硫酸铜结晶的趣味实验设计

卢宗右

摘要： 通过设计制备各种形状硫酸铜晶体的系列实验，发现硫酸铜晶体在结晶的过程中，不仅受到温度的影响，还与溶液的过饱和度、晶核的多少及分布等有关。通过使用棉线缠绕的方法，改变模型表面晶核的数目与分布，使硫酸铜定向地结出美丽的心形晶体及燕子形晶体，为晶体模型的制备提供了一种可行的方法。

關键词： 硫酸铜; 结晶过程; 趣味实验; 实验设计

文章编号： 1005-6629（2019）5-0073-03            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

无水硫酸铜（CuSO4）为白色粉末，硫酸铜水溶液显蓝色，从水溶液中结晶出来时，生成蓝色的五水硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O，又称胆矾）。在化学教材中，经常用硫酸铜来演示晶体的结晶过程，但结晶出的形状都是块状的晶体。能不能设计一个模型，让硫酸铜按照模型的形状结晶出来呢？这样可以极大地提高学生实验的兴趣。为此，笔者对硫酸铜的结晶进行了探究实验，成功地制得了各种形状的硫酸铜晶体。

1  实验原理

晶体的结晶有不同的方法，常用的有蒸发结晶法和降温结晶法。蒸发结晶法的原理是将溶剂不断蒸发移去，使溶液保持在过饱和状态，从而使晶体不断结晶出来，此方法用于溶解度随温度的变化不大的物质结晶，例如NaCl，我们现在也常用海水晒盐法来制备食盐。降温结晶法常用于溶解度随温度的变化比较大的物质，溶液在高温时达到饱和，随着温度的降低，溶液变成过饱和溶液，从而使晶体不断结晶出来[1]。硫酸铜的溶解度曲线如图1所示。

从硫酸铜的溶解度曲线可以看出，随着温度的升高，硫酸铜的溶解度变化比较大，故可以采用降温结晶的方法来制备晶体。

结晶过程中，溶液的过饱和度是结晶的主动力[2]，如果过饱和度较大，结晶速度较快，结晶中心增多，晶体生长会细小，不利于长成完整的大晶体。将高温下的饱和溶液放在热水中自然冷却，晶体析出的过程缓慢而均匀[3]。

2  实验用品和试剂

实验用品： 水浴加热装置、烧杯、玻璃棒、铁架台、石棉网、滤纸、温度计、棉线、回形针、订书钉

实验试剂： 硫酸铜、蒸馏水

实验装置： 如图2所示。

3  实验过程

3.1  实验一： 制备硫酸铜晶体

（1） 用烧杯量取200mL蒸馏水，加入一定量硫酸铜晶体粉末水浴加热，并不断搅拌，随着温度的上升，硫酸铜不断溶解，制成80℃左右的热饱和硫酸铜溶液。

（2） 将热的饱和硫酸铜溶液在热水浴装置中自然冷却，随着温度的降低，硫酸铜很快在烧杯的底部结晶出来，晶体铺满了整个烧杯的底部。

3.2  实验二： 制备心形硫酸铜晶体模型

如果让结晶出的硫酸铜晶体具有一定的形状且非常漂亮，会大大提升学生对结晶实验的兴趣。笔者首先用一个回形针弯成一个心形模型，并将心形的回形针放入80℃热的饱和硫酸铜溶液中，让溶液在热水浴的装置中自然冷却，慢慢结晶。过了12个小时，取出晶体，发现得到的晶体模型有比较多的缺陷，一是晶体结晶不均匀，基本看不出心形形状;二是由于结晶的时间比较长，结晶出来的晶体比较多，基本将整个心形模型覆盖了，实验结果如图3所示。

3.3  实验三： 对比实验，三种形状不同的模型对结晶的影响

为了更好地探究模型的形状对晶体结晶的影响，在相同的条件下，制作三种不同形状的模型： 一是将回形针拉成一条线状，二是直接使用回形针，三是用订书钉弯成四方形（如图4所示），同时放入80℃热的饱和硫酸铜溶液中，定时观察其变化。

