利用液滴實(shí)驗(yàn)探究幾個(gè)典型沉淀反應(yīng)

曾濤 廖連燕 楊興 張瑞

摘要： 利用微量化液滴實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3典型沉淀反應(yīng)進(jìn)行探索和條件優(yōu)化，對(duì)沉淀在濁態(tài)和干態(tài)下的電子顯微鏡成像表征進(jìn)行對(duì)比考察，達(dá)到了耗試劑微量、操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)儀器經(jīng)濟(jì)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)結(jié)果生動(dòng)有趣等效果，彌補(bǔ)了常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量大，觀察不到反應(yīng)過(guò)程等缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)沉淀實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)化和補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞： 液滴實(shí)驗(yàn)； 微量化實(shí)驗(yàn)； 沉淀反應(yīng)； 玻璃片液膜； 電子顯微鏡成像

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）7-0075-04 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

微量化化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)（Microscale Laboratory）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)，聚焦于使用常規(guī)儀器達(dá)到微型實(shí)驗(yàn)的目的，即以盡可能少的試劑獲取所需化學(xué)信息[1]。微型實(shí)驗(yàn)中由于使用的儀器裝置過(guò)小使實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度降低，影響了學(xué)生的觀察和教學(xué)效果。微量化實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了微型實(shí)驗(yàn)的不足，它使用常規(guī)儀器和微量反應(yīng)物，但仍能達(dá)到常規(guī)實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度。基于此功能和特征，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中研究和推廣微量化實(shí)驗(yàn)十分必要[2]。

微量化實(shí)驗(yàn)以玻璃片等常規(guī)儀器為反應(yīng)載體，通過(guò)微劑量（1～2滴）反應(yīng)物接觸后的擴(kuò)散過(guò)程，研究反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)產(chǎn)物[3]。液滴微量化實(shí)驗(yàn)相對(duì)于傳統(tǒng)試管實(shí)驗(yàn)有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)： 首先，與經(jīng)典沉淀實(shí)驗(yàn)使用試管相比，液滴實(shí)驗(yàn)使用玻璃片作為實(shí)驗(yàn)器材，玻璃片更加容易得到，堅(jiān)固實(shí)用，重復(fù)使用率高；其次，傳統(tǒng)試管實(shí)驗(yàn)每種反應(yīng)物的用量大概在1～2毫升之間，而液滴實(shí)驗(yàn)用量極其微小，一般為1～2滴，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)試劑用量的百分之一；其三，在玻璃片上做實(shí)驗(yàn)，沉淀的形成過(guò)程和沉淀干化后的狀態(tài)不僅肉眼觀察現(xiàn)象更加明顯，還可以直接在顯微鏡下觀察。本研究通過(guò)液滴實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3典型沉淀反應(yīng)的條件進(jìn)行了探索和優(yōu)化，對(duì)沉淀的濁態(tài)和干態(tài)的電子顯微鏡成像進(jìn)行了考察，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)沉淀實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化和補(bǔ)充。

1 BaSO4和CaCO3沉淀反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)儀器和藥品： 2～3mm厚、10×10cm大小的透明玻璃片、略大于玻璃片的黑色卡紙、膠頭滴管、尖頭玻璃棒、電子顯微鏡（型號(hào)為ALYMPUS CX41，目鏡10×，物鏡10×，放大倍數(shù)為100倍）；1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L的BaCl2溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液和Na2CO3溶液

1.1 Ba2+與SO2-4反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程： 將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L BaCl2溶液，其右側(cè)約1cm處滴加1～2滴0.1mol/L Na2SO4溶液，用尖頭玻璃棒引導(dǎo)兩種溶液相互接觸后，溶液發(fā)生自然擴(kuò)散，現(xiàn)象見(jiàn)圖1。

1.2 Ca2+與CO2-3反應(yīng)

將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L Na2CO3溶液，其右約1cm處滴加1～2滴0.1mol/L CaCl2溶液，用尖頭玻璃棒引導(dǎo)兩種溶液相互接觸后，溶液發(fā)生自然擴(kuò)散，現(xiàn)象見(jiàn)圖4。

1.3 結(jié)果討論

將每一種反應(yīng)物按照1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L濃度配制，進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)，得到BaSO4與CaCO3的最佳反應(yīng)物濃度均為0.1mol/L，濁態(tài)最佳成像反應(yīng)物濃度均為0.01mol/L；干態(tài)BaSO4最佳成像反應(yīng)物濃度為0.1mol/L，干態(tài)CaCO3最佳成像反應(yīng)物濃度為0.001mol/L。

BaSO4與CaCO3是中學(xué)典型的兩種白色沉淀物，二者加入稀鹽酸后，沉淀溶解并放出氣體的物質(zhì)是CaCO3，沉淀不溶解的物質(zhì)是BaSO4。對(duì)比兩者沉淀的顯微鏡成像圖片可發(fā)現(xiàn)，BaSO4與CaCO3雖均為白色沉淀，但其沉淀的外在特征有所差異： CaCO3沉淀顆粒感較為明顯，BaSO4沉淀更加細(xì)膩均勻；干態(tài)時(shí)，CaCO3沉淀聚集后呈現(xiàn)光滑的表面，且多處凹陷，BaSO4呈明顯的條狀分布。

2 Al（OH）3和Zn（OH）2沉淀反應(yīng)

Al（OH）3和Zn（OH）2是中學(xué)常見(jiàn)的典型兩性氧化物沉淀，表現(xiàn)為在酸性或堿性環(huán)境中，沉淀溶解。

2.1 Al3+與OH-反應(yīng)

將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴1mol/L AlCl3溶液，其右側(cè)約1cm處滴加1～2滴1mol/L NaOH溶液，用尖頭玻璃棒引導(dǎo)兩種溶液相互接觸后，緩慢生成少量白色沉淀，自然擴(kuò)散速度很慢，用尖頭玻璃棒將一種溶液引入另一種溶液內(nèi)部，迅速生成大量白色沉淀，如圖7所示。

