真空條件下碳酸氫鈉結晶形態的實驗探究

尚昊 龔賢

摘要： 室溫下借助智能手機和光學顯微鏡，探究真空條件對碳酸氫鈉結晶形態的影響。對比實驗發現，真空條件有助于碳酸氫鈉形成細小晶體的團聚現象；而常壓條件下濃度較低溶液產生的晶體形態呈現樹枝狀，沒有明顯的團聚現象出現。設計不同條件對結晶形態影響的實驗，有助于學生了解結晶條件對晶體形態的影響。

關鍵詞： 碳酸氫鈉； 結晶形態； 真空條件； 實驗探究

文章編號： 10056629（2023）07007303

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出開展以化學實驗為主的多種探究活動，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變。在學習影響晶粒生成的條件時，學生初步了解到晶體顆粒的大小與結晶條件有關。例如，當溶劑的蒸發速度越快，析出的晶粒就越小，反之，則獲得較大的晶體顆粒。為了獲得理想的晶體形貌和大小，晶體顆粒的生長在生產中具有重要的作用。雖然晶粒的生成可能受到多種因素的影響［1， 2］，通過設置真空條件，調節溶液濃度，設計受結晶條件影響的結晶實驗。學生可以借助普通的光學顯微鏡，直觀地看到不同條件下晶體的生成情況。經過實際的結晶實驗的體驗和觀察，學生能夠更好地體會到結晶條件對晶粒生成的影響。

1 實驗原理

晶體生長過程涉及體系中物質的相變，而溶液的過飽和度是晶體結晶過程的重要驅動力［3， 4］

。一定溫度、壓力下，當溶液中溶質的濃度已超過該溫度、壓力下溶質的溶解度，而溶質仍不析出的現象叫做過飽和現象。過飽和度描述的就是溶液的過飽和狀態。溫度降低、溶質增多或者溶劑減少，都可能使溶液變為過飽和狀態。溶液出現過飽和狀態的原因，則是由于溶液中沒有及時出現晶核，無法形成一個結晶中心，而晶體的生長過程需要這個結晶中心才能使原本做無規則運動的溶質分子、離子以晶核為中心集合起來，并按照晶體特有的次序排列出具有規則的形貌。物質種類、性質的差異，都影響晶體從溶液中析出的速度及實現這種規則排列的難易度。晶體的生長從成核開始，溶液中出現晶核后，溶質分子和離子等會聚集排列在晶核表面，進一步導致晶體的生長。晶體的成核速率和生長速率的差異會直接影響最終的晶體形態。如果晶體的成核速率大于晶體的生長速率，會產生較多的細小晶體，最終可能出現晶體顆粒的團聚，反之，則可能產生尺寸較大的晶體。真空條件下的結晶，由于可能加速溶液過飽和狀態的形成，進而影響晶體的成核速率，最終對晶體形態產生影響。

