柱色谱:您可以使用Space Sand™分离葡萄苏打中的染料吗?

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 7 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 注射器(无针)和太空沙需要特别订购。有关详细信息,请参阅材料和设备列表。
费用 低($ 20 – $ 50)
安全 在处理和使用70%异丙ol时,请小心并遵守所有安全警告。酒精是高度易燃的。不要吞咽,并戴上护目镜,以免与眼睛接触。

摘要

葡萄苏打是什么颜色的?如果你将它倒入透明玻璃杯中,你可以很容易地看到它是紫色的,但这通常不是它的自然色。制造商在苏打水中加入红色和蓝色染料。染料混合在一起,你会得到紫色的苏打水。如果你想取消混合染料怎么办?是!在化学实验室中,使用称为柱色谱的技术,您可以再次分离两种染料。但是在家里,你能用低技术用品做同样的事情吗?在这个科学项目中,您将尝试使用一些有趣的材料,包括名为Space Sand的玩具/工艺产品。

目的

研究是否可以使用自制的柱色谱设置来分离和分离葡萄酒中不同的食用色素。

积分

Teisha Rowland,PhD,Science Buddies

感谢丹佛大都会州立大学的Andrew Bonham博士,以及Thermo Fisher Scientific和PPG Industries科学教育委员会的志愿者,感谢他们对这个科学项目的反馈和建议。

  • Space Sand™是DuneCraft,Inc。的注册商标。

引用本页

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科学伙伴。”柱色谱:您可以使用Space Sand™分离葡萄苏打中的染料吗?” 科学伙伴,2018年10月17日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/BioChem_p045/biotechnology-techniques/can-column-chromatography-separate-the-dyes-in-grape-soda。2019年7月6日访问。

APA风格

科学伙伴。(2018年10月17日)。柱色谱:您可以使用Space Sand™分离葡萄苏打中的染料吗?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/BioChem_p045/biotechnology-techniques/can-column-chromatography-separate-the-dyes-in-grape-soda


最后编辑日期:2018-10-17

简介

葡萄苏打通常看起来是紫色的,不是因为葡萄,而是因为它有两种不同的食用色素,蓝色1和红色40.虽然你只能通过观察紫色来分辨这两种不同的食用色素。苏打水,您可以使用自己做的一种名为柱层析的化学技术来分离两种食用色素并亲自看看它们。

色谱法是一组技术,用于根据某些特性或化学特性分离混合物中的不同化学物质。例如,如果科学家想要研究人体血液样本中的特定蛋白质,他们可能能够使用色谱法将其与血液中的其他物质隔离开来.柱层析是一种色谱技术,通常使用长的垂直透明管或。它填充有紧密包装的小颗粒(以干粉或湿浆的形式)。将混合的化学品倒入色谱柱顶部,在底部,不同的化学品应分别出来。有关此过程的图表,请参见图1。以下是典型柱色谱设置的关键组件的详细信息:

  • 固定相 :固定相由填充色谱柱的小颗粒组成。当液体流过柱子时,颗粒保持静止或不移动。颗粒通常是某种改性的二氧化硅,也称为二氧化硅,其与混合物中的不同化学物质不同地相互作用。砂通常由二氧化硅制成。
  • 待分离的混合物:这通常是不同化学品的混合物。例如,它可能是人类血液的样本。通常,研究人员希望分离出一种化学物质,将其与混合物中的其他物质分开。化学品基于它们不同的化学性质以及它们如何与固定相和流动相相互作用而分离。我们将在稍后讨论这个问题.
  • 流动相 :流动相是液体,也称为淋洗液。流动相的目的是分离混合​​物中的不同化学物质。为此,将流动相倒入色谱柱中并向下移动通过色谱柱,在有或没有混合物中的不同化学物质的情况下流动。它选择性地移动化学品,因为流动相是​​溶剂,或者是一种溶解特定化学物质的液体。
  • 收集容器:在色谱柱下方放置一个收集容器(如杯子或试管),以便在化学品流出色谱柱时收集这些化学品。从底部出来的所有液体称为洗脱液(包括以前的流动相和待分离的混合物)。通常,随着时间的推移使用几个容器.
在色谱柱设置中,色谱柱首先填充固定相
图1。在柱色谱设置中,柱首先填充固定相(通常类似于沙子).(有时固定相是平衡的通过添加一些流动相来准备用于添加混合物的色谱柱。)然后在顶部添加将要分离的混合物(如葡萄苏打或人血),并添加流动相(或洗脱液)通过色谱柱清洗混合物。不同的化学物质应在色谱柱中分离,并在不同时间通过色谱柱底部作为洗脱液进入收集容器。

