光照法辅助观察化合物结晶过程

张尊听 萨如拉 董丽英 贺云

摘要将激光器应用于固体化合物在溶液中的结晶性质实验，可使激光束穿过饱和溶液观察硝酸钾结晶过程中溶液内部的变化过程。该拓展性实验有助于学生加深理解和认识化合物的结晶现象和过饱和溶液等概念，有助于培养学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

关键词拓展性实验；光照法；硝酸钾结晶过程；实验探究

2019年11月，教育部颁布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中提出“不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，组织开展好基础性实验和拓展性实验，开发探究性实验、创新性实验、综合性实验等，加强多学科融合教育^[1]。” 拓展性实验是在中小学科学类基础实验的基础上，根据学生认知结构特征和学科实验特点，整合实验资源，结合学生生活实际和身心发展现状，对教学规定实验内容予以拓展而形成的新实验。拓展性实验具有综合性、探究性、创造性等特点，是培养学生对科学实验的兴趣、提升学生的实践能力和创造性思维能力的重要途径。

2011年版和2022年新版《义务教育化学课程标准》都要求学生了解结晶现象，能根据不同物质的溶解度随温度变化的特点，选择合适的结晶方法对物质进行分离和提纯，能举例说明结晶现象 ^[2，3]。初中化学教材中的结晶实验大多是观察无机盐的结晶，如硝酸钾、氯化钾、明矾等，实验注重的是结晶的结果，即眼睛能够看到有晶体析出为止，如人教版初中化学九年级下册第9单元课题2《溶解度》实验9-6中将热的硝酸钾饱和溶液冷却后，硝酸钾晶体从溶液中析出^[4]。教材中的实验呈现了宏观上晶体从无到有的过程，没有涉及结晶时溶液内部发生的微观动态变化。为了让学生深刻理解和认识物质结晶的过程，了解降温结晶的原理和方法，本文利用光学技术开发了观察硝酸钾结晶过程的拓展性教学实验，旨在培养学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

1 实验目标

（1）通过实验，进一步认识结晶现象，了解常用结晶方法——降温结晶的原理。

（2）通过观察、实验、讨论交流等，掌握降温结晶的基本实验操作技能，培养学生观察能力、探究能力及合作交流的能力。

（3）通过观察激光光束穿过溶液形成的光学图像的动态变化，体会科学探究的乐趣，提升学生化学学科核心素养，培养科学思维方法。

2 实验原理

当光线从一种介质射入另一种介质（折射率：n₁＜n₂）时，光线会发生折射现象，如图1所示。

如果光线在传播过程中连续通过多层折射率不相同的介质时，光线的传播方向会发生连续偏折。光线在通过折射率逐渐增大或逐渐减小的介质时会发生弯曲传播。如果介质层次够多而且足够薄的话，则可以将其看作连续的非均匀介质，因此可推知光在非均匀介质中的传播路径为曲线^[5]。

依据光在非均匀介质中弯曲传播的特性，通过观察光束透过溶液形成光斑的动态变化，实时了解硝酸钾降温结晶的微观过程，实现结晶过程微观变化的可视化，也可以判断结晶完成的终点。

3 实验仪器和药品

10 mW 532 nm激光发射器、50 mL量筒、方形玻璃杯（6×6×9 cm）、玻璃棒、药匙、托盘天平、铁架台、升降台、托盘（12×12×3 cm）、手套、电热套、秒表、白色幕布；硝酸钾、蒸馏水、冰块。

4 实验装置

实验装置见图2，打开激光器开关后使激光束投射在白色幕布的中心位置；将方形玻璃杯放置在升降台上，调节玻璃杯和升降台使激光束穿过玻璃杯中溶液的中部为宜。

5 实验操作

5.1 固体溶质的选择

考虑到硝酸钾的溶解度大小随温度升降变化比较明显，故本实验采用硝酸钾做溶质。

5.2 对照实验

取两个图2所示的方形玻璃杯，分别加入100 mL蒸馏水和室温下硝酸钾饱和溶液，打开激光器开关，观察到白色幕布上的光斑均不随时间变化而变化，见图3。在水和硝酸钾饱和溶液中，它们各自的组成始终是均一的即不存在浓度梯度的变化，光线通过均匀介质时沿直线传播，因此投射到屏幕上的光斑未发生波动。

