走进奇妙的分子聚集态世界——渗透扩散及表面张力的魅力_李洋.pdf
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1、 116 Univ.Chem.2023,38(4),116123 收稿:2022-11-23;录用:2023-01-04;网络发表:2023-03-21 共同第二作者,对本文工作同等贡献*通讯作者,Email: 基金资助:北京化工大学德智体美劳教育教学改革研究专项基金(2021BHDJGYB22);北京化工大学实验教学改革研究项目(SYJG2022010,SYJG2022011)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202211071 走进奇妙的分子聚集态世界走进奇妙的分子聚集态世界 渗透扩散及表面张力的魅力 李洋,陆心宇,张湘川兰,宋知远,徐庆红*北京化工大学化学学院,北京 10
2、2299 摘要:摘要:化学世界丰富多彩。认识多姿、多彩的材料形成过程,揭示产物生成的奥秘,通过对宏观化学现象的观察,推测产物生长的微观过程,增强学生对化学的学习兴趣,是化学实验教学的主要目的之一。本实验以“界面反应”为切入点,以多彩多姿分子聚集体为目标产物,通过自主设计的反应器,以多孔陶瓷砂芯为隔离层,利用渗透和扩散效应、表面张力及界面反应机理,在砂芯表面可控形成白色、蓝色、绿色、粉色等多彩中空纤维状及珊瑚礁状等多姿的分子聚集体。本科普实验方法安全、新颖、简单,现象明显,具有很高的观赏性,旨在达到在探索微观世界形成过程中发现化学无穷魅力,认识“美丽化学”“奇妙化学”的真实内涵,激发学生对化学学
3、科学习热情之目的。关键词:关键词:分子聚集体;界面反应;渗透扩散;表面张力;美丽化学 中图分类号:中图分类号:G64;O6 Entering the Wonderful World of Molecular Aggregation:The Appeal of Permeation Diffusion and Surface Tension Yang Li,Xinyu Lu,Xiangchuanlan Zhang,Zhiyuan Song,Qinghong Xu*College of Chemistry,Beijing University of Chemical Technology,Beij
4、ing 102299,China.Abstract:The chemical world is abundant and diverse.One of the main purposes of laboratory teaching is revealing the mystery of product generation,speculating the micro process of product growth through the observation of macro chemical phenomena,and enhancing students interest in c
5、hemistry,to deepen students understanding of various chemical synthesis processes.In this experiment,the colorful molecular aggregates were taken as the target products to create an“interface reaction”in a self-designed reactor.The colorful(such as white,blue,green and pink)molecular aggregates with
6、 hollow tubular and coral reef-like structures were prepared on the surface of a ceramic core based on permeation and diffusion effects,surface tension,and the interfacial reaction mechanism.The method of this popular science experiment is safe,novel,and simple.Meanwhile,the phenomenon of this exper
7、iment is obvious with high ornamental value.The objective of discovering the utility and appeal of chemistry and stimulating students enthusiasm for learning chemistry in the process of exploring the formation of the micro world will be realized.Key Words:Molecular aggregate;Interface reaction;Penet
