显微镜下的同离子效应探析

摘要

“沉淀溶解平衡”具有微观和抽象的特点，导致学生在理解沉淀溶解平衡影响因素时存在困难。利用显微摄像技术探究同离子效应对CaCO₃沉淀溶解平衡的影响，可直观地观察到肉眼无法观察到的沉淀形态和沉淀数量的变化及过程。实践证明，将这些信息以图片或视频的形式呈现给学生，可在一定程度上帮助学生理解和记忆这部分知识。

Graphical abstract

关键词

显微摄像技术 / 碳酸钙 / 沉淀溶解平衡 / 同离子效应

“沉淀溶解平衡”是人教版高中化学选择性必修1中的内容，是高考的热点和重点内容之一。沉淀溶解平衡内容的理论分析性较强，要求学生有较强的思维能力和理解能力。目前，关于“沉淀溶解平衡”的教学研究主要集中在教学设计与反思、教学策略研究、知识分析与习题解答等方面^［1-8］，但都只是停留在分析层面，仅仅引导学生通过想象、推理等方法来理解沉淀溶解平衡的概念，并没有从可视角度帮助学生去理解其实质。白洁等^［9］发现提到关于同离子效应对沉淀溶解平衡的影响，叙述正确的学生只占13.33%，可见学生对这部分内容的掌握效果不佳。张婷等^［10］采用数字化实验让学生对CaCO₃ 沉淀溶解平衡有了一个直观认识。但是，数字化实验并没有让学生清晰地看到沉淀增多的具体过程，学生印象不够深刻。同时，在沉淀的生成课堂演示实验中，受反应迅速、沉淀量少等原因影响，学生很难清晰地看到明显的实验现象及变化过程。

近年来在化学领域，可利用显微摄像技术将细微难辨的实验现象加以放大。例如，利用显微镜观察到从溶液中析出的硫酸铝钾晶体表面纹理^［11］、碳酸钙沉淀结晶为微小的圆形颗粒状^［12］；利用显微镜观察氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应、硫酸铜溶液与氢氧化钠溶液反应的实验现象，从中发现前者生成的沉淀是絮状的，后者生成的沉淀是颗粒状的^［13］。在显微摄像技术的辅助下，可以将反应中的细微变化过程拍摄下来并呈现给学生，能在一定程度上帮助学生理解和记忆这部分知识。

为了帮助学生更好地理解和记忆同离子效应对CaCO₃ 沉淀溶解平衡的影响，笔者利用显微摄像技术展示不同浓度下Ca²⁺、CO₃^2-对CaCO₃沉淀溶解平衡影响随时间变化的现象，让学生直观地观察到沉淀形态和沉淀数量的变化及过程，不但可以使学生从另一个角度去感受沉淀溶解平衡移动的过程，增强学生对这部分内容的学习兴趣，还可以使学生的注意力更加集中，自然能在一定程度上帮助学生理解和记忆这部分知识。

1 显微实验

1.1 实验材料

碳酸钙（分析纯）、氯化钙（分析纯）、碳酸钠（分析纯）、蒸馏水。

1.2 实验仪器

显微成像系统为显微熔点测定仪（上海微图仪器科技有限公司），包含SPL-50生物显微镜、CCD摄像头（200万像素）和WT-3000-12S精密恒温加热台。生物显微镜用于观察细微变化，CCD摄像头用于拍摄记录细微现象，恒温加热台用于实验过程中的加热和保温处理。容积约为176 mL的石英样品池是定制的实验容器，其设计加工方法如下：先在一块直径为25 mm、高度为3 mm的石英中心开圆形槽孔（直径15 mm，深度为1 mm），再对槽孔表面进行抛光处理即可。

配制一定浓度溶液所需仪器有：大龙移液器（规格为20～200 µL）、天平、容量瓶、钥匙、烧杯及玻璃棒。

1.3 实验步骤

（1） 配制氯化钙溶液。称量一定质量的氯化钙固体，放入烧杯中，加入适量蒸馏水溶解，配制0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L浓度梯度的氯化钙溶液，密封保存，备用。

（2） 配制碳酸钠溶液。称量一定质量的碳酸钠固体，放入烧杯中，加入适量蒸馏水溶解，配制0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mol/L浓度梯度的碳酸钠溶液，密封保存，备用。

