溶解结晶理论与大晶体培养

任雪明 吴文中

溶解结晶理论与大晶体培养

任雪明1吴文中2

（1浙江省教育厅教研室浙江杭州310012；2浙江省绍兴市第一中学分校浙江绍兴312000）

从热力学和动力学、宏观和微观等不同角度分析溶解和结晶的过程及机理，探究影响大晶体形成的因素及其原因，帮助师生从本质上认识高中化学教科书中的相关实验操作及原理。

溶解；结晶；平衡；迈耶理论；大晶体

苏教版《实验化学》模块“影响晶粒生成的条件”指出，晶体颗粒的大小与结晶条件有关，溶质的溶解度越小，或溶液的浓度越高，或溶剂的蒸发速度越快，或溶液冷却得越快，析出的晶体就越细小；反之，可得到较大的晶体颗粒［1］。

在教学实践中，中学师生对这段文字往往不知就里，只能靠死记硬背。本文以固体物质在水中的溶解为例，结合溶解、结晶的相关理论，对晶体的生成及其影响因素进行剖析。

一、溶解、结晶及其影响因素

溶解：溶质分子或离子分散到水中形成水合分子（或离子）的过程。

影响固体物质溶解的因素通常有：溶质及其构成微粒固有的性质（如晶体类型、晶格能、晶体微粒的半径及电荷等）；溶液的温度；溶剂的性质及其与溶质固体的相互作用。

结晶：溶液中的水合溶质分子（或离子）回到晶体表面形成晶体的过程。

影响结晶的因素通常有：晶核的形成（通过自然形成或添加晶种）；晶核的生长（通过改变温度或蒸发溶剂）；溶液的温度；溶质的浓度。

二、溶解结晶平衡

NaCl固体在水中的溶解过程可描述如下（图1）：

图1 NaCl在水中的溶解示意图

溶解刚开始时，单位时间内从固体NaCl表面扩散到溶液里的Na+和Cl-数多于从溶液中回到固体表面的Na+和Cl-数，我们能观察到固体NaCl在不断减少，此时NaCl的溶解速率大于结晶速率。

随着溶液中Na+和Cl-数的增多（溶质离子浓度增大），从溶液中回到晶体表面的Na+和Cl-数也不断增多，也即结晶速率逐渐增大。虽然NaCl固体的溶解速率基本不变，但由于结晶速率的增大，可以发现单位时间内NaCl固体的减少变慢了。

当单位时间内从固体表面扩散到溶液里的Na+和Cl-数和回到固体表面的Na+和Cl-数相等时，NaCl固体的量便不再发生变化，此时得到的溶液便是NaCl饱和溶液。此时，溶解和结晶的过程仍在进行，但两者的速率相等，达成了一个溶解-结晶平衡：

当外部条件发生改变时，溶解速率和结晶速率便会发生改变，旧的溶解-结晶平衡被破坏，直到达成新的溶解-结晶平衡。如图2：

图2 外部条件改变对物质溶解和结晶速率的影响

上图中，各时间段所表示的状态依次为：

0～t1：某温度下，将适量NaCl固体加入一定量水中，固体不断溶解，到t1时达到溶解-结晶平衡。

t2-t3：t2时刻升高溶液温度，此时溶解速率和结晶速率均会增大，但由于NaCl固体溶于水时，离子扩散吸收的热量比离子水合放出的热量多，升温更有利于NaCl的溶解，因而t2-t3阶段又有部分NaCl固体发生溶解，直至达到新的溶解-结晶平衡。

