溶解結(jié)晶理論與大晶體培養(yǎng)

任雪明 吳文中

溶解結(jié)晶理論與大晶體培養(yǎng)

任雪明1吳文中2

（1浙江省教育廳教研室浙江杭州310012；2浙江省紹興市第一中學(xué)分校浙江紹興312000）

從熱力學(xué)和動力學(xué)、宏觀和微觀等不同角度分析溶解和結(jié)晶的過程及機理，探究影響大晶體形成的因素及其原因，幫助師生從本質(zhì)上認識高中化學(xué)教科書中的相關(guān)實驗操作及原理。

溶解；結(jié)晶；平衡；邁耶理論；大晶體

蘇教版《實驗化學(xué)》模塊“影響晶粒生成的條件”指出，晶體顆粒的大小與結(jié)晶條件有關(guān)，溶質(zhì)的溶解度越小，或溶液的濃度越高，或溶劑的蒸發(fā)速度越快，或溶液冷卻得越快，析出的晶體就越細小；反之，可得到較大的晶體顆粒［1］。

在教學(xué)實踐中，中學(xué)師生對這段文字往往不知就里，只能靠死記硬背。本文以固體物質(zhì)在水中的溶解為例，結(jié)合溶解、結(jié)晶的相關(guān)理論，對晶體的生成及其影響因素進行剖析。

一、溶解、結(jié)晶及其影響因素

溶解：溶質(zhì)分子或離子分散到水中形成水合分子（或離子）的過程。

影響固體物質(zhì)溶解的因素通常有：溶質(zhì)及其構(gòu)成微粒固有的性質(zhì)（如晶體類型、晶格能、晶體微粒的半徑及電荷等）；溶液的溫度；溶劑的性質(zhì)及其與溶質(zhì)固體的相互作用。

結(jié)晶：溶液中的水合溶質(zhì)分子（或離子）回到晶體表面形成晶體的過程。

影響結(jié)晶的因素通常有：晶核的形成（通過自然形成或添加晶種）；晶核的生長（通過改變溫度或蒸發(fā)溶劑）；溶液的溫度；溶質(zhì)的濃度。

二、溶解結(jié)晶平衡

NaCl固體在水中的溶解過程可描述如下（圖1）：

圖1 NaCl在水中的溶解示意圖

溶解剛開始時，單位時間內(nèi)從固體NaCl表面擴散到溶液里的Na+和Cl-數(shù)多于從溶液中回到固體表面的Na+和Cl-數(shù)，我們能觀察到固體NaCl在不斷減少，此時NaCl的溶解速率大于結(jié)晶速率。

隨著溶液中Na+和Cl-數(shù)的增多（溶質(zhì)離子濃度增大），從溶液中回到晶體表面的Na+和Cl-數(shù)也不斷增多，也即結(jié)晶速率逐漸增大。雖然NaCl固體的溶解速率基本不變，但由于結(jié)晶速率的增大，可以發(fā)現(xiàn)單位時間內(nèi)NaCl固體的減少變慢了。

當單位時間內(nèi)從固體表面擴散到溶液里的Na+和Cl-數(shù)和回到固體表面的Na+和Cl-數(shù)相等時，NaCl固體的量便不再發(fā)生變化，此時得到的溶液便是NaCl飽和溶液。此時，溶解和結(jié)晶的過程仍在進行，但兩者的速率相等，達成了一個溶解-結(jié)晶平衡：

當外部條件發(fā)生改變時，溶解速率和結(jié)晶速率便會發(fā)生改變，舊的溶解-結(jié)晶平衡被破壞，直到達成新的溶解-結(jié)晶平衡。如圖2：

圖2 外部條件改變對物質(zhì)溶解和結(jié)晶速率的影響

上圖中，各時間段所表示的狀態(tài)依次為：

0～t1：某溫度下，將適量NaCl固體加入一定量水中，固體不斷溶解，到t1時達到溶解-結(jié)晶平衡。

t2-t3：t2時刻升高溶液溫度，此時溶解速率和結(jié)晶速率均會增大，但由于NaCl固體溶于水時，離子擴散吸收的熱量比離子水合放出的熱量多，升溫更有利于NaCl的溶解，因而t2-t3階段又有部分NaCl固體發(fā)生溶解，直至達到新的溶解-結(jié)晶平衡。

t4-t5：t4時刻往飽和溶液中加入少量水，導(dǎo)致溶液中Na+離子和Cl-離子濃度降低，結(jié)晶速率降低，平衡被破壞，NaCl固體繼續(xù)溶解，到t5時再次建立新的平衡。

三、結(jié)晶

1.邁耶理論［2］

邁耶理論認為，對于固體溶質(zhì)B而言，存在兩條濃度曲線a和b，曲線a為飽和溶液的濃度曲線，曲線b為過飽和溶液的最大濃度曲線，不同濃度B溶液的安定性如圖3。

（1）曲線a以下為安定區(qū)，曲線b以上為不安定區(qū)，a與b之間則為準安定區(qū)。

（2）在準安定區(qū)，只能成長晶體不能生成晶體，若加入少數(shù)微小晶體作為晶種，如控制得當，可得較大之晶體。

（3）在不安定區(qū)，會同時析出大量微小晶體，從而使過飽和溶液中的溶質(zhì)迅速減少，使晶體無法“長大”，只能得到微小的晶體。

圖3 邁耶理論

2.大晶體的形成

依據(jù)邁耶理論，結(jié)晶法制作形成較大的晶體顆粒的必要條件是，溶液處在準安定區(qū)，且操作時應(yīng)緩慢小心，避免使溶液進入不安定區(qū)。

