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        硫酸銅結(jié)晶的趣味實驗設計

        2019-07-02 08:29:27盧宗右
        化學教學 2019年5期
        關鍵詞:趣味實驗硫酸銅實驗設計

        盧宗右

        摘要: 通過設計制備各種形狀硫酸銅晶體的系列實驗,發(fā)現(xiàn)硫酸銅晶體在結(jié)晶的過程中,不僅受到溫度的影響,還與溶液的過飽和度、晶核的多少及分布等有關。通過使用棉線纏繞的方法,改變模型表面晶核的數(shù)目與分布,使硫酸銅定向地結(jié)出美麗的心形晶體及燕子形晶體,為晶體模型的制備提供了一種可行的方法。

        關鍵詞: 硫酸銅; 結(jié)晶過程; 趣味實驗; 實驗設計

        文章編號: 1005-6629(2019)5-0073-03 ? ? ? ? ? ?中圖分類號: G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼: B

        無水硫酸銅(CuSO4)為白色粉末,硫酸銅水溶液顯藍色,從水溶液中結(jié)晶出來時,生成藍色的五水硫酸銅晶體(CuSO4·5H2O,又稱膽礬)。在化學教材中,經(jīng)常用硫酸銅來演示晶體的結(jié)晶過程,但結(jié)晶出的形狀都是塊狀的晶體。能不能設計一個模型,讓硫酸銅按照模型的形狀結(jié)晶出來呢?這樣可以極大地提高學生實驗的興趣。為此,筆者對硫酸銅的結(jié)晶進行了探究實驗,成功地制得了各種形狀的硫酸銅晶體。

        1 ?實驗原理

        晶體的結(jié)晶有不同的方法,常用的有蒸發(fā)結(jié)晶法和降溫結(jié)晶法。蒸發(fā)結(jié)晶法的原理是將溶劑不斷蒸發(fā)移去,使溶液保持在過飽和狀態(tài),從而使晶體不斷結(jié)晶出來,此方法用于溶解度隨溫度的變化不大的物質(zhì)結(jié)晶,例如NaCl,我們現(xiàn)在也常用海水曬鹽法來制備食鹽。降溫結(jié)晶法常用于溶解度隨溫度的變化比較大的物質(zhì),溶液在高溫時達到飽和,隨著溫度的降低,溶液變成過飽和溶液,從而使晶體不斷結(jié)晶出來[1]。硫酸銅的溶解度曲線如圖1所示。

        從硫酸銅的溶解度曲線可以看出,隨著溫度的升高,硫酸銅的溶解度變化比較大,故可以采用降溫結(jié)晶的方法來制備晶體。

        結(jié)晶過程中,溶液的過飽和度是結(jié)晶的主動力[2],如果過飽和度較大,結(jié)晶速度較快,結(jié)晶中心增多,晶體生長會細小,不利于長成完整的大晶體。將高溫下的飽和溶液放在熱水中自然冷卻,晶體析出的過程緩慢而均勻[3]。

        2 ?實驗用品和試劑

        實驗用品: 水浴加熱裝置、燒杯、玻璃棒、鐵架臺、石棉網(wǎng)、濾紙、溫度計、棉線、回形針、訂書釘

        實驗試劑: 硫酸銅、蒸餾水

        實驗裝置: 如圖2所示。

        3 ?實驗過程

        3.1 ?實驗一: 制備硫酸銅晶體

        (1) 用燒杯量取200mL蒸餾水,加入一定量硫酸銅晶體粉末水浴加熱,并不斷攪拌,隨著溫度的上升,硫酸銅不斷溶解,制成80℃左右的熱飽和硫酸銅溶液。

        (2) 將熱的飽和硫酸銅溶液在熱水浴裝置中自然冷卻,隨著溫度的降低,硫酸銅很快在燒杯的底部結(jié)晶出來,晶體鋪滿了整個燒杯的底部。

        3.2 ?實驗二: 制備心形硫酸銅晶體模型

        如果讓結(jié)晶出的硫酸銅晶體具有一定的形狀且非常漂亮,會大大提升學生對結(jié)晶實驗的興趣。筆者首先用一個回形針彎成一個心形模型,并將心形的回形針放入80℃熱的飽和硫酸銅溶液中,讓溶液在熱水浴的裝置中自然冷卻,慢慢結(jié)晶。過了12個小時,取出晶體,發(fā)現(xiàn)得到的晶體模型有比較多的缺陷,一是晶體結(jié)晶不均勻,基本看不出心形形狀;二是由于結(jié)晶的時間比較長,結(jié)晶出來的晶體比較多,基本將整個心形模型覆蓋了,實驗結(jié)果如圖3所示。

        3.3 ?實驗三: 對比實驗,三種形狀不同的模型對結(jié)晶的影響

        為了更好地探究模型的形狀對晶體結(jié)晶的影響,在相同的條件下,制作三種不同形狀的模型: 一是將回形針拉成一條線狀,二是直接使用回形針,三是用訂書釘彎成四方形(如圖4所示),同時放入80℃熱的飽和硫酸銅溶液中,定時觀察其變化。

