利用液滴實驗探究幾個典型沉淀反應

曾濤 廖連燕 楊興 張瑞

摘要： 利用微量化液滴實驗方法，對BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3典型沉淀反應進行探索和條件優(yōu)化，對沉淀在濁態(tài)和干態(tài)下的電子顯微鏡成像表征進行對比考察，達到了耗試劑微量、操作簡單、實驗儀器經(jīng)濟、實驗現(xiàn)象明顯、實驗結果生動有趣等效果，彌補了常規(guī)實驗用量大，觀察不到反應過程等缺陷，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)沉淀實驗方法的優(yōu)化和補充。

關鍵詞： 液滴實驗； 微量化實驗； 沉淀反應； 玻璃片液膜； 電子顯微鏡成像

文章編號： 1005-6629（2018）7-0075-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

微量化化學實驗是在微型化學實驗（Microscale Laboratory）的基礎上發(fā)展起來的實驗原理和技術，聚焦于使用常規(guī)儀器達到微型實驗的目的，即以盡可能少的試劑獲取所需化學信息[1]。微型實驗中由于使用的儀器裝置過小使實驗的可見度降低，影響了學生的觀察和教學效果。微量化實驗彌補了微型實驗的不足，它使用常規(guī)儀器和微量反應物，但仍能達到常規(guī)實驗的可見度。基于此功能和特征，在中學化學實驗中研究和推廣微量化實驗十分必要[2]。

微量化實驗以玻璃片等常規(guī)儀器為反應載體，通過微劑量（1～2滴）反應物接觸后的擴散過程，研究反應過程和反應產(chǎn)物[3]。液滴微量化實驗相對于傳統(tǒng)試管實驗有幾個優(yōu)勢： 首先，與經(jīng)典沉淀實驗使用試管相比，液滴實驗使用玻璃片作為實驗器材，玻璃片更加容易得到，堅固實用，重復使用率高；其次，傳統(tǒng)試管實驗每種反應物的用量大概在1～2毫升之間，而液滴實驗用量極其微小，一般為1～2滴，是傳統(tǒng)實驗試劑用量的百分之一；其三，在玻璃片上做實驗，沉淀的形成過程和沉淀干化后的狀態(tài)不僅肉眼觀察現(xiàn)象更加明顯，還可以直接在顯微鏡下觀察。本研究通過液滴實驗方法，對BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3典型沉淀反應的條件進行了探索和優(yōu)化，對沉淀的濁態(tài)和干態(tài)的電子顯微鏡成像進行了考察，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)沉淀實驗的優(yōu)化和補充。

1 BaSO4和CaCO3沉淀反應

實驗儀器和藥品： 2～3mm厚、10×10cm大小的透明玻璃片、略大于玻璃片的黑色卡紙、膠頭滴管、尖頭玻璃棒、電子顯微鏡（型號為ALYMPUS CX41，目鏡10×，物鏡10×，放大倍數(shù)為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+與SO2-4反應

實驗過程： 將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L BaCl2溶液，其右側約1cm處滴加1～2滴0.1mol/L Na2SO4溶液，用尖頭玻璃棒引導兩種溶液相互接觸后，溶液發(fā)生自然擴散，現(xiàn)象見圖1。

1.2 Ca2+與CO2-3反應

將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L Na2CO3溶液，其右約1cm處滴加1～2滴0.1mol/L CaCl2溶液，用尖頭玻璃棒引導兩種溶液相互接觸后，溶液發(fā)生自然擴散，現(xiàn)象見圖4。

1.3 結果討論

將每一種反應物按照1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L濃度配制，進行交叉實驗，得到BaSO4與CaCO3的最佳反應物濃度均為0.1mol/L，濁態(tài)最佳成像反應物濃度均為0.01mol/L；干態(tài)BaSO4最佳成像反應物濃度為0.1mol/L，干態(tài)CaCO3最佳成像反應物濃度為0.001mol/L。

BaSO4與CaCO3是中學典型的兩種白色沉淀物，二者加入稀鹽酸后，沉淀溶解并放出氣體的物質是CaCO3，沉淀不溶解的物質是BaSO4。對比兩者沉淀的顯微鏡成像圖片可發(fā)現(xiàn)，BaSO4與CaCO3雖均為白色沉淀，但其沉淀的外在特征有所差異： CaCO3沉淀顆粒感較為明顯，BaSO4沉淀更加細膩均勻；干態(tài)時，CaCO3沉淀聚集后呈現(xiàn)光滑的表面，且多處凹陷，BaSO4呈明顯的條狀分布。

2 Al（OH）3和Zn（OH）2沉淀反應

Al（OH）3和Zn（OH）2是中學常見的典型兩性氧化物沉淀，表現(xiàn)為在酸性或堿性環(huán)境中，沉淀溶解。

2.1 Al3+與OH-反應

將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴1mol/L AlCl3溶液，其右側約1cm處滴加1～2滴1mol/L NaOH溶液，用尖頭玻璃棒引導兩種溶液相互接觸后，緩慢生成少量白色沉淀，自然擴散速度很慢，用尖頭玻璃棒將一種溶液引入另一種溶液內部，迅速生成大量白色沉淀，如圖7所示。

反應的離子方程式為Al3++3OH-Al（OH）3↓。加5～6滴1mol/L NaOH到圖7的Al（OH）3白色沉淀上，用尖頭玻璃棒攪拌，白色沉淀迅速減少，至全部溶解，反應的離子方程式為Al（OH）3+OH-Al（OH） -4。將反應生成的Al（OH）3自然狀態(tài)下靜置，電子顯微鏡下觀察成像，濁態(tài)成像如圖8所示，干態(tài)成像如圖9所示。