三种不同形状的模型放入热的饱和硫酸铜溶液中5分钟，取出，发现订书钉制作的模型上面有明显的铜析出，回形针材质的模型上析出的铜较少，这和两者的材质有关。回形针的材质接近于不锈钢，而订书钉的材质更接近于生铁，因此订书钉发生的置换反应更快些。实验现象如图4所示。

在结晶的过程中，溶液温度下降得比较慢，还未形成过饱和溶液，晶体结晶尚未出现，三种模型首先发生了置换反应，化学方程式如下：

将三种模型继续放在热的饱和硫酸铜溶液中，经过50min以及100min后取出，得到的结晶情况如图5所示。

从上面三种不同模型结晶的对照实验可以看出，随着温度的降低，硫酸铜开始结晶出来，但是晶体的结晶并不均匀。比较粗糙的表面或者棱角部分比较容易接受溶质，最先形成晶核，晶核一旦形成，就会立即开始长成晶体，且生长得比较快，而光滑的地方结晶很少，所以晶体结晶很不均匀。

3.4  实验四： 重新制作心形硫酸铜晶体

为了制作比较完美的心形硫酸铜晶体，需要硫酸铜在心形模型的表面均匀地结晶出来，而且形成的硫酸铜晶体要均匀细小，于是笔者对心形硫酸铜的结晶实验作了改进。

首先用两根回形针制作一个较大的心形模型，并用棉线均匀缠绕心形模型，因为棉线上有大量细小的细纤维，使得整个心形回形针的粗糙程度一致，硫酸铜可以均匀地结晶在心形模型的周围。将心形模型悬挂在200mL 80℃热的饱和硫酸铜溶液中，让其在热水浴的装置中自然冷却，100min后取出心形模型，可以看到心形模型上面结出细小均匀的硫酸铜晶体，形成完美的心形晶体，实验现象如图6所示。

3.5  实验五： 制备燕子形硫酸铜晶体

为了制作更漂亮的硫酸铜晶体，笔者用滤纸折了一个燕子形模型，将燕子形模型放置在200mL 80℃热的饱和硫酸铜溶液中，在热水浴装置中自然冷却，经过5个小时，其结晶出来的模型如图7所示。

图7  最初制备的燕子形晶体

从图7中可以看出，硫酸铜并没有均匀地结晶在燕子形模型的周围，且结晶的时间比较长，生成的硫酸铜晶体都是大颗粒。如果燕子形模型的每一个地方粗糙程度一样，晶核数目接近，硫酸铜就可以在燕子形模型上面均匀地结晶出来。如果用棉线将整个燕子形模型均匀包围，硫酸铜晶体应该在燕子形模型上均匀地结晶出来。怎样才能使棉线均匀地分布在燕子形模型上面呢？笔者用针将棉线均匀地缝在燕子形模型上，又因为滤纸会飘浮在硫酸铜溶液的表面，在其下部绑一块硫酸铜的晶体，使其浸没在200mL 80℃热的饱和硫酸铜溶液中，自然冷却100min，产生的大量的细小硫酸铜晶体均匀地附着在燕子形模型的周围，这样就成功地制得了燕子形硫酸铜晶体，实验现象如图8所示。

4  实验结论

硫酸铜晶体在结晶的过程中，不仅受到温度的影响，结出的晶体形状还与晶核中心的多少及分布、结晶的时间长短有关。本文通过实验，使用棉线缠绕的方法，改变晶核的多少与分布，使硫酸铜定向地结晶出美丽的心形晶体及燕子形晶体。该方法可用于制备其他模型晶体，为模型晶体的制备提供了一种可行性方法。

参考文献：

[1]王玥. 探究常温蒸发法与降温结晶法的优势与不足——硫酸铜晶体制备实验报告[J]. 中学生数理化（学习研究版）， 2017， （4）： 77～79.

[2]王明华. 制备硫酸铜晶体的实验探索[J]. 教学仪器与实验， 2003， （8）： 26～28.

[3]朱华英. “晶体的制备”实验分析[J]. 化学教学， 2002， （1）： 18～19.