利用液滴实验探究几个典型沉淀反应

曾涛 廖连燕 杨兴 张瑞

摘要： 利用微量化液滴实验方法，对BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3典型沉淀反应进行探索和条件优化，对沉淀在浊态和干态下的电子显微镜成像表征进行对比考察，达到了耗试剂微量、操作简单、实验仪器经济、实验现象明显、实验结果生动有趣等效果，弥补了常规实验用量大，观察不到反应过程等缺陷，实现了对传统沉淀实验方法的优化和补充。

关键词： 液滴实验； 微量化实验； 沉淀反应； 玻璃片液膜； 电子显微镜成像

文章编号： 1005-6629（2018）7-0075-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

微量化化学实验是在微型化学实验（Microscale Laboratory）的基础上发展起来的实验原理和技术，聚焦于使用常规仪器达到微型实验的目的，即以尽可能少的试剂获取所需化学信息[1]。微型实验中由于使用的仪器装置过小使实验的可见度降低，影响了学生的观察和教学效果。微量化实验弥补了微型实验的不足，它使用常规仪器和微量反应物，但仍能达到常规实验的可见度。基于此功能和特征，在中学化学实验中研究和推广微量化实验十分必要[2]。

微量化实验以玻璃片等常规仪器为反应载体，通过微剂量（1～2滴）反应物接触后的扩散过程，研究反应过程和反应产物[3]。液滴微量化实验相对于传统试管实验有几个优势： 首先，与经典沉淀实验使用试管相比，液滴实验使用玻璃片作为实验器材，玻璃片更加容易得到，坚固实用，重复使用率高；其次，传统试管实验每种反应物的用量大概在1～2毫升之间，而液滴实验用量极其微小，一般为1～2滴，是传统实验试剂用量的百分之一；其三，在玻璃片上做实验，沉淀的形成过程和沉淀干化后的状态不仅肉眼观察现象更加明显，还可以直接在显微镜下观察。本研究通过液滴实验方法，对BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3典型沉淀反应的条件进行了探索和优化，对沉淀的浊态和干态的电子显微镜成像进行了考察，实现了对传统沉淀实验的优化和补充。

1 BaSO4和CaCO3沉淀反应

实验仪器和药品： 2～3mm厚、10×10cm大小的透明玻璃片、略大于玻璃片的黑色卡纸、胶头滴管、尖头玻璃棒、电子显微镜（型号为ALYMPUS CX41，目镜10×，物镜10×，放大倍数为100倍）；1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L的BaCl2溶液、Na2SO4溶液、CaCl2溶液和Na2CO3溶液

1.1 Ba2+与SO2-4反应

实验过程： 将黑色卡纸置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L BaCl2溶液，其右侧约1cm处滴加1～2滴0.1mol/L Na2SO4溶液，用尖头玻璃棒引导两种溶液相互接触后，溶液发生自然扩散，现象见图1。

1.2 Ca2+与CO2-3反应

将黑色卡纸置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L Na2CO3溶液，其右约1cm处滴加1～2滴0.1mol/L CaCl2溶液，用尖头玻璃棒引导两种溶液相互接触后，溶液发生自然扩散，现象见图4。

1.3 结果讨论

将每一种反应物按照1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L濃度配制，进行交叉实验，得到BaSO4与CaCO3的最佳反应物浓度均为0.1mol/L，浊态最佳成像反应物浓度均为0.01mol/L；干态BaSO4最佳成像反应物浓度为0.1mol/L，干态CaCO3最佳成像反应物浓度为0.001mol/L。

BaSO4与CaCO3是中学典型的两种白色沉淀物，二者加入稀盐酸后，沉淀溶解并放出气体的物质是CaCO3，沉淀不溶解的物质是BaSO4。对比两者沉淀的显微镜成像图片可发现，BaSO4与CaCO3虽均为白色沉淀，但其沉淀的外在特征有所差异： CaCO3沉淀颗粒感较为明显，BaSO4沉淀更加细腻均匀；干态时，CaCO3沉淀聚集后呈现光滑的表面，且多处凹陷，BaSO4呈明显的条状分布。

2 Al（OH）3和Zn（OH）2沉淀反应

Al（OH）3和Zn（OH）2是中学常见的典型两性氧化物沉淀，表现为在酸性或碱性环境中，沉淀溶解。

2.1 Al3+与OH-反应

将黑色卡纸置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴1mol/L AlCl3溶液，其右侧约1cm处滴加1～2滴1mol/L NaOH溶液，用尖头玻璃棒引导两种溶液相互接触后，缓慢生成少量白色沉淀，自然扩散速度很慢，用尖头玻璃棒将一种溶液引入另一种溶液内部，迅速生成大量白色沉淀，如图7所示。

