光照法輔助觀察化合物結(jié)晶過程

張尊聽 薩如拉 董麗英 賀云

摘要將激光器應(yīng)用于固體化合物在溶液中的結(jié)晶性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，可使激光束穿過飽和溶液觀察硝酸鉀結(jié)晶過程中溶液內(nèi)部的變化過程。該拓展性實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生加深理解和認(rèn)識化合物的結(jié)晶現(xiàn)象和過飽和溶液等概念，有助于培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞拓展性實(shí)驗(yàn)；光照法；硝酸鉀結(jié)晶過程；實(shí)驗(yàn)探究

2019年11月，教育部頒布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》中提出“不斷將科技前沿知識和最新技術(shù)成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，組織開展好基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和拓展性實(shí)驗(yàn)，開發(fā)探究性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)等，加強(qiáng)多學(xué)科融合教育^[1]?！?拓展性實(shí)驗(yàn)是在中小學(xué)科學(xué)類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)特征和學(xué)科實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，整合實(shí)驗(yàn)資源，結(jié)合學(xué)生生活實(shí)際和身心發(fā)展現(xiàn)狀，對教學(xué)規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容予以拓展而形成的新實(shí)驗(yàn)。拓展性實(shí)驗(yàn)具有綜合性、探究性、創(chuàng)造性等特點(diǎn)，是培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣、提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造性思維能力的重要途徑。

2011年版和2022年新版《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》都要求學(xué)生了解結(jié)晶現(xiàn)象，能根據(jù)不同物質(zhì)的溶解度隨溫度變化的特點(diǎn)，選擇合適的結(jié)晶方法對物質(zhì)進(jìn)行分離和提純，能舉例說明結(jié)晶現(xiàn)象^{?[2，3]}。初中化學(xué)教材中的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)大多是觀察無機(jī)鹽的結(jié)晶，如硝酸鉀、氯化鉀、明礬等，實(shí)驗(yàn)注重的是結(jié)晶的結(jié)果，即眼睛能夠看到有晶體析出為止，如人教版初中化學(xué)九年級下冊第9單元課題2《溶解度》實(shí)驗(yàn)9-6中將熱的硝酸鉀飽和溶液冷卻后，硝酸鉀晶體從溶液中析出^[4]。教材中的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)了宏觀上晶體從無到有的過程，沒有涉及結(jié)晶時(shí)溶液內(nèi)部發(fā)生的微觀動態(tài)變化。為了讓學(xué)生深刻理解和認(rèn)識物質(zhì)結(jié)晶的過程，了解降溫結(jié)晶的原理和方法，本文利用光學(xué)技術(shù)開發(fā)了觀察硝酸鉀結(jié)晶過程的拓展性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

（1）通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步認(rèn)識結(jié)晶現(xiàn)象，了解常用結(jié)晶方法——降溫結(jié)晶的原理。

（2）通過觀察、實(shí)驗(yàn)、討論交流等，掌握降溫結(jié)晶的基本實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、探究能力及合作交流的能力。

（3）通過觀察激光光束穿過溶液形成的光學(xué)圖像的動態(tài)變化，體會科學(xué)探究的樂趣，提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)思維方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)光線從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)（折射率：n₁＜n₂）時(shí)，光線會發(fā)生折射現(xiàn)象，如圖1所示。

如果光線在傳播過程中連續(xù)通過多層折射率不相同的介質(zhì)時(shí)，光線的傳播方向會發(fā)生連續(xù)偏折。光線在通過折射率逐漸增大或逐漸減小的介質(zhì)時(shí)會發(fā)生彎曲傳播。如果介質(zhì)層次夠多而且足夠薄的話，則可以將其看作連續(xù)的非均勻介質(zhì)，因此可推知光在非均勻介質(zhì)中的傳播路徑為曲線^[5]。

依據(jù)光在非均勻介質(zhì)中彎曲傳播的特性，通過觀察光束透過溶液形成光斑的動態(tài)變化，實(shí)時(shí)了解硝酸鉀降溫結(jié)晶的微觀過程，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶過程微觀變化的可視化，也可以判斷結(jié)晶完成的終點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

10 mW 532 nm激光發(fā)射器、50 mL量筒、方形玻璃杯（6×6×9 cm）、玻璃棒、藥匙、托盤天平、鐵架臺、升降臺、托盤（12×12×3 cm）、手套、電熱套、秒表、白色幕布；硝酸鉀、蒸餾水、冰塊。

4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖2，打開激光器開關(guān)后使激光束投射在白色幕布的中心位置；將方形玻璃杯放置在升降臺上，調(diào)節(jié)玻璃杯和升降臺使激光束穿過玻璃杯中溶液的中部為宜。

5?實(shí)驗(yàn)操作

5.1?固體溶質(zhì)的選擇

考慮到硝酸鉀的溶解度大小隨溫度升降變化比較明顯，故本實(shí)驗(yàn)采用硝酸鉀做溶質(zhì)。

5.2?對照實(shí)驗(yàn)

