显微观实验的设计及其在“溶液”单元教学中的应用

龚英 盛跃 陈汉菊 陈继平

摘要： 利用显微熔点测定仪和自制的样品池，将传统的化学实验微量化，并借助生物显微镜观察、拍摄细微的实验现象。在生活常识的基础上，将显微观实验现象与课堂教学相结合，从宏观和微观两个维度，更直观地帮助学生正确理解“溶解过程”“溶液组成”和“饱和溶液的要点”等概念，从而实现美育与专业教育的融合以及“宏观辨识与微观探析”化学学科核心素养的提升。

关键词： 显微观实验设计; 显微熔点测定仪; 溶液

文章编号： 1005-6629（2021）03-0063-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

1.1  教材内容简介

溶液是九年级《化学》（下册）的内容，是中考的热点和重点，也是学习酸碱盐溶液的过渡性铺垫知识。《义务教育化学课程标准（2011年版）》明确提到了“溶液”，学习目标包括认识溶解现象、知道溶液的组成、了解饱和溶液等。

在人教版教材中，借助“实验9-1蔗糖在水中的溶解”“实验9-5氯化钠在水中的溶解”和“实验9-6硝酸钾在水中的溶解”这三个课堂演示实验，旨在通过宏观辨识的现象将抽象的化学概念形象化，帮助学生理解溶液的形成过程和溶液的组成等概念。对于这三个溶解实验，学生有来源于生活经验的认识，能通过肉眼观察到在搅拌的动态条件下固体颗粒总量不断减少的现象，但是并不清楚在固体颗粒消失的过程中，表面发生了哪些细微的变化，也不清楚在静置的静态条件下，固体颗粒是否也能溶解消失。仅仅在宏观上认识溶解过程，往往会导致学生不能从微观的角度科学正确地描述溶液，例如溶于水后，溶质是否还存在？将以何种形式（离子或分子）存在？是否形成了新的物质？

1.2  “显微观实验与显微观实验现象”术语的提出

可视化实验是近年来中学化学教学改革的一个热点。高清摄像机、手机、工业数码显微镜、生物显微镜都是可视化实验中重要的观察手段。利用显微镜可将微小物体放大成为肉眼可见尺寸的工作原理，一些细微的化学实验现象得以观察和记录，例如，2CuCO3·Cu（OH）2晶体的不同形状[1]、从溶液中析出的硫酸铝钾晶体的表面纹理[2]、微量化液滴实验中沉淀的形貌[3]、“金属树”树枝晶的细节结构[4]等。

在显微镜辅助下开展的微量化学实验不仅具有化学试剂用量少的绿色环保特点，还能揭示细节变化，从而让学生真实感受到化学反应的神奇和美丽。与常量实验相比，由于试剂用量大幅度降低，这类在显微镜下观察的微量化学实验通常需要根据实验目的选用或设计新的实验设备、实验容器，并调整实验操作和实验条件。因此，为对这类实验进行区分以及统一命名，我们建议将利用显微镜作为观察手段，用于揭示细微变化和现象而设计的微量化学实验（含实验仪器、实验操作等）称作“显微观实验”。与此同时，将利用显微镜观察到的肉眼不易见的实验现象称作“显微观实验现象”。

1.3  本研究的提出及目的

为实现“实验改进回归教学原点”[5]，提升宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养[6]，依据“实验9-1蔗糖在水中的溶解”“实验9-5氯化钠在水中的溶解”和“实验9-6硝酸钾在水中的溶解”这三个实验目的，本研究首先设计适合在恒温加热台上操作、在显微镜下观察的圆形石英样品池（详见2.2节），然后通过微量试剂再现“实验9-1”“实验9-5”和“实验9-6”，并在显微镜辅助下观察和记录“不同条件下不同物质溶解过程”中一些显微观实验现象。本研究目的在于通过这些显微观实验现象，更直观地帮助和促进学生从微观的角度科学正确地描述溶液及其组成。

2  显微观实验的设计

2.1  实验材料

蔗糖（分析纯）、氯化钠（分析纯）、硝酸钾（分析纯）、蒸馏水

2.2  实验设备和容器

显微成像系统为一台商用的显微熔点测定仪（图1），

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。其中，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加热和保温处理。

容积约为176μL的石英样品池是定制的实验容器，设计加工方法如下： 在一塊直径为25mm、高度为3mm的石英中心开圆形槽孔（直径为15mm，深度为1mm），然后对槽孔表面进行抛光处理。实验过程中，在样品池表面牢固覆盖一张盖玻片，尺寸为25mm×25mm，用于密封样品池的开孔表面，避免加热过程及长时间观察过程中水分的挥发损失。实验过程中，利用大龙移液器（规格为20～200μL）添加液体。

