捕捉化學反應美如畫的技術和方法
基於現象和過程可視化的微型化學實驗
凌一洲
（江蘇大學 江蘇鎮江 212013）
摘要
設計了以「滴」為計量單位的微型化學實驗，利用現象和過程可視化的技術，觀察液滴中肉眼難以觀察的細節。以生成氣泡、生成固體、顏色變化等化學反應中最典型的3個現象為例，展示本裝置的可視化效果。本實驗具有可視化、微型化、家庭化、趣味化的特點，並且所需的實驗儀器均可以用日常生活用品代替，特別適合作為家庭實驗實施。
關鍵詞
可視化；微型實驗；微距攝影；小尺度；家庭實驗
對僅用一兩滴試劑的微型實驗來說，雖然反應發生的尺度很小，但是依然隱藏著美麗的、神奇的、鮮為人知的現象。這些細節現象無法用肉眼看清，需要使用可視化的手段輔助觀察[1-2]。可視化是指通過某些手段（改變實驗方法、改變觀察方法等），使原本肉眼無法觀察的細節現象、微小變化等能夠被觀察[3-4]。微型實驗由於試劑用量少，現象常常不太明顯，因此尤其需要可視化改進。有研究者用高清攝像機、智能手機顯微鏡等裝備實現可視化[5-6]，但成本較高，不易在學校大規模配備。用手機攝像頭配合市售的微距鏡頭達到目的，成本低廉，操作方便，效果較好。
1
儀器設備
可視化實驗既可以在學校實驗室完成，又可以作為家庭實驗實施。如果在專業的實驗室，所需的儀器設備包括：單反或微單相機、相機微距鏡、載玻片、鐵架台、試劑瓶（細口瓶）、燒杯、滴管、玻璃棒、LED平板光源等。如果在家中實驗，可以用以下材料分別代替上述儀器設備（一一對應）：手機、手機微距鏡、透明塑料尺、書本、塑料膠囊、一次性杯、牙籤、筆芯、手電筒等。此外，還需要完成實驗所需的試劑。
2
實驗裝置
以家庭實驗的形式為例展開介紹，其實驗方法、原理、效果對實驗室實驗依然適用。根據實驗內容的不同，可以選擇用仰拍或俯拍2種裝置。
圖1 仰拍的實驗裝置
圖1是仰拍的實驗裝置，其搭建步驟如下：（1）將微距鏡夾在手機的前置攝像頭上，將手機水平放置在書本上。（2）在手機旁擺放書本若干，在書中夾1把塑料尺，塑料尺露出的一端位於攝像頭正上方。（3）在塑料尺上滴1滴水，左右移動塑料尺，使液滴位於手機屏幕正中間。（4）調整塑料尺夾入書中的高度，使液滴在被攝像頭對焦後能清晰地呈現在屏幕中央。
圖2 俯拍的實驗裝置
圖2是俯拍的實驗裝置，與仰拍類似，只需要將手機置於塑料尺上方，用後置攝像頭拍攝即可。
3
操作方法和技巧
3.1 補光方法
如果室內光線不足，可根據具體情況用手電筒補光。如果從側面直接照射，可使液體邊緣明亮，效果見圖3(a)。如果用手電筒照射天花板，用天花板反射的光線補光，可以使液體中心明亮，效果見圖3(b)。
圖3 燈光照射後的拍攝效果
3.2 加液方法
用塑料筆芯蘸取液體後滴在塑料尺上，可產生正常大小的1滴液體。如果需要1大滴液體，則重複該操作。當實驗所需滴加的液體很少時，可以將2根牙籤並排伸入液體後取出（此時會有液體沾在2根牙籤的交界處），然後緩慢分離2根牙籤，使交界處的液體順著其中1根牙籤流下並懸掛在尖端，形成較小的1滴。
3.3 錄像方法
除正常的視頻拍攝模式外，手機還自帶延時攝影（縮時攝影）和慢動作攝影（高速攝影）的功能。前者適合拍攝速率很慢、周期很長的化學反應，後者適合拍攝速率很快、來不及直接觀察的化學反應。
3.4 塑料尺的清潔方法
塑料尺在重複使用時，可能會沾有指紋、油污，或因帶有靜電而吸附灰塵，在拍攝時影響美觀。此時可用膠帶（最好是電工膠帶）粘貼在塑料尺表面後撕下，這樣就能保證塑料尺表面的光潔。
4
實驗案例
利用本實驗裝置可以完成大部分基礎的液液反應和固液反應，尤其適合應用於常溫下就能反應的中學化學微型實驗。以生成氣泡、生成固體、顏色變化等化學反應中最典型的3個現象為例，展示本裝置的可視化效果。
4.1 生成氣體
