碳酸钡晶形合成与观察的基础新实验设计
摘要 通过大量实验摸索，设计出适合课堂教学的晶形生长和观察的微量合成实验，给出晶形合成与培养观察的微型基础新实验方法。
关键词 新实验; 碳酸钡晶形;显微镜
中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1671-489X (2007)01-0022-02
A New Basic Experiment Design on Barium Carbonate Crystal Synthesis and Observation//Li Chunmei1, Liu Weiming1*, Shen Yushuang2,Pei Fanghua1, Jia Miying1,Zhuang Xuhong1
Abstract Through much experiments, the growth of crystal that fitting teaching and observing micro-compound experiment is designed, meanwhile， a new basic experiment design on barium carbonate crystal minisize synthesis and observation is given.
Key wordsnew experiment；barium carbonate crystal； microscope
Author"s address
1. College of Chemistry and Material Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016
2. Hebei Chemical and Pharmaceutical College, Shijiazhuang 050031
目前在众多教材中普通合成实验较多而微观晶形观察的实验较少；随着科学的发展，新材料的晶形合成实验有所增加，但主要是通过大型仪器表征，使其在基础实验教学中的推广受到限制，因此对于普通晶体和纳米级颗粒之间的晶形观察实验，生物显微镜显出一定的优势。为我们通过大量实验摸索，设计出适合课堂教学的晶形生长和观察的微量合成实验，给出二种碳酸钡晶形合成和培养观察的完整实验方法。在教学实践检验中受到了师生的普遍欢迎，可激发学生的学习兴趣,提高教学效果。实验设计：
1 实验目的
1）了解不同晶形碳酸钡的用途及制备过程。
2）掌握用均相沉淀法和复分解法制备碳酸钡晶体。
3） 学会显微镜观察的一般使用方法。
2 实验原理
BaCO3是一种重要的化工原料，在建材、冶金、电子和化工等诸多领域具有广泛的应用。
碳酸钡具有多种晶形，常见的有球形、针形、柱形等。不同应用领域对碳酸钡晶形要求不同，其中针状BaCO3作为微电子工业及塑料，橡胶涂料等的填充料；球状BaCO3目前在PTC热敏电阻元件的生产中使用较多，它可使电容器具有较高的介电常数和温度特征，从而使其具有小型化、高频率、大容量等特点[1-3]。
碳酸钡的制备方法通常有纯碱法、碳化法、复分解法、毒重石转化法和均相沉淀法。制备方法和控制条件不同对晶体形状影响较大。本实验采用均相沉淀法，以BaCl2,NaOH和尿素为原料，制备针状BaCO3晶体；采用复分解法，以BaCl2和 Na2CO3为原料，制备球状BaCO3晶体[4-5]。
均相沉淀法可使沉淀剂均匀缓慢的产生，有利于得到晶形完整、分散性好的晶体。当温度高于60℃时，尿素在酸性中性和碱性溶液中均可水解，且水解速度随温度的升高而加快。利用尿素在碱性条件下水解产生的O32－与Ba2+反应生成针状碳酸钡晶体。反应时间较长温度较高及慢速搅拌或不搅拌，均有利于针状碳酸钡晶体的生成。水解反应为：
复分解法制备球状碳酸钡时，由于反应物浓度较大，晶体的成核速度大于生长速度，定向速度大于聚集速度，故可得到粒径较小的球状晶体（粒径μm 级）。搅拌和低温有利于球状碳酸钡晶体的生成。
3 仪器和药品
实验仪器: 磁力加热搅拌器、超声波清洗器（KQ-250DE, 昆山市仪器有限公司）、电子天平、恒温水浴锅、生物显微镜(BK1201,1000X重庆光学仪器厂)、扫描电子显微镜（日立S-570）。
药品：BaCl2•2H2O、 Na2CO3•10H2O、 CO(NH2)2，NaOH，均为分析纯。0.01mol/LAgNO3溶液。
4 实验方法及步骤：
4.1 针状BaCO3晶体的制备
1）母液的制备。称取1.1g CO(NH2)2 ，置于50mL烧杯中，加入7.5mL 1mol/LNaOH溶液，搅拌至尿素完全溶解。再加入3.0mL 1mol/L的BaCl2溶液，混合，摇匀。加热至50℃左右，过滤。将清液转移到大试管中备用。
2）晶体的生成。将装有清液的大试管置于85℃的恒温水浴锅内加热保温1.5h至有沉淀生成。将大试管中的沉淀完全转移到离心试管中，用蒸馏水离心洗涤至清洗水中不含Cl－，取清液，加入0.01mol/L AgNO3溶液,检验无白色沉淀生成。将离心试管中沉淀完全转移到蒸发皿中，焙干，称重，回收，计算产率。
3）晶体的观察。分别在保温时间为0.5h、1h、1.5h时取沉淀进行观察。方法是取少量沉淀物于小试管中加入无水乙醇、振荡（或超声波清洗器振荡10min）使晶体分散良好后，取一滴悬浮液滴在载玻片上，自然挥发干燥，显微镜下观察；比较晶形随时间的变化；并分别用目镜刻度尺测量针状BaCO3晶体的针长和径宽的范围。
4.2球状BaCO3晶体的制备
1）晶体的制备。称取1.2g BaCl2•2H2O和1.4gNa2CO3•10H2O分别配置成0.5mol/L的溶液置于两个50ml小烧杯中。搅拌条件下将一种溶液缓慢滴入另外一种溶液中，将所得沉淀陈化20min。用蒸馏水洗涤沉淀不含Cl－，AgNO3溶液检验方法同前4.1.2。将所得沉淀溶液转移至蒸发皿中，焙干，称重，回收，计算产率。
2）晶体的观察：显微镜观察方法同前4.1.3。用目镜刻度尺测量球状BaCO3晶体颗粒的平均粒径。
4.3产品表征及结果讨论
1）沉降特性：分别取少量等量的两种晶体产品，各倒入烧杯中，加入20ml蒸馏水，充分搅拌，超声振荡10min，然后转移悬浮液至比色管中，上下翻转数次，观察，记录完全沉降时间，比较两种BaCO3晶形的沉降特性[6]。实验结果：针状BaCO3沉降速度相对缓慢，分散性较好；这个结果和下面的电镜图片结果一致。球状BaCO3的粒径虽然较小，但由于分散性较差，容易聚结成较大颗粒，沉降时大颗粒BaCO3先快速沉降，小颗粒的再缓慢沉降。
2）BaCO3晶体形貌：在显微镜下观察可明显看到碳酸钡晶体形貌，在此用扫描电镜图片（SEM图）作对比说明：针状碳酸钡晶体随保温时间的延长变长变粗，分散性较好；球状碳酸钡粒径分布范围较大，小颗粒出现聚结现象；当显微放大倍数为1000X观察时，碳酸钡浓度取极稀并充分振荡，可明显看到单颗粒球状晶体。目镜刻度尺的测量结果：针状BaCO3针长10～120um，径宽0.4～4.5um；球状BaCO3平均粒径0.28um。
5 思考题
1）针状BaCO3晶体的制备为什么选择在碱性条件下进行？中性及酸性各有哪些缺点？
2）对比三次观察针状晶体形状有什么不同之处，试分析原因。
3）试分析总结影响晶体形状的主要条件因素。
备注说明：合成针状BaCO3晶体的较高产率是保温6小时，3课时实验保温1小时进行观察；4课时实验保温1.5小时进行观察；作综合实验还可增加纯度检验如杂质钙的测试等内容。