2.3  实验步骤

2.3.1  蔗糖颗粒溶解过程展示

用移液器向样品池中加入100μL预先按照180g蔗糖/100g水配制的蔗糖溶液，然后用细铁丝加入大小不同、形状不同的4粒蔗糖颗粒，盖上盖玻片。将样品池直接放在显微镜的载物台上观察，利用CCD摄像头，每隔5分钟拍摄一张图片，直至蔗糖颗粒完全消失。

2.3.2  饱和溶液与不饱和溶液的转化

（1） 溶剂量的影响

用移液器向样品池中加入50μL预先配制的氯化钠饱和溶液，然后用细铁丝加入3粒氯化钠颗粒，接着加入50μL蒸馏水，盖上盖玻片。将样品池直接放在显微镜的载物台上观察，利用CCD摄像头，每隔5分钟拍摄一张图片，直至氯化钠颗粒完全消失。

（2） 温度的影响

升温阶段： 用移液器向样品池中加入100μL预先配制的硝酸钾饱和溶液，然后用细铁丝加入1粒硝酸钾颗粒，盖上盖玻片。将样品池放在加热台上后，将加热台直接放在显微镜的载物台上观察。启动加热程序，升温速率为10℃/min，目标温度为80℃。在此加热过程中，利用CCD摄像头，每隔1分钟拍摄一张硝酸钾颗粒的图片。当温度恒定在80℃后，每隔5分钟拍摄一张图片，直至硝酸钾颗粒完全消失。

降温阶段： 将样品池从加热台上取下，直接放在显微镜的载物台上观察。在自然冷却过程中，每隔5分钟拍摄一张图片，直至析出的硝酸钾颗粒的尺寸无明显变化。

3  显微观实验现象的应用

3.1  初步微观探析溶解过程和溶液组成

在“蔗糖溶解”的显微观实验中，在静置的静态条件下，四粒蔗糖颗粒完全消失耗费了大约7小时，一些细节变化过程如图2所示。在溶解过程中，无论是呈立方体形态的蔗糖颗粒，还是呈不规则形态的蔗糖颗粒，它们的形状均未发生明显改变，仅仅是颗粒尺寸不断缩小，并且类似于一层层地剥洋葱。总体而言，四粒蔗糖颗粒消失的快慢与其尺寸大小密切相关，尺寸越小，消失得越快。此外，长宽比更大（即细长型）的颗粒溶解更快，且颗粒表面突兀的部分也更容易溶解。蔗糖表面的这些细节变化是在常量实验中肉眼不容易观察到的。显然，利用显微镜揭示的这些溶解现象更直观、形象地呈现教材所述的“溶解过程中蔗糖表面的分子在水分子的作用下，逐步向水中扩散，最终形成均一的混合物”这个事实性知识，从而帮助学生从微观的角度正确理解“溶液是由何种溶质和何种溶剂组成的”，进一步合理分析“溶于水后，溶质将以何种形式（离子或分子）存在”，最终自然建构溶液的概念[7]。

3.2  初步微观探析饱和溶液的要点

在饱和氯化钠溶液中加入蒸馏水后，氯化钠颗粒能继续溶解。记录的显微观实验现象如图3所示。总体而言，氯化钠颗粒尺寸越小，溶解消失的速度越快。对于呈立方体形态的两粒氯化钠颗粒，立方体的棱角部位溶解得更快，这使得氯化钠颗粒的形状逐渐变圆。这一现象与矿物质溶解的“平台-台阶-扭结”（terracestepkink， TSK）模型是一致的[8]。这一现象并未在“蔗糖溶于水”的显微观实验中观察到，说明不同类型物质的溶解过程存在差异。

如图3所示，在溶解过程中（180～220min期间），两粒氯化钠颗粒最接近的部位并未因为溶解消失而发生明显分离。对此现象进行分析，可能的原因是在静置实验条件下，从两粒固体颗粒最接近的部位表面脱落下来的氯化钠分子来不及与水分子作用扩散离开。一方面，这阻止了固体表面上更多氯化钠分子与水分子发生相互作用而继续溶解进入水中;另一方面，在这个具有较高氯化钠浓度的局部区域（可能存在局部饱和的情况），这些前期已经进入水中的氯化钠分子又重新析出结合在固体表面。由此推测，溶液中溶质的溶解和析出存在一种动态平衡。显然，图3揭示的显微观实验现象不容易在常量的搅拌溶解实验中通过肉眼观察到。随着溶解的持续进行，进入水中的氯化钠不断向周围扩散，大约9小时后，氯化钠固体颗粒最终也能完全溶解。

