由“紙樹開花”玩具拓展的趣味實(shí)驗(yàn)

林芝 許應(yīng)華

摘要： 從市售的“紙樹開花”玩具著手，分析其實(shí)驗(yàn)原理和影響因素。據(jù)此，選擇生活中常見的溶質(zhì)、晶形改變劑和紙張，設(shè)計(jì)了若干個(gè)相關(guān)的拓展趣味性實(shí)驗(yàn)案例并獲得較好的效果。這些實(shí)驗(yàn)取材容易、操作便捷、現(xiàn)象有趣，適合作為學(xué)生課外家庭小實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 紙樹開花; 晶形改變劑; 趣味實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2022）09007504

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》強(qiáng)調(diào)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，貼近生活實(shí)際，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)生活實(shí)踐類活動(dòng)[1]。生活化趣味實(shí)驗(yàn)是以學(xué)生熟悉的生活情境和素材為背景，突出化學(xué)與生活密切相關(guān)，體現(xiàn)化學(xué)在生活中的應(yīng)用，是學(xué)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓展和延伸。因此，全面開發(fā)生活化、趣味化小實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)具有重要作用。

以市面售賣的“紙樹開花”玩具（見圖1）為研究對(duì)象，小小紙片加入“營(yíng)養(yǎng)液”就會(huì)“開花”，吸引了很多學(xué)生買來娛樂，但為什么紙樹會(huì)“開花”？“營(yíng)養(yǎng)液”的主要成分是什么？如何選擇紙片？一系列問題都值得學(xué)生深入思考。因此，可以作為學(xué)生探究性課外主題實(shí)驗(yàn)。

筆者查閱相關(guān)資料，尋找生活中常見的實(shí)驗(yàn)藥品和器材動(dòng)手實(shí)踐，設(shè)計(jì)并自制了若干個(gè)“紙樹開花”生活化趣味小實(shí)驗(yàn)，以期為學(xué)生拓展課外探究性實(shí)驗(yàn)提供參考和借鑒。

2 “紙樹開花”玩具實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

2.1 “紙樹開花”玩具實(shí)驗(yàn)原理

經(jīng)文獻(xiàn)查閱，“紙樹開花”實(shí)驗(yàn)主要涉及“毛細(xì)現(xiàn)象”和“結(jié)晶現(xiàn)象”[2]。在一定溫度下，飽和溶液通過表面張力的作用，順著紙片孔隙快速蔓延，克服重力不斷浸濕紙樹。一段時(shí)間后，紙樹表面的溶劑蒸發(fā)，溶質(zhì)從溶液中析出晶體。若紙片表面提前沾有不同顏色的著色劑，便出現(xiàn)五顏六色的“紙樹開花”現(xiàn)象。

2.2 影響因素

晶體的形狀大小與溶質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件密切相關(guān)。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說，晶體的生長(zhǎng)規(guī)律主要服從布拉維法則，即通常情況下，實(shí)際晶體的晶面被結(jié)點(diǎn)密度最大的網(wǎng)面所包圍，由此可以推測(cè)同種晶體的晶形相同或相似[3]。多種市售“紙樹開花”玩具的包裝袋說明書表明，“營(yíng)養(yǎng)液”的主要成分是磷酸鹽。將純磷酸二氫鉀飽和溶液與某品牌標(biāo)注主要成分為磷酸二氫鉀的市售溶液，分別澆淋在同種紙樹上，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種溶液析出的晶體形狀稍有不同。磷酸二氫鉀飽和溶液的結(jié)晶似針狀（圖2左），市售溶液的結(jié)晶似團(tuán)狀（圖2右），說明市售溶液含有某種可以改變特定晶形的雜質(zhì)（稱為晶形改變劑[4]），使所得晶體具有另一種形狀。