t4-t5：t4时刻往饱和溶液中加入少量水，导致溶液中Na+离子和Cl-离子浓度降低，结晶速率降低，平衡被破坏，NaCl固体继续溶解，到t5时再次建立新的平衡。

三、结晶

1.迈耶理论［2］

迈耶理论认为，对于固体溶质B而言，存在两条浓度曲线a和b，曲线a为饱和溶液的浓度曲线，曲线b为过饱和溶液的最大浓度曲线，不同浓度B溶液的安定性如图3。

（1）曲线a以下为安定区，曲线b以上为不安定区，a与b之间则为准安定区。

（2）在准安定区，只能成长晶体不能生成晶体，若加入少数微小晶体作为晶种，如控制得当，可得较大之晶体。

（3）在不安定区，会同时析出大量微小晶体，从而使过饱和溶液中的溶质迅速减少，使晶体无法“长大”，只能得到微小的晶体。

图3 迈耶理论

2.大晶体的形成

依据迈耶理论，结晶法制作形成较大的晶体颗粒的必要条件是，溶液处在准安定区，且操作时应缓慢小心，避免使溶液进入不安定区。

据此，《实验化学》模块中析出细小晶体的各种原因便十分清晰了。

对于溶质B的饱和溶液而言，溶剂的蒸发速度越快，或溶液冷却得越快，就越容易进入曲线b以上到达不安定区，同时析出大量细小的晶体，如图4。

图4 细小晶体的形成原因

同样地，溶质B的溶解度越小，或者B溶液的浓度越大，条件改变时其溶液也越容易到达不安定区，同时析出大量细小的晶体。

如：由于AgI的溶解度极小，向KI溶液中滴加AgN03溶液时，立刻就能看到白色浑浊现象，当KI溶液和AgN03溶液的浓度均很小时，甚至还可得到AgI胶体。这就是较为典型的在不安定区直接得到微小晶体的实例。

因此，只要我们在操作（降温，浓缩、升温）过程中，尽量使溶液始终处在准安定区，便有可能使晶体慢慢“长大”，形成较大的晶体颗粒。

3.培养明矾晶体实验解析

根据迈耶理论，我们可以很好地理解《实验化学》专题2“课题1：铝及其化合物的性质”中“培养明矾晶体”实验的操作要领［3］。

［步骤1］向250mL烧杯中加入120mL比室温高10～20℃的水，分批加入明矾晶体，用玻璃棒搅拌，至晶体不再溶解为止。待溶液自然冷却到比室温高3～5℃，将溶液倒入另一只烧杯中，用硬纸板盖好，静置过夜。

［解析］晶体不再溶解时的溶液是明矾的饱和溶液，自然冷却到比室温高3～5℃，形成过饱和溶液，此时无晶体析出，过饱和溶液处在准安定区。之所以要求在10～20℃之间得到饱和溶液，是因为假如温度过高的情况下得到饱和溶液，则降温到比室温高3～5℃时，就容易出现降温过多过快的情况，使溶液处于不安定区，导致大量的微小的晶体析出，达不到实验目的。

［步骤2］从烧杯中选取两粒形状规则的小晶体作为晶核，将所选的晶核用细线轻轻系好。

［解析］假如不加晶种，则溶液一定要等到处于不安定区才能有晶体析出，且得到的晶体颗粒较小。

［步骤3］把步骤1中配制的明矾溶液倒入另一只烧杯中，注意不要将已结晶出来的明矾倒出，再向溶液中加入适量明矾，加热使其成为比室温高10～20℃的饱和溶液。待溶液开始自然冷却时，将小晶体悬挂在烧杯的中央，用硬纸板盖好烧杯，静置过夜。

［步骤4］每天把用细线系着的明矾晶体取出，重复步骤3的操作，直到晶体长到一定的大小。

［解析］“自然冷却”、“用硬纸板盖好烧杯”都是为了减缓冷却速度和水分蒸发速度，从而确保在准安定区内形成较大的晶体。重复的操作中，无须加晶种，因为已经有了晶种的存在。

显然，培养较大明矾晶体的关键是尽量减缓冷却及水分蒸发的速度，本实验如能在隔热装置（如中和热测定实验装置）中进行，效果会更好。

四、结语

《普通高中化学课程标准》要求学生“能对实验现象做出合理的解释，运用比较、归纳、分析、综合等方法初步揭示化学变化的规律”［4］，全国及各省高考《化学学科考试说明》也把“能够正确判断、解释和说明有关化学现象和问题，即不仅‘知其然’，还能‘知其所以然’”作为学生理解并掌握知识的重要目标。高中化学学科教学在教给学生知识的同时，更要帮助学生在学习和探究活动中释“疑”解“惑”，使化学知识和理论的教学真正做到言之有理，析之有据，触类旁通，举一反三。

［1］王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书：实验化学［M］.南京：江苏教育出版社，2009：14

［2］百度百科.晶种.http：//baike.baidu.com/view/1572792. htm

［3］王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书：实验化学［M］.南京：江苏教育出版社，2009：22

［4］中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准（实验）［S］.北京：人民教育出版社，2004：30

1008-0546（2013）11-0014-02

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