據(jù)此，《實驗化學(xué)》模塊中析出細小晶體的各種原因便十分清晰了。

對于溶質(zhì)B的飽和溶液而言，溶劑的蒸發(fā)速度越快，或溶液冷卻得越快，就越容易進入曲線b以上到達不安定區(qū)，同時析出大量細小的晶體，如圖4。

圖4 細小晶體的形成原因

同樣地，溶質(zhì)B的溶解度越小，或者B溶液的濃度越大，條件改變時其溶液也越容易到達不安定區(qū)，同時析出大量細小的晶體。

如：由于AgI的溶解度極小，向KI溶液中滴加AgN03溶液時，立刻就能看到白色渾濁現(xiàn)象，當KI溶液和AgN03溶液的濃度均很小時，甚至還可得到AgI膠體。這就是較為典型的在不安定區(qū)直接得到微小晶體的實例。

因此，只要我們在操作（降溫，濃縮、升溫）過程中，盡量使溶液始終處在準安定區(qū)，便有可能使晶體慢慢“長大”，形成較大的晶體顆粒。

3.培養(yǎng)明礬晶體實驗解析

根據(jù)邁耶理論，我們可以很好地理解《實驗化學(xué)》專題2“課題1：鋁及其化合物的性質(zhì)”中“培養(yǎng)明礬晶體”實驗的操作要領(lǐng)［3］。

［步驟1］向250mL燒杯中加入120mL比室溫高10～20℃的水，分批加入明礬晶體，用玻璃棒攪拌，至晶體不再溶解為止。待溶液自然冷卻到比室溫高3～5℃，將溶液倒入另一只燒杯中，用硬紙板蓋好，靜置過夜。

［解析］晶體不再溶解時的溶液是明礬的飽和溶液，自然冷卻到比室溫高3～5℃，形成過飽和溶液，此時無晶體析出，過飽和溶液處在準安定區(qū)。之所以要求在10～20℃之間得到飽和溶液，是因為假如溫度過高的情況下得到飽和溶液，則降溫到比室溫高3～5℃時，就容易出現(xiàn)降溫過多過快的情況，使溶液處于不安定區(qū)，導(dǎo)致大量的微小的晶體析出，達不到實驗?zāi)康摹?/p>

［步驟2］從燒杯中選取兩粒形狀規(guī)則的小晶體作為晶核，將所選的晶核用細線輕輕系好。

［解析］假如不加晶種，則溶液一定要等到處于不安定區(qū)才能有晶體析出，且得到的晶體顆粒較小。

［步驟3］把步驟1中配制的明礬溶液倒入另一只燒杯中，注意不要將已結(jié)晶出來的明礬倒出，再向溶液中加入適量明礬，加熱使其成為比室溫高10～20℃的飽和溶液。待溶液開始自然冷卻時，將小晶體懸掛在燒杯的中央，用硬紙板蓋好燒杯，靜置過夜。

［步驟4］每天把用細線系著的明礬晶體取出，重復(fù)步驟3的操作，直到晶體長到一定的大小。

［解析］“自然冷卻”、“用硬紙板蓋好燒杯”都是為了減緩冷卻速度和水分蒸發(fā)速度，從而確保在準安定區(qū)內(nèi)形成較大的晶體。重復(fù)的操作中，無須加晶種，因為已經(jīng)有了晶種的存在。

顯然，培養(yǎng)較大明礬晶體的關(guān)鍵是盡量減緩冷卻及水分蒸發(fā)的速度，本實驗如能在隔熱裝置（如中和熱測定實驗裝置）中進行，效果會更好。

四、結(jié)語

《普通高中化學(xué)課程標準》要求學(xué)生“能對實驗現(xiàn)象做出合理的解釋，運用比較、歸納、分析、綜合等方法初步揭示化學(xué)變化的規(guī)律”［4］，全國及各省高考《化學(xué)學(xué)科考試說明》也把“能夠正確判斷、解釋和說明有關(guān)化學(xué)現(xiàn)象和問題，即不僅‘知其然’，還能‘知其所以然’”作為學(xué)生理解并掌握知識的重要目標。高中化學(xué)學(xué)科教學(xué)在教給學(xué)生知識的同時，更要幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)和探究活動中釋“疑”解“惑”，使化學(xué)知識和理論的教學(xué)真正做到言之有理，析之有據(jù)，觸類旁通，舉一反三。

［1］王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書：實驗化學(xué)［M］.南京：江蘇教育出版社，2009：14

［2］百度百科.晶種.http：//baike.baidu.com/view/1572792. htm

［3］王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書：實驗化學(xué)［M］.南京：江蘇教育出版社，2009：22

［4］中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學(xué)課程標準（實驗）［S］.北京：人民教育出版社，2004：30

1008-0546（2013）11-0014-02

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.11.005