        三種不同形狀的模型放入熱的飽和硫酸銅溶液中5分鐘,取出,發(fā)現(xiàn)訂書釘制作的模型上面有明顯的銅析出,回形針材質(zhì)的模型上析出的銅較少,這和兩者的材質(zhì)有關?;匦吾樀牟馁|(zhì)接近于不銹鋼,而訂書釘?shù)牟馁|(zhì)更接近于生鐵,因此訂書釘發(fā)生的置換反應更快些。實驗現(xiàn)象如圖4所示。

        在結(jié)晶的過程中,溶液溫度下降得比較慢,還未形成過飽和溶液,晶體結(jié)晶尚未出現(xiàn),三種模型首先發(fā)生了置換反應,化學方程式如下:

        將三種模型繼續(xù)放在熱的飽和硫酸銅溶液中,經(jīng)過50min以及100min后取出,得到的結(jié)晶情況如圖5所示。

        從上面三種不同模型結(jié)晶的對照實驗可以看出,隨著溫度的降低,硫酸銅開始結(jié)晶出來,但是晶體的結(jié)晶并不均勻。比較粗糙的表面或者棱角部分比較容易接受溶質(zhì),最先形成晶核,晶核一旦形成,就會立即開始長成晶體,且生長得比較快,而光滑的地方結(jié)晶很少,所以晶體結(jié)晶很不均勻。

        3.4 ?實驗四: 重新制作心形硫酸銅晶體

        為了制作比較完美的心形硫酸銅晶體,需要硫酸銅在心形模型的表面均勻地結(jié)晶出來,而且形成的硫酸銅晶體要均勻細小,于是筆者對心形硫酸銅的結(jié)晶實驗作了改進。

        首先用兩根回形針制作一個較大的心形模型,并用棉線均勻纏繞心形模型,因為棉線上有大量細小的細纖維,使得整個心形回形針的粗糙程度一致,硫酸銅可以均勻地結(jié)晶在心形模型的周圍。將心形模型懸掛在200mL 80℃熱的飽和硫酸銅溶液中,讓其在熱水浴的裝置中自然冷卻,100min后取出心形模型,可以看到心形模型上面結(jié)出細小均勻的硫酸銅晶體,形成完美的心形晶體,實驗現(xiàn)象如圖6所示。

        3.5 ?實驗五: 制備燕子形硫酸銅晶體

        為了制作更漂亮的硫酸銅晶體,筆者用濾紙折了一個燕子形模型,將燕子形模型放置在200mL 80℃熱的飽和硫酸銅溶液中,在熱水浴裝置中自然冷卻,經(jīng)過5個小時,其結(jié)晶出來的模型如圖7所示。

        圖7 ?最初制備的燕子形晶體

        從圖7中可以看出,硫酸銅并沒有均勻地結(jié)晶在燕子形模型的周圍,且結(jié)晶的時間比較長,生成的硫酸銅晶體都是大顆粒。如果燕子形模型的每一個地方粗糙程度一樣,晶核數(shù)目接近,硫酸銅就可以在燕子形模型上面均勻地結(jié)晶出來。如果用棉線將整個燕子形模型均勻包圍,硫酸銅晶體應該在燕子形模型上均勻地結(jié)晶出來。怎樣才能使棉線均勻地分布在燕子形模型上面呢?筆者用針將棉線均勻地縫在燕子形模型上,又因為濾紙會飄浮在硫酸銅溶液的表面,在其下部綁一塊硫酸銅的晶體,使其浸沒在200mL 80℃熱的飽和硫酸銅溶液中,自然冷卻100min,產(chǎn)生的大量的細小硫酸銅晶體均勻地附著在燕子形模型的周圍,這樣就成功地制得了燕子形硫酸銅晶體,實驗現(xiàn)象如圖8所示。

        4 ?實驗結(jié)論

        硫酸銅晶體在結(jié)晶的過程中,不僅受到溫度的影響,結(jié)出的晶體形狀還與晶核中心的多少及分布、結(jié)晶的時間長短有關。本文通過實驗,使用棉線纏繞的方法,改變晶核的多少與分布,使硫酸銅定向地結(jié)晶出美麗的心形晶體及燕子形晶體。該方法可用于制備其他模型晶體,為模型晶體的制備提供了一種可行性方法。

        參考文獻:

        [1]王玥. 探究常溫蒸發(fā)法與降溫結(jié)晶法的優(yōu)勢與不足——硫酸銅晶體制備實驗報告[J]. 中學生數(shù)理化(學習研究版), 2017, (4): 77~79.

        [2]王明華. 制備硫酸銅晶體的實驗探索[J]. 教學儀器與實驗, 2003, (8): 26~28.

        [3]朱華英. “晶體的制備”實驗分析[J]. 化學教學, 2002, (1): 18~19.

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