化学品应在色谱柱中分离,并在不同时间从底部流出,让您可以将每个化学品收集在不同的容器中。收集的洗脱液的每个不同容器称为馏分。结果是几个容器,每个容器从混合物中具有不同的分离化学品。然后研究人员可以使用具有感兴趣的化学物质的杯子(或杯子)。观看此视频,了解柱色谱如何在实验室中进行.注意:这个科学项目中的柱层析方法比这个视频中的方法更简单,但是如何完成它的许多基本原理是相同的。

此视频显示了柱色谱如何在实验室中进行。注意,固定相用一些流动相制备以平衡柱。留在请注意,在这个科学项目中你将如何进行柱层析比视频中显示的要简单得多。]

图2显示了一般的柱色谱过程图,如视频中详细描述的。在图2中,您可以看到在添加固定相(灰色)后,添加流动相(浅蓝色)以平衡色谱柱。接下来,加入待分离的混合物(紫色),然后加入另外的流动相以通过柱洗涤混合物。混合物的组分(蓝色和红色)在色谱柱中分离,最后在色谱柱下方的不同收集杯中。

在柱色谱中,混合物中的不同化学物质在色谱柱中分离出来并在不同的底部出来倍
图2. 理想地,在柱色谱中,混合物中的不同化学物质在柱中分离并在不同时间从底部出来。例如,在该图中,红色化学物质更快地穿过色谱柱,并在蓝色化学品之前和之后分离出来(因为它们通过浅蓝色流动相洗涤通过色谱柱)。使用不同的容器收集洗脱液,以便分离化学物质.

那么是什么让化学品在色谱柱中分离?换句话说,为什么有些化学物质比其他化学物质更快地流过色谱柱?如前所述,化学品可以通过其化学性质分离。通常用于此的一种化学性质是化学极性,其指的是负性和正性电荷如何在化学品中分离。例如,水是一种极性化学品,因为它在不同的地方有不同的电荷;它的氧气带有轻微的负电荷,它的两个氢气带有轻微的正电荷,如图3所示。另一方面,如果化学物质的电荷在整个化学物质中均匀分布,则化学物质可以是非极性的。油和乙烷都是非极性化学品的好例子。

极地和非极性化学物质(水和乙烷)。
图3. 水(H 2 O)是极性化学物质,因为它的负电荷和正电荷是分开的。乙烷(C 2 H 6 )是一种非极性化学品,因为它的电荷均匀分布。

化学物质的极性可以影响其溶解度,或者它在不同溶剂中溶解的程度。通常,非极性分子是疏水性的,这意味着它们在水中不能很好地溶解(想想水和油不会混合),而极性分子是亲水的,这意味着它们<我>做在水中溶解得很好。总的来说,这意味着给定的流动相可以溶解某种化学物质并使其快速流过色谱柱以及流动相本身,但同一流动相可能不溶解另一种化学物质,使其停留(或移动较慢)专栏。这就是化学极性可用于分离混合物中两种不同化学物质的方式。

让我们回到一个问题,即您是否可以使用柱色谱分离一些常见的混合物,例如葡萄苏打等人工色素饮料。如上所述,葡萄苏打含有两种不同的食用色素,蓝色1和红色40.(典型的葡萄苏打含有许多其他成分,但这些更难看;如果你能分开染料,那么看起来更容易你的努力是成功的。)食用色素或食用染料,由染料分子组成.(您可以通过查看包装上的成分列表确认食品中含有这些染料,通常列为”FD&amp; C” ,后面跟着颜色和数字,例如”FD&amp; C Blue No. 1″ ,或者有时只是列为”蓝色1″ 。)蓝色1和红色40都是相对非极性的。但是,红色的极性略高于蓝色。这种微小的差异足以让研究实验室的色谱柱分离出不同的染料,但是你能用自制的装置做到这一点吗?

