基于数字影像技术的高中化学实验观察与辨识—以钠与水反应为例

曾显林

一、问题的提出

钠与水反应是人教版《高中化学(必修一)》第三章《金属及其化合物》中的重要内容。钠与水反应过程中存在物质形态的变化、颜色的变化、能量的变化，并且伴随有声音、火焰、烟雾等现象。对本实验进行细致的观察及辨识不但可以加深学生对金属钠的物理性质及主要化学性质的理解，培养学生的实验安全意识及控制风险能力，而且可以培养学生从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题的能力[1]。钠与水反应持续时间短、现象复杂，该反应宏观现象的确认及微观原因的分析仍存在一定的争议，因此引入数字影像技术对本实验的宏观现象及对其蕴含的化学反应进行探析很有必要。

二、相关研究

何斌华[2]认为反应中发出的“吱吱”声是氢气与空气中的氧气发生化合反应爆炸时产生的，反应需要一定的温度，这个温度由反应热提供。孙成斌[3]用Born-Haber循环进行理论计算，得出钠与水反应产生的热量能使钠在特定的条件下达到着火点，进而与空气中的氧气反应燃烧起来。张琳、江锡钧[4]认为金属钠球在反应后期与玻璃接触，积聚热量，尤其是钠与烧杯的间隙部分温度骤升并产生小火星，小火星引爆钠球周围的氢气和空气的混合气体。对于是氢气先着火还是金属钠先着火在已知文献中大多只能靠理论计算或者靠其他实验现象的间接推测，缺少实质性的影像证据，而对于金属钠与水反应过程中伴随的其他副反应很少有文献提及。

三、实验设计与实施

为便于对钠与水反应进行观察与记录，笔者对这个实验进行了重新设计，由教材中的“把绿豆大小的金属钠投进水中”改成“把绿豆大小金属钠置于湿润滤纸上”，并使用数字影像技术辅助对这个实验的观察与辨识。数字影像技术是指包括影像的获取、处理、加工、呈现、应用的一门综合技术[5]。在这一实验中，笔者先用相机对钠与水反应的实验现象进行视频采集，然后利用视频编辑软件对采集到的视频画面进行观察与辨识。

1.实验材料

金属钠、酚酞指示剂、蒸馏水、烧杯、玻璃片、镊子、小刀、白瓷片、滤纸条、圆形滤纸、白色背景板、护目镜、防护手套、实验防护服、三脚架2个、数码相机或成像效果较好的手机2台，计算机及相关的图片查看及视频编辑软件。

2.实验步骤

(1)实验者穿着实验服，戴上护目镜。

(2)搭建实验装置，在实验桌上放置一块白瓷板，实验桌正后方放置白色背景板，用三脚架固定好相机，设定正拍(如图1a所示)、俯拍(如图1b所示)两个机位。

表1 钠与水反应各个阶段实验现象及原因分析

(3)把润湿后的滤纸铺在白瓷片上。

(4)把两台相机调至视频拍摄模式，两台相机的快门速度要设置到1/500 s或以上，启动相机，开始视频录制。

(5)取一块金属钠(绿豆大小)除去煤油及表面氧化物后将其置于准备好的湿润滤纸上。

(6)放置好金属钠后，观察者马上退至1 m外，离远观察。

(7)待反应结束，确认安全后停止录制，将拍摄到的视频素材导入计算机，待进一步分析处理。

图1 实验装置示意图

四、在数字影像技术的辅助下对钠与水反应实验进行深入的观察与辨识

Adobe Premiere Pro CC是一款由Adobe公司推出的专业视频编辑软件，能实现高精度、细节化的操作，主要应用于影视作品的创作。但因为其在视频慢镜头回放、画面缩放、关键帧提取、画面颜色对比鉴别、音频波形分析等方面有出色表现，所以应用该款软件对采集到的实验视频进行分析也十分方便。

1.实验现象概况

观看采集到的源视频可以得知，反应从03''24开始，13''14结束，一共持续10''10，记录画面共1 183帧。该反应十分剧烈，放出耀眼黄光，且伴随有大量烟气产生，此外在反应过程中可以听到明显的爆鸣声。

2.利用数字影像技术分析实验现象及原因

进一步获取实验现象的细节，则需要利用Adobe Premiere Pro CC软件的慢动作回放及提取关键帧画面等功能进行分析。图2a～图2h是在所采集到的视频中提取出的关键帧画面，表1为对图中画面的分析结果。