反應(yīng)的離子方程式為Al3++3OH-Al（OH）3↓。加5～6滴1mol/L NaOH到圖7的Al（OH）3白色沉淀上，用尖頭玻璃棒攪拌，白色沉淀迅速減少，至全部溶解，反應(yīng)的離子方程式為Al（OH）3+OH-Al（OH） -4。將反應(yīng)生成的Al（OH）3自然狀態(tài)下靜置，電子顯微鏡下觀察成像，濁態(tài)成像如圖8所示，干態(tài)成像如圖9所示。

2.2 ZnCl2與NaOH反應(yīng)

將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴1mol/L ZnCl2溶液，其右側(cè)約1cm處滴加1～2滴0.1mol/L NaOH溶液，用尖頭玻璃棒引導(dǎo)兩種溶液相互接觸后，生成大量Zn（OH）2白色沉淀，如圖10所示。

2.3 結(jié)果討論

將每一種反應(yīng)物按照1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L濃度配制，進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)，得到AlCl3溶液和NaOH溶液最佳濃度為1mol/L， ZnCl2溶液和NaOH溶液的最佳濃度分別為1mol/L、 0.1mol/L。圖7是AlCl3、 NaOH溶液濃度為1mol/L，用量1∶3擴(kuò)散過(guò)程的局部照片，圖8為反應(yīng)的濁態(tài)圖像，圖9為反應(yīng)的干態(tài)圖像。圖10為1mol/L ZnCl2與0.1mol/L NaOH反應(yīng)圖片，圖11為濁態(tài)Zn（OH）2沉淀的顯微鏡成像，圖12為干態(tài)Zn（OH）2沉淀的顯微鏡成像。

AlCl3和NaOH反應(yīng)的自然擴(kuò)散效果不好，玻璃棒攪拌后，才產(chǎn)生大量的白色沉淀，沉淀聚集成簇狀。濁態(tài)Al（OH）3在顯微鏡下呈現(xiàn)大理石般的美麗細(xì)紋，干態(tài)呈現(xiàn)樹(shù)葉狀，中間夾雜不規(guī)則的塊狀。ZnCl2和NaOH的自然擴(kuò)散效果好，無(wú)需外力，白色沉淀自行先產(chǎn)生后消失，沉淀均勻細(xì)膩。濁態(tài)Zn（OH）2的顯微鏡成像出現(xiàn)部分梯狀紋路，干態(tài)成大小相似的塊形條紋。

3 Fe（OH）3沉淀反應(yīng)

在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L FeCl3溶液，其右側(cè)1.5cm處滴加1～2滴1mol/L NaOH溶液，用尖頭玻璃棒引導(dǎo)兩種液滴形成相鄰溶液膜，并互相靠近至自然擴(kuò)散反應(yīng)，現(xiàn)象見(jiàn)圖13。

反應(yīng)的離子方程式為Fe3++3OH-Fe（OH）3↓。此反應(yīng)的FeCl3、 NaOH溶液的最佳濃度分別為0.1mol/L、 1mol/L。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)e（OH）3呈現(xiàn)一條紅棕色的色帶向NaOH方向推進(jìn)，如圖14所示。

濁態(tài)Fe（OH）3的顯微鏡成像出現(xiàn)紅棕色薄紗飄逸的景象，十分美麗，干態(tài)出現(xiàn)了正四面體狀的晶狀固體（如圖15所示）。此處的晶體與結(jié)晶不同，結(jié)晶是分子從飽和溶液里面析出，逐漸覆蓋在晶核表面，過(guò)程緩慢，粒子排列嚴(yán)格有序；而此處的晶狀沉淀為反應(yīng)中快速生成，推測(cè)其過(guò)程，開(kāi)始為極細(xì)小的固體顆粒，隨著液體的蒸發(fā)，聚集到一起后成為晶體，此晶體不結(jié)實(shí)但依然呈有序的狀態(tài)[4]。

以上用液滴實(shí)驗(yàn)探討了中學(xué)常見(jiàn)的BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3的沉淀反應(yīng)。相比于傳統(tǒng)試管實(shí)驗(yàn)，液滴實(shí)驗(yàn)的試劑用量少，試劑在玻璃片上以近似液膜的厚度平鋪，學(xué)生在感受沉淀從無(wú)到有、從少到多的過(guò)程中，清晰地觀察到沉淀形成的過(guò)程和沉淀特征，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微量化和綠色化。運(yùn)用電子顯微鏡的成像作用，能夠進(jìn)一步觀察其濁、干態(tài)特征，對(duì)促進(jìn)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握、感受美妙的化學(xué)世界、激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、形成愛(ài)化學(xué)、學(xué)化學(xué)的化學(xué)觀念以及養(yǎng)成化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)具有促進(jìn)作用。

微量化液滴實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步趣味化，如在玻璃板上平鋪一層液膜，將另一種試劑噴灑在液膜上，制造雪花、大理石紋路的趣味場(chǎng)景。微型實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)一步用于教學(xué)中，如將Al（OH）3的液滴實(shí)驗(yàn)作為先行組織者的前置性學(xué)習(xí)材料，探究Zn（OH）2的性質(zhì)。開(kāi)發(fā)更多的微量化液滴實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)趣味化、教學(xué)常態(tài)化和儀器生活化[5]，是液滴實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究和發(fā)展的方向。

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