基于條件優化的明礬晶體制備實驗探究

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題提出

晶體結構是高中化學課程的核心內容，《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）明確提出：學生需通過實驗探究和模型構建理解晶體的微觀結構及其宏觀性質，發展“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創新意識”等學科核心素養[1]。人教版（2019版）選擇性必修2《物質結構與性質》教材中，“明礬晶體的制備”作為“研究與實踐”欄目的新增實驗，旨在通過真實情境下的科學探究活動，幫助學生理解晶體生長的自范性、各向異性等特性，并掌握結晶條件對晶體形貌的影響規律。

然而，教材實驗的常規操作耗時較長（通常需數天甚至數周），難以在有限的課堂時間內完成。此外，傳統方法制備的晶核往往顆粒細小、形狀不規則，不利于學生觀察晶體結構與宏觀性質的關聯。現有文獻中，針對明礬晶體快速制備的系統研究較少。例如，張帥[2]等探究了載體和溫度對明礬晶體制備的影響；馬毓晨[3]探究了濃度、生長速率、攪拌和晶核大小對析出晶體的影響。但對溶液極性調控、同離子效應等關鍵因素的優化仍存在研究空白。因此，如何在 20min 內高效制備顆粒較大、形貌規則且透明度高的晶核，成為突破課堂教學實踐瓶頸的關鍵問題。

本實驗以新課標要求為導向，結合教材實驗目標，系統探究溫度、溶劑極性（乙醇添加量）及同離子效應（濃硫酸、硫酸鋁添加量）對明礬晶核形成速率與質量的影響。通過設計梯度對照實驗，優化實驗參數，最終實現快速制備理想晶核的目標。該研究不僅為課堂演示實驗提供了可行的技術方案，還能引導學生通過變量控制、現象分析等科學方法，深化對“結晶動力學”與“溶度積規則”等理論知識的理解，有效落實“做中學”的教學理念。同時，實驗設計中融入鉻鉀礬協同結晶的創新嘗試，進一步拓展了晶體外延生長的探究維度，為中學化學實驗教學提供了新思路。

2 實驗設計與優化

2.1溫度對晶核形成的影響

明礬的溶解度隨溫度變化顯著，可以采用降溫結晶的方式獲得晶核。為了找到合適溫度及降溫方式，實驗通過配制不同溫度 的飽和溶液，對比冷水浴與自然降溫的結晶效果（如表1所示）。結果表明： 70% 明礬飽和溶液自然降溫1h后，細線上可析出較大晶體；將 70% 明礬飽和溶液通過冷水浴降溫的方式，雖縮短析晶時間至 5min ，但晶體過于細小密集，不利于后續培養。因此，選擇 70% 明礬飽和溶液自然降溫作為基礎條件。

表1不同溫度下明礬飽和溶液的結晶現象對比

2.2溶液極性調控對結晶的優化

通過添加無水乙醇降低溶劑極性，促進明礬析出。為了得到無水乙醇最佳的添加量，結合實驗一的結論，設計了在 70°C 30mL 明礬飽和溶液中分別添加 2～10mL 無水乙醇的對照實驗（如表2所示），發現添加 6mL 無水乙醇時析晶速率適中，但晶體顆粒較小。

表2無水乙醇添加量的對照實驗

結合實驗一的實驗條件，選擇在 30mL70^°C 熱明礬飽和溶液加 6mL 無水乙醇，采用自然降溫的方式， .5min 后取出細線，保留一顆形狀完整、相對較大顆粒的晶體作為晶核，將其他細小晶體全部剔除，再重新放回原溶液中培養，每隔 5min 取出細線，重復上述操作兩次，累計 15min ，可以得到正八面體形且對角線約為 0.5cm 的晶核，但得到的晶核不夠透明且有非常多的裂縫。

