明矾晶体培养的理论及实验探究

广东肇庆中学---杨丽春

在李建伟老师主持的化学校本课题《有色晶体生长适宜条件研究》的课题研究下，我带队学生参与了明矾晶体的培养探究。我们利用实验室资源，组织学生进行了明矾晶体的培养活动。通过此次活动，学生获得以下几个方面的收获：1、了解了晶体的形成原理及培养过程;2、观察了明矾晶体的生长过程并感悟了自然之美;3、练习了天平称量、烧杯加热等基本操作，加深了对溶解度和饱和溶液的理解;4、通过对比试验，探讨分析得出晶体培养的最佳条件，收获很多；5、感悟了化学知识的美妙，化学实验中晶体结晶的魅力。

资料查询1：人教版《实验化学》模块“影响晶粒生成的条件”指出，晶体颗粒的大小与结晶条件有关，溶质的溶解度越小，或溶液的浓度越高，或溶剂的蒸发速度越快，或溶液冷却得越快，析出的晶体就越细小;反之，可得到较大的晶体颗粒^[1]。

资料查询2：（1）迈耶理论^[2]：迈耶理论认为，对于固体溶质B而言，存在两条浓度曲线a和1)，曲线a为饱和溶液的浓度曲线，曲线1)为过饱和溶液的最大浓度曲线，不同浓度B溶液的安定性如图1}

①曲线a以h为安定区，曲线b以上为不安定区，a与b之间则为准安定区。

 ②在准安定区，只能成长晶体不能生成晶体，若加入少数微小晶体作为晶种，如控制得当，可得较大之晶体。

 ③在不安定区，会同时析出大量微小晶体，从而使过饱和溶液中的溶质迅速减少，使晶体无法“长大”，只能得到微小的晶体。

（2）大晶体的形成：依据迈耶理论，结晶法制作形成较大的晶体颗粒的必要条件是，溶液处在准安定区，且操作时应缓慢小心，避免使溶液进入不安定区。

 据此，《实验化学》模块中析出细小晶体的各种原因便十分清晰了。

 对于溶质B的饱和溶液而言，溶剂的蒸发速度越快，或溶液冷却得越快，就越容易进入曲线b以上到达不安定区，同时析出大量细小的晶体，如图2。

  同样地，溶质B的溶解度越小，或者B溶液的浓度越大，条件改变时其溶液也越容易到达不安定区，同时析出大量细小的晶体。

 如:由于AgI的溶解度极小，向KI溶液中滴加AgN0₃溶液时，立刻就能看到白色浑浊现象，当KI溶液和AgN0₃溶液的浓度均很小时，甚至还可得到AgI胶体。这就是较为典型的在不安定区直接得到微小晶体的实例。

 因此，只要我们在操作(降温，浓缩、升温)过程中，尽量使溶液始终处在准安定区，便有可能使晶体漫慢“长大”，形成较大的晶体颗粒。

资料查询3：明矾晶体的培养过程^[3]:明矾，又名白矾，化学名称是十二水合硫酸铝钾，化学式为AlK(S0₄)₂·12H₂0，其晶体为无色透明八面立方体，单晶颗粒较大。若多个单晶体均匀析出并凝结在棉线上，即可形成漂亮迷人的水晶项链。

明矾在水中的溶解度随温度升高而明显增大（20℃溶解度11.4g）。冷却饱和溶液可自然析出小颗粒晶体(或挑选小块颗粒)做晶核，继续培养小晶体，可长成晶形较完整的大晶体（如图3、图4）。

 在了解明矾结晶有关知识的基础上，学生设计三步操作过程，分三大组进行对比实验:

 ①配制饱和溶液。每一大组做五个对比实验，分别称取20g, 25g, 30g, 35g, 40g晶体溶于100mL热水中。把烧杯放在石棉网上加热搅拌，使晶体全部溶解。

 ②制取晶核。取一根棉线一端系在玻璃棒上(横放于烧杯口)，另一端悬于溶液中，冷却饱和溶液，让小晶体析出凝结在棉线上。第一大组加速冷却，第二大组自然冷却，第三大组适当保温冷却。随着溶液冷却，在棉线和烧杯底部将有晶体析出。在棉线上选取并保留十颗左右较完整的小晶体作晶核悬挂于溶液中，棉线上其余晶体除去。

③培养晶体。静置过夜。观察晶体生长情况。必要时，要适量补允药品，维持溶液饱和。观察和培养操作为下周的周一、周三、周五课问操时问，即间隔两天。培养时间为两周。

在制取晶核时，冷却45 min左右，就开始发现在烧杯底部和棉线上有晶体析出。第一大组采取对烧杯扇风或把烧杯放于窗台通风处或冷水浴加速冷却，晶体析出颗粒非常小而多，密密麻麻，几乎看不出晶形。第三大组用脱脂棉包住烧杯保温冷却，有明显晶体颗粒析出，并且晶体颗粒最大，虽稍有晶形，可观察出八面体的尖端，但没有完整晶形。第二大组情况处于二者之问，也可观察到小晶体析出。比较三大组实验，分析得出制取晶核最好采用保温冷却。在冷却过程中，学生们还观察比较了不同浓度的浓溶液结晶情况，发现热溶液越浓析出的晶体越小越多越密密麻麻，并且晶体形状不完整，而热溶液太稀，则析出晶体缓漫。实验发现，把30g明矾溶于100mL水中，晶核结晶最好。要注意的是冷却过程要静置，不能随便移动或搅拌溶液，最好给烧杯盖上纸片以防尘埃落入，干扰结晶。在晶体生长的第二天，棉线上的晶体有绿豆大小，正好适合选取晶体作为晶核，尽量保留晶形完整大小均匀的晶体，除去棉线上多余小晶体。

