顯微觀實驗的設計及其在“溶液”單元教學中的應用

龔英 盛躍 陳漢菊 陳繼平

摘要： 利用顯微熔點測定儀和自制的樣品池，將傳統的化學實驗微量化，并借助生物顯微鏡觀察、拍攝細微的實驗現象。在生活常識的基礎上，將顯微觀實驗現象與課堂教學相結合，從宏觀和微觀兩個維度，更直觀地幫助學生正確理解“溶解過程”“溶液組成”和“飽和溶液的要點”等概念，從而實現美育與專業教育的融合以及“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養的提升。

關鍵詞： 顯微觀實驗設計; 顯微熔點測定儀; 溶液

文章編號： 1005-6629（2021）03-0063-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

1.1? 教材內容簡介

溶液是九年級《化學》（下冊）的內容，是中考的熱點和重點，也是學習酸堿鹽溶液的過渡性鋪墊知識。《義務教育化學課程標準（2011年版）》明確提到了“溶液”，學習目標包括認識溶解現象、知道溶液的組成、了解飽和溶液等。

在人教版教材中，借助“實驗9-1蔗糖在水中的溶解”“實驗9-5氯化鈉在水中的溶解”和“實驗9-6硝酸鉀在水中的溶解”這三個課堂演示實驗，旨在通過宏觀辨識的現象將抽象的化學概念形象化，幫助學生理解溶液的形成過程和溶液的組成等概念。對于這三個溶解實驗，學生有來源于生活經驗的認識，能通過肉眼觀察到在攪拌的動態條件下固體顆粒總量不斷減少的現象，但是并不清楚在固體顆粒消失的過程中，表面發生了哪些細微的變化，也不清楚在靜置的靜態條件下，固體顆粒是否也能溶解消失。僅僅在宏觀上認識溶解過程，往往會導致學生不能從微觀的角度科學正確地描述溶液，例如溶于水后，溶質是否還存在？將以何種形式（離子或分子）存在？是否形成了新的物質？

1.2? “顯微觀實驗與顯微觀實驗現象”術語的提出

可視化實驗是近年來中學化學教學改革的一個熱點。高清攝像機、手機、工業數碼顯微鏡、生物顯微鏡都是可視化實驗中重要的觀察手段。利用顯微鏡可將微小物體放大成為肉眼可見尺寸的工作原理，一些細微的化學實驗現象得以觀察和記錄，例如，2CuCO3·Cu（OH）2晶體的不同形狀[1]、從溶液中析出的硫酸鋁鉀晶體的表面紋理[2]、微量化液滴實驗中沉淀的形貌[3]、“金屬樹”樹枝晶的細節結構[4]等。

在顯微鏡輔助下開展的微量化學實驗不僅具有化學試劑用量少的綠色環保特點，還能揭示細節變化，從而讓學生真實感受到化學反應的神奇和美麗。與常量實驗相比，由于試劑用量大幅度降低，這類在顯微鏡下觀察的微量化學實驗通常需要根據實驗目的選用或設計新的實驗設備、實驗容器，并調整實驗操作和實驗條件。因此，為對這類實驗進行區分以及統一命名，我們建議將利用顯微鏡作為觀察手段，用于揭示細微變化和現象而設計的微量化學實驗（含實驗儀器、實驗操作等）稱作“顯微觀實驗”。與此同時，將利用顯微鏡觀察到的肉眼不易見的實驗現象稱作“顯微觀實驗現象”。

1.3? 本研究的提出及目的

為實現“實驗改進回歸教學原點”[5]，提升宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養[6]，依據“實驗9-1蔗糖在水中的溶解”“實驗9-5氯化鈉在水中的溶解”和“實驗9-6硝酸鉀在水中的溶解”這三個實驗目的，本研究首先設計適合在恒溫加熱臺上操作、在顯微鏡下觀察的圓形石英樣品池（詳見2.2節），然后通過微量試劑再現“實驗9-1”“實驗9-5”和“實驗9-6”，并在顯微鏡輔助下觀察和記錄“不同條件下不同物質溶解過程”中一些顯微觀實驗現象。本研究目的在于通過這些顯微觀實驗現象，更直觀地幫助和促進學生從微觀的角度科學正確地描述溶液及其組成。

2? 顯微觀實驗的設計

2.1? 實驗材料

蔗糖（分析純）、氯化鈉（分析純）、硝酸鉀（分析純）、蒸餾水

2.2? 實驗設備和容器

顯微成像系統為一臺商用的顯微熔點測定儀（圖1），

包含SPL-50生物顯微鏡、CCD攝像頭（200萬像素）和WT-3000-12S精密恒溫加熱臺。其中，生物顯微鏡用于觀察細微變化，CCD攝像頭用于拍攝記錄細微現象，恒溫加熱臺用于實驗過程中加熱和保溫處理。