在飽和硝酸钾溶液中，通过升温或降温处理，硝酸钾固体颗粒能继续溶解或析出。记录的显微观实验现象分别如图4和图5所示。如图4所示，在升温过程中，硝酸钾颗粒的整体形状没有发生明显改变，仅仅是尺寸不断缩小。这个溶解过程与蔗糖颗粒非常相似，但与氯化钠颗粒显著不同。这进一步说明不同类型物质的溶解过程存在差异，不同物质与水分子的相互作用也是不同的。

如图5所示，在降温过程中，硝酸钾晶体在多个位点析出，且尺寸不断变大。对比图4和图5发现，溶解的硝酸钾颗粒形状并不规则，但是析出的硝酸钾颗粒形状比较规则，且类似于纯硝酸钾的透明棱柱状晶体形态。这些显微观实验现象能从微观的角度说明溶解后溶质仍然存在于溶液中，可能以水合离子或分子形式

存在;这些溶质能够在静置状态下自行扩散，并在适当的条件下以更纯物质的形式析出（即结晶）。

3.3  实验意义

在本研究设计的显微观实验中，以可密闭的微量石英样品池作为实验容器、恒温加热台作为加热手段、生物显微镜作为可将细微变化放大呈现的有效观察手段，从微量化学实验的角度较好地再现了“溶液”单元中“实验9-1、实验9-5、实验9-6”。众所周知，常量溶解实验通常是在搅拌的动态条件下进行的。本研究中几个显微观实验均是在静置的静态条件下进行的，因此，这些实验现象能够补充学生对溶液形成过程、溶解影响因素的认识。

在显微观实验中，利用显微镜，不仅可观察到“溶解过程”“饱和溶液与不饱和溶液转化过程”中固体颗粒溶解消失或析出的宏观变化，而且能直观地对比不同物质溶解过程中固体表面的细节变化的差异，还可细致地观察到从溶液中析出的硝酸钾晶体的表面形貌，从侧面说明了溶解与析出之间存在着动态平衡。显然，静置的静态条件下的溶解过程与搅拌的动态条件下的溶解过程存在一些不同，并且这些显微观实验现象在常量实验中并不容易通过肉眼观察到，但它们却能较好地帮助和促进学生从微观的角度去理解“溶解过程的影响因素”“溶液中物质的存在形式与扩散情况”，启发学生思考“溶液的本质”“饱和溶液的要点”。针对学有余力的学生，还可结合溶质的结构特点，引导学生深入讨论“溶解过程中固体溶质表面成分与溶剂成分之间可能存在哪些相互作用”，从而辨识“溶解既包含物理分散过程，又包含化学电离过程”，为后续酸碱盐溶液性质的学习奠定基础。

4  结语

化学是一门以实验为基础的学科，初中是化学的启蒙阶段。对源于生活实例且可居家完成的常量化学实验，可安排学生在课前自行完成，在课内，教师可展示“利用显微镜从微观角度持续拍摄的实验现象和实验过程”。一方面，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;另一方面，利用课外、课内的宏观和微观这两个维度的事实性知识，促使学生对实验过程观察得更为细致，帮助学生自主建构相关的概念性知识。显微观实验和常量实验装置不同，实验效果和实验感染力也不同，这给实验者留下了创造的空间。通过合理优化实验方案，有望观察到兼具科学价值和审美价值的显微观实验现象，将美育融进专业教育。

参考文献：

[1]李昊东， 常小丽. 铜盐沉淀中2CuCO3·Cu（OH）2晶体生长过程初探[J]. 化学教学， 2017， （12）： 61～65.

[2]李银方. 电子显微镜辅助下的微型化学实验[J]. 化学教学， 2018， （4）： 62～64.

[3]曾涛， 廖连燕， 杨兴等. 利用液滴实验探究几个典型沉淀反应[J]. 化学教学， 2018， （7）： 75～78.

[4]凌一洲， 施伟东， 王国余等. 置换反应中金属枝晶结构的观察——基于可视化技术的“金属树”标本制作[J]. 化学

教学， 2018， （6）： 79～82.

[5]杨宝权. 让实验改进回归教学原点——以人教版九年级化学教材中实验的改进为例[J]. 化学教学， 2020， （1）： 47～50.

[6]邹国华， 童文昭. 对“宏观辨识与微观探析”维度核心素养培育的思考与探索[J]. 化学教学， 2020， （3）： 24～27.

[7]祝钱. “知识四层次”视角下的深度学习与思维发展——以九年级“酸的通性”教学为例[J]. 化学教学， 2020， （5）： 56～58， 92.

[8]Lumetta G.J.， Arcia E.. Investigating dissolution and precipitation phenomena with a smartphone microscope [J]. Journal of Chemical Education， 2016， 93（10）： 1754～1759.