4 实验一 晶体均质和异质成核过程观察

1 实验一 晶体均质和异质成核过程观察 一、实验目的 1观察晶体的均质和异质成核过程及其晶体组织特征。为理解、掌握结晶理论 建立感性认识。 二、实验设备及材料 1加热装置；22m长的玻璃管；3.药勺；4干净玻璃片、吸管；5烧杯； 6温度计；7纯水和冰水；8手机拍摄装置；9熔点较低的有机晶体 （Phenyl salicylate, 对羟基苯甲酸苯酯， HOC6H4COOC6H5， 熔点：42-44 oC）。 三、实验原理 1 结晶过程观察 晶体物质由液态凝固为固态的过程称结晶。结晶过程亦为原子呈规则排列 的过程，包括形核和核长大两个基本过程。 熔点较低的室温下为固体的有机晶体加热到熔点以上时，则会熔融成液体。 用滴管取液体状的有机晶体少量，滴入装有纯水的玻璃管中。由于纯水的温度 （室温或冰水混合物的温度）比熔融的有机固体的温度低，因此有机固体的热 量传递给水，有机固体温度与玻璃管中水的温度一致（室温或冰水混合物的温 度）。此时玻璃管中液滴状的有机晶体的温度虽然远远低于熔点（42-44 oC）， 过冷度达到几十度，但是由于结晶不易，有机晶体还没有结晶。另由于熔融的 有机晶体的密度比纯水大，此时液体状的有机晶体在水中将会继续下落；在下 落的过程中，有机晶体慢慢就会结晶，此时可以观察到透明无色的液滴变成白 色状的晶体。用手机拍摄测量在装有水的玻璃管内有机晶体液滴从液面下落直 到结晶时所用的时间。通过改变玻璃管中水的温度（室温或冰水混合物的温度） ，观察有机晶体的结晶过程与环境温度的关系。一般可以看到与室温的纯水相 比，在冰水混合物中，有机晶体更容易晶体，结晶所需要的时间较短，这是因 为冰水混合物温度低，结晶驱动力（过冷度即熔点与熔体温度的差值）大。 在玻璃片上滴一滴熔融的有机晶体，随着温度的降低，有机晶体慢慢就开 2 始结晶。我们可观察到其结晶大致可分为三个阶段：第一阶段开始于液滴边缘， 因该处最薄，温度降低最快，易于形核，故产生大量晶核而先形成一圈细小的 等轴晶，接着形成较粗大的柱状晶。因液滴的温度高低是由里向外，故位向利 于生长的等轴晶得以继续长大，形成伸向中心的柱状晶。第三阶段是在液滴中 心形成杂乱的树枝状晶，且枝晶间有许多空隙。这是因液滴已越来越薄，晶核 亦易形成，然而由于已无充足的熔体补充，结晶出的晶体填不满枝晶间的空隙， 从而能观察到明显的枝晶。 2 均匀形核与非均匀形核 晶体结晶的过程是一个形核、长大的过程。晶体结晶过程的化学势 为：Thm 式中，h m 为熔化潜热，一般认为是定值； Tm 是晶体的熔点；T 是环境 温度与晶体熔点的差值。由此可见，环境温度与晶体熔点的差值越大，晶体结 晶的化学势越大，晶体越容易结晶。 而形核分为均匀形核和非均匀形核。当母相整个体积的元素在化学、能量 和结构上都相同时，会发生均匀成核。这种形核是在整个体积内发生的，核在 形成时所必须克服的势垒的大小与表面能呈三次方的关系，即： 23)(16VkG 式中， 为晶胚单位面积表面能；G v 是液、固两相单位体积吉布斯自由能 之差；G k 是临界晶核形成功，简称形核功。形核功 G k 同时也等于：34rVk 式中，r 为晶核的半径； 是生长单元所具有的体积。 而在晶体生长过程中的阻力是表面能（即表面张力） ，若单位面积所具有 的表面能记为 ，则此过程中G s 为： 24rG 则结晶过程中G 为： 3 234rrG -60-4-2020460246Gvsr*G*rG 图 1 G s、G v、G 与晶核半径的关系曲线 由于实际熔融液体中或多或少的含有某些夹杂的固体粒子，因此实际结晶 时常常依附在液体中的外来固体质点的表面（包括铸锭的模壁）形核。此种依 附于母相中某种界面上的形核过程称为非均匀形核。形核功为： 4cos32 3kG 式中， 为晶核与基底面的接触角（见图 1） 。 图 2 液滴的接触角 4 0.20.4.60.81. 60120180 (degr)G/ 图 3 G k/G k 与接触角 的关系曲线 根据理论分析、实践检验，非均匀形核比均匀形核容易。 在上述的装有纯水的玻璃管中用药勺先放一点有机晶体粉末，然后用滴管 取液体状的有机晶体少量，滴入装有纯水的玻璃管中，观察异质成核与同质成 核的区别。 在玻璃片上滴一滴熔融的有机晶体，然后取少量有机晶体粉末置于液滴的 边缘部分，观察异质成核与同质成核的区别。 四、实验步骤 1用药勺取少量有机晶体粉末于烧杯中，打开加热套电源，加热烧杯中的有机 晶体，当温度为60 oC时，有机晶体熔融为透明液体。 2用滴管取少量的液体状的有机晶体，滴一滴到装有纯水的室温的玻璃管中， 用手机拍摄和肉眼同时观察，无色透明的有机晶体液滴在水中下落，慢慢变 成白色晶体的过程，记录开始结晶时的时间。 3用滴管取少量的液体状的有机晶体，滴一滴到装有冰水（温度计测量温度） 的玻璃管中，用手机拍摄和肉眼同时观察，有机晶体液滴的结晶过程，记录 开始结晶时的时间。 4用药勺取少量的有机晶体粉末，放到装有纯水的（室温）玻璃管中；然后用 5 滴管取少量的液体状的有机晶体，滴一滴到玻璃管中，用手机拍摄和肉眼同 时观察，有机晶体液滴的异质结晶过程，记录开始结晶时的时间。 5在干净玻璃片上，用吸管滴上一滴熔融好的有机晶体，液滴不宜太厚，否则 因温度降低太慢而不易结晶。 6将玻璃片置于手机下，有手机拍摄和肉眼同时观察，从液滴边缘开始观察结 晶过程，并记下结晶开始的时间。 7在玻璃片上滴一滴熔融的有机晶体，然后取少量有机晶体粉末置于液滴的边 缘部分，观察异质成核，并记下结晶开始的时间。 五、注意事项 (1） 实验时应注意试样的清洁，不要让异物落入液滴内，不要让异物落入玻 璃管中的水中，以免影响结晶过程的观察。 六、实验报告要求 1简述实验目的。 2简述玻璃管中液滴的结晶过程。 3简述玻璃片上液滴的结晶过程。 4.记录