在随后的培养过程中，学生观察到由于棉线上不断结晶加重棉线下垂，就会与烧杯底部析出的晶体结晶在一起。所以有的学生采取把上层溶液和棉线上的晶核转移至另一烧杯中，继续培养晶体。为节省药品，把烧杯底部析出的晶体加少量水热溶解，冷却到高出室温10℃左右时倒回以维持结晶溶液饱和状态，便于晶体不断长大。

在晶体生长过程中，溶液中悬在棉线上的晶体晶形生长相对比较完整，由小八面体逐渐长大。发现烧杯底部的晶体向上的一面呈现部分八面体，朝向烧杯底部的一面呈平面无任何晶形。所以要想培养颗粒均匀晶形完整的水晶项链，不但要不断除去多余的小晶体，而且注意调整棉线位置，一定让晶体悬空在溶液中，防止棉线上的晶体贴近烧杯壁。棉线上未浸入溶液的部分由于渗析原因溶液沿棉线上升明矾析出，围绕棉线以棉线为轴形成白色粉末棒状物。可见明矾在有水情况下以晶体结晶析出，暴露在空气中以粉末析出，即含结晶水的化合物由于条件不同，析出凝结状态也不同。

晶体培养一周以后，水晶项链初具规模，棉线上明矾八面体结晶晶形迷人，晶莹剔透，似颗颗宝石，非常惹人喜爱。两周时问左右，单颗晶粒可生长到大个玉米粒大小。此时，组织学生评比最佳成果，介绍成功经验，极大的满足学生成功感，并且经验共享（如图5）。

在水晶项链培养初步成功的基础上，实验团队大胆设想：如果能用明矾的晶体做成各种形状的装饰品，效果一定很不错。带着好奇心和探究的欲望，同学们开始了设计并动手制作。

 设想：如果能制作一朵寒光闪闪的莲花，一定瑰丽无比。于是，同学们找来一根铁丝，细心地把它折成一朵莲花的形状。为了更利于晶体的附着，又在铁丝上缠上了一根细棉线。接着，把一个大饮料瓶剪开，取其下半部分做杯子，配制了一大杯明矾的热饱和溶液。当溶液冷却到温度比室温略高时，把铁丝做的莲花小心翼翼地放了进去，平放在杯底的正中央，杯口用硬纸片盖好，以防空气中灰尘落下影响晶体的结晶效果，然后，放在阴凉地方慢慢冷却结晶。第二天，铁丝莲花上结满了小小的晶体。大家惊喜万分，取出莲花观察，晶体很细小，很稀疏，还不够好看。于是，又把溶液稍稍加热，补充进去很多明矾，把莲花再放进去，冷却。又过了一天，取出来一看，天哪!太漂亮了。一朵洁白无瑕的莲花，晶莹剔透，璀璨夺目(见图4)。有同学又在莲花的芯里放了几颗蓝色的小珠子，莲花变得更美了(见图5)。同学们给它取了一个好听的名字，叫做“天山雪莲”（如图6、图7）。

同学们把“天山雪莲”放在教室最显眼的地方，用来装饰教室，这可是商场里买不到的“宝贝”哦。“天山雪莲”不但是知识的结晶，也是师生积极探索、辛勤付出所得到的收获。

另外学生还研究了不同粗细的棉线，铁丝、铝丝的效果。发现单根棉线凝结的晶体最多，棉线越粗越不易凝结;铁丝、铝丝等金属丝，一是在溶液中腐蚀锈迹斑斑，二是因表面太光滑不宜结晶。

此次活动大大激发了学生探究的热情。有的学生兴趣非常大，自行设计培养蓝矾(五水硫酸铜)和食盐晶体。学生成功培养出蓝矾晶体，是蓝色三斜立方体结晶，单个晶体较大，析出的晶体颗粒很多，晶体生长速度很快，两三周就可以长到花生米大小。但食盐单个晶体颗粒很小，是无色正方体结晶，培养过程析出的颗粒很少，稀疏地结晶在棉线上，生长缓慢，一周时问才长成米粒般大小，又观察了两周，发现晶体不再长大。查阅材料发现，蓝矾和明矾类似，易成功。但食盐晶体单晶颗粒本身就很小，并且因为食盐溶解度受温度影响较小，晶体析出、长大都比较困难，能观察出食盐的晶形便可算实验成功了。

通过此次活动师生共同总结，得出晶体培养需满足两个条件:一是单个晶体体积较大;二是其溶解度随温度变化较明显。并且此次活动，不仅获取了明矾晶体培养的相关知识，更重要的是培养了学生间团队合作的能力、不断发现问题讨论问题并最终解决问题的能力。总之感谢学校提供了这样一个机会和平台，让我们师生在紧张的学习之余走进实验室，去感受实验的奇特与美妙。我们将在明矾晶体成功培养的基础之上，在晶体形状的改进上再做努力，努力让普通的明矾呈现给我们不普通的晶体世界！

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准(实验)}S1.北京:人民教育出版社，2004:30

[2]百度百科.晶种http : //baike.baidu.com/view/1572792.htm

[3]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书:实验化学[M].南京:江苏教育出版社，2009:22

                                                        写于2016-2-27