图2 不同阶段的钠和水反应关键帧画面

(1)由表1可知，此反应可以分为以下五个阶段。

第一阶段，反应生成氢气，且生成的氢气包裹在金属钠表面，此时金属钠与空气中的氧气接触不充分。由于反应放出热量，温度很快达到金属钠的熔点98.3 ℃，金属钠融化成小球，原先覆盖其表面的气泡消失。

第二阶段，氢气气泡消失后熔融的金属钠得以与空气中的氧气充分接触，反应生成氧化钠及过氧化钠，这些氧化物覆盖在钠球表面(如图2b所示)。

第三阶段，生成的钠的氧化物立刻与水反应，覆盖在金属钠表面的氧化物随即消失，金属钠与氧气接触更加充分(如图2c～图2d所示)。在几个放热反应的共同作用下，温度很快到达金属钠的着火点115 ℃，金属钠起火燃烧，并随即引燃反应产生的氢气，发出爆鸣声。

第四阶段，钠燃烧生成的过氧化钠与水反应会产生大量的氧气，氧气的加入，使反应变得更加剧烈，产生爆燃，发出耀眼的黄光，且生成大量的烟气(如图2f～图2g所示)。

第五阶段，得到无色透明的熔融状态的氢氧化钠小球(如图2h所示)，熔融的氢氧化钠小球与滤纸上的水接触，小球外部急速降温，最终小球因内外受热不均而发生炸裂。此阶段发生的炸裂，常常被误以为是金属钠在燃烧过程中发生的爆燃，通过照相机捕捉的影像可以知道，反应后期出现的圆球是无色透明的，与反应开始时具有金属光泽的钠球明显不同，圆球是熔融状态的最终产物氢氧化钠。

(2)问题与思考：判断是钠先起火的依据是什么？钠与水反应的产物氢气也是一种极其易燃的气体，为什么先着火的不是氢气呢？

氢气与氧气混合点燃会产生较大的爆鸣声，因此可以由爆鸣声确认氢气被点燃的时间。利用Adobe Premiere Pro CC软件对起火爆炸的画面及音频波形同时进行分析的结果如图3所示，金属钠在07''56时起火燃烧，此时采集到的音频波形变化不大，07''56时采集到较大波峰，这个波峰就是氢气爆炸的爆鸣声引起的，此时氢气才开始燃烧。经查阅化工数据，氢气在空气中的着火点(标准大气压下)为570 ℃，远高于钠的着火点115 ℃，因此通过影像技术采集到的画面、音频信息与理论吻合，由此可知，钠先燃烧，然后再引燃氢气。

图3 着火时的音频波形图

除了影像技术的间接分析，也可以通过实验验证“先是由钠到达最低燃点燃烧，然后引燃氢气这一结论”，由图2a可以知，钠与水反应生成的氢气在开始阶段起到隔开空气的作用，据此可以进行如下实验设计：取一支15 mm×150 mm小试管，加入蒸馏水约2 mL，往其中加入一块黄豆大小的金属钠。可以观察到金属钠迅速与水反应，产生大量气泡，随即浮到水面，快速变成一个金属小球，小球在水面绕圈滚动，发出“嘶嘶”声，直至小球完全消失。反应过程中没出现起火或者爆炸现象，如图4所示。这是因为反应产生的氢气迅速排出试管内的空气，使金属钠球处于一个相对缺氧的环境中，这样即使金属钠的温度达到着火点，也不会起火。后续实验中我还用不同大小的金属钠重复该实验10多次，均没有出现着火或者爆炸的情况，说明钠与水反应放出的热量没有引燃氢气。

图4 在小试管中进行钠与水反应实验

结果表明，数字影像技术的使用可以帮助教师高效地记录及辨识化学实验，培养学生从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题的能力[1]。有些化学反应蕴含的信息量巨大，在一个反应中往往同时包含主要现象、次要现象及一些反应迅速、不易察觉的现象，这类实验对学生的观察能力要求非常高，大部分学生通过单次实验难以全面观察。但目前中学阶段的实验教学往往以大班教学为主，因为场地、课时的关系很难做到让学生多次实验并进行重复观察。对于这类现象复杂的实验，可以通过架设多个视频采集机位对实验过程进行采集，只需要进行一次实验就可以获得不同的视觉效果。采集到的实验视频还可以利用视频慢镜头回放、画面缩放、关键帧提取、画面颜色对比鉴别、音频波形分析等手段进行反复地观察及辨识。

五、结语

2017版新课标的实施建议中指出，要“注重发挥现代信息技术的作用、积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合”[1]，这种基于数字影像技术的化学实验观察与辨识活动正符合新课标这一建议的要求。相信随着新课标的落地实施及智慧校园建设的推动，数字影像技术在高中化学实验的观察与辨识方面将会得到更广泛的应用。