由“紙樹開花”玩具拓展的趣味實驗

林芝 許應華

摘要： 從市售的“紙樹開花”玩具著手，分析其實驗原理和影響因素。據此，選擇生活中常見的溶質、晶形改變劑和紙張，設計了若干個相關的拓展趣味性實驗案例并獲得較好的效果。這些實驗取材容易、操作便捷、現象有趣，適合作為學生課外家庭小實驗。

關鍵詞： 紙樹開花; 晶形改變劑; 趣味實驗; 實驗設計

文章編號： 10056629（2022）09007504

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》強調創設真實的問題情境，貼近生活實際，運用化學實驗設計生活實踐類活動[1]。生活化趣味實驗是以學生熟悉的生活情境和素材為背景，突出化學與生活密切相關，體現化學在生活中的應用，是學校化學實驗教學的拓展和延伸。因此，全面開發生活化、趣味化小實驗對培養學生化學學習興趣，發展學生核心素養具有重要作用。

以市面售賣的“紙樹開花”玩具（見圖1）為研究對象，小小紙片加入“營養液”就會“開花”，吸引了很多學生買來娛樂，但為什么紙樹會“開花”？“營養液”的主要成分是什么？如何選擇紙片？一系列問題都值得學生深入思考。因此，可以作為學生探究性課外主題實驗。

筆者查閱相關資料，尋找生活中常見的實驗藥品和器材動手實踐，設計并自制了若干個“紙樹開花”生活化趣味小實驗，以期為學生拓展課外探究性實驗提供參考和借鑒。

2 “紙樹開花”玩具實驗設計原理

2.1 “紙樹開花”玩具實驗原理

經文獻查閱，“紙樹開花”實驗主要涉及“毛細現象”和“結晶現象”[2]。在一定溫度下，飽和溶液通過表面張力的作用，順著紙片孔隙快速蔓延，克服重力不斷浸濕紙樹。一段時間后，紙樹表面的溶劑蒸發，溶質從溶液中析出晶體。若紙片表面提前沾有不同顏色的著色劑，便出現五顏六色的“紙樹開花”現象。

2.2 影響因素

晶體的形狀大小與溶質內部結構和外部條件密切相關。從內部結構來說，晶體的生長規律主要服從布拉維法則，即通常情況下，實際晶體的晶面被結點密度最大的網面所包圍，由此可以推測同種晶體的晶形相同或相似[3]。多種市售“紙樹開花”玩具的包裝袋說明書表明，“營養液”的主要成分是磷酸鹽。將純磷酸二氫鉀飽和溶液與某品牌標注主要成分為磷酸二氫鉀的市售溶液，分別澆淋在同種紙樹上，對比發現，兩種溶液析出的晶體形狀稍有不同。磷酸二氫鉀飽和溶液的結晶似針狀（圖2左），市售溶液的結晶似團狀（圖2右），說明市售溶液含有某種可以改變特定晶形的雜質（稱為晶形改變劑[4]），使所得晶體具有另一種形狀。

在實際過程中，晶體生長過程還會受到結晶溫度、結晶時間、攪拌力度、溶液的pH、特定雜質（晶形改變劑）等各種外部條件的影響，使晶體最終偏離理想形態。相對而言，向溶液中引入晶形改變劑，更便于控制，因此常采用這種方法達到結晶目的。常見的晶形改變劑包括不溶/微溶性鹽的微晶、多價態陽離子、相關絡合物、表面活性劑、水溶性聚合物、生物活性大分子等物質[5]。另外，由于多孔介質表面生長出來的晶須形狀與介質厚度、孔隙尺寸等因素有關，紙張材質也會對晶體生長過程產生影響。如果紙張吸水性過快，紙片容易軟塌，尖端不易蒸發結晶;紙張吸水性過慢，溶液大多停留在紙片底端，很難向上蔓延至尖端。綜上，晶形改變劑和紙張的選擇是影響本實驗的重要因素。

3 改進實驗設計思路

由于結晶實驗的晶體生長速率慢，需要較長的觀察時間，并且純磷酸鹽等結晶用品不易購買，為此，有必要尋找一些生活常見材料對“紙樹開花”生活化趣味實驗進行探究[6]。想要基于生活化改進本實驗，使溶液成功結晶，找到合適的溶質、晶形改變劑和紙張是關鍵。（1）為了獲得穩定、均勻的結晶體，提高反應速率，可以選擇溶解度較高、生活中較常見的物質制成飽和溶液，比如食鹽、小蘇打、尿素等。（2）晶形改變劑種類繁多。生活中常見的表面活性劑有洗潔精、聚乙烯醇膠水等;含多價態陽離子的物質可以選擇亞鐵氰化物，例如普藍顏料，其主要成分是亞鐵氰化鐵;再如生活食鹽，常加入微量的亞鐵氰化鉀作為抗結劑，防止氯化鈉在潮濕空氣中粘連結塊。這些物質都能充當晶形改變劑，很好地修飾晶體形狀。（3）紙張建議使用具有一定厚度的濾紙，吸水性較強且疏松多孔，裁剪成樹尖形狀便于蒸發結晶。學生可以仿照以上設計思路，選擇合適的生活物品相互組合，生長出不同形態的結晶體。

