由“纸树开花”玩具拓展的趣味实验

林芝 许应华

摘要： 从市售的“纸树开花”玩具着手，分析其实验原理和影响因素。据此，选择生活中常见的溶质、晶形改变剂和纸张，设计了若干个相关的拓展趣味性实验案例并获得较好的效果。这些实验取材容易、操作便捷、现象有趣，适合作为学生课外家庭小实验。

关键词： 纸树开花; 晶形改变剂; 趣味实验; 实验设计

文章编号： 10056629（2022）09007504

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

《普通高中化學课程标准（2017年版）》强调创设真实的问题情境，贴近生活实际，运用化学实验设计生活实践类活动[1]。生活化趣味实验是以学生熟悉的生活情境和素材为背景，突出化学与生活密切相关，体现化学在生活中的应用，是学校化学实验教学的拓展和延伸。因此，全面开发生活化、趣味化小实验对培养学生化学学习兴趣，发展学生核心素养具有重要作用。

以市面售卖的“纸树开花”玩具（见图1）为研究对象，小小纸片加入“营养液”就会“开花”，吸引了很多学生买来娱乐，但为什么纸树会“开花”？“营养液”的主要成分是什么？如何选择纸片？一系列问题都值得学生深入思考。因此，可以作为学生探究性课外主题实验。

笔者查阅相关资料，寻找生活中常见的实验药品和器材动手实践，设计并自制了若干个“纸树开花”生活化趣味小实验，以期为学生拓展课外探究性实验提供参考和借鉴。

2 “纸树开花”玩具实验设计原理

2.1 “纸树开花”玩具实验原理

经文献查阅，“纸树开花”实验主要涉及“毛细现象”和“结晶现象”[2]。在一定温度下，饱和溶液通过表面张力的作用，顺着纸片孔隙快速蔓延，克服重力不断浸湿纸树。一段时间后，纸树表面的溶剂蒸发，溶质从溶液中析出晶体。若纸片表面提前沾有不同颜色的着色剂，便出现五颜六色的“纸树开花”现象。

2.2 影响因素

晶体的形状大小与溶质内部结构和外部条件密切相关。从内部结构来说，晶体的生长规律主要服从布拉维法则，即通常情况下，实际晶体的晶面被结点密度最大的网面所包围，由此可以推测同种晶体的晶形相同或相似[3]。多种市售“纸树开花”玩具的包装袋说明书表明，“营养液”的主要成分是磷酸盐。将纯磷酸二氢钾饱和溶液与某品牌标注主要成分为磷酸二氢钾的市售溶液，分别浇淋在同种纸树上，对比发现，两种溶液析出的晶体形状稍有不同。磷酸二氢钾饱和溶液的结晶似针状（图2左），市售溶液的结晶似团状（图2右），说明市售溶液含有某种可以改变特定晶形的杂质（称为晶形改变剂[4]），使所得晶体具有另一种形状。

在实际过程中，晶体生长过程还会受到结晶温度、结晶时间、搅拌力度、溶液的pH、特定杂质（晶形改变剂）等各种外部条件的影响，使晶体最终偏离理想形态。相对而言，向溶液中引入晶形改变剂，更便于控制，因此常采用这种方法达到结晶目的。常见的晶形改变剂包括不溶/微溶性盐的微晶、多价态阳离子、相关络合物、表面活性剂、水溶性聚合物、生物活性大分子等物质[5]。另外，由于多孔介质表面生长出来的晶须形状与介质厚度、孔隙尺寸等因素有关，纸张材质也会对晶体生长过程产生影响。如果纸张吸水性过快，纸片容易软塌，尖端不易蒸发结晶;纸张吸水性过慢，溶液大多停留在纸片底端，很难向上蔓延至尖端。综上，晶形改变剂和纸张的选择是影响本实验的重要因素。

3 改进实验设计思路

由于结晶实验的晶体生长速率慢，需要较长的观察时间，并且纯磷酸盐等结晶用品不易购买，为此，有必要寻找一些生活常见材料对“纸树开花”生活化趣味实验进行探究[6]。想要基于生活化改进本实验，使溶液成功结晶，找到合适的溶质、晶形改变剂和纸张是关键。（1）为了获得稳定、均匀的结晶体，提高反应速率，可以选择溶解度较高、生活中较常见的物质制成饱和溶液，比如食盐、小苏打、尿素等。（2）晶形改变剂种类繁多。生活中常见的表面活性剂有洗洁精、聚乙烯醇胶水等;含多价态阳离子的物质可以选择亚铁氰化物，例如普蓝颜料，其主要成分是亚铁氰化铁;再如生活食盐，常加入微量的亚铁氰化钾作为抗结剂，防止氯化钠在潮湿空气中粘连结块。这些物质都能充当晶形改变剂，很好地修饰晶体形状。（3）纸张建议使用具有一定厚度的滤纸，吸水性较强且疏松多孔，裁剪成树尖形状便于蒸发结晶。学生可以仿照以上设计思路，选择合适的生活物品相互组合，生长出不同形态的结晶体。