8、ration and diffusion;Surface tension;Beauty of chemistry No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202211071 1171 引言引言 化学合成世界丰富多彩。在物质形成过程中,产物的物性往往由组成元素及其理化性质所决定,例如,大部分的铜盐、镍盐和钴盐与组成它们的水合Cu2+(天蓝色)、Ni2+(草绿色)、Co2+(粉红色)色彩相一致;含有相同金属阳离子的盐又可能由于阴离子种类不同而拥有不同的韧性和强度,例如,相同金属离子的硅酸盐与其氢氧化物的韧性和强度有很大差别。此外,反应物浓度、反应温度、扩散速率、界面表面张力等因素往往直接
9、左右产物的聚集态生长速度和最终形貌。例如,控制反应物浓度和反应温度,能够直接控制产物聚集态形成的速率;通过控制反应物扩散速率以及借助于表面张力的作用,能够有效地控制聚集态的最终形貌,使之呈现出缤纷的多姿形态。分子聚集态理论是多彩多姿物质形成的理论基础之一,而分子间弱相互作用是分子聚集态形成的驱动力。分子聚集态的形成过程有别于无机聚合物、有机聚合物及超分子自组装体系。化合物分子形成后,沿着一定维度进行定向聚集,使材料最终形成不同的形貌,例如,条带状1,2、囊泡状3,4、薄膜状5,6、纤维管状7,8等等。本实验结合界面反应及分子聚集态理论,使一种反应物分子或离子通过多孔界面(含多孔结构的陶瓷砂芯)
10、渗透,在界面另一侧与另一种反应物分子或离子在多分散的局部区域内形成多个小分子膜层,随着反应的进行,分子膜层不断增厚,最后在膜下向外扩张的压力与表面张力的协同作用下,膜层将发生形成、破裂、再形成的循环过程,最终形成多种形貌产物。在整个过程中,实验者可以清楚地观察到膜面及多形貌材料的整体形成过程。本实验以N-(磷酸甲基)甘氨酸锆9,10和Cu2+、Ni2+、Co2+有色金属硅酸盐、氢氧化物为实验研究对象,利用渗透、扩散、表面张力的作用,并控制不同反应条件,在特制反应器中实现了中空纤维管状、水草状、珊瑚礁状等形貌多样分子聚集体的形成。作为一个新颖的科普实验,本实验项目展现了多彩多姿物质聚集态的形成过
11、程,彰显了化学世界的无穷魅力。同时对学生从宏观现象联系微观机理的化学思考方法培养、提高社会大众对化学学科的学习兴趣有很大帮助。2 实验部分实验部分 本科普实验原理简单、材料价廉易得、操作安全,很容易在实验室中开展,也可以针对社会大众进行现场展示。2.1 自主设计的反应器结构及实验原理自主设计的反应器结构及实验原理课题组自主设计的反应器结构如图1所示。容器被一多孔陶瓷砂芯分隔成上下两个部分。高浓度反应液A被密封在陶瓷砂芯下部,低浓度反应液B存在于反应器的上部。在浓度差的作用下,反应液A中的分子或离子经过多孔陶瓷内部孔道扩散到砂芯上表面,并在上表面与反应液B中的分子或离子作用,在砂芯表面局部区域形
12、成数个微小产物分子膜层。随着膜的破裂、形成、再破裂、再形成,最终形成一定维度方向、植根于陶瓷砂芯上表面、形态各异的产物分子聚集体。另外,反应液B中的水分子也不断地向反应液A中迁移,使反应液A得到稀释,上下表面的渗透压最终相等,反应达到平衡。图2描述了本科普实验所涉及的N-(磷酸甲基)甘氨酸锆聚集态的形成过程。2.2 试剂或材料试剂或材料本实验中的试剂均购自北京化学试剂厂,规格如表1所示。实验用水均为去离子水。2.3 仪器和表征方法仪器和表征方法反应器自主设计,陶瓷砂芯规格为G4(孔径34 nm),由北玻龙腾玻璃制品有限公司进行加工制备。分子聚集体的微形貌在S4700扫描电子显微镜上测定,其晶体
13、结构(含结晶度)及红外光谱分析(FT-IR)分别在XRD-6000X射线粉末衍射仪(日本岛津公司生产,Cu K射线源,=0.15406 nm,仪器工作电压为50 kV,工作电流为40 mA,扫描速度为10()min1)和VECTOR22傅立叶红外光谱仪(德国BRUKER公司,被测样品用KBr稀释,严格控制样品与KBr的质量比为1:100,测试波长范围为4004000 cm1,仪器分辨率为2 cm1)上分析测定。检测结果与参考文献进行对照验证。118 大 学 化 学 Vol.38 图图1 课题组自主设计的反应器结构及不同浓度反应液通过多孔陶瓷砂芯扩散示意图 课题组自主设计的反应器结构及不同浓度反
14、应液通过多孔陶瓷砂芯扩散示意图 图图2 N-(磷酸甲基磷酸甲基)甘氨酸锆中空纤维的形成过程示意图甘氨酸锆中空纤维的形成过程示意图 表表1 实验试剂 实验试剂 试剂名称 规格 试剂名称 规格 N-(磷酸甲基)甘氨酸 AR,99.0%(质量分数,下同)九水合氯化镍 AR,99.0%八水合氧氯化锆 AR,98.0%九水合硅酸钠 AR,99.0%盐酸 36.0%,配制3 molL1标准水溶液 氟化钠 AR,99.0%五水合硫酸铜 AR,97.0%氢氧化钠 AR,96.0%六水合氯化钴 AR,99.0%2.4 实验步骤实验步骤 2.4.1 多形貌多形貌N-(磷酸甲基磷酸甲基)甘氨酸锆分子聚集体的形成甘氨
15、酸锆分子聚集体的形成 配制饱和N-(磷酸甲基)甘氨酸的盐酸溶液和浓度梯度分别为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40及0.50 molL1的氧氯化锆水溶液。将饱和N-(磷酸甲基)甘氨酸盐酸溶液小心地注入反应器砂芯下方腔体内,加满腔体并旋紧橡皮塞(不留气泡)。在铁架台上竖直固定反应装置。再将若干毫升0.05 molL1氧氯化锆溶液注入反应器砂芯上方,整个装置置于85 C水浴中,静观聚集态的形成过程(约20 min)。反应式如式(1)所示。(1)实验结束后,先用去离子水清洗反应器,再用0.50 molL1 NaF溶液浸泡反应器10 min(玻璃不与NaF作用
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