容積約為176μL的石英樣品池是定制的實驗容器，設計加工方法如下： 在一塊直徑為25mm、高度為3mm的石英中心開圓形槽孔（直徑為15mm，深度為1mm），然后對槽孔表面進行拋光處理。實驗過程中，在樣品池表面牢固覆蓋一張蓋玻片，尺寸為25mm×25mm，用于密封樣品池的開孔表面，避免加熱過程及長時間觀察過程中水分的揮發損失。實驗過程中，利用大龍移液器（規格為20～200μL）添加液體。

2.3? 實驗步驟

2.3.1? 蔗糖顆粒溶解過程展示

用移液器向樣品池中加入100μL預先按照180g蔗糖/100g水配制的蔗糖溶液，然后用細鐵絲加入大小不同、形狀不同的4粒蔗糖顆粒，蓋上蓋玻片。將樣品池直接放在顯微鏡的載物臺上觀察，利用CCD攝像頭，每隔5分鐘拍攝一張圖片，直至蔗糖顆粒完全消失。

2.3.2? 飽和溶液與不飽和溶液的轉化

（1） 溶劑量的影響

用移液器向樣品池中加入50μL預先配制的氯化鈉飽和溶液，然后用細鐵絲加入3粒氯化鈉顆粒，接著加入50μL蒸餾水，蓋上蓋玻片。將樣品池直接放在顯微鏡的載物臺上觀察，利用CCD攝像頭，每隔5分鐘拍攝一張圖片，直至氯化鈉顆粒完全消失。

（2） 溫度的影響

升溫階段： 用移液器向樣品池中加入100μL預先配制的硝酸鉀飽和溶液，然后用細鐵絲加入1粒硝酸鉀顆粒，蓋上蓋玻片。將樣品池放在加熱臺上后，將加熱臺直接放在顯微鏡的載物臺上觀察。啟動加熱程序，升溫速率為10℃/min，目標溫度為80℃。在此加熱過程中，利用CCD攝像頭，每隔1分鐘拍攝一張硝酸鉀顆粒的圖片。當溫度恒定在80℃后，每隔5分鐘拍攝一張圖片，直至硝酸鉀顆粒完全消失。

降溫階段： 將樣品池從加熱臺上取下，直接放在顯微鏡的載物臺上觀察。在自然冷卻過程中，每隔5分鐘拍攝一張圖片，直至析出的硝酸鉀顆粒的尺寸無明顯變化。

3? 顯微觀實驗現象的應用

3.1? 初步微觀探析溶解過程和溶液組成

在“蔗糖溶解”的顯微觀實驗中，在靜置的靜態條件下，四粒蔗糖顆粒完全消失耗費了大約7小時，一些細節變化過程如圖2所示。在溶解過程中，無論是呈立方體形態的蔗糖顆粒，還是呈不規則形態的蔗糖顆粒，它們的形狀均未發生明顯改變，僅僅是顆粒尺寸不斷縮小，并且類似于一層層地剝洋蔥。總體而言，四粒蔗糖顆粒消失的快慢與其尺寸大小密切相關，尺寸越小，消失得越快。此外，長寬比更大（即細長型）的顆粒溶解更快，且顆粒表面突兀的部分也更容易溶解。蔗糖表面的這些細節變化是在常量實驗中肉眼不容易觀察到的。顯然，利用顯微鏡揭示的這些溶解現象更直觀、形象地呈現教材所述的“溶解過程中蔗糖表面的分子在水分子的作用下，逐步向水中擴散，最終形成均一的混合物”這個事實性知識，從而幫助學生從微觀的角度正確理解“溶液是由何種溶質和何種溶劑組成的”，進一步合理分析“溶于水后，溶質將以何種形式（離子或分子）存在”，最終自然建構溶液的概念[7]。

3.2? 初步微觀探析飽和溶液的要點

在飽和氯化鈉溶液中加入蒸餾水后，氯化鈉顆粒能繼續溶解。記錄的顯微觀實驗現象如圖3所示。總體而言，氯化鈉顆粒尺寸越小，溶解消失的速度越快。對于呈立方體形態的兩粒氯化鈉顆粒，立方體的棱角部位溶解得更快，這使得氯化鈉顆粒的形狀逐漸變圓。這一現象與礦物質溶解的“平臺-臺階-扭結”（terracestepkink， TSK）模型是一致的[8]。這一現象并未在“蔗糖溶于水”的顯微觀實驗中觀察到，說明不同類型物質的溶解過程存在差異。