反应的离子方程式为Al3++3OH-Al（OH）3↓。加5～6滴1mol/L NaOH到图7的Al（OH）3白色沉淀上，用尖头玻璃棒搅拌，白色沉淀迅速减少，至全部溶解，反应的离子方程式为Al（OH）3+OH-Al（OH） -4。将反应生成的Al（OH）3自然状态下静置，电子显微镜下观察成像，浊态成像如图8所示，干态成像如图9所示。

2.2 ZnCl2与NaOH反应

将黑色卡纸置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴1mol/L ZnCl2溶液，其右侧约1cm处滴加1～2滴0.1mol/L NaOH溶液，用尖头玻璃棒引导两种溶液相互接触后，生成大量Zn（OH）2白色沉淀，如图10所示。

2.3 结果讨论

将每一种反应物按照1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L浓度配制，进行交叉实验，得到AlCl3溶液和NaOH溶液最佳浓度为1mol/L， ZnCl2溶液和NaOH溶液的最佳浓度分别为1mol/L、 0.1mol/L。图7是AlCl3、 NaOH溶液浓度为1mol/L，用量1∶3扩散过程的局部照片，图8为反应的浊态图像，图9为反应的干态图像。图10为1mol/L ZnCl2与0.1mol/L NaOH反应图片，图11为浊态Zn（OH）2沉淀的显微镜成像，图12为干态Zn（OH）2沉淀的显微镜成像。

AlCl3和NaOH反应的自然扩散效果不好，玻璃棒搅拌后，才产生大量的白色沉淀，沉淀聚集成簇状。浊态Al（OH）3在显微镜下呈现大理石般的美丽细纹，干态呈现树叶状，中间夹杂不规则的块状。ZnCl2和NaOH的自然扩散效果好，无需外力，白色沉淀自行先产生后消失，沉淀均匀细腻。浊态Zn（OH）2的显微镜成像出现部分梯状纹路，干态成大小相似的块形条纹。

3 Fe（OH）3沉淀反应

在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L FeCl3溶液，其右侧1.5cm处滴加1～2滴1mol/L NaOH溶液，用尖头玻璃棒引导两种液滴形成相邻溶液膜，并互相靠近至自然扩散反应，现象见图13。

反应的离子方程式为Fe3++3OH-Fe（OH）3↓。此反应的FeCl3、 NaOH溶液的最佳浓度分别为0.1mol/L、 1mol/L。随着反应的进行，Fe（OH）3呈现一条红棕色的色带向NaOH方向推进，如图14所示。

浊态Fe（OH）3的显微镜成像出现红棕色薄纱飘逸的景象，十分美丽，干态出现了正四面体状的晶状固体（如图15所示）。此处的晶体与结晶不同，结晶是分子从饱和溶液里面析出，逐渐覆盖在晶核表面，过程缓慢，粒子排列严格有序；而此处的晶状沉淀为反应中快速生成，推测其过程，开始为极细小的固体颗粒，随着液体的蒸发，聚集到一起后成为晶体，此晶体不结实但依然呈有序的状态[4]。

以上用液滴实验探讨了中学常见的BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3的沉淀反应。相比于传统试管实验，液滴实验的试剂用量少，试剂在玻璃片上以近似液膜的厚度平铺，学生在感受沉淀从无到有、从少到多的过程中，清晰地觀察到沉淀形成的过程和沉淀特征，实现了化学实验的微量化和绿色化。运用电子显微镜的成像作用，能够进一步观察其浊、干态特征，对促进基础知识的理解和掌握、感受美妙的化学世界、激发学习化学的兴趣、形成爱化学、学化学的化学观念以及养成化学学科素养具有促进作用。

微量化液滴实验可以进一步趣味化，如在玻璃板上平铺一层液膜，将另一种试剂喷洒在液膜上，制造雪花、大理石纹路的趣味场景。微型实验还可以进一步用于教学中，如将Al（OH）3的液滴实验作为先行组织者的前置性学习材料，探究Zn（OH）2的性质。开发更多的微量化液滴实验，实现趣味化、教学常态化和仪器生活化[5]，是液滴实验进一步研究和发展的方向。

参考文献：

[1]刘一兵， 沈戮. 微型化学实验课程资源的开发和利用[J]. 课程·教材·教法， 2007， （3）： 62～66.

[2]张凤琼. 初中化学微量化实验的研究[J]. 化学教学， 2010， （6）： 54～56.

[3]吴琼等. 液膜扩散法鉴定溶液中的Fe3+和Fe2+[J]. 化学教学， 2017， （11）： 53～55.

[4]聂德明. 颗粒沉降及其在流场中做布朗运动的研究[D]. 杭州： 浙江大学博士学位论文， 2011.

[5]李光珍. 五个高中化学实验的微量化改进[J]. 化学教学， 2014， （5）： 55～57.