在这个科学项目中,您将制作自己的自制柱色谱设置,并确定您的设置是否可以将蓝色和红色食用色素与葡萄苏打样品分开。为此,您将使用相对便宜的零件在家中制作复杂,强大的实验室设备!

你将使用非极性固定相,它应该与其他非极性化学物质相互作用,如蓝色1和红色40,但它抓取它们的程度取决于它们的非极性,所以它应该保持不变在蓝色1上稍微好于红色40.您将使用一种名为 Space Sand 的特定产品作为固定相。将其装入塑料注射器中,作为您的色谱柱.Space Sand TM (也称为Magic Sand)是用非极性涂层改性的二氧化硅,使其具有疏水性(具体地说,它已经添加了碳和氢的链)。要了解Space Sand的疏水性,请参见图4,其中显示了一些沙子上的水滴图。它作为玩具在商业上出售,因为它很有趣,观看它与水的相互作用是非常有趣的。太空砂类似于实验室中使用的非极性固定相 – 二者都是经过改性为疏水的二氧化硅 – 但太空砂的疏水性不如实验室中常用的改性二氧化硅。太空沙是否足够疏水以分离蓝色1和红色40?对于流动相,您将使用70%异丙ol,它比纯水更无极性,可以作为非极性溶剂,因此它应该溶解处于固定相的非极性化学物质,让它们流过色谱柱。

疏水太空沙上一滴水的图片。
图4. 太空沙上的水滴起球,因为沙子非常疏水。

弹出一罐葡萄苏打水,准备好了解您自制的色谱柱设置是否可以分离内部的食物色素!

术语和概念

  • 色谱
  • 柱层析
  • 固定阶段
  • 二氧化硅或二氧化硅
  • 流动相或洗脱液
  • 溶剂
  • 洗脱液
  • 柱色谱级分
  • 化学极性
  • 收费
  • 非极性
  • 溶解度
  • 疏水性
  • 亲水性
  • 食用色素

问题

  • 如何使用柱色谱分离和分离混合物中的不同化学物质?
  • 什么是亲水性的例子?什么是疏水的东西?
  • 在这个科学项目中,您认为哪种染料首先从色谱柱出来,蓝色1还是红色40?为什么?
  • 什么是太空沙?它与普通沙子有什么不同?
  • 异丙ol的极性是否大于水?

参考书目

您可以访问以下网站进行进一步研究,这些网站提供有关疏水性砂,柱色谱和化学品极性的信息:

这个科学项目的灵感来自以下实验室实验:


材料和设备

  • 带Luer-Lock的塑料注射器,30 mL,无针(4);在线提供 Amazon.com
  • 太空沙(24毫升,或约2汤匙);可在某些玩具店或网上购买 Amazon.com 。建议使用白色沙子,以便沙子中的染料不会对结果产生干扰。
  • 剪刀
  • 棉花轮(2)
  • 可选:一旦拔出柱塞,漏斗的尖端就会插入注射器的顶部
  • 透明塑料杯或水杯,至少5盎司.(21)
  • 永久性记号笔或便利贴和钢笔或铅笔
  • 护目镜
  • 异丙ol(150mL)
  • 蒸馏水(105mL);大多数杂货店都有。
  • 葡萄苏打(30毫升)
  • 实验室笔记本
  • 可选:用于为项目显示板拍摄实验照片的数码相机

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

在葡萄苏打上使用柱色谱

  1. 在您的实验室笔记本中,制作数据表,如表1和表2.您将在这些数据表中记录您的观察结果。
    1. 请记住,洗脱液是从柱子底部出来的液体,并且收集洗脱液的每个不同的杯子被称为不同的分数.