2.2 ZnCl2與NaOH反應

將黑色卡紙置于玻璃板底部，在玻璃板上滴加1～2滴1mol/L ZnCl2溶液，其右側約1cm處滴加1～2滴0.1mol/L NaOH溶液，用尖頭玻璃棒引導兩種溶液相互接觸后，生成大量Zn（OH）2白色沉淀，如圖10所示。

2.3 結果討論

將每一種反應物按照1mol/L、 0.1mol/L、 0.01mol/L、 0.001mol/L濃度配制，進行交叉實驗，得到AlCl3溶液和NaOH溶液最佳濃度為1mol/L， ZnCl2溶液和NaOH溶液的最佳濃度分別為1mol/L、 0.1mol/L。圖7是AlCl3、 NaOH溶液濃度為1mol/L，用量1∶3擴散過程的局部照片，圖8為反應的濁態(tài)圖像，圖9為反應的干態(tài)圖像。圖10為1mol/L ZnCl2與0.1mol/L NaOH反應圖片，圖11為濁態(tài)Zn（OH）2沉淀的顯微鏡成像，圖12為干態(tài)Zn（OH）2沉淀的顯微鏡成像。

AlCl3和NaOH反應的自然擴散效果不好，玻璃棒攪拌后，才產(chǎn)生大量的白色沉淀，沉淀聚集成簇狀。濁態(tài)Al（OH）3在顯微鏡下呈現(xiàn)大理石般的美麗細紋，干態(tài)呈現(xiàn)樹葉狀，中間夾雜不規(guī)則的塊狀。ZnCl2和NaOH的自然擴散效果好，無需外力，白色沉淀自行先產(chǎn)生后消失，沉淀均勻細膩。濁態(tài)Zn（OH）2的顯微鏡成像出現(xiàn)部分梯狀紋路，干態(tài)成大小相似的塊形條紋。

3 Fe（OH）3沉淀反應

在玻璃板上滴加1～2滴0.1mol/L FeCl3溶液，其右側1.5cm處滴加1～2滴1mol/L NaOH溶液，用尖頭玻璃棒引導兩種液滴形成相鄰溶液膜，并互相靠近至自然擴散反應，現(xiàn)象見圖13。

反應的離子方程式為Fe3++3OH-Fe（OH）3↓。此反應的FeCl3、 NaOH溶液的最佳濃度分別為0.1mol/L、 1mol/L。隨著反應的進行，F(xiàn)e（OH）3呈現(xiàn)一條紅棕色的色帶向NaOH方向推進，如圖14所示。

濁態(tài)Fe（OH）3的顯微鏡成像出現(xiàn)紅棕色薄紗飄逸的景象，十分美麗，干態(tài)出現(xiàn)了正四面體狀的晶狀固體（如圖15所示）。此處的晶體與結晶不同，結晶是分子從飽和溶液里面析出，逐漸覆蓋在晶核表面，過程緩慢，粒子排列嚴格有序；而此處的晶狀沉淀為反應中快速生成，推測其過程，開始為極細小的固體顆粒，隨著液體的蒸發(fā)，聚集到一起后成為晶體，此晶體不結實但依然呈有序的狀態(tài)[4]。

以上用液滴實驗探討了中學常見的BaSO4、 CaCO3、 Al（OH）3、 Zn（OH）2、 Fe（OH）3的沉淀反應。相比于傳統(tǒng)試管實驗，液滴實驗的試劑用量少，試劑在玻璃片上以近似液膜的厚度平鋪，學生在感受沉淀從無到有、從少到多的過程中，清晰地觀察到沉淀形成的過程和沉淀特征，實現(xiàn)了化學實驗的微量化和綠色化。運用電子顯微鏡的成像作用，能夠進一步觀察其濁、干態(tài)特征，對促進基礎知識的理解和掌握、感受美妙的化學世界、激發(fā)學習化學的興趣、形成愛化學、學化學的化學觀念以及養(yǎng)成化學學科素養(yǎng)具有促進作用。

微量化液滴實驗可以進一步趣味化，如在玻璃板上平鋪一層液膜，將另一種試劑噴灑在液膜上，制造雪花、大理石紋路的趣味場景。微型實驗還可以進一步用于教學中，如將Al（OH）3的液滴實驗作為先行組織者的前置性學習材料，探究Zn（OH）2的性質。開發(fā)更多的微量化液滴實驗，實現(xiàn)趣味化、教學常態(tài)化和儀器生活化[5]，是液滴實驗進一步研究和發(fā)展的方向。

參考文獻：

[1]劉一兵， 沈戮. 微型化學實驗課程資源的開發(fā)和利用[J]. 課程·教材·教法， 2007， （3）： 62～66.

[2]張鳳瓊. 初中化學微量化實驗的研究[J]. 化學教學， 2010， （6）： 54～56.

[3]吳瓊等. 液膜擴散法鑒定溶液中的Fe3+和Fe2+[J]. 化學教學， 2017， （11）： 53～55.

[4]聶德明. 顆粒沉降及其在流場中做布朗運動的研究[D]. 杭州： 浙江大學博士學位論文， 2011.

[5]李光珍. 五個高中化學實驗的微量化改進[J]. 化學教學， 2014， （5）： 55～57.