谷雨时节，用化学知识打造梦幻水中花园

谷雨时节，用化学知识打造梦幻水中花园

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2024

╱谷雨赏花╱

“谷雨后三天，满园看牡丹”。谷雨时节正是百花齐放的季节，游客们既可以在大自然中欣赏五彩缤纷的鲜花，还可以用化学知识打造一个梦幻般的水下花园。4月下旬，高峰老师与江都中学高一科普志愿者俱乐部成员一起，到扬州市科技馆开展“科学与美”融合实验制作课——制作硅酸盐水下花园。

▲扬州科技馆活动现场。图片来源：@科技馆 戴宇

本次活动是江都中学与扬州市科技馆合作项目《科学二十四节气》4月份课程，旨在向大家展示一座绽放在水中的美丽花园——在透明玻璃仪器中利用化学反应培育出色彩斑斓的“水下植物”。

▲《洞窟与水上花园》实验制作课精彩片段，由@洪满兮出品

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钟乳石洞水上花园

╱实验原理╱

配制20%～30%的硅酸钠水溶液，向其中加入颗粒状的金属离子盐晶体。金属离子能与硅酸钠发生反应，在晶体表面生成一层由胶体状的金属氢氧化物、金属氧化物和金属硅酸盐组成的薄膜。这层薄膜具有半透膜的作用，这样硅酸钠水溶液中的水分就通过半透膜渗透到晶体内部。渗透的水分使晶体溶解，进而使半透膜膨胀破裂，使溶解的金属盐溶液流出。

▲“化学花园”的生长机理。 （a）金属盐晶体开始溶解；（b）生成薄膜，形成酸性隔室；（c）水分子和OH-通过半透膜向内流动，使内部压力增大；（d）薄膜破裂；（e）当金属盐酸溶液上升时，膜自我修复成茎。 图片来源[1]

流出的内部盐溶液继续与外部的硅酸钠溶液发生反应，重新长出薄膜，形成半透膜。水再次渗透进去，再次破裂，溶解的金属盐溶液流出。在渗透压和浮力的共同作用下，随着溶液向上流动，半透膜不断循环膨胀、破裂，使“树枝”不断向上生长，直至金属盐被消耗殆尽，最终形成中空的管状结构。

▲样品瓶里的“水上花园”。图片来源：@红漫西

一些盐与硅酸钠溶液的反应方程式：

CuSO4+=↓+

()2Pb+=↓+2CH3-COONa

CoCl2+=↓+2NaCl

▲重现化学-化学花园2.视频@美丽科学/中国化学会

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钟乳石洞水上花园

╱ 仪器和药品 ╱

[试剂] 九水硅酸钠·9H2O、四水醋酸钴（2Co·4H2O）、六水硫酸镍铵Ni(NH4)2(SO4)2·6H2O、七水硫酸亚铁FeSO4·7H2O、五水硫酸铜CuSO4·5H2O、四水氯化锰MnCl2·4H2O、无水氯化钙CaCl2（均来自西陇科学）、硫酸铁Fe2(SO4)3·xH2O（Komeo）。

▲微距记录实验装置。图片来源[1]

【仪器】20mL样品瓶5个、100mL、250mL、500mL烧杯各1个、温度计、恒温加热台（邦元）、铁架（铁夹）、电子天平、塑料搅拌棒、滴管、药勺、手机支架。

▲实景微距录制。图片来源：@红漫西

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钟乳石洞水上花园

╱实验步骤╱

①配制100mL、20%溶液：称取87.15g·9H2O倒入250mL烧杯中；加入100mL蒸馏水，加热至50℃并用玻璃棒搅拌加速溶解；在水浴中保持溶液温度在25℃。

②20mL样品瓶底部铺一层干净的沙子（为了美化，可以不铺），选用不同的金属离子盐晶体，研磨成颗粒，刚好盖住瓶底即可（烧杯无需铺）。

③使用手机支架握住智能手机，开启“超级微距”功能（或外接微距相机）。

④ 取适量配制溶液加入样品瓶中，液面不低于4cm，温度保持25℃，观察各种颜色的管状硅酸盐沉淀物从底部像美丽的海藻一样生长出来，2分钟内，就能看到一个美丽的“水上花园”。

