真空條件下碳酸氫鈉結(jié)晶形態(tài)的實(shí)驗(yàn)探究

尚昊 龔賢

摘要： 室溫下借助智能手機(jī)和光學(xué)顯微鏡，探究真空條件對碳酸氫鈉結(jié)晶形態(tài)的影響。對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，真空條件有助于碳酸氫鈉形成細(xì)小晶體的團(tuán)聚現(xiàn)象；而常壓條件下濃度較低溶液產(chǎn)生的晶體形態(tài)呈現(xiàn)樹枝狀，沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)。設(shè)計(jì)不同條件對結(jié)晶形態(tài)影響的實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生了解結(jié)晶條件對晶體形態(tài)的影響。

關(guān)鍵詞： 碳酸氫鈉； 結(jié)晶形態(tài)； 真空條件； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2023）07007303

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。在學(xué)習(xí)影響晶粒生成的條件時(shí)，學(xué)生初步了解到晶體顆粒的大小與結(jié)晶條件有關(guān)。例如，當(dāng)溶劑的蒸發(fā)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(chǎn)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(shè)置真空條件，調(diào)節(jié)溶液濃度，設(shè)計(jì)受結(jié)晶條件影響的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以借助普通的光學(xué)顯微鏡，直觀地看到不同條件下晶體的生成情況。經(jīng)過實(shí)際的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)和觀察，學(xué)生能夠更好地體會到結(jié)晶條件對晶粒生成的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

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

。一定溫度、壓力下，當(dāng)溶液中溶質(zhì)的濃度已超過該溫度、壓力下溶質(zhì)的溶解度，而溶質(zhì)仍不析出的現(xiàn)象叫做過飽和現(xiàn)象。過飽和度描述的就是溶液的過飽和狀態(tài)。溫度降低、溶質(zhì)增多或者溶劑減少，都可能使溶液變?yōu)檫^飽和狀態(tài)。溶液出現(xiàn)過飽和狀態(tài)的原因，則是由于溶液中沒有及時(shí)出現(xiàn)晶核，無法形成一個(gè)結(jié)晶中心，而晶體的生長過程需要這個(gè)結(jié)晶中心才能使原本做無規(guī)則運(yùn)動的溶質(zhì)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(guī)則的形貌。物質(zhì)種類、性質(zhì)的差異，都影響晶體從溶液中析出的速度及實(shí)現(xiàn)這種規(guī)則排列的難易度。晶體的生長從成核開始，溶液中出現(xiàn)晶核后，溶質(zhì)分子和離子等會聚集排列在晶核表面，進(jìn)一步導(dǎo)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(tài)。如果晶體的成核速率大于晶體的生長速率，會產(chǎn)生較多的細(xì)小晶體，最終可能出現(xiàn)晶體顆粒的團(tuán)聚，反之，則可能產(chǎn)生尺寸較大的晶體。真空條件下的結(jié)晶，由于可能加速溶液過飽和狀態(tài)的形成，進(jìn)而影響晶體的成核速率，最終對晶體形態(tài)產(chǎn)生影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

光學(xué)顯微鏡、載玻片、一次性滴管、抽氣泵、抽真空容器、壓力表、手機(jī)；碳酸氫鈉溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、0.5%和0.1%）

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 常壓條件下的晶體生成及觀察實(shí)驗(yàn)

（1） 顯微鏡選擇10倍目鏡、4倍物鏡，在40倍狀態(tài)下對光準(zhǔn)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(shí)后觀察樣品結(jié)晶形態(tài)。

（5） 調(diào)節(jié)顯微鏡物鏡，分別在40倍、100倍和400倍狀態(tài)下觀察樣品，使用手機(jī)通過目鏡拍攝樣品照片。

2.2.2 近真空狀態(tài)下的晶體生成及觀察實(shí)驗(yàn)

（1） 顯微鏡選擇10倍目鏡、4倍物鏡，在40倍狀態(tài)下對光準(zhǔn)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(qiáng)達(dá)到-0.05MPa。

（5） 1小時(shí)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(diào)節(jié)顯微鏡物鏡，分別在40倍、100倍和400倍狀態(tài)下觀察樣品，使用手機(jī)通過目鏡拍攝樣品照片。

