水中花园
水中花园，又称化学花园、硅胶花园，是一个化学课堂实验。该实验通常是将金属盐类加入硅酸钠水溶液中，最后形成的结晶具纤维结构，外观仿如植物。
研究历史
[编辑]史上已知第一份关于水中花园的书面记录，是由炼金术士、化学家约翰·格劳勃在1684年撰写的：当时，格劳勃发现硫酸亚铁晶体长出了一棵“铁树”，于是撰文记录之[1]。其后，另一位化学家克莱尼斯·罗斯（William John Clunies Ross）也描述了用金属盐类长出水中花园的过程；他提出了水中花园背后的机理，但解释不了水中花园形态的多样性[1]。后来有一些研究探讨了不同金属盐类形成结晶的差异和机理[2][3]。到了2000年代初，对水中花园的研究开始受到重视[4]。
过程
[编辑]水中花园实验可以在烧杯或试管里进行，效果同样明显；不过，采用试管可以节省试剂，更适合用作在课堂演示之用[5]。在进行实验时，先要制备硅酸钠水溶液（也可使用铝酸盐水溶液），再把金属盐类加到溶液里，便可以形成外观像植物的纤维结构结晶[4][6]。不同金属盐类可以长出颜色各异的结晶，例如[1][2][5]：
| 结晶颜色 | 盐类举例 |
|---|---|
| 白色 | 硫酸镁、氯化钙（偏向透明）、氯化锰（淡粉红色转变为象牙白色，再转变为褐色）、硝酸铝 |
| 蓝色 | 氯化钴（逐渐转变为蓝色）、硫酸铜 |
| 紫色 | 硫酸锰 |
| 黄色 | 硫酸铁 |
| 绿色 | 硫酸镍、硫酸亚铁 |
基本原理
[编辑]在水中花园实验中，盐类的金属离子与硅酸钠发生化学反应，生成硅酸盐胶体，而不同颜色的金属离子会形成颜色各异的胶体[5]。胶体和硅酸钠水溶液之间形成了半透膜，溶液里的水便因渗透压而渗入膜内，最终令半透膜涨破；半透膜破裂后，里面的盐类又与硅酸钠接触，再次发生生成胶体的反应[5]。这个过程反复进行后，这些不同颜色的胶体长成芽状或树枝状，就像一个花园的植物[5]。
用途
[编辑]化学教育
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化学教育是水中花园实验的重要用途。这个实验一直用作提升公众对化学的兴趣[1]。大部分供青少年学生使用的教育玩具化学实验箱都会提供进行水中花园实验所需的化学品，通常会把实验命名为“结晶奇观”[1]。水中花园实验也可以用于小学的科学课堂上[5]。
2006年，美国国家航空航天局推行了一系列以教育为主要目标、同时具有科研价值的太空实验，其中包括水中花园实验[7]。他们先在处于运行轨道的人造卫星种植四个分别采用氯化钙、氯化锰、氯化钴、硫酸镍的水中花园，再带到国际太空站，把晶体的生长情况近乎实时地转播给学生观察；学生先前已在课堂上进行实验，可把两者的结果作分析和对比[7]。
教育以外的研究用途
[编辑]在19世纪末，水中花园被误认为与生命起源有关，因而受到研究[4]。到了2013年前后，一些科学家认为地球上的生命源自海底热泉，而海底热泉的机理与水中花园具有相似性，这令水中花园实验再次被用作研究生命起源[8]。
图库
[编辑]多种晶体
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一种颜色的晶体
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参考资料
[编辑]- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Craig Collins; Wuzong Zhou; Alan L. Mackay; Jacek Klinowski. The 'silica garden': a hierarcharical nanostructure. Chemical Physics Letters. 1998, (286).
- ^ 2.0 2.1 Julyan H. E. Cartwright; Bruno Escribano; C. Ignacio Sainz-Díaz. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations. Langmuir (American Chemical Society). doi:10.1021/la104192y.
- ^ Fabian Glaab; Julian Rieder; Regina Klein; Duane Choquesillo‐Lazarte; Emilio Melero‐Garcia; Juan‐Manuel García‐Ruiz; Werner Kunz; Matthias Kellermeier. Precipitation and Crystallization Kinetics in Silica Gardens (2017). doi:10.1002/cphc.201600748.
- ^ 4.0 4.1 4.2 Stephanie Thouvenel-Romans; Oliver Steinbock. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. Journal of the American Chemical Society. 2003, 125.
- ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 王都留. “水中花园”实验的新改进. 化学教育. 2009, (8).
- ^ Balköse, D.; Özkan, F.; Köktürk, U.; Ulutan, S.; Ülkü, S.; Nişli, G. Characterization of Hollow Chemical Garden Fibers from Metal Salts and Water Glass. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2002, 23 (3): 253. doi:10.1023/A:1013931116107.
- ^ 7.0 7.1 Commercial Generic Bioprocessing Apparatus Science Insert - 02: Silicate Garden, Seed Germination, Plant Cell Culture and Yeast (CSI-02) - 11.22.16. National Aeronautics and Space Administration. [2017-05-03]. （原始内容存档于2017-05-03）.
- ^ 'Chemical gardens' could hold the key to understanding the origins of life on Earth. American Chemical Society. 2013-03-20 [2017-05-02].
