真空条件下碳酸氢钠结晶形态的实验探究

摘要：室温下借助智能手机和光学显微镜，探究真空条件对碳酸氢钠结晶形态的影响。对比实验发现，真空条件有助于碳酸氢钠形成细小晶体的团聚现象；而常压条件下浓度较低溶液产生的晶体形态呈现树枝状，没有明显的团聚现象出现。设计不同条件对结晶形态影响的实验，有助于学生了解结晶条件对晶体形态的影响。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中提出开展以化学实验为主的多种探究活动，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变。在学习影响晶粒生成的条件时，学生初步了解到晶体颗粒的大小与结晶条件有关。例如，当溶剂的蒸发速度越快，析出的晶粒就越小，反之，则获得较大的晶体颗粒。为了获得理想的晶体形貌和大小，晶体颗粒的生长在生产中具有重要的作用。虽然晶粒的生成可能受到多种因素的影响［1，2］，通过设置真空条件，调节溶液浓度，设计受结晶条件影响的结晶实验。学生可以借助普通的光学显微镜，直观地看到不同条件下晶体的生成情况。经过实际的结晶实验的体验和观察，学生能够更好地体会到结晶条件对晶粒生成的影响。1实验原理晶体生长过程涉及体系中物质的相变，而溶液的过饱和度是晶体结晶过程的重要驱动力［3，4］。一定温度、压力下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象叫做过饱和现象。过饱和度描述的就是溶液的过饱和状态。温度降低、溶质增多或者溶剂减少，都可能使溶液变为过饱和状态。溶液出现过饱和状态的原因，则是由于溶液中没有及时出现晶核，无法形成一个结晶中心，而晶体的生长过程需要这个结晶中心才能使原本做无规则运动的溶质分子、离子以晶核为中心集合起来，并按照晶体特有的次序排列出具有规则的形貌。物质种类、性质的差异，都影响晶体从溶液中析出的速度及实现这种规则排列的难易度。晶体的生长从成核开始，溶液中出现晶核后，溶质分子和离子等会聚集排列在晶核表面，进一步导致晶体的生长。晶体的成核速率和生长速率的差异会直接影响最终的晶体形态。如果晶体的成核速率大于晶体的生长速率，会产生较多的细小晶体，最终可能出现晶体颗粒的团聚，反之，则可能产生尺寸较大的晶体。真空条件下的结晶，由于可能加速溶液过饱和状态的形成，进而影响晶体的成核速率，最终对晶体形态产生影响。2实验部分2.1实验准备光学显微镜、载玻片、一次性滴管、抽气泵、抽真空容器、压力表、手机；碳酸氢钠溶液（质量分数分别为1%、0.5%和0.1%）2.2实验过程2.2.1常压条件下的晶体生成及观察实验（1）顯微镜选择10倍目镜、4倍物镜，在40倍状态下对光准备观察。（2）将载玻片放置于显微镜载物台。（3）用一次性滴管取不同浓度的碳酸氢钠溶液，将一滴溶液滴在载玻片上。（4）移动载玻片至显微镜视野中央，1小时后观察样品结晶形态。（5）调节显微镜物镜，分别在40倍、100倍和400倍状态下观察样品，使用手机通过目镜拍摄样品照片。2.2.2近真空状态下的晶体生成及观察实验（1）显微镜选择10倍目镜、4倍物镜，在40倍状态下对光准备观察。（2）用一次性滴管取不同浓度的碳酸氢钠溶液，将一滴溶液滴在载玻片上。（3）将载玻片置于抽真空容器中，容器中放置压力表观察压力变化。（4）确保真空容器密闭后，使用抽气泵对容器抽气至相对压强达到-0.05MPa。（5）1小时后取出载玻片，置于载物台，并移动载玻片至显微镜视野中央。（6）调节显微镜物镜，分别在40倍、100倍和400倍状态下观察样品，使用手机通过目镜拍摄样品照片。3结果与讨论借助光学显微镜400倍放大观察，图1中A图和C图展示的是质量分数为0.5%的碳酸氢钠溶液分别在常压条件和真空条件下的结晶形态，B图和D图展示的是质量分数为0.1%的碳酸氢钠溶液分别在常压条件和真空条件下的结晶形态。可以看出，在同等放大倍数的前提下，常压条件中的结晶形态类似树枝状，而真空条件则出现了明显的晶粒团聚现象。过饱和度作为晶体生长的驱动力，驱动力越大，晶体成核以及生长的速率便会越大。真空条件下，溶剂更容易发生相变成为气体，导致真空时，溶液能够更快地达到过饱和状态。当晶体的成核速率大于晶体的生长速率时，便会产生很多细小晶体颗粒。随着细小颗粒的迅速增多，便可能出现晶体团聚的现象。在观察到团聚现象时，可以引导学生思考讨论产生现象的原因，通过对比常压条件和真空条件下结晶形态的不同，加深结晶条件影响晶体生成的认识。较低倍数观察能够更好地说明实验现象的产生并不是局部的。图2是100倍放大观察的晶体形态图像。A图和C图展示的是质量分数为0.5%的碳酸氢钠溶液分别在常压和真空条件下的结晶形态，B图和D图展示的是质量分数为0.1%的碳酸氢钠溶液分别在常压和真空条件下的结晶形态。在更广的视野下，同样可以看出，真空环境使晶体的生成形态趋向于晶粒团聚状态，说明气压降低能够使溶液更快地达到过饱和状态，从而产生更细小的晶体形成晶体团聚。在对比观察中发现，溶液浓度对晶体生成形态也有显著影响。图3是400倍放大观察的晶体形态图像。可以直观看出，当浓度提高到1%，在常压中晶体颗粒便出现明显的团聚现象，原因是随着浓度提高，在溶剂转变为气相时，相比于低浓度溶液，可以更快地达到过饱和状态，从而更快地形成晶核。晶核的产生速率大于晶体的成长速率时，便会产生细小晶体，形成聚集状态。相反，较低浓度状态下，可以清楚地看出形成的树枝状晶体形态。综上，真空环境和浓度均可以影响晶体的生长形态。在真空和相对较高浓度情况下，溶液均会更快达到过饱和状态，最终形成细小的晶体团聚。工业生产中，控制晶体生长是一个必要的操作过程，通过控制晶体生长过程，可以在一定程度上改变晶体的外观形貌以及颗粒大小等。虽然晶体生长受到多种因素影响，但通过设计简易可行的实验，培养学生学习结晶条件对晶体生成影响的意识，对于学生思维的发展十分重要。4结语教学实施过程中，教师可以设置一些问题来评估学生的学习情况。比如，溶液为什么会结晶？晶体颗粒聚集的可能原因是什么？什么情况下会产生细小的晶体？还有什么条件可能影响晶体的结晶形态？通过为高中学生创建的这一在真空条件下的结晶实验学习项目，使学生从一个全新的角度来认识晶体生长，有助于更好地理解结晶条件对晶体生成的影响。真空条件下，溶液能更快达到过饱和状态，产生更强的成