3 結(jié)果與討論

借助光學(xué)顯微鏡400倍放大觀察，圖1中A圖和C圖展示的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)晶形態(tài)，B圖和D圖展示的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)晶形態(tài)?？梢钥闯觯谕确糯蟊稊?shù)的前提下，常壓條件中的結(jié)晶形態(tài)類似樹枝狀，而真空條件則出現(xiàn)了明顯的晶粒團(tuán)聚現(xiàn)象。過飽和度作為晶體生長的驅(qū)動力，驅(qū)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(fā)生相變成為氣體，導(dǎo)致真空時(shí)，溶液能夠更快地達(dá)到過飽和狀態(tài)。當(dāng)晶體的成核速率大于晶體的生長速率時(shí)，便會產(chǎn)生很多細(xì)小晶體顆粒。隨著細(xì)小顆粒的迅速增多，便可能出現(xiàn)晶體團(tuán)聚的現(xiàn)象。在觀察到團(tuán)聚現(xiàn)象時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生思考討論產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，通過對比常壓條件和真空條件下結(jié)晶形態(tài)的不同，加深結(jié)晶條件影響晶體生成的認(rèn)識。

較低倍數(shù)觀察能夠更好地說明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生并不是局部的。圖2是100倍放大觀察的晶體形態(tài)圖像。A圖和C圖展示的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的碳酸氫鈉溶液分別在常壓和真空條件下的結(jié)晶形態(tài)，B圖和D圖展示的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的碳酸氫鈉溶液分別在常壓和真空條件下的結(jié)晶形態(tài)。在更廣的視野下，同樣可以看出，真空環(huán)境使晶體的生成形態(tài)趨向于晶粒團(tuán)聚狀態(tài)，說明氣壓降低能夠使溶液更快地達(dá)到過飽和狀態(tài)，從而產(chǎn)生更細(xì)小的晶體形成晶體團(tuán)聚。

在對比觀察中發(fā)現(xiàn)，溶液濃度對晶體生成形態(tài)也有顯著影響。圖3是400倍放大觀察的晶體形態(tài)圖像?？梢灾庇^看出，當(dāng)濃度提高到1%，在常壓中晶體顆粒便出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，原因是隨著濃度提高，在溶劑轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀鄷r(shí)，相比于低濃度溶液，可以更快地達(dá)到過飽和狀態(tài)，從而更快地形成晶核。晶核的產(chǎn)生速率大于晶體的成長速率時(shí)，便會產(chǎn)生細(xì)小晶體，形成聚集狀態(tài)。相反，較低濃度狀態(tài)下，可以清楚地看出形成的樹枝狀晶體形態(tài)。

綜上，真空環(huán)境和濃度均可以影響晶體的生長形態(tài)。在真空和相對較高濃度情況下，溶液均會更快達(dá)到過飽和狀態(tài)，最終形成細(xì)小的晶體團(tuán)聚。工業(yè)生產(chǎn)中，控制晶體生長是一個(gè)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(shè)計(jì)簡易可行的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)晶條件對晶體生成影響的意識，對于學(xué)生思維的發(fā)展十分重要。

4 結(jié)語

教學(xué)實(shí)施過程中，教師可以設(shè)置一些問題來評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。比如，溶液為什么會結(jié)晶？晶體顆粒聚集的可能原因是什么？什么情況下會產(chǎn)生細(xì)小的晶體？還有什么條件可能影響晶體的結(jié)晶形態(tài)？

通過為高中學(xué)生創(chuàng)建的這一在真空條件下的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，使學(xué)生從一個(gè)全新的角度來認(rèn)識晶體生長，有助于更好地理解結(jié)晶條件對晶體生成的影響。真空條件下，溶液能更快達(dá)到過飽和狀態(tài)，產(chǎn)生更強(qiáng)的成核驅(qū)動力，成核速率大于晶體生長速率，進(jìn)而生成更多細(xì)小晶體，出現(xiàn)晶體顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。而在常壓下較低濃度溶液結(jié)晶沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，晶體形態(tài)呈現(xiàn)樹枝狀。引導(dǎo)學(xué)生思考這一全新現(xiàn)象背后的原因，可以有效培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。奇妙實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示也能增強(qiáng)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。

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