5.3 硝酸钾降温结晶实验

5.3.1 制备硝酸钾过饱和溶液

用量筒量取100 mL蒸馏水倒入方形玻璃杯中，然后用天平准确称量36.0 g硝酸钾固体，将硝酸钾固体倒入杯中，在电热套上加热溶解，待到硝酸钾全部溶解后，停止加热。

5.3.2 冷却结晶，观察光斑变化

在托盘中提前放好冰水，把托盘放置在升降台上将方形玻璃杯放置在托盘中，然后打开激光器调整升降台高度，使激光束穿过杯中的溶液在白色幕布上投射出圆形光斑，如图3所示。观察光斑随时间的变化之现象，当光斑中出现明暗相间的类网状条纹时，开始计时；光斑恢复到稳定状态时，终止计时。激光束穿过硝酸钾过饱和溶液在5 min、15 min、30 min和35 min形成光斑的图像见图4。

在硝酸钾饱和溶液结晶的起始阶段，溶液内部浓度梯度最大，整个溶液呈现出不均一性最高，此时光斑波动最大。随着硝酸钾的不断析出，溶液中的浓度差逐渐变小，光斑波动幅度也逐渐减弱，直至光斑恢复稳定，即表明该温度下硝酸钾结晶完成。

当激光束通过硝酸钾浓度不均一的溶液（即非均匀介质）时，光线会发生弯曲传播，因此激光透过溶液在幕布上形成了明暗相间、类网状的动态光学图像，如图4中A为5 min时光斑的图像。随着冷却时间的延长，硝酸钾晶体不断从溶液中析出，溶液内部浓度梯度逐渐变小，不均一性也变小，光线传播的弯曲程度也减小，直至溶液内部浓度均一，光斑逐渐恢复稳定，不再有明暗相间的类网状条纹出现，光斑变化如图4所示。

6 实验小结

根据光在非均匀介质中弯曲传播的特性，借助激光技术，实现了固体物质降温结晶过程的微观变化的可视化。首先，配制常温下的硝酸钾过饱和溶液，然后利用冰水混合物进行降温结晶，通过观察激光束透过溶液投射到屏幕上光斑随时间的变化，判断硝酸钾结晶过程的完成。该实验用于九年级化学实验教学具有下列优点：

（1）传统实验往往通过观察无机盐类过饱和溶液在温度降低时的变化，即在烧杯的底部看到晶体从无到有的析出，来认识结晶现象，如明矾结晶、硝酸钾结晶等。该实验借助光学技术，把固体化合物在结晶过程中因内部浓度梯度的变化而产生的“光斑波动较大——逐渐减弱——恢复稳定”的动态变化过程清晰呈现出来，使学生能够从宏观和微观相结合的视角认识和分析物质在结晶过程中溶液浓度的变化，提升“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。同时该实验通过光斑稳定即结晶溶液内部浓度再无变化确定结晶的终止，对固体化合物利用结晶性质纯化的工业生产也具有重要意义。

（2）该实验利用光线在均匀介质中直线传播和在非均匀介质中弯曲传播的特性，实现了化合物结晶过程的实时观察，将光学技术和固体化合物在溶液中的结晶性质相结合使学生在学习结晶现象的同时又能了解相关的光学知识和技术，具有很好的学科综合性。

（3）该实验装置简单、操作方便、现象明显，同时又具有安全性高、实验成本低、耗时短等优点，适合作为九年级化学教学内容“结晶现象”的拓展性实验。

参考文献：

[1]教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见[J].中华人民共和国教育部公报，2019（12）：19-21.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2012.

[3]中華人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[4]王晶，郑长龙主编.义务教育教科书化学·九年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012.

[5]刘志存，唐琪.高中物理拓展性实验[M].西安：陕西师范大学出版总社有限公司，2021： 38-39.