▲硅酸钙沉淀的生长过程。图片来源[1]

▲硅酸锰沉淀的生长过程。图片来源[1]

▲硅酸镍沉淀的生长过程。图片来源[1]

▲硅酸亚铁沉淀的生长过程。图片来源[1]

▲硅酸铜沉淀的生长过程。图片来源[1]

▲硅酸铁沉淀的生长过程。图片来源[2]

▲硅酸钴沉淀的生长过程。图片来源[2]

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钟乳石洞水上花园

╱条件控制╱

①各金属盐“化学花园”在20%硅酸钠溶液中生长最好。

②固体颗粒大小以绿豆大小为宜，不要太大也不要太小，如氯化铜固体为粉末状，不易长大。

③反应温度为25℃时,各金属盐“化学花园”生长最好;反应温度为35℃时,各金属盐“化学花园”均不能长出明显的管状分枝。

▲相同条件下不同硅酸盐沉淀的生长过程对比。图片来源[1]

④Ca2+、Mn2+的生长速度较快，Ni2+、Fe2+、Cu2+、Fe3+的生长速度较慢。在管状分支的尖端处气泡较多，由于浮力的作用，生长速度会更快。

⑤让反应物静置，避免摇晃。硅酸盐刚形成时非常脆弱，16小时后硅酸盐的硬度刚刚好。如果溶液变黄，用橡皮头滴管将黄色溶液吸出（注意不要弄破柱子！），然后用无氧水（煮沸冷却的水）代替。储存时要密封，防止CO2进入使液体混浊。还要隔绝氧气，否则作品肯定会变黑。可以在上面加油膜。

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钟乳石洞水上花园

╱现象分析╱

①高浓度的硅酸钠溶液生成的半透膜较厚且坚韧，容易长出单根宽管。低浓度的硅酸钠溶液生成的半透膜较薄，会在多处断裂，直接长出多根窄管。20%硅酸钠溶液介于两者之间，生成的管状分支相互独立，较高大，宽度较均匀，整体观赏效果最佳。

▲“未来小科学家”团队在沉浸式观察。图片来源：@红漫西

②随着温度升高，分子内能增大，分子间距离增大，分子间吸引力减小，黏度降低，导致金属盐种子表面形成的半透膜变薄甚至难以形成，因此“化学园”无法出现。另外，随着温度升高，M(OH)x的溶解度增大，使半透膜更加脆弱。“化学园”形成的半透膜是多孔的，温度升高可能引起孔隙率的变化，从而阻碍高温下H2O分子和OH-离子的扩散通量。

▲烧杯里的“水上花园”。图片来源[2]

③生长趋势可能与盐的溶解度有关，盐的溶解度越高，其渗透压越大。另一方面，管状分支的生长趋势也与金属离子的水解能力有关，带正电荷越多，半径越小，对水分子的极化作用越强，容易发生水解。因此，虽然Fe3+半径较小，但在硅酸钠溶液中更容易水解，所以生长得比较旺盛。

▲参与课程的“未来小科学家”们展示作品并与志愿者团队合影。图片来源：@科技馆 戴宇

此次系列科普课程由扬州市中学化学大师工作室、江都区物理化学生物大师工作室联合多位知名科普志愿者共同策划，此次科普志愿者团成员包括：蔡云老师，高三学生邱宝明、季文涛、李思学。

▲扬州科技馆活动现场。图片来源：@科技馆 戴宇

参考：

[1]孟红玲,丁炜.“化学花园”实验效果影响因素可视化研究[J].化学教育,2023.44(19):88-95.

[2]刘江,王丽姣,双申平.基于现象与过程可视化的化学实验——以“化学花园”为例[J].化学教育,2019.40(8):51-54.

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