表面张力变化趋势非常缓慢，然后随着pH的进一步增大，表面张力又出现显著增加的趋势。分析认为，明胶分子带电程度不同，分子间的相互作用力将不同。当介质pH值在等电点附近时，分子为电中性，此时分子间作用力较小，根据表面张力与分子间作用力的关系，表面张力也较小[9]，当介质的pH值偏离等电点时，明胶分子将质子化或去质子化，从而带正电或带负电，导致分子间作用力增大，表面张力也随之增大，因此可以初步得出结论，明胶的等电点在pH4~5之间。另外，从图可以看出，当pH增加到约为7时，随着pH的继续增大，表面张力增大的趋势非常小，分析认为，这可能是由于此时介质pH值偏离等电点较远，明胶分子带电程度已逐渐趋于饱和，因此导致分子间的作用力变化较小。上面的实验结果初步告诉我们明胶的等电点的范围应在pH4~5之间，为了确定较精确的等电点位置，我们进行了近一步的测定实验。实验的测定结果见表3，将实验结果绘制成图（图3），从图可以明显看出明胶的等电点在pH约为4.7左右。为了验证以上最大泡压法的测定结果，我们采用了实验室中常用的分光光度法测定了明胶溶液的等电点。图4和图5分别显示了吸收波长是400nm和600nm时明胶溶液吸光度与溶液pH值的关系，从图可以看出，在两个吸收波长下，都出现了当溶液的pH接近4.7左右时，溶液吸光度增大趋势显著，在4.7时达到了最大的现象，根据文献报告[5]，明胶在等电点时，呈两性离子状态，此时明胶水合程度小，浊度高，透明度低，因此吸光度大，可以推断此处为明胶溶液的等电点，由此可见，分光光度法测定的等电点位置与最大泡压法测定的结果是一致的。
3结束语
本实验是一个具有创新性的物理化学设计实验，让学生设计利用最大泡压法测定明胶的等电点，学生首先要查阅文献了解明胶的性质、用途、等电点的概念，测定等电点的方法及测定其的意义，然后设计实验的方案，独立操作完成实验。实验结果表明，明胶在等电点时由于分子呈现电中性，分子间作用力相对较小，导致表面张力减小，因此可以通过最大泡压法测定明胶溶液的表面张力随pH的变化规律来测定明胶的等电点，测定结果与分光光度法测定结果相符合。本实验的开展丰富了学生的理论知识，提高了他们的实验技能，也为他们将来从事科研工作奠定初步的基础。希望本研究能够为从事高校基础物理化学实验教学的同行在教学改革工作方面提供一些可以借鉴的思路。
作者:屈宜春 李里 单位:黑龙江大学