目前，水中花园的全部反应机理还没有彻底研究清楚，但水中花园实验的主要原理是渗透作用。
两种不同浓度的溶液被半透膜隔开，半透膜允许溶剂小分子通过，不允许溶质大分子或大微粒通过。水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象叫做渗透作用。
晶体表面与硅酸钠溶液反应生成各种胶状的硅酸盐。如硫酸铜晶体和硅酸钠溶液反应生成硅酸铜。这些硅酸盐表面如同半透膜，水分子等小分子能进出，铜离子等大微粒却被半透膜“锁定”。水分子在渗透压的作用下进入半透膜形成的“囊”中。“囊”中的水越来越多，压力越来越大，于是半透膜破裂。随后，晶体颗粒和硅酸钠溶液接触，反复生成新的胶状硅酸盐，这个过程不断重复。常温下，在硅酸钠溶液中加入蓝色的硫酸铜晶体，形成蓝色的“树状”硅酸铜CuSiO3；蓝色的硫酸铜，白色的氯化钙，棕色的三氯化铁等晶体在硅酸钠溶液中可以长成一个“花园”。
让我们来认识一下这个实验吧～假设如果在硅酸钠溶液中加入硫酸铜溶液，而不是硫酸铜晶体，将会有什么情况发生呢？如果改变硅酸钠溶液的温度，实验结果会发生变化吗？
实验仪器和试剂烧杯，真空干燥箱，陶瓷研钵，玛瑙研钵，滴管，温度计，
约20%的硅酸钠溶液（80g水加20g硅酸钠，热水配制），1mol·L-1的硫酸铜溶液
实验过程实验1
探究常温（25℃）下，1mol·L-1的硫酸铜溶液加入硅酸钠溶液
（1）烧杯倒入mL硅酸钠溶液。
（2）用胶头滴管吸取1mol·L-1的硫酸铜溶液，滴入硅酸钠溶液中。这个过程不要移动烧杯。
（3）静置。观察现象。一朵朵蓝色的“水母”漂浮在溶液中，然后慢慢下沉。
实验2
探究80℃时，1mol·L-1的硫酸铜溶液加入硅酸钠溶液
（1）用接近沸腾的水配制硅酸钠溶液，冷却到80℃。用量筒取80℃的mL硅酸钠溶，倒入烧杯。
（2）用胶头滴管吸取1mol·L-1的硫酸铜溶液，滴入硅酸钠溶液中。这个过程不要移动烧杯。
（3）静置。观察现象。漂浮在水中的蓝色“水母”立即变成黑灰色，沉入“水”底。
实验3
用X光衍射仪分析蓝色和黑色“水母”的成分
（1）分离干燥样本。倒掉烧杯中的上层清液，玻璃棒捣碎蓝色的“水母”，用蒸馏水洗涤样本三次，洗去硅酸钠溶液。把烧杯放入真空干燥箱中，40℃恒温干燥，制得蓝色“水母”的待测样本。用同样的方法制得黑色“水母”的样本，但真空干燥箱的温度保持在80℃。
（2）制作样本载片。把待测样本先用普通研钵研磨碎，再用玛瑙研钵研成更细致的粉末，制成样本涂片。
（3）用X射线衍射仪分析待测样本。把样本涂片放入X光衍射仪中，用相关的软件读取分析数据。
（4）实验样本的X光衍射仪分析图像
实验1温度25℃时蓝色粉末的X射线衍射仪图形
实验2温度80℃的黑灰色粉末的X射线衍射仪图形
实验结论将样品的X射线衍射仪图形在专业软件中进行晶型比对，常温下加入1mol·L-1的CuSO4溶液，形成蓝色“水母”，它的成分是硅酸铜钠Cu3Na2(Si4O12)。反应温度在80℃时，加入1mol·L-1的CuSO4溶液形成的黑灰色的“水母”，成分是氢氧化铜Cu(OH)2。
讨论水中花园的实验中，和硅酸钠溶液反应时，反应物状态和反应温度不同，则产物不同。
硅酸铜钠Cu3Na2(Si4O12)的化学式也可以表达为3CuSiO3·Na2SiO3，它是一种由CuSiO3和Na2SiO3按照3:1的比例堆积的纯净物。
黑灰色的“水母”成分是氢氧化铜Cu(OH)2，而不是我们根据肉眼观察而设想的黑色的氧化铜CuO。
眼见不一定为实。
在科学研究中，高科技的X射线衍射仪，给了我们一双真正的慧眼，让我们发现事物的本质。科学的发现是一个不断发现新问题探究新问题的过程。
水中花园虽然是个趣味小实验，但还有很多奥秘等待探索和发现。
X射线衍射仪的工作原理X射线衍射仪是一种分析仪器，在科学研究中可以用来确定一种未知材料的晶体结构。晶体的原子排列有周期性，晶体的基本结构是单位晶胞。当X射线入射到晶体的晶面上时发生衍射，原子在晶体中的周期性排列会使X光在一些特定方向加强，而在其他方向减弱。衍射线的分布规律由晶胞大小，形状和位向决定，衍射线强度则取决于原子的种类和它们在晶胞的位置。因此，不同晶体具备不同的衍射图谱。
X射线衍射仪利用X光穿过晶体时的衍射图案，精确地分析出每个原子的位置，从而测定晶体的结构。X光的波长与晶体的原子核之间的距离大致相同都约为0.1nm，这样X光穿过晶体时容易产生光的衍射。在单晶体法测定时，X光照射到晶体的表面后，光线被原子或离子反射。当第2层原子的反射光与第1层的反射光是波长的整数倍时，波峰振幅增强，就容易检测到信号。根据X光的波长，波长的倍数，入射角等实验数据，测定计算出两个原子的距离。
A:第1层原子，B:第2层原子
1：照射在第1层原子A的X光
2:照射在第2层原子B的X光
Θ：X光的入射角
λ：X光的波长
n：波长的整数倍
作者：上海师范大学附属中学陈胤喆徐亦捷孙黎颖*金萍
编辑美化：张晶
审核：周玉枝
注：原文发表于《中学科技》年第8期，本文略有修改
预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