光照法輔助觀察化合物結晶過程

張尊聽 薩如拉 董麗英 賀云

摘要將激光器應用于固體化合物在溶液中的結晶性質實驗，可使激光束穿過飽和溶液觀察硝酸鉀結晶過程中溶液內部的變化過程。該拓展性實驗有助于學生加深理解和認識化合物的結晶現象和過飽和溶液等概念，有助于培養學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

關鍵詞拓展性實驗；光照法；硝酸鉀結晶過程；實驗探究

2019年11月，教育部頒布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中提出“不斷將科技前沿知識和最新技術成果融入實驗教學，組織開展好基礎性實驗和拓展性實驗，開發探究性實驗、創新性實驗、綜合性實驗等，加強多學科融合教育^[1]。” 拓展性實驗是在中小學科學類基礎實驗的基礎上，根據學生認知結構特征和學科實驗特點，整合實驗資源，結合學生生活實際和身心發展現狀，對教學規定實驗內容予以拓展而形成的新實驗。拓展性實驗具有綜合性、探究性、創造性等特點，是培養學生對科學實驗的興趣、提升學生的實踐能力和創造性思維能力的重要途徑。

2011年版和2022年新版《義務教育化學課程標準》都要求學生了解結晶現象，能根據不同物質的溶解度隨溫度變化的特點，選擇合適的結晶方法對物質進行分離和提純，能舉例說明結晶現象^?[2，3]。初中化學教材中的結晶實驗大多是觀察無機鹽的結晶，如硝酸鉀、氯化鉀、明礬等，實驗注重的是結晶的結果，即眼睛能夠看到有晶體析出為止，如人教版初中化學九年級下冊第9單元課題2《溶解度》實驗9-6中將熱的硝酸鉀飽和溶液冷卻后，硝酸鉀晶體從溶液中析出^[4]。教材中的實驗呈現了宏觀上晶體從無到有的過程，沒有涉及結晶時溶液內部發生的微觀動態變化。為了讓學生深刻理解和認識物質結晶的過程，了解降溫結晶的原理和方法，本文利用光學技術開發了觀察硝酸鉀結晶過程的拓展性教學實驗，旨在培養學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。

1 實驗目標

（1）通過實驗，進一步認識結晶現象，了解常用結晶方法——降溫結晶的原理。

（2）通過觀察、實驗、討論交流等，掌握降溫結晶的基本實驗操作技能，培養學生觀察能力、探究能力及合作交流的能力。

（3）通過觀察激光光束穿過溶液形成的光學圖像的動態變化，體會科學探究的樂趣，提升學生化學學科核心素養，培養科學思維方法。

2 實驗原理

當光線從一種介質射入另一種介質（折射率：n₁＜n₂）時，光線會發生折射現象，如圖1所示。

如果光線在傳播過程中連續通過多層折射率不相同的介質時，光線的傳播方向會發生連續偏折。光線在通過折射率逐漸增大或逐漸減小的介質時會發生彎曲傳播。如果介質層次夠多而且足夠薄的話，則可以將其看作連續的非均勻介質，因此可推知光在非均勻介質中的傳播路徑為曲線^[5]。

依據光在非均勻介質中彎曲傳播的特性，通過觀察光束透過溶液形成光斑的動態變化，實時了解硝酸鉀降溫結晶的微觀過程，實現結晶過程微觀變化的可視化，也可以判斷結晶完成的終點。

3 實驗儀器和藥品

10 mW 532 nm激光發射器、50 mL量筒、方形玻璃杯（6×6×9 cm）、玻璃棒、藥匙、托盤天平、鐵架臺、升降臺、托盤（12×12×3 cm）、手套、電熱套、秒表、白色幕布；硝酸鉀、蒸餾水、冰塊。

4 實驗裝置

實驗裝置見圖2，打開激光器開關后使激光束投射在白色幕布的中心位置；將方形玻璃杯放置在升降臺上，調節玻璃杯和升降臺使激光束穿過玻璃杯中溶液的中部為宜。

5?實驗操作

5.1?固體溶質的選擇

考慮到硝酸鉀的溶解度大小隨溫度升降變化比較明顯，故本實驗采用硝酸鉀做溶質。

5.2?對照實驗

取兩個圖2所示的方形玻璃杯，分別加入100 mL蒸餾水和室溫下硝酸鉀飽和溶液，打開激光器開關，觀察到白色幕布上的光斑均不隨時間變化而變化，見圖3。在水和硝酸鉀飽和溶液中，它們各自的組成始終是均一的即不存在濃度梯度的變化，光線通過均勻介質時沿直線傳播，因此投射到屏幕上的光斑未發生波動。