（3） 显微镜观察。向样品池中移取200 µL 0.1 mol/L氯化钙溶液，然后在样品池中加入极少量碳酸钙粉末，分别调节显微镜粗动调焦手轮和微动调焦手轮，直至找到最佳观察视野。之后利用CCD摄像头，每隔5 min拍摄一张照片，直至现象无明显变化，停止拍摄。

采用同样的方法，只改变氯化钙溶液的浓度和碳酸钠溶液的浓度，重复上述实验操作。

2 结果与分析

2.1 不同浓度梯度的氯化钙溶液的结果与分析

0.1 mol/L Ca²⁺对CaCO₃沉淀溶解平衡影响随时间变化现象如图1所示：在显微镜视场观察范围内，每隔5 min对沉淀溶解现象进行拍照，然后观察所有的图片，从中挑选出沉淀数量及形状发生变化的图片，观察者聚焦于每次增加的沉淀颗粒数量，数出沉淀颗粒的数量。随着时间的延长，沉淀颗粒数逐渐增多。

如图1-a所示，在0～30 min内，沉淀颗粒数量与沉淀形状并无明显变化；如图1-a、图1-b所示，在30～90 min内，方框中沉淀颗粒数量由3 颗变为4 颗，颗粒数量增多；在90 min后沉淀量不再发生变化。

0.5 mol/L Ca²⁺对CaCO₃沉淀溶解平衡影响随时间变化现象如图2所示：在显微镜视场观察范围内，随着时间的延长，每隔5 min对沉淀溶解现象进行拍照，然后观察所有图片，从中挑选出沉淀数量及形状发生变化的图片，观察者聚集于每次增加的沉淀颗粒数量，数出沉淀颗粒的数量。据此发现：沉淀颗粒数和形状发生改变，颗粒数逐渐增多。

如图2所示，在0～50 min内，沉淀的形状都有变大的现象。如图2-b、图2-c所示，在20～90 min内，沉淀颗粒由3颗增加到10颗；如图2-c、图2-d所示，在90～165 min内，方框中沉淀颗粒数量由7颗变为9颗，颗粒数量呈现增多趋势；在165 min后沉淀量不再发生变化。

2.2 不同浓度梯度的碳酸钠溶液的结果与分析

0.6 mol/L CO₃^2-对CaCO₃沉淀溶解平衡影响随时间变化现象如图3所示。随着时间的延长，沉淀颗粒逐渐增多。在0～130 min内，沉淀的形状无明显变大。如图3-a、图3-b所示，在0～35 min内，方框中沉淀颗粒数由1颗增加到3颗；如图3-b、图3-c、图3-d所示，在35 min后沉淀量不再发生变化。

0.8 mol/L CO₃^2- 对CaCO₃ 沉淀溶解平衡影响随时间变化现象如图4所示。随着时间的延长，沉淀颗粒数量和形状发生改变，颗粒数量逐渐增多。如图4-c、图4-d所示，在35～80 min内，沉淀的形状有变大的现象。如图4-a、图4-b所示，在0～25 min内，方框中沉淀颗粒数由1颗增加到3颗；在80 min后沉淀量不再发生变化。

2.3 Ca²⁺与CO₃^2-影响CaCO₃平衡体系的结果与分析

在显微镜视场内观察并拍摄到Ca²⁺对CaCO₃沉淀溶解平衡影响的实验图片，利用看图软件将所拍摄图片中从反应开始到反应无明显变化时增加的沉淀颗粒数量数出来，同时找出颗粒形状发生明显变化的图片，最终得到如表1所示的结果。

在显微镜视场内观察并拍摄CO₃^2-对CaCO₃沉淀溶解平衡影响的实验图片，将图片中从反应开始到反应无明显变化时增加的沉淀颗粒数量数出来，同时找出颗粒形状发生明显变化的图片，最终得到如表2所示的结果。

在不同浓度梯度的Ca²⁺与CO₃^2-在CaCO₃沉淀溶解平衡中，每隔5 min对沉淀溶解现象进行拍照，然后对比观察所有图片，从中挑选出沉淀数量及形状发生变化的图片，利用看图工具将所拍摄图片中增加的沉淀颗粒数量数出来。CaCO₃沉淀数量变化关系如图5、图6所示。