在實(shí)際過程中，晶體生長(zhǎng)過程還會(huì)受到結(jié)晶溫度、結(jié)晶時(shí)間、攪拌力度、溶液的pH、特定雜質(zhì)（晶形改變劑）等各種外部條件的影響，使晶體最終偏離理想形態(tài)。相對(duì)而言，向溶液中引入晶形改變劑，更便于控制，因此常采用這種方法達(dá)到結(jié)晶目的。常見的晶形改變劑包括不溶/微溶性鹽的微晶、多價(jià)態(tài)陽離子、相關(guān)絡(luò)合物、表面活性劑、水溶性聚合物、生物活性大分子等物質(zhì)[5]。另外，由于多孔介質(zhì)表面生長(zhǎng)出來的晶須形狀與介質(zhì)厚度、孔隙尺寸等因素有關(guān)，紙張材質(zhì)也會(huì)對(duì)晶體生長(zhǎng)過程產(chǎn)生影響。如果紙張吸水性過快，紙片容易軟塌，尖端不易蒸發(fā)結(jié)晶;紙張吸水性過慢，溶液大多停留在紙片底端，很難向上蔓延至尖端。綜上，晶形改變劑和紙張的選擇是影響本實(shí)驗(yàn)的重要因素。

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

由于結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的晶體生長(zhǎng)速率慢，需要較長(zhǎng)的觀察時(shí)間，并且純磷酸鹽等結(jié)晶用品不易購買，為此，有必要尋找一些生活常見材料對(duì)“紙樹開花”生活化趣味實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究[6]。想要基于生活化改進(jìn)本實(shí)驗(yàn)，使溶液成功結(jié)晶，找到合適的溶質(zhì)、晶形改變劑和紙張是關(guān)鍵。（1）為了獲得穩(wěn)定、均勻的結(jié)晶體，提高反應(yīng)速率，可以選擇溶解度較高、生活中較常見的物質(zhì)制成飽和溶液，比如食鹽、小蘇打、尿素等。（2）晶形改變劑種類繁多。生活中常見的表面活性劑有洗潔精、聚乙烯醇膠水等;含多價(jià)態(tài)陽離子的物質(zhì)可以選擇亞鐵氰化物，例如普藍(lán)顏料，其主要成分是亞鐵氰化鐵;再如生活食鹽，常加入微量的亞鐵氰化鉀作為抗結(jié)劑，防止氯化鈉在潮濕空氣中粘連結(jié)塊。這些物質(zhì)都能充當(dāng)晶形改變劑，很好地修飾晶體形狀。（3）紙張建議使用具有一定厚度的濾紙，吸水性較強(qiáng)且疏松多孔，裁剪成樹尖形狀便于蒸發(fā)結(jié)晶。學(xué)生可以仿照以上設(shè)計(jì)思路，選擇合適的生活物品相互組合，生長(zhǎng)出不同形態(tài)的結(jié)晶體。

4 “紙樹開花”改進(jìn)實(shí)驗(yàn)案例

4.1 案例一

實(shí)驗(yàn)器材： 尿素、聚乙烯醇膠水（得力PVAL液體膠）、市售著色劑（綠色食用色素，主要配料： 檸檬黃、亮藍(lán)）、加厚濾紙、自來水、塑料盤、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

實(shí)驗(yàn)操作：

（1） 將加厚濾紙裁剪、拼接成樹狀，固定在塑料盤上。

（2） 取適量的綠色食用色素溶于水，涂在紙樹表面晾干。

（3） 室溫20～25℃下，向玻璃杯中加入30g尿素顆粒和25mL自來水，不斷攪拌，配制成尿素飽和溶液。

（4） 待尿素完全溶解，向溶液加入5mL聚乙烯醇液體膠，攪拌均勻。

（5） 將混合溶液從紙樹的尖端倒入，自上而下淋濕整個(gè)濾紙。

（6） 室溫20～25℃下，將紙樹放在陰涼通風(fēng)處，靜置6～12h，待溶液蒸發(fā)結(jié)晶，便可看到“紙樹開花”（見圖3）。注意結(jié)晶過程中不要隨意移動(dòng)。

4.2 案例二

實(shí)驗(yàn)器材： 尿素、立白洗潔精、市售著色劑（紅色食用色素，主要配料： 胭脂紅、檸檬黃）、加厚濾紙、自來水、塑料盤、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