4 “紙樹開花”改進實驗案例

4.1 案例一

實驗器材： 尿素、聚乙烯醇膠水（得力PVAL液體膠）、市售著色劑（綠色食用色素，主要配料： 檸檬黃、亮藍）、加厚濾紙、自來水、塑料盤、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

實驗操作：

（1） 將加厚濾紙裁剪、拼接成樹狀，固定在塑料盤上。

（2） 取適量的綠色食用色素溶于水，涂在紙樹表面晾干。

（3） 室溫20～25℃下，向玻璃杯中加入30g尿素顆粒和25mL自來水，不斷攪拌，配制成尿素飽和溶液。

（4） 待尿素完全溶解，向溶液加入5mL聚乙烯醇液體膠，攪拌均勻。

（5） 將混合溶液從紙樹的尖端倒入，自上而下淋濕整個濾紙。

（6） 室溫20～25℃下，將紙樹放在陰涼通風處，靜置6～12h，待溶液蒸發結晶，便可看到“紙樹開花”（見圖3）。注意結晶過程中不要隨意移動。

4.2 案例二

實驗器材： 尿素、立白洗潔精、市售著色劑（紅色食用色素，主要配料： 胭脂紅、檸檬黃）、加厚濾紙、自來水、塑料盤、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

實驗操作：

（1） 將加厚濾紙裁剪、拼接成樹狀，固定在塑料盤上。

（2） 取適量的紅色食用色素溶于水，涂在紙樹表面晾干。

（3） 室溫20～25℃下，向玻璃杯中加入30g尿素顆粒和25mL自來水，不斷攪拌，配制成尿素飽和溶液。

（4） 待尿素完全溶解，向溶液中加入5mL洗潔精，攪拌均勻。

（5） 將混合溶液從紙樹的尖端倒入，自上而下淋濕整個濾紙。

（6） 室溫20～25℃下，將紙樹放在陰涼通風處，靜置6～12h，待溶液蒸發結晶，便可看到“紙樹開花”（見圖4）。注意結晶過程中不要隨意移動。

4.3 案例三

實驗器材： 食鹽、小蘇打、馬利牌普藍顏料、市售著色劑（綠色食用色素，主要配料： 檸檬黃、亮藍）、加厚濾紙、自來水、塑料盤、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

實驗操作：

（1） 將加厚濾紙裁剪、拼接成樹狀，固定在塑料盤上。

（2） 取適量的綠色食用色素溶于水，涂在紙樹表面晾干。

（3） 室溫20～25℃下，向玻璃杯中加入10g食鹽，5g小蘇打，25mL自來水，不斷攪拌，配制成混合飽和溶液。

（4） 待食鹽和小蘇打完全溶解，向溶液加入適量普藍顏料，攪拌均勻。

（5） 將混合溶液從紙樹的尖端倒入，自上而下淋濕整個濾紙。

（6） 室溫20～25℃下，將紙樹放在陰涼通風處，靜置6～12h，待溶液蒸發結晶，便可看到“紙樹開花”（見圖5）。注意結晶過程中不要隨意移動。

5. 總結反思

課外探究性趣味實驗是培養學生科學探究能力的重要途徑之一，學生通過認識身邊的化學，參與有關化學問題解決的實踐活動，有利于學生認識科學本質，提高學科核心素養[7]。上述實驗都來源于生活，現象明顯、有趣，為中學化學教學開發生活化趣味實驗提供了素材。改進后的實驗有如下優點。

5.1 取材簡單

實驗成本較低，材料安全，食鹽、小蘇打、尿素、普藍顏料等都是生活中常見的物品，有的還可以多次重復使用。

5.2 操作便捷

實驗趣味性較強，易于操作，適用于不同年齡階段的學生。低年級學生可以自制不同的“紙樹開花”模型，培養實踐能力，形成化學觀念;高年級學生可以基于本實驗的原理和方法，創新思考，推導出更多可以替代的結晶方案，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。

5.3 可用于家庭小實驗

實驗需要配制一定濃度的飽和溶液，難度不高，學生可以根據實際情況在家獨立完成，開展家庭小實驗。也適合實驗室教學條件較差的地區。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 76.

[2]湯琪琳， 柳燕， 蔡希文， 蔡福新. 結晶樹系列[J]. 教學儀器與實驗， 2007， 23（7）： 43～44.

[3]李廣慧， 韓麗， 方奇. 晶體結構控制晶體形態的理論及應用[J]. 人工晶體學報， 2005， 34（3）： 546～549.

[4][5]張寶林， 侯翠紅. 二水硫酸鈣晶形改變劑對結晶影響的研究[J]. 化工礦物與加工， 2005， 34（8）： 19～24.

[6]郭濤， 王臣珠， 白玉. 基于化學實驗生活化的教具開發與應用[J]. 實驗教學與儀器， 2022， 39（1）： 59～61.

[7]李茂柯， 王諾， 伍曉春. 用于兒童化學啟蒙教育的生活化實驗案例研究[J]. 化學教學， 2018， （10）： 75～78.