4 “纸树开花”改进实验案例

4.1 案例一

实验器材： 尿素、聚乙烯醇胶水（得力PVAL液体胶）、市售着色剂（绿色食用色素，主要配料： 柠檬黄、亮蓝）、加厚滤纸、自来水、塑料盘、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

实验操作：

（1） 将加厚滤纸裁剪、拼接成树状，固定在塑料盘上。

（2） 取适量的绿色食用色素溶于水，涂在纸树表面晾干。

（3） 室温20～25℃下，向玻璃杯中加入30g尿素颗粒和25mL自来水，不断搅拌，配制成尿素饱和溶液。

（4） 待尿素完全溶解，向溶液加入5mL聚乙烯醇液体胶，搅拌均匀。

（5） 将混合溶液从纸树的尖端倒入，自上而下淋湿整个滤纸。

（6） 室温20～25℃下，将纸树放在阴凉通风处，静置6～12h，待溶液蒸发结晶，便可看到“纸树开花”（见图3）。注意结晶过程中不要随意移动。

4.2 案例二

实验器材： 尿素、立白洗洁精、市售着色剂（红色食用色素，主要配料： 胭脂红、柠檬黄）、加厚滤纸、自来水、塑料盘、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

实验操作：

（1） 将加厚滤纸裁剪、拼接成树状，固定在塑料盘上。

（2） 取适量的红色食用色素溶于水，涂在纸树表面晾干。

（3） 室温20～25℃下，向玻璃杯中加入30g尿素颗粒和25mL自来水，不断搅拌，配制成尿素饱和溶液。

（4） 待尿素完全溶解，向溶液中加入5mL洗洁精，搅拌均匀。

（5） 将混合溶液从纸树的尖端倒入，自上而下淋湿整个滤纸。

（6） 室温20～25℃下，将纸树放在阴凉通风处，静置6～12h，待溶液蒸发结晶，便可看到“纸树开花”（见图4）。注意结晶过程中不要随意移动。

4.3 案例三

实验器材： 食盐、小苏打、马利牌普蓝颜料、市售着色剂（绿色食用色素，主要配料： 柠檬黄、亮蓝）、加厚滤纸、自来水、塑料盘、玻璃杯、玻璃棒、天平、量筒

实验操作：

（1） 将加厚滤纸裁剪、拼接成树状，固定在塑料盘上。

（2） 取适量的绿色食用色素溶于水，涂在纸树表面晾干。

（3） 室温20～25℃下，向玻璃杯中加入10g食盐，5g小苏打，25mL自来水，不断搅拌，配制成混合饱和溶液。

（4） 待食盐和小苏打完全溶解，向溶液加入适量普蓝颜料，搅拌均匀。

（5） 将混合溶液从纸树的尖端倒入，自上而下淋湿整个滤纸。

（6） 室温20～25℃下，将纸树放在阴凉通风处，静置6～12h，待溶液蒸发结晶，便可看到“纸树开花”（见图5）。注意结晶过程中不要随意移动。

5. 总结反思

课外探究性趣味实验是培养学生科学探究能力的重要途径之一，学生通过认识身边的化学，参与有关化学问题解决的实践活动，有利于学生认识科学本质，提高学科核心素养[7]。上述实验都来源于生活，现象明显、有趣，为中学化学教学开发生活化趣味实验提供了素材。改进后的实验有如下优点。

5.1 取材简单

实验成本较低，材料安全，食盐、小苏打、尿素、普蓝颜料等都是生活中常见的物品，有的还可以多次重復使用。

5.2 操作便捷

实验趣味性较强，易于操作，适用于不同年龄阶段的学生。低年级学生可以自制不同的“纸树开花”模型，培养实践能力，形成化学观念;高年级学生可以基于本实验的原理和方法，创新思考，推导出更多可以替代的结晶方案，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。

5.3 可用于家庭小实验

实验需要配制一定浓度的饱和溶液，难度不高，学生可以根据实际情况在家独立完成，开展家庭小实验。也适合实验室教学条件较差的地区。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 76.

[2]汤琪琳， 柳燕， 蔡希文， 蔡福新. 结晶树系列[J]. 教学仪器与实验， 2007， 23（7）： 43～44.

[3]李广慧， 韩丽， 方奇. 晶体结构控制晶体形态的理论及应用[J]. 人工晶体学报， 2005， 34（3）： 546～549.

[4][5]张宝林， 侯翠红. 二水硫酸钙晶形改变剂对结晶影响的研究[J]. 化工矿物与加工， 2005， 34（8）： 19～24.

[6]郭涛， 王臣珠， 白玉. 基于化学实验生活化的教具开发与应用[J]. 实验教学与仪器， 2022， 39（1）： 59～61.

[7]李茂柯， 王诺， 伍晓春. 用于儿童化学启蒙教育的生活化实验案例研究[J]. 化学教学， 2018， （10）： 75～78.