对比这两组离子实验结果，从中可以得出以下结论。

（1） 随着反应时间的延长，不同浓度梯度Ca²⁺都会导致碳酸钙沉淀颗粒数量增多（图1），有些沉淀颗粒本身形状变大（图2），直至某一时刻沉淀量不再发生变化。随着Ca²⁺浓度的增大，产生的沉淀颗粒数逐渐增多，但0.5 mol/L Ca²⁺是例外，主要发生的变化是沉淀形状本身增大，所以颗粒数量增多较少。由显微摄像视角下沉淀颗粒数增多及形状变大的变化，总结得出：Ca²⁺抑制了CaCO₃沉淀溶解平衡，使平衡逆向移动，促进了CaCO₃沉淀的生成。并且，随着Ca²⁺浓度的增大，沉淀量不再发生变化所需要的时间越短，即反应到达平衡所需要的时间越短。

（2） 随着反应时间的延长，不同浓度梯度CO₃^2-都导致碳酸钙沉淀量增多（图3），有一些沉淀颗粒形状会变大（图4），直至某一时刻沉淀量不再发生变化。并且，随着CO₃^2-浓度的增大，沉淀量不再发生变化所需要的时间越短，即反应到达平衡所需要的时间越短。由此说明，沉淀的生成与溶解是同时进行的。

（3） 在显微镜视场下观察到的沉淀形状为圆形颗粒状，排列密集但很少互相重叠，当溶液在培养皿中放置2 h左右后，大多数反应无明显现象，且有一些在放置过程中，沉淀本身形状会变大。控制不同浓度因素观察发现，在Ca²⁺浓度为0.5 mol/L、CO₃^2-浓度为0.8 mol/L时，反应沉淀形态与数量在显微镜视场下透视度佳，便于观察。

（4） Ca²⁺浓度在0.1～0.5 mol/L时，沉淀量就有明显变化，而CO₃^2-浓度要在0.6～1.0 mol/L时，沉淀量才有明显变化。由此说明，Ca²⁺浓度对碳酸钙沉淀溶解平衡的影响比CO₃^2-浓度要大一些。

（5） 在碳酸钙沉淀溶解平衡体系中，加入同离子Ca²⁺、CO₃^2-发现，有些是颗粒数量会增多，有些是颗粒本身形状会变大。随着Ca²⁺和CO₃^2-浓度的增大，CaCO₃沉淀总量会增多，并且一些较大颗粒的沉淀本身形状也会变大。由此说明，在沉淀溶解平衡体系中，加入与沉淀相同的离子，平衡向生成沉淀的方向移动。

3 教育功能和价值分析

3.1 帮助学生理解同离子效应对沉淀溶解平衡的影响

在教学过程中，教师可展示利用显微镜拍摄的Ca²⁺ 和CO₃^2-对CaCO₃沉淀溶解平衡影响的实验现象及过程。在CaCO₃沉淀溶解平衡体系中，加入含有Ca²⁺和CO₃^2-的可溶性盐溶液，可直观观察到沉淀形态及数量变化情况，根据观察和实验获得的现象和数据可分析出同离子效应对沉淀溶解平衡移动的影响，加强对平衡的感性认识，从而真正理解“同离子效应对沉淀溶解平衡移动方向的影响”，也更有利于对原理性知识的理解。同时，这种鲜明直观的实验现象，能够帮助学生完成从宏观辨识到微观探析的过渡与迁移，有利于学生变化观念的形成和实验现象的成因分析。这种教学方式能够大量节省课堂演示实验时间，给学生留下更多时间进行思考，实现“以学生为中心”的教学理念。

3.2 为学生提供丰富的信息和直观的实验过程

在中学探究同离子效应对沉淀溶解平衡影响的实验时，一般是凭借肉眼观察溶液中的浑浊程度来分析平衡的移动方向，但受体系浓度较小等因素影响，使得实验现象不够明显，而借助显微镜就可以观察到沉淀产物的形态和数量。将显微镜应用于中学化学实验，不仅将细微难辨的实验现象加以放大、强化，使化学反应中的奥秘得以直观、鲜明地呈现出来，更易从另一个角度揭示化学反应的规律。

利用显微镜拍摄图片及视频，将该实验过程直接投放在大屏幕上，让学生看到动态的化学反应的发生过程，将传统教学中的听变成看，一方面教师和学生可以多方位、准确及时地获得反馈信息，另一方面教师能有针对性地进行教学，为学生提供丰富的信息和直观的实验过程。在此过程中，学生对知识的剖析程度更深且不易遗忘，在一定程度上加深了对知识的理解与记忆。

参考文献

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基金资助

云南师范大学研究生课程思政示范项目“中学化学教学设计与实施”