5.3?硝酸鉀降溫結晶實驗

5.3.1?制備硝酸鉀過飽和溶液

用量筒量取100 mL蒸餾水倒入方形玻璃杯中，然后用天平準確稱量36.0 g硝酸鉀固體，將硝酸鉀固體倒入杯中，在電熱套上加熱溶解，待到硝酸鉀全部溶解后，停止加熱。

5.3.2?冷卻結晶，觀察光斑變化

在托盤中提前放好冰水，把托盤放置在升降臺上將方形玻璃杯放置在托盤中，然后打開激光器調整升降臺高度，使激光束穿過杯中的溶液在白色幕布上投射出圓形光斑，如圖3所示。觀察光斑隨時間的變化之現象，當光斑中出現明暗相間的類網狀條紋時，開始計時；光斑恢復到穩定狀態時，終止計時。激光束穿過硝酸鉀過飽和溶液在5 min、15 min、30 min和35 min形成光斑的圖像見圖4。

在硝酸鉀飽和溶液結晶的起始階段，溶液內部濃度梯度最大，整個溶液呈現出不均一性最高，此時光斑波動最大。隨著硝酸鉀的不斷析出，溶液中的濃度差逐漸變小，光斑波動幅度也逐漸減弱，直至光斑恢復穩定，即表明該溫度下硝酸鉀結晶完成。

當激光束通過硝酸鉀濃度不均一的溶液（即非均勻介質）時，光線會發生彎曲傳播，因此激光透過溶液在幕布上形成了明暗相間、類網狀的動態光學圖像，如圖4中A為5 min時光斑的圖像。隨著冷卻時間的延長，硝酸鉀晶體不斷從溶液中析出，溶液內部濃度梯度逐漸變小，不均一性也變小，光線傳播的彎曲程度也減小，直至溶液內部濃度均一，光斑逐漸恢復穩定，不再有明暗相間的類網狀條紋出現，光斑變化如圖4所示。

6 實驗小結

根據光在非均勻介質中彎曲傳播的特性，借助激光技術，實現了固體物質降溫結晶過程的微觀變化的可視化。首先，配制常溫下的硝酸鉀過飽和溶液，然后利用冰水混合物進行降溫結晶，通過觀察激光束透過溶液投射到屏幕上光斑隨時間的變化，判斷硝酸鉀結晶過程的完成。該實驗用于九年級化學實驗教學具有下列優點：

（1）傳統實驗往往通過觀察無機鹽類過飽和溶液在溫度降低時的變化，即在燒杯的底部看到晶體從無到有的析出，來認識結晶現象，如明礬結晶、硝酸鉀結晶等。該實驗借助光學技術，把固體化合物在結晶過程中因內部濃度梯度的變化而產生的“光斑波動較大——逐漸減弱——恢復穩定”的動態變化過程清晰呈現出來，使學生能夠從宏觀和微觀相結合的視角認識和分析物質在結晶過程中溶液濃度的變化，提升“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養。同時該實驗通過光斑穩定即結晶溶液內部濃度再無變化確定結晶的終止，對固體化合物利用結晶性質純化的工業生產也具有重要意義。

（2）該實驗利用光線在均勻介質中直線傳播和在非均勻介質中彎曲傳播的特性，實現了化合物結晶過程的實時觀察，將光學技術和固體化合物在溶液中的結晶性質相結合使學生在學習結晶現象的同時又能了解相關的光學知識和技術，具有很好的學科綜合性。

（3）該實驗裝置簡單、操作方便、現象明顯，同時又具有安全性高、實驗成本低、耗時短等優點，適合作為九年級化學教學內容“結晶現象”的拓展性實驗。

參考文獻：

[1]教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見[J].中華人民共和國教育部公報，2019（12）：19-21.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2012.

[3]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

[4]王晶，鄭長龍主編.義務教育教科書化學·九年級下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012.

[5]劉志存，唐琪.高中物理拓展性實驗[M].西安：陜西師范大學出版總社有限公司，2021：?38-39.