2 實驗部分

2.1 實驗準備

光學顯微鏡、載玻片、一次性滴管、抽氣泵、抽真空容器、壓力表、手機；碳酸氫鈉溶液（質量分數分別為1%、0.5%和0.1%）

2.2 實驗過程

2.2.1 常壓條件下的晶體生成及觀察實驗

（1） 顯微鏡選擇10倍目鏡、4倍物鏡，在40倍狀態下對光準備觀察。

（2） 將載玻片放置于顯微鏡載物臺。

（3） 用一次性滴管取不同濃度的碳酸氫鈉溶液，將一滴溶液滴在載玻片上。

（4） 移動載玻片至顯微鏡視野中央，1小時后觀察樣品結晶形態。

（5） 調節顯微鏡物鏡，分別在40倍、100倍和400倍狀態下觀察樣品，使用手機通過目鏡拍攝樣品照片。

2.2.2 近真空狀態下的晶體生成及觀察實驗

（1） 顯微鏡選擇10倍目鏡、4倍物鏡，在40倍狀態下對光準備觀察。

（2） 用一次性滴管取不同濃度的碳酸氫鈉溶液，將一滴溶液滴在載玻片上。

（3） 將載玻片置于抽真空容器中，容器中放置壓力表觀察壓力變化。

（4） 確保真空容器密閉后，使用抽氣泵對容器抽氣至相對壓強達到-0.05MPa。

（5） 1小時后取出載玻片，置于載物臺，并移動載玻片至顯微鏡視野中央。

（6） 調節顯微鏡物鏡，分別在40倍、100倍和400倍狀態下觀察樣品，使用手機通過目鏡拍攝樣品照片。

3 結果與討論

借助光學顯微鏡400倍放大觀察，圖1中A圖和C圖展示的是質量分數為0.5%的碳酸氫鈉溶液分別在常壓條件和真空條件下的結晶形態，B圖和D圖展示的是質量分數為0.1%的碳酸氫鈉溶液分別在常壓條件和真空條件下的結晶形態。可以看出，在同等放大倍數的前提下，常壓條件中的結晶形態類似樹枝狀，而真空條件則出現了明顯的晶粒團聚現象。過飽和度作為晶體生長的驅動力，驅動力越大，晶體成核以及生長的速率便會越大。真空條件下，溶劑更容易發生相變成為氣體，導致真空時，溶液能夠更快地達到過飽和狀態。當晶體的成核速率大于晶體的生長速率時，便會產生很多細小晶體顆粒。隨著細小顆粒的迅速增多，便可能出現晶體團聚的現象。在觀察到團聚現象時，可以引導學生思考討論產生現象的原因，通過對比常壓條件和真空條件下結晶形態的不同，加深結晶條件影響晶體生成的認識。

較低倍數觀察能夠更好地說明實驗現象的產生并不是局部的。圖2是100倍放大觀察的晶體形態圖像。A圖和C圖展示的是質量分數為0.5%的碳酸氫鈉溶液分別在常壓和真空條件下的結晶形態，B圖和D圖展示的是質量分數為0.1%的碳酸氫鈉溶液分別在常壓和真空條件下的結晶形態。在更廣的視野下，同樣可以看出，真空環境使晶體的生成形態趨向于晶粒團聚狀態，說明氣壓降低能夠使溶液更快地達到過飽和狀態，從而產生更細小的晶體形成晶體團聚。

在對比觀察中發現，溶液濃度對晶體生成形態也有顯著影響。圖3是400倍放大觀察的晶體形態圖像。可以直觀看出，當濃度提高到1%，在常壓中晶體顆粒便出現明顯的團聚現象，原因是隨著濃度提高，在溶劑轉變為氣相時，相比于低濃度溶液，可以更快地達到過飽和狀態，從而更快地形成晶核。晶核的產生速率大于晶體的成長速率時，便會產生細小晶體，形成聚集狀態。相反，較低濃度狀態下，可以清楚地看出形成的樹枝狀晶體形態。

綜上，真空環境和濃度均可以影響晶體的生長形態。在真空和相對較高濃度情況下，溶液均會更快達到過飽和狀態，最終形成細小的晶體團聚。工業生產中，控制晶體生長是一個必要的操作過程，通過控制晶體生長過程，可以在一定程度上改變晶體的外觀形貌以及顆粒大小等。雖然晶體生長受到多種因素影響，但通過設計簡易可行的實驗，培養學生學習結晶條件對晶體生成影響的意識，對于學生思維的發展十分重要。

4 結語

教學實施過程中，教師可以設置一些問題來評估學生的學習情況。比如，溶液為什么會結晶？晶體顆粒聚集的可能原因是什么？什么情況下會產生細小的晶體？還有什么條件可能影響晶體的結晶形態？

通過為高中學生創建的這一在真空條件下的結晶實驗學習項目，使學生從一個全新的角度來認識晶體生長，有助于更好地理解結晶條件對晶體生成的影響。真空條件下，溶液能更快達到過飽和狀態，產生更強的成核驅動力，成核速率大于晶體生長速率，進而生成更多細小晶體，出現晶體顆粒團聚現象。而在常壓下較低濃度溶液結晶沒有明顯的團聚現象，晶體形態呈現樹枝狀。引導學生思考這一全新現象背后的原因，可以有效培養學生發現問題、解決問題的能力。奇妙實驗現象的展示也能增強學生進一步學習的興趣。

參考文獻：

［1］盧宗右. 硫酸銅結晶的趣味實驗設計［J］. 化學教學， 2019， （5）： 73～75.

［2］李昊東， 常小麗. 銅鹽沉淀中2CuCO3·Cu（OH）2晶體生長過程初探［J］. 化學教學， 2017， （12）： 61～65.

［3］胡綺妙. 晶體的生長——一節活動拓展課的設計與分析［J］. 化學教學， 2008，（1）： 40～42.

［4］唐愛利. 晶體生長行為的實驗研究［D］. 廣州：? 華南理工大學碩士學位論文， 2014.