实验期间观察到的洗脱液颜色
第一个分数 第二个分数 第三个分数 第4部分 第5部分
试验1
试用2
试验3
表1。在您的实验室笔记本中,制作一个这样的数据表来记录您的洗脱液颜色结果。

实验期间观察到的柱砂颜色
平衡后的沙子 收集第一个分数后的沙子 收集第5个分数后的沙子
试用1
试用2
试验3
表2。在您的实验室笔记本中,创建一个像这样的数据表来记录您的柱砂观察。

  1. 在整个过程中一定要戴上护目镜,以免异丙ol倒入眼睛。
  2. 拿出三个塑料杯或水杯。将70%的异丙ol倒入一个,蒸馏水倒入另一个,葡萄苏打倒入最后一杯。
    1. 具体而言,您需要至少150 mL异丙ol,105 mL蒸馏水和30 mL葡萄苏打。但是您现在不需要仔细测量这些数量,因为您将在以后使用它们进行测量。
    2. 你可以给杯子贴上标签(如果它们是塑料的,可以是永久性标记,如果是玻璃的话,可以是钢笔或铅笔)或者只是将它们放在靠近它们的容器附近,这样你就知道每个杯子里面有什么
  3. 再拿出六个塑料杯并标上废物第一部分第二部分第三部分 4th Fraction 5th Fraction 。最容易将它们排列在你面前,从左到右。
  4. 从包装中取出30毫升(mL)注射器中的一个。使用永久性标记在某处标记注射器”A” 。
  5. 从棉圆上切下一个小圆圈,使其恰好适合注射器。将注射器的柱塞完全拉出并插入切割的棉轮。您可以使用钢笔将棉垫一直向下推入注射器的尖端
  6. 向注射器中注入8 mL填充的Space Sand,如图5所示。棉垫可防止沙子从注射器中掉出。
    1. 提示 的为了用沙子填充注射器,最简单的方法是用剪刀剪掉沙袋的一个小角落,慢慢地从那个角落倒出,然后注入注射器。或者,您也可以使用漏斗。
    2. 当您用沙子填充注射器时,反复敲击硬质表面上的注射器,使沙子变得紧实。如果需要,使用注射器柱塞将沙子向下推并离开注射器的内侧。
    3. 当您认为自己完成后,请确保在多次敲击色谱柱后砂子不小于8 mL。
    4. 请记住,注射器中的沙子(例如8-9 mL)比沙子少(少于8 mL)要好得多。为什么你认为这是?
    5. 准备好后,现在小心地将沙子注射器放在一边。
8 mL太空沙包装在30 mL注射器中。
图5. 在其中一个注射器中加入8 mL Space Sand,在填充注射器时轻敲注射器,使沙子紧凑。
  1. 首先用流动相和一些蒸馏水平衡色谱柱。这将为加工葡萄苏打做好准备。
    1. 如果还没有,请将柱塞从标有”A” 的沙子注射器中拉出,并小心地将注射器放在标有废物的杯子中。
    2. 取出第二个30毫升注射器。使用永久性标记来标记此注射器”B” 。用注射器B从杯子中吸取30毫升70%异丙ol。
    3. 将注射器A(砂填充注射器)放在废液杯上。然后,另一方面,将注射器B放在注射器A上,然后慢慢将注射器B中的酒精推入注射器A.您可能需要以增量的方式将液体倒入色谱柱中,这样它就不会溢出。参见图6,了解如何安排注射器.注意:加入酒精时,小心不要过多打扰沙子。
      1. 让酒精从注射器A中滴出并进入下面的废物杯。
      2. 为了加快这个过程,您可以将注射器A的柱塞放回注射器中,并在将其全部从注射器B中挤出后慢慢推出剩余的酒精。
      3. 注意:进行真正的色谱柱分析时,通常不要让色谱柱干燥。换句话说,一旦柱子受潮,它应该保持潮湿。然而,在这个科学项目中,如果沙子干燥一两分钟,可以将液体从沙子中推出。虽然通常最好让沙子保持一点潮湿,但在注射器中的沙子水平之上应该没有剩余的液体.
      在收集杯上方放置疏水性沙子的柱子,以及在沙柱上方放置酒精的注射器。
      图6。将注射器A(注砂的注射器)固定在废液杯上方。然后握住注射器B(注满酒精的注射器),使其位于注射器A上方,然后慢慢向下按压注射器B的柱塞,使酒精进入注射器A.您可能需要用两只手才能完成此操作。

