硫酸銅結晶的趣味實驗設計

盧宗右

摘要： 通過設計制備各種形狀硫酸銅晶體的系列實驗，發現硫酸銅晶體在結晶的過程中，不僅受到溫度的影響，還與溶液的過飽和度、晶核的多少及分布等有關。通過使用棉線纏繞的方法，改變模型表面晶核的數目與分布，使硫酸銅定向地結出美麗的心形晶體及燕子形晶體，為晶體模型的制備提供了一種可行的方法。

關鍵詞： 硫酸銅; 結晶過程; 趣味實驗; 實驗設計

文章編號： 1005-6629（2019）5-0073-03 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

無水硫酸銅（CuSO4）為白色粉末，硫酸銅水溶液顯藍色，從水溶液中結晶出來時，生成藍色的五水硫酸銅晶體（CuSO4·5H2O，又稱膽礬）。在化學教材中，經常用硫酸銅來演示晶體的結晶過程，但結晶出的形狀都是塊狀的晶體。能不能設計一個模型，讓硫酸銅按照模型的形狀結晶出來呢？這樣可以極大地提高學生實驗的興趣。為此，筆者對硫酸銅的結晶進行了探究實驗，成功地制得了各種形狀的硫酸銅晶體。

1 ?實驗原理

晶體的結晶有不同的方法，常用的有蒸發結晶法和降溫結晶法。蒸發結晶法的原理是將溶劑不斷蒸發移去，使溶液保持在過飽和狀態，從而使晶體不斷結晶出來，此方法用于溶解度隨溫度的變化不大的物質結晶，例如NaCl，我們現在也常用海水曬鹽法來制備食鹽。降溫結晶法常用于溶解度隨溫度的變化比較大的物質，溶液在高溫時達到飽和，隨著溫度的降低，溶液變成過飽和溶液，從而使晶體不斷結晶出來[1]。硫酸銅的溶解度曲線如圖1所示。

從硫酸銅的溶解度曲線可以看出，隨著溫度的升高，硫酸銅的溶解度變化比較大，故可以采用降溫結晶的方法來制備晶體。

結晶過程中，溶液的過飽和度是結晶的主動力[2]，如果過飽和度較大，結晶速度較快，結晶中心增多，晶體生長會細小，不利于長成完整的大晶體。將高溫下的飽和溶液放在熱水中自然冷卻，晶體析出的過程緩慢而均勻[3]。

2 ?實驗用品和試劑

實驗用品： 水浴加熱裝置、燒杯、玻璃棒、鐵架臺、石棉網、濾紙、溫度計、棉線、回形針、訂書釘

實驗試劑： 硫酸銅、蒸餾水

實驗裝置： 如圖2所示。

3 ?實驗過程

3.1 ?實驗一： 制備硫酸銅晶體

（1） 用燒杯量取200mL蒸餾水，加入一定量硫酸銅晶體粉末水浴加熱，并不斷攪拌，隨著溫度的上升，硫酸銅不斷溶解，制成80℃左右的熱飽和硫酸銅溶液。

（2） 將熱的飽和硫酸銅溶液在熱水浴裝置中自然冷卻，隨著溫度的降低，硫酸銅很快在燒杯的底部結晶出來，晶體鋪滿了整個燒杯的底部。

3.2 ?實驗二： 制備心形硫酸銅晶體模型

如果讓結晶出的硫酸銅晶體具有一定的形狀且非常漂亮，會大大提升學生對結晶實驗的興趣。筆者首先用一個回形針彎成一個心形模型，并將心形的回形針放入80℃熱的飽和硫酸銅溶液中，讓溶液在熱水浴的裝置中自然冷卻，慢慢結晶。過了12個小時，取出晶體，發現得到的晶體模型有比較多的缺陷，一是晶體結晶不均勻，基本看不出心形形狀;二是由于結晶的時間比較長，結晶出來的晶體比較多，基本將整個心形模型覆蓋了，實驗結果如圖3所示。

3.3 ?實驗三： 對比實驗，三種形狀不同的模型對結晶的影響

為了更好地探究模型的形狀對晶體結晶的影響，在相同的條件下，制作三種不同形狀的模型： 一是將回形針拉成一條線狀，二是直接使用回形針，三是用訂書釘彎成四方形（如圖4所示），同時放入80℃熱的飽和硫酸銅溶液中，定時觀察其變化。