如圖3所示，在溶解過程中（180～220min期間），兩粒氯化鈉顆粒最接近的部位并未因為溶解消失而發生明顯分離。對此現象進行分析，可能的原因是在靜置實驗條件下，從兩粒固體顆粒最接近的部位表面脫落下來的氯化鈉分子來不及與水分子作用擴散離開。一方面，這阻止了固體表面上更多氯化鈉分子與水分子發生相互作用而繼續溶解進入水中;另一方面，在這個具有較高氯化鈉濃度的局部區域（可能存在局部飽和的情況），這些前期已經進入水中的氯化鈉分子又重新析出結合在固體表面。由此推測，溶液中溶質的溶解和析出存在一種動態平衡。顯然，圖3揭示的顯微觀實驗現象不容易在常量的攪拌溶解實驗中通過肉眼觀察到。隨著溶解的持續進行，進入水中的氯化鈉不斷向周圍擴散，大約9小時后，氯化鈉固體顆粒最終也能完全溶解。

在飽和硝酸鉀溶液中，通過升溫或降溫處理，硝酸鉀固體顆粒能繼續溶解或析出。記錄的顯微觀實驗現象分別如圖4和圖5所示。如圖4所示，在升溫過程中，硝酸鉀顆粒的整體形狀沒有發生明顯改變，僅僅是尺寸不斷縮小。這個溶解過程與蔗糖顆粒非常相似，但與氯化鈉顆粒顯著不同。這進一步說明不同類型物質的溶解過程存在差異，不同物質與水分子的相互作用也是不同的。

如圖5所示，在降溫過程中，硝酸鉀晶體在多個位點析出，且尺寸不斷變大。對比圖4和圖5發現，溶解的硝酸鉀顆粒形狀并不規則，但是析出的硝酸鉀顆粒形狀比較規則，且類似于純硝酸鉀的透明棱柱狀晶體形態。這些顯微觀實驗現象能從微觀的角度說明溶解后溶質仍然存在于溶液中，可能以水合離子或分子形式

存在;這些溶質能夠在靜置狀態下自行擴散，并在適當的條件下以更純物質的形式析出（即結晶）。

3.3? 實驗意義

在本研究設計的顯微觀實驗中，以可密閉的微量石英樣品池作為實驗容器、恒溫加熱臺作為加熱手段、生物顯微鏡作為可將細微變化放大呈現的有效觀察手段，從微量化學實驗的角度較好地再現了“溶液”單元中“實驗9-1、實驗9-5、實驗9-6”。眾所周知，常量溶解實驗通常是在攪拌的動態條件下進行的。本研究中幾個顯微觀實驗均是在靜置的靜態條件下進行的，因此，這些實驗現象能夠補充學生對溶液形成過程、溶解影響因素的認識。

在顯微觀實驗中，利用顯微鏡，不僅可觀察到“溶解過程”“飽和溶液與不飽和溶液轉化過程”中固體顆粒溶解消失或析出的宏觀變化，而且能直觀地對比不同物質溶解過程中固體表面的細節變化的差異，還可細致地觀察到從溶液中析出的硝酸鉀晶體的表面形貌，從側面說明了溶解與析出之間存在著動態平衡。顯然，靜置的靜態條件下的溶解過程與攪拌的動態條件下的溶解過程存在一些不同，并且這些顯微觀實驗現象在常量實驗中并不容易通過肉眼觀察到，但它們卻能較好地幫助和促進學生從微觀的角度去理解“溶解過程的影響因素”“溶液中物質的存在形式與擴散情況”，啟發學生思考“溶液的本質”“飽和溶液的要點”。針對學有余力的學生，還可結合溶質的結構特點，引導學生深入討論“溶解過程中固體溶質表面成分與溶劑成分之間可能存在哪些相互作用”，從而辨識“溶解既包含物理分散過程，又包含化學電離過程”，為后續酸堿鹽溶液性質的學習奠定基礎。

4? 結語

化學是一門以實驗為基礎的學科，初中是化學的啟蒙階段。對源于生活實例且可居家完成的常量化學實驗，可安排學生在課前自行完成，在課內，教師可展示“利用顯微鏡從微觀角度持續拍攝的實驗現象和實驗過程”。一方面，這種教學方式能夠大量節省課堂演示實驗時間，給學生留下更多時間進行思考，實現“以學生為中心”的教學理念;另一方面，利用課外、課內的宏觀和微觀這兩個維度的事實性知識，促使學生對實驗過程觀察得更為細致，幫助學生自主建構相關的概念性知識。顯微觀實驗和常量實驗裝置不同，實驗效果和實驗感染力也不同，這給實驗者留下了創造的空間。通過合理優化實驗方案，有望觀察到兼具科學價值和審美價值的顯微觀實驗現象，將美育融進專業教育。

參考文獻：

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[8]Lumetta G.J.， Arcia E.. Investigating dissolution and precipitation phenomena with a smartphone microscope [J]. Journal of Chemical Education， 2016， 93（10）： 1754～1759.