    4. 一旦所有酒精都滴出,慢慢将柱塞从注射器A中取出,但继续将其放在废液杯上。将柱塞前后倾斜,使其在拉出时不会”弹出” 。
    5. 取出注射器B并用它吸取30毫升蒸馏水。
    6. 重复步骤c。使用注入蒸馏水的注射器(而不是注满酒精的注射器)。
    7. 您的色谱柱现已平衡,可随时使用葡萄苏打。在实验室笔记本中记录数据表(类似于表2)中平衡砂的颜色。
  2. 现在在平衡柱中加入葡萄苏打样品。
    1. 小心地将柱塞从注射器A中拉出,并将注射器放在标有 1st Fraction 的杯子中。
    2. 取出注射器B并用它慢慢吸取10毫升葡萄苏打水.注意:确保慢慢吸吮,以防止气泡积聚在注射器中。
    3. 将注射器A放在第一个分数杯上。然后,另一方面,将注射器B放在注射器A上,然后慢慢地将葡萄酒苏打出注射器B并进入注射器A,就像平衡柱子一样。尽量不要过多地打扰沙子。
      1. 您可以使用注射器A的柱塞加速此过程,但切记不要让沙子干燥超过一两分钟。
    4. 这部分洗脱液的颜色是什么?注射器中沙子的颜色是什么?将您的观察结果写在实验室笔记本的数据表中。
  3. 接下来,向色谱柱中加入5 mL蒸馏水,以便更好地分色。
    1. 通过前后倾斜将缓冲液慢慢从注射器A中取出,并小心地将注射器放入标有第二级的杯中。
    2. 取出注射器B,用它吸取5 mL蒸馏水.
    3. 将注射器A放在第二个分数杯上。然后,另一方面,将注射器B放在注射器A上,然后慢慢将水推入注射器A,就像之前一样。再次,确保不要太多打扰沙子.
    4. 此步骤中洗脱液的颜色是多少?它改变了吗?记下实验室笔记本中数据表中的观察结果。
  4. 接下来,添加70%异丙ol流动相以洗脱色谱柱中的颜色。
    1. 取出注射器B,用它吸取10毫升70%异丙ol.
    2. 将注射器A移到第3个分数杯上。然后,另一方面,将注射器B放在注射器A上,然后慢慢将酒精推入注射器A,就像之前一样,不会打扰沙子.
    3. 重要事项:请确保密切注意从注射器A滴出的液体,一旦液滴看起来变色,就移动注射器A,它超过了第4个分数杯。然后让剩余的液体滴入或推出,进入这个杯子。
      1. 您可以使用注射器A的柱塞加速此过程,但切记不要让沙子干燥超过一两分钟。
    4. 第3和第4分数杯中洗脱液的颜色是多少?在实验室笔记本的数据表中记录所有观察结果。
  5. 最后,将更多的70%异丙ol添加到色谱柱中。
    1. 像以前一样慢慢地将柱塞从注射器A中拉出,并将注射器小心地放入标有 5th Fraction 的杯子中。
    2. 取出注射器B并用它吸取10 mL以上的70%异丙ol。
    3. 将注射器A放在第5个分数杯上。然后,另一方面,将注射器B放在注射器A上,然后慢慢将酒精推入注射器A,就像之前一样。确保不要太多打扰沙子。
      1. 如果您使用注射器A的柱塞加速此过程,请确保让沙子保持湿润,因为在您花时间准备下一次试验时,您不希望它变干。
    4. 第5馏分杯中洗脱液的颜色是什么?柱子的沙子颜色是什么?将您的观察结果写在实验室笔记本的数据表中。
    5. 不要丢弃每次试验的结果;在分析结果时,您将使用它们进行比较。
  6. 如果您愿意,您可以在不同的杯子中拍摄洗脱液。您应该在杯子中加入原始葡萄苏打样品进行比较。您可能想要使用白色背景拍摄照片,例如一张空白纸,并包含标签。你可以把这些图片包括在你的科学博览会项目展示板
  7. 再重复步骤4-11两次。请务必在实验室笔记本的数据表中,在试验2和3的行中记录您的观察结果。
    1. 对于注射器”A” ,使用新的注射器,但您可以使用与注射器”B” 相同的注射器。
    2. 使用新鲜杯子清洗废物和每个洗脱液。
    3. 如果这些杯子中需要更多液体,请重复步骤3。