取兩個圖2所示的方形玻璃杯，分別加入100 mL蒸餾水和室溫下硝酸鉀飽和溶液，打開激光器開關(guān)，觀察到白色幕布上的光斑均不隨時(shí)間變化而變化，見圖3。在水和硝酸鉀飽和溶液中，它們各自的組成始終是均一的即不存在濃度梯度的變化，光線通過均勻介質(zhì)時(shí)沿直線傳播，因此投射到屏幕上的光斑未發(fā)生波動。

5.3?硝酸鉀降溫結(jié)晶實(shí)驗(yàn)

5.3.1?制備硝酸鉀過飽和溶液

用量筒量取100 mL蒸餾水倒入方形玻璃杯中，然后用天平準(zhǔn)確稱量36.0 g硝酸鉀固體，將硝酸鉀固體倒入杯中，在電熱套上加熱溶解，待到硝酸鉀全部溶解后，停止加熱。

5.3.2?冷卻結(jié)晶，觀察光斑變化

在托盤中提前放好冰水，把托盤放置在升降臺上將方形玻璃杯放置在托盤中，然后打開激光器調(diào)整升降臺高度，使激光束穿過杯中的溶液在白色幕布上投射出圓形光斑，如圖3所示。觀察光斑隨時(shí)間的變化之現(xiàn)象，當(dāng)光斑中出現(xiàn)明暗相間的類網(wǎng)狀條紋時(shí)，開始計(jì)時(shí)；光斑恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，終止計(jì)時(shí)。激光束穿過硝酸鉀過飽和溶液在5 min、15 min、30 min和35 min形成光斑的圖像見圖4。

在硝酸鉀飽和溶液結(jié)晶的起始階段，溶液內(nèi)部濃度梯度最大，整個溶液呈現(xiàn)出不均一性最高，此時(shí)光斑波動最大。隨著硝酸鉀的不斷析出，溶液中的濃度差逐漸變小，光斑波動幅度也逐漸減弱，直至光斑恢復(fù)穩(wěn)定，即表明該溫度下硝酸鉀結(jié)晶完成。

當(dāng)激光束通過硝酸鉀濃度不均一的溶液（即非均勻介質(zhì)）時(shí)，光線會發(fā)生彎曲傳播，因此激光透過溶液在幕布上形成了明暗相間、類網(wǎng)狀的動態(tài)光學(xué)圖像，如圖4中A為5 min時(shí)光斑的圖像。隨著冷卻時(shí)間的延長，硝酸鉀晶體不斷從溶液中析出，溶液內(nèi)部濃度梯度逐漸變小，不均一性也變小，光線傳播的彎曲程度也減小，直至溶液內(nèi)部濃度均一，光斑逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，不再有明暗相間的類網(wǎng)狀條紋出現(xiàn)，光斑變化如圖4所示。

6 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

根據(jù)光在非均勻介質(zhì)中彎曲傳播的特性，借助激光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了固體物質(zhì)降溫結(jié)晶過程的微觀變化的可視化。首先，配制常溫下的硝酸鉀過飽和溶液，然后利用冰水混合物進(jìn)行降溫結(jié)晶，通過觀察激光束透過溶液投射到屏幕上光斑隨時(shí)間的變化，判斷硝酸鉀結(jié)晶過程的完成。該實(shí)驗(yàn)用于九年級化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往通過觀察無機(jī)鹽類過飽和溶液在溫度降低時(shí)的變化，即在燒杯的底部看到晶體從無到有的析出，來認(rèn)識結(jié)晶現(xiàn)象，如明礬結(jié)晶、硝酸鉀結(jié)晶等。該實(shí)驗(yàn)借助光學(xué)技術(shù)，把固體化合物在結(jié)晶過程中因內(nèi)部濃度梯度的變化而產(chǎn)生的“光斑波動較大——逐漸減弱——恢復(fù)穩(wěn)定”的動態(tài)變化過程清晰呈現(xiàn)出來，使學(xué)生能夠從宏觀和微觀相結(jié)合的視角認(rèn)識和分析物質(zhì)在結(jié)晶過程中溶液濃度的變化，提升“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)通過光斑穩(wěn)定即結(jié)晶溶液內(nèi)部濃度再無變化確定結(jié)晶的終止，對固體化合物利用結(jié)晶性質(zhì)純化的工業(yè)生產(chǎn)也具有重要意義。

（2）該實(shí)驗(yàn)利用光線在均勻介質(zhì)中直線傳播和在非均勻介質(zhì)中彎曲傳播的特性，實(shí)現(xiàn)了化合物結(jié)晶過程的實(shí)時(shí)觀察，將光學(xué)技術(shù)和固體化合物在溶液中的結(jié)晶性質(zhì)相結(jié)合使學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)晶現(xiàn)象的同時(shí)又能了解相關(guān)的光學(xué)知識和技術(shù)，具有很好的學(xué)科綜合性。

（3）該實(shí)驗(yàn)裝置簡單、操作方便、現(xiàn)象明顯，同時(shí)又具有安全性高、實(shí)驗(yàn)成本低、耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)，適合作為九年級化學(xué)教學(xué)內(nèi)容“結(jié)晶現(xiàn)象”的拓展性實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王晶，鄭長龍主編.義務(wù)教育教科書化學(xué)·九年級下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012.

[5]劉志存，唐琪.高中物理拓展性實(shí)驗(yàn)[M].西安：陜西師范大學(xué)出版總社有限公司，2021：?38-39.