2.3同離子效應的應用

往明礬溶液中加入硫酸和硫酸鋁，利用同離子效應抑制明礬溶解，加速結晶，因此設計以下兩個實驗分別進行探究。

2.3.1濃硫酸對晶核形成的影響

將原來的 6mL 無水乙醇減少到 4mL ，相對減慢結晶速率，同時添加一定量的濃硫酸形成同離子效應。為了得到濃硫酸添加的最佳劑量，結合前面實驗的結論，設計了在 70°C 30mL 明礬飽和溶液中加 4mL 無水乙醇后分別添加 1～6mL 濃硫酸的對照實驗（如表3所示）。結果表明：添加 5mL 以上的濃硫酸有一定的安全隱患；添加 1～3mL 的濃硫酸晶體主要是在靠近液面的細線上析出較小且密集晶體，主要是因為溶液表面散熱更快，結晶速率更快；添加 4mL 濃硫酸， 22min 后得到形狀完整且晶瑩剔透、對角線長約 0.8cm 的晶核（如圖1所示），是最優添加劑量。相比實驗2.2析出的晶核，該晶核顆粒較大且晶瑩剔透。

表3濃硫酸添加量對結晶的影響

2.3.2 硫酸鋁對晶核形成的影響

為了得到硫酸鋁添加的最佳劑量，設計了在 70% 30mL 明礬飽和溶液中加 4mL 無水乙醇后分別添加 3～ 5g 硫酸鋁粉末的對照實驗（如表4所示）。實驗表明：

加入 4g 或 5g 硫酸鋁得到的晶核都比較密集且細小，難以分離；加入 3g 硫酸鋁，采用自然降溫的方式，也可以在 15min 左右得到較大且晶瑩剔透的晶核（如圖2所示）。

圖1添加 4mL 濃硫酸的細線析出晶核情況及 去除雜晶后保留的晶核

表4硫酸鋁添加量的對照實驗

圖2加入3g硫酸鋁的細線析出晶核情況

3明礬晶體培養與拓展探究

將得到的晶核懸掛于室溫附近的明礬飽和溶液中（如圖3所示），每日更換母液以維持過飽和度來確保晶體的生長。母液溫度不能太高，防止顆粒較小晶核溶解，或顆粒較大晶核表面析出過多雜晶，不利于晶體的均勻生長。實驗表明：初期晶核對角線每日增長約0.3～0.5cm ，達 2.5cm 后生長停滯（如表5所示），最終得到晶瑩剔透、呈現八面體外形的明礬晶體（如圖4所示）。

圖3懸掛培養晶體

圖4培養一段時間后的晶體

表5晶體生長速率

將得到的明礬大晶體放在鉻鉀礬飽和溶液中培養一天后取出，發現晶體表面覆蓋了一層深紫色的鉻鉀礬晶體，然后又將其放在明礬飽和溶液中培養，一天后得到對角線長約 3.2cm 的復合晶體（如圖5所示），可見覆蓋鉻鉀礬有助于得到更大體積的晶體。結合該結論，在制備晶核時直接加入鉻鉀礬。實驗表明： 14g 明礬加 3g 鉻鉀礬配成 100mL 混合飽和溶液，加入 4mL 無水乙醇， 20min 后可以得到對角線長 0.9～1.0cm 且較好分離的晶核（如圖6所示）。

圖5覆蓋鉻鉀礬的明礬晶體

圖6加入鉻鉀礬后制備的晶核

4實驗反思

本實驗通過調控溫度、溶液極性及同離子效應等條件，優化實驗參數，實現了 20min 內快速制備明礬大晶體的目標。實驗表明，乙醇與硫酸（或硫酸鋁）的共同作用可顯著提高晶核質量，而晶體培養時覆蓋鉻鉀礬的實驗探究，進一步拓展了晶體外延生長的可能性。在實驗過程中需注意以下幾點：第一， 30mL 明礬飽和溶液中濃硫酸的添加量要控制在 4mL 以內，以免引起暴沸，帶來安全隱患；第二，母液溫度需精準維持比室溫略高 3～5^eC ，避免晶核溶解或雜晶生成。此外，鉻鉀礬促進晶體生長的具體機理尚不明確，可作為課后探究課題，引導學生進一步分析復合晶體的形成機制。本實驗方案通過循序漸進地對照設計，有效融合了控制變量與現象分析，有助于學生深化對晶體相關知識的理解。

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.

［2］張帥.“載體、溫度對制備明礬晶體的影響”的實驗探究[J].化學教與學，2022，579（6）：87～88.

[3］馬毓晨.回收鋁制備明礬晶體的實驗探究[J].中國科教創新導刊，2010，（6）：55.