分析结果

  1. 完成色谱柱分析后,比较杯中的液体和实验室笔记本中数据表中记录的结果。
    1. 洗脱液的颜色不同吗?例如,当您添加葡萄苏打水时,从加入蒸馏水或70%异丙ol时收集的馏分中收集的馏分是否会收集?如果是这样,他们有什么不同?为什么你认为这是?
    2. 您的不同试验之间的结果是否一致,或者是否有一些变异?
    3. 如果来自不同部分的洗脱液颜色不同,您认为这与葡萄酒中不同食用色素的疏水性有何关系? 提示:尝试重新阅读​​简介考虑到70%的异丙ol如何与葡萄苏打中不同的食用色素相互作用,这就出来了。
    4. 总的来说,您自制的柱色谱装置是否成功分离了葡萄酒中的食用色素?如果有效,你能解释一下吗?

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变体形式

  • 许多不同的人造饮料,干饮料混合物和其他食物含有不同的食用色素。使用柱色谱设置分离其他饮料或食物中的食用色素混合物。您是否需要更换静止和/或流动相才能使其工作?
  • 在这个科学项目中,您创建了一个可能运行良好的自制柱色谱设置,但是您可以使其更好地工作吗?例如,可以改变葡萄苏打的数量,流动相的类型,使用的收集杯的数量,或列中的沙子数量,以改善您的结果? (重要事项:如果使用其他流动相,请务必采取适当的安全预防措施以使用任何化学品)。尝试不同浓度的流动相怎么样?您可以在背景,了解有关色谱柱色谱的更多信息,并了解如何改进设置。
  • 进行柱色谱设置,让人们更容易在家中制作。例如,您可能不得不订购注射器来完成这个科学项目。你能用更常见的东西替换它们,比如塑料水瓶的底部是否被切断并翻倒?如果你这样做,你怎么能防止沙子泄漏?由于瓶子可能比注射器大,你需要增加你使用的材料(例如沙子,葡萄苏打,异丙ol等)吗?你能通过使用重力让流动相流出吗?可能会遇到很多挑战,但为更多人提供这样的技术可能会非常有益!
  • 您可以在家中制作自己的疏水砂,然后比较自制柱色谱设置中的工作原理以及Space Sand的工作原理。为了制造疏水性沙子,在饼干片上制作一层薄薄的一到两粒厚的沙子,并用喷涂防水剂喷洒沙子。务必在通风良好的地方工作,遵守所有安全预防措施,并使用可以随后丢弃的饼干(不应将其与食物一起使用)。你需要多次重复这个过程来彻底涂抹沙子:喷洒后将沙子混合均匀喷洒在喷雾周围,让沙子干燥,将沙子翻过来再喷一遍。在用一滴水测试之前让沙子完全干燥以确定它是否是疏水的(如果是,它应该看起来类似于图4中的​​简介)。它是否比Space Sand更好或更好?
  • 关于色谱的其他科学项目,请参阅:
  • 关于食用色素染料的其他科学项目,请参阅: