碳酸鋇晶形合成與觀察的基礎新實驗設計

摘要 通過大量實驗摸索，設計出適合課堂教學的晶形生長和觀察的微量合成實驗，給出晶形合成與培養觀察的微型基礎新實驗方法。

關鍵詞 新實驗; 碳酸鋇晶形;顯微鏡

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X (2007)01-0022-02

A New Basic Experiment Design on Barium Carbonate Crystal Synthesis and Observation//Li Chunmei1， Liu Weiming1*， Shen Yushuang2，Pei Fanghua1， Jia Miying1，Zhuang Xuhong1

Abstract Through much experiments， the growth of crystal that fitting teaching and observing micro-compound experiment is designed， meanwhile， a new basic experiment design on barium carbonate crystal minisize synthesis and observation is given.

Key wordsnew experiment；barium carbonate crystal； microscope

Author's address

1. College of Chemistry and Material Sciences， Hebei Normal University， Shijiazhuang 050016

2. Hebei Chemical and Pharmaceutical College， Shijiazhuang 050031

目前在眾多教材中普通合成實驗較多而微觀晶形觀察的實驗較少；隨著科學的發展，新材料的晶形合成實驗有所增加，但主要是通過大型儀器表征，使其在基礎實驗教學中的推廣受到限制，因此對于普通晶體和納米級顆粒之間的晶形觀察實驗，生物顯微鏡顯出一定的優勢。為我們通過大量實驗摸索，設計出適合課堂教學的晶形生長和觀察的微量合成實驗，給出二種碳酸鋇晶形合成和培養觀察的完整實驗方法。在教學實踐檢驗中受到了師生的普遍歡迎，可激發學生的學習興趣，提高教學效果。實驗設計：

1 實驗目的

1）了解不同晶形碳酸鋇的用途及制備過程。

2）掌握用均相沉淀法和復分解法制備碳酸鋇晶體。

3） 學會顯微鏡觀察的一般使用方法。

2 實驗原理

BaCO₃是一種重要的化工原料，在建材、冶金、電子和化工等諸多領域具有廣泛的應用。

碳酸鋇具有多種晶形，常見的有球形、針形、柱形等。不同應用領域對碳酸鋇晶形要求不同，其中針狀BaCO₃作為微電子工業及塑料，橡膠涂料等的填充料；球狀BaCO₃目前在PTC熱敏電阻元件的生產中使用較多，它可使電容器具有較高的介電常數和溫度特征，從而使其具有小型化、高頻率、大容量等特點[1-3]。

碳酸鋇的制備方法通常有純堿法、碳化法、復分解法、毒重石轉化法和均相沉淀法。制備方法和控制條件不同對晶體形狀影響較大。本實驗采用均相沉淀法，以BaCl₂，NaOH和尿素為原料，制備針狀BaCO₃晶體；采用復分解法，以BaCl₂和 Na₂CO₃為原料，制備球狀BaCO₃晶體[4-5]。

均相沉淀法可使沉淀劑均勻緩慢的產生，有利于得到晶形完整、分散性好的晶體。當溫度高于60℃時，尿素在酸性中性和堿性溶液中均可水解，且水解速度隨溫度的升高而加快。利用尿素在堿性條件下水解產生的O₃^2－與Ba²⁺反應生成針狀碳酸鋇晶體。反應時間較長溫度較高及慢速攪拌或不攪拌，均有利于針狀碳酸鋇晶體的生成。水解反應為：

復分解法制備球狀碳酸鋇時，由于反應物濃度較大，晶體的成核速度大于生長速度，定向速度大于聚集速度，故可得到粒徑較小的球狀晶體（粒徑μm 級）。攪拌和低溫有利于球狀碳酸鋇晶體的生成。

3 儀器和藥品

實驗儀器: 磁力加熱攪拌器、超聲波清洗器（KQ-250DE， 昆山市儀器有限公司）、電子天平、恒溫水浴鍋、生物顯微鏡(BK1201，1000X重慶光學儀器廠)、掃描電子顯微鏡（日立S-570）。

藥品：BaCl₂#8226;2H₂O、 Na₂CO₃#8226;10H₂O、 CO(NH₂)₂，NaOH，均為分析純。0.01mol/LAgNO₃溶液。

4 實驗方法及步驟：

4.1 針狀BaCO₃晶體的制備

1）母液的制備。稱取1.1g CO(NH₂)₂ ，置于50mL燒杯中，加入7.5mL 1mol/LNaOH溶液，攪拌至尿素完全溶解。再加入3.0mL 1mol/L的BaCl₂溶液，混合，搖勻。加熱至50℃左右，過濾。將清液轉移到大試管中備用。

2）晶體的生成。將裝有清液的大試管置于85℃的恒溫水浴鍋內加熱保溫1.5h至有沉淀生成。將大試管中的沉淀完全轉移到離心試管中，用蒸餾水離心洗滌至清洗水中不含Cl－，取清液，加入0.01mol/L AgNO₃溶液，檢驗無白色沉淀生成。將離心試管中沉淀完全轉移到蒸發皿中，焙干，稱重，回收，計算產率。

3）晶體的觀察。分別在保溫時間為0.5h、1h、1.5h時取沉淀進行觀察。方法是取少量沉淀物于小試管中加入無水乙醇、振蕩（或超聲波清洗器振蕩10min）使晶體分散良好后，取一滴懸浮液滴在載玻片上，自然揮發干燥，顯微鏡下觀察；比較晶形隨時間的變化；并分別用目鏡刻度尺測量針狀BaCO₃晶體的針長和徑寬的范圍。

4.2球狀BaCO₃晶體的制備

1）晶體的制備。稱取1.2g BaCl₂#8226;2H₂O和1.4gNa₂CO₃#8226;10H₂O分別配置成0.5mol/L的溶液置于兩個50ml小燒杯中。攪拌條件下將一種溶液緩慢滴入另外一種溶液中，將所得沉淀陳化20min。用蒸餾水洗滌沉淀不含Cl^－，AgNO₃溶液檢驗方法同前4.1.2。將所得沉淀溶液轉移至蒸發皿中，焙干，稱重，回收，計算產率。

2）晶體的觀察：顯微鏡觀察方法同前4.1.3。用目鏡刻度尺測量球狀BaCO₃晶體顆粒的平均粒徑。

4.3產品表征及結果討論

1）沉降特性：分別取少量等量的兩種晶體產品，各倒入燒杯中，加入20ml蒸餾水，充分攪拌，超聲振蕩10min，然后轉移懸浮液至比色管中，上下翻轉數次，觀察，記錄完全沉降時間，比較兩種BaCO₃晶形的沉降特性[6]。實驗結果：針狀BaCO₃沉降速度相對緩慢，分散性較好；這個結果和下面的電鏡圖片結果一致。球狀BaCO₃的粒徑雖然較小，但由于分散性較差，容易聚結成較大顆粒，沉降時大顆粒BaCO₃先快速沉降，小顆粒的再緩慢沉降。

2）BaCO₃晶體形貌：在顯微鏡下觀察可明顯看到碳酸鋇晶體形貌，在此用掃描電鏡圖片（SEM圖）作對比說明：針狀碳酸鋇晶體隨保溫時間的延長變長變粗，分散性較好；球狀碳酸鋇粒徑分布范圍較大，小顆粒出現聚結現象；當顯微放大倍數為1000X觀察時，碳酸鋇濃度取極稀并充分振蕩，可明顯看到單顆粒球狀晶體。目鏡刻度尺的測量結果：針狀BaCO₃針長10～120um，徑寬0.4～4.5um；球狀BaCO₃平均粒徑0.28um。

5 思考題

1）針狀BaCO₃晶體的制備為什么選擇在堿性條件下進行？中性及酸性各有哪些缺點？

2）對比三次觀察針狀晶體形狀有什么不同之處，試分析原因。

3）試分析總結影響晶體形狀的主要條件因素。

備注說明：合成針狀BaCO₃晶體的較高產率是保溫6小時，3課時實驗保溫1小時進行觀察；4課時實驗保溫1.5小時進行觀察；作綜合實驗還可增加純度檢驗如雜質鈣的測試等內容。