快速制备明矾大晶体的条件探究

来源:用户上传      作者: 王　丹　鲍正荣　李小燕　帅常文

　　摘 要：在运用冷却热饱和溶液的方法得到明矾晶体的基础上，进一步探究出了促进明矾大晶体生长的一系列条件，缩短实验时间，便于课堂演示。
　　关键词：明矾晶体； 过饱和溶液； 温差；条件；探究
　　
　　1 问题的提出
　　
　　明矾晶体生长条件的实验作为高中课堂演示实验，由于晶体生长速度太慢，而许多学校实验条件有限，有些虽然能长出规则的明矾大晶体，但所用的时间太长，学生不能观察到生长的过程，影响了学生对晶体形成过程的认识事物的能力的发展。基于此，作者决定探究一系列实验条件，使得这个实验成为课堂的演示实验，加深学生对晶体生长的过程的直观认识。
　　
　　2 探究的过程
　　
　　(1)实验的理论基础。晶体有一定的几何外形，有固定的熔点，有各向异性等特点，而无定形固体不具有上述特点。晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；②生长阶段。晶体在生长的过程中要受外界条件的影响，如涡流，温度，杂质，粘度，结晶速度等因素的影响。晶体生长的方法有多种，对于溶液而言，只需蒸发掉水分就可以；对于气体而言，需要降低温度，直到它的凝固点；对于液体，也是采取降温方式来变成固体。因为明矾的溶解度受温度的影响很大。所以本文主要采用的是降温法，重结晶得到明矾大晶体，即是冷却热饱和溶液的方法。
　　(2) 实验仪器和实验药品：酒精灯，铁架台，托盘天平，铁丝，铜丝，玻璃棒，石棉网，漏斗，温度计，烧杯，量筒，棉线。自来水，蒸馏水，明矾。
　　(3) 实验步骤：
　　①晶体载体的选择。量取30ml水加热到90℃，在加热的过程中把明矾溶解在里面，直到形成饱和溶液，停止加热。这时将铜丝弯成螺旋状，作为载体，随着温度的下降，可观察到铜丝的表面覆盖了一层明矾小晶体，也即是沉底晶体，并不能得到规则的大晶体。用铁丝也得到同样的结果。相反，选择规则的明矾小晶体作为晶核，则得到规则的大晶体，而且晶核越小，长出的晶体形状越规则。未采用晶核时，晶体生长速度更慢，经过了三天两夜才长出黄豆大小的晶体。
　　②溶液的选择。为了确保溶液是饱和溶液，根据明矾在90℃时的溶解度，称取一系列一定量的明矾，一定体积的自来水或蒸馏水，将明矾溶解到水中，加热到90℃，选取规则小晶种，采用不同的冷却方法，进行实验。
　　实验结果：最后一次的实验能快速得到晶形规则的晶体，用自来水得到的晶体不如蒸馏水的晶体规则。通过以上实验可以得出：溶液一定要时饱和溶液，若是不饱和溶液，尽管降低了温度，结晶速度仍然很慢；溶剂应用蒸馏水。因为自来水里含有其他金属离子及杂质，会影响晶体的生长速度和形状；冷却热饱和溶液时，应该自然冷却。快速冷却时能够得到晶体，但属于沉底，细小晶体，得不到大晶体。温度下降得越快，晶体越小； 溶液一定要纯净，里面若含有杂质，就在溶液中形成多个晶核，显然不利于大晶体的生长。重复使用的溶液中难免会带有杂质。
　　③温度的选择。配制相同浓度的明矾溶液，所用仪器均用蒸馏水洗涤，称取64.7g明矾，溶解到60ml蒸馏水中，选用相同大小的规则沉底晶体作为晶种(对角线长度约为2mm)，加热到不同温度时再自然冷却。
　　加热的温度与室温的温差越大，越有利于大晶体的快速生长。
　　
　　3 存在的问题讨论
　　
　　(1)所用仪器，烧杯，量筒，玻璃棒等均要用蒸馏水洗净；
　　(2)晶种一定要悬挂在溶液的中心位置，若离烧杯底部太近，由于有沉底晶体生成，会与晶体长在一起。同样，若离溶液表面太近，或靠近烧杯壁，都会产生同样的结果，使得晶体形状不规则。
　　
　　参考文献
　　[1]闵乃本.实际晶体的生长机制[J].人工晶体学报.1992(3).
　　[2]冯世宏，贾太轩，杜慧玲，许之亮.晶体生长机理的研究进展[J].有色矿冶.2004，(5).
　　[3]燕翔，杨泽望.制备明矾沉底单晶的实验探究及工艺品制作[J].甘肃高师学报.2006，(5).

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