為探究反應物濃度對反應速率的影響，用1滴飽和小蘇打（碳酸氫鈉）溶液分別與1滴白醋（乙酸含量5 g/100 mL）和1滴醋精（乙酸含量30 g/100 mL）反應。在塑料尺上先滴1滴小蘇打溶液，再在旁邊滴1滴白醋或醋精，然後用牙籤撥動其中1滴液滴，使其與另一滴液滴接觸，發生反應。用手機仰拍其過程（視頻中，白醋或醋精在上方，小蘇打溶液在下方）。反應時產生的微小氣泡可以被清晰地拍攝，實驗結果如圖4所示。
圖4 小蘇打與食醋反應的對比實驗
對比2個實驗可以發現，實驗1產生氣泡的速率慢、數量少、體積大、位置相對固定，反應所需的時間長。而實驗2產生氣泡的速率快、數量多、體積小、順著水流四處漂動，反應所需時間短。學生在觀看了這段細膩、生動的視頻後，可以很容易地得出結論：反應物濃度越大，反應速率越快。
4.2 生成固體
硫酸銅與氫氧化鈉的反應會因為滴加順序不同、濃度不同等因素而生成鹼式硫酸銅、氫氧化銅、四羥基合銅酸鈉等不同的產物[7-8]。為此，設計了3個對比實驗，探究反應方式對濃硫酸銅溶液與濃氫氧化鈉溶液反應的影響。實驗1是在1大滴硫酸銅溶液中滴加1小滴氫氧化鈉溶液；實驗2是在1大滴氫氧化鈉溶液中滴加1小滴硫酸銅溶液，實驗3是讓1滴硫酸銅溶液與1滴氫氧化鈉溶液融合、反應。用手機普通的視頻拍攝功能仰拍實驗現象，結果見圖5。
圖5 硫酸銅與氫氧化鈉溶液反應的對比實驗
分析上述實驗可知，沉澱反應不是瞬間完成的，生成物有個由淺變深的產生過程。反應結束時，氫氧化鈉濃度高的地方呈深藍色（接近四羥基合銅酸鈉的顏色），硫酸銅濃度高的地方呈淺藍色（接近鹼式硫酸銅的顏色），符合正常的認知。
4.3 顏色變化
讓1滴飽和氫氧化鈉溶液與1滴飽和酚酞溶液融合，拍攝反應的過程。酚酞在融合的瞬間變紅，隨後由於鹼性過強，又立刻褪色[9]。雖然液滴體積很小，顏色變化很快，但這些現象依然能被敏銳捕捉，例如圖6是酚酞剛剛開始褪色但還沒完全褪色的瞬間。
圖6 酚酞變紅的瞬間
5
實驗優點
（1）可視化：本實驗技術用手機微距攝影輔助人眼觀察現象，讓實驗者能真正看清空間尺度很小的現象和時間周期很短或很長的過程。
（2）微型化：僅需1滴或幾滴試劑就能完成，節約試劑的同時降低了發生意外的風險和損失，降低了實驗者的恐懼心理。
（3）家庭化：適合學生在家中獨立完成，且實驗成果易於教師跟蹤、評價。
（4）趣味化：液滴中的世界是常人不熟悉的新世界，實驗者能從中發現與眾不同的「風景」，獲得新奇、有趣的新體驗。
補訂2018年《化學教育》辦法
國家級全國中文核心期刊
欄目整合 印刷換新 品質提升
權威、客觀、全面、實用
《化學教育》是中國科學技術協會主管，中國化學會、北京師範大學共同主辦的國家級全國中文核心期刊，被北京大學《中文核心期刊要目總覽》2008版、2011版和2014版連續收錄，排同類期刊第1名；美國化學文摘（CA）收錄源期刊。
《化學教育》為半月刊，全年共計24期，每期16元，全年共計384元。由中國郵政承擔訂閱及投遞服務。
訂閱方式1：請到當地就近郵局的報刊訂閱窗口辦理，郵發代號為2-106。
訂閱方式2：微信訂閱，請掃描下方的二維碼，進入訂閱頁面，按照步驟依次操作：選擇投送地區—填寫訂閱份數—單擊立即購買—提交訂單—（如果首次操作，請按照提示添加詳細可靠的收穫地址）—確認訂單—微信支付，即可完成訂閱。請記住CNSI開頭的訂單號，以便查詢，由「中國郵政」微信公眾服務號提供查詢和客戶服務，全國統一客服電話：11185-9-2。
立即掃碼訂閱
請務必注意：（1）若留的是家庭地址，請保證居住小區有自己的信箱且正常使用，以便郵局投遞；（2）若留的是單位地址，請務必告知貴單位的信件收發室工作人員：訂閱了《化學教育》期刊，請協助接收、保管並及時通知取閱。
有化學課程的地方，就應該有《化學教育》期刊！
《化學教育》是大家共同的學術平台和話語陣地，關係到所有化學人的利益，她的發展會回饋廣大讀者和作者，例如資助中國化學會化學基礎教育獎評選，資助有困難的化學教師參加學術研討會等。眾人拾柴火焰高，人人付出一點，則化學教育事業大發展，人人就會獲得更多！《化學教育》若能有經濟實力，則會設立更多的獎勵和資助基金，回饋給廣大讀者和作者！儘快到當地郵局訂閱吧！
TAG:化學教育期刊 |