三種不同形狀的模型放入熱的飽和硫酸銅溶液中5分鐘，取出，發現訂書釘制作的模型上面有明顯的銅析出，回形針材質的模型上析出的銅較少，這和兩者的材質有關。回形針的材質接近于不銹鋼，而訂書釘的材質更接近于生鐵，因此訂書釘發生的置換反應更快些。實驗現象如圖4所示。

在結晶的過程中，溶液溫度下降得比較慢，還未形成過飽和溶液，晶體結晶尚未出現，三種模型首先發生了置換反應，化學方程式如下：

將三種模型繼續放在熱的飽和硫酸銅溶液中，經過50min以及100min后取出，得到的結晶情況如圖5所示。

從上面三種不同模型結晶的對照實驗可以看出，隨著溫度的降低，硫酸銅開始結晶出來，但是晶體的結晶并不均勻。比較粗糙的表面或者棱角部分比較容易接受溶質，最先形成晶核，晶核一旦形成，就會立即開始長成晶體，且生長得比較快，而光滑的地方結晶很少，所以晶體結晶很不均勻。

3.4 ?實驗四： 重新制作心形硫酸銅晶體

為了制作比較完美的心形硫酸銅晶體，需要硫酸銅在心形模型的表面均勻地結晶出來，而且形成的硫酸銅晶體要均勻細小，于是筆者對心形硫酸銅的結晶實驗作了改進。

首先用兩根回形針制作一個較大的心形模型，并用棉線均勻纏繞心形模型，因為棉線上有大量細小的細纖維，使得整個心形回形針的粗糙程度一致，硫酸銅可以均勻地結晶在心形模型的周圍。將心形模型懸掛在200mL 80℃熱的飽和硫酸銅溶液中，讓其在熱水浴的裝置中自然冷卻，100min后取出心形模型，可以看到心形模型上面結出細小均勻的硫酸銅晶體，形成完美的心形晶體，實驗現象如圖6所示。

3.5 ?實驗五： 制備燕子形硫酸銅晶體

為了制作更漂亮的硫酸銅晶體，筆者用濾紙折了一個燕子形模型，將燕子形模型放置在200mL 80℃熱的飽和硫酸銅溶液中，在熱水浴裝置中自然冷卻，經過5個小時，其結晶出來的模型如圖7所示。

圖7 ?最初制備的燕子形晶體

從圖7中可以看出，硫酸銅并沒有均勻地結晶在燕子形模型的周圍，且結晶的時間比較長，生成的硫酸銅晶體都是大顆粒。如果燕子形模型的每一個地方粗糙程度一樣，晶核數目接近，硫酸銅就可以在燕子形模型上面均勻地結晶出來。如果用棉線將整個燕子形模型均勻包圍，硫酸銅晶體應該在燕子形模型上均勻地結晶出來。怎樣才能使棉線均勻地分布在燕子形模型上面呢？筆者用針將棉線均勻地縫在燕子形模型上，又因為濾紙會飄浮在硫酸銅溶液的表面，在其下部綁一塊硫酸銅的晶體，使其浸沒在200mL 80℃熱的飽和硫酸銅溶液中，自然冷卻100min，產生的大量的細小硫酸銅晶體均勻地附著在燕子形模型的周圍，這樣就成功地制得了燕子形硫酸銅晶體，實驗現象如圖8所示。

4 ?實驗結論

硫酸銅晶體在結晶的過程中，不僅受到溫度的影響，結出的晶體形狀還與晶核中心的多少及分布、結晶的時間長短有關。本文通過實驗，使用棉線纏繞的方法，改變晶核的多少與分布，使硫酸銅定向地結晶出美麗的心形晶體及燕子形晶體。該方法可用于制備其他模型晶體，為模型晶體的制備提供了一種可行性方法。

參考文獻：

[1]王玥. 探究常溫蒸發法與降溫結晶法的優勢與不足——硫酸銅晶體制備實驗報告[J]. 中學生數理化（學習研究版）， 2017， （4）： 77～79.

[2]王明華. 制備硫酸銅晶體的實驗探索[J]. 教學儀器與實驗， 2003， （8）： 26～28.

[3]朱華英. “晶體的制備”實驗分析[J]. 化學教學， 2002， （1）： 18～19.