實(shí)驗(yàn)操作：

（1） 將加厚濾紙裁剪、拼接成樹狀，固定在塑料盤上。

（2） 取適量的紅色食用色素溶于水，涂在紙樹表面晾干。

（3） 室溫20～25℃下，向玻璃杯中加入30g尿素顆粒和25mL自來水，不斷攪拌，配制成尿素飽和溶液。

（4） 待尿素完全溶解，向溶液中加入5mL洗潔精，攪拌均勻。

（5） 將混合溶液從紙樹的尖端倒入，自上而下淋濕整個(gè)濾紙。

（6） 室溫20～25℃下，將紙樹放在陰涼通風(fēng)處，靜置6～12h，待溶液蒸發(fā)結(jié)晶，便可看到“紙樹開花”（見圖4）。注意結(jié)晶過程中不要隨意移動(dòng)。

4.3 案例三

實(shí)驗(yàn)器材： 食鹽、小蘇打、馬利牌普藍(lán)顏料、市售著色劑（綠色食用色素，主要配料： 檸檬黃、亮藍(lán)）、加厚濾紙、自來水、塑料盤、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

實(shí)驗(yàn)操作：

（1） 將加厚濾紙裁剪、拼接成樹狀，固定在塑料盤上。

（2） 取適量的綠色食用色素溶于水，涂在紙樹表面晾干。

（3） 室溫20～25℃下，向玻璃杯中加入10g食鹽，5g小蘇打，25mL自來水，不斷攪拌，配制成混合飽和溶液。

（4） 待食鹽和小蘇打完全溶解，向溶液加入適量普藍(lán)顏料，攪拌均勻。

（5） 將混合溶液從紙樹的尖端倒入，自上而下淋濕整個(gè)濾紙。

（6） 室溫20～25℃下，將紙樹放在陰涼通風(fēng)處，靜置6～12h，待溶液蒸發(fā)結(jié)晶，便可看到“紙樹開花”（見圖5）。注意結(jié)晶過程中不要隨意移動(dòng)。

5. 總結(jié)反思

課外探究性趣味實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑之一，學(xué)生通過認(rèn)識(shí)身邊的化學(xué)，參與有關(guān)化學(xué)問題解決的實(shí)踐活動(dòng)，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，提高學(xué)科核心素養(yǎng)[7]。上述實(shí)驗(yàn)都來源于生活，現(xiàn)象明顯、有趣，為中學(xué)化學(xué)教學(xué)開發(fā)生活化趣味實(shí)驗(yàn)提供了素材。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有如下優(yōu)點(diǎn)。

5.1 取材簡(jiǎn)單

實(shí)驗(yàn)成本較低，材料安全，食鹽、小蘇打、尿素、普藍(lán)顏料等都是生活中常見的物品，有的還可以多次重復(fù)使用。

5.2 操作便捷

實(shí)驗(yàn)趣味性較強(qiáng)，易于操作，適用于不同年齡階段的學(xué)生。低年級(jí)學(xué)生可以自制不同的“紙樹開花”模型，培養(yǎng)實(shí)踐能力，形成化學(xué)觀念;高年級(jí)學(xué)生可以基于本實(shí)驗(yàn)的原理和方法，創(chuàng)新思考，推導(dǎo)出更多可以替代的結(jié)晶方案，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。

5.3 可用于家庭小實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)需要配制一定濃度的飽和溶液，難度不高，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況在家獨(dú)立完成，開展家庭小實(shí)驗(yàn)。也適合實(shí)驗(yàn)室教學(xué)條件較差的地區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 76.

[2]湯琪琳， 柳燕， 蔡希文， 蔡福新. 結(jié)晶樹系列[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)， 2007， 23（7）： 43～44.

[3]李廣慧， 韓麗， 方奇. 晶體結(jié)構(gòu)控制晶體形態(tài)的理論及應(yīng)用[J]. 人工晶體學(xué)報(bào)， 2005， 34（3）： 546～549.

[4][5]張寶林， 侯翠紅. 二水硫酸鈣晶形改變劑對(duì)結(jié)晶影響的研究[J]. 化工礦物與加工， 2005， 34（8）： 19～24.

[6]郭濤， 王臣珠， 白玉. 基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)生活化的教具開發(fā)與應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2022， 39（1）： 59～61.

[7]李茂柯， 王諾， 伍曉春. 用于兒童化學(xué)啟蒙教育的生活化實(shí)驗(yàn)案例研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （10）： 75～78.