氨气喷泉及化学“灯塔”表演实验的新设计
2020-09-26吴青茂,赵文超
吴青茂, 赵文超
摘要： 运用信息化技术实现对中学化学实验单元操作的智能控制，分别设计趣味性较强的氨气喷泉和化学“灯塔”实验，既可作为演示实验用于化学教学，又可作为科普实验用于科普场馆和大型晚会的科学实验表演。整个实验设计的实践活动，引领学生在跨学科知识的学习与运用中提升科学技术素养和创新实践能力。
关键词： 氨气喷泉; 化学“灯塔”; 表演实验设计; 化学振荡反应
文章编号： 10056629（2020）08006703
中图分类号： G633 8
文献标识码： B
1 课题提出
科普实验表演，是目前国际上流行的一种全新独特的科普形式。它以各种现象明显、原理简单的物理、化学、生物等科学实验为主体，结合前沿科学技术研究成果等科普知识以舞台表演的形式表现出来，融合了小品、相声、演唱、舞蹈等多种表演形式，在传播科普知识和科学观念的同时，倡导一种健康、科学的生活方式，达到寓教于乐的目的[1]。一台优秀的科学实验表演节目的核心就是科学实验的创新设计。据此，需要对演出的主体实验进行创新设计和巧妙编排。
2 实验设计思路
基于以上的真實情境问题，我们与学生一起探索解决方法，设计主体实验、实验装置、呈现方式，运用先进实验设计理念和技术手段等多方面知识，初步设计了一套基于Vernier数字传感器和TI系统的氨气喷泉和化学“灯塔”表演实验。充分发挥数字化实验的优势，引导学生应用技术来解决真实情境问题，通过技术的功能与跨学科知识的融合，把技术作为获取知识和加工信息、解决真实问题的有效工具。
我们选择“多米诺效应”作为主体实验的设计元素。多米诺效应，即“多米诺骨牌效应”，指在一个相互联系的系统中，一个很小的初始能量就可能产生一系列的连锁反应，通俗点讲就是“牵一发而动全身”。多米诺效应有着丰富的文化内涵： 一个最小的力量能够引起的或许只是察觉不到的渐变，但是它所引发的却可能是翻天覆地的变化。这有点类似于蝴蝶效应，但是比蝴蝶效应更注重过程的发展与变化。
利用Vernier压强传感器、TI图形计算器、TI创新者系统等数字化技术对主体实验中压强的变化进行实时检测。设置当压强为98千帕时，背景灯自动打开;设置当压强为90千帕时，花朵自动打开。整个实验设计过程： 触发氨气喷泉，使抽滤瓶中压强迅速减小，引发多米诺效应，化学灯塔（碘钟）灯闪花开。实验一气呵成，色彩变化丰富，层次分明，效果惊艳，成功率高。
本实验演示采用的是1000mL规格的大反应容器，目的是凸显实验现象，让观众看得更清楚，方便普及科学知识。同时，科学与艺术相结合，融入舞台表演艺术，关注实验本身，演示实验同时以精确的语言揭示实验原理，解释实验现象，取得了令人满意的教学效果。
3 实验原理
3.1 氨气喷泉实验
氨气喷泉实验是中学化学的一个经典实验，融化学、物理、数学知识于一体，具有操作简单、趣味性强、现象明显等优点。原理是： 在实验时，烧瓶里面和外面的大气形成压强差，导致瓶中的液体被大气压压进烧瓶之中形成喷泉。氨气溶于水时大部分形成NH3·H2O，在常温下约有1%电离成NH+4和OH-，所以氨水显弱碱性，能使含有酚酞的溶液变红[2]。
用压强传感器实时检测喷泉实验中压强的变化，即可让学生从数据的变化中感知压强的变化[3，4]。
3.2 化学“灯塔”实验
化学灯塔实验[5]： 夜晚在港口观察灯塔时，可以看见灯塔的灯光呈现周期性的明灭现象。在化学的世界里我们也可找到一类特殊的化学反应——化学振荡反应，来实现这一现象。本文的化学振荡反应，是将三种无色的液体混合在一起，在几秒钟后变成深蓝色，然后变为琥珀色，再变为无色，8秒一周期的变化。真是太神奇啦！
通过将两口烧瓶中的氨气溶于水（在常温下，1体积水大约可溶解700体积的氨气），致使两口烧瓶内的气体压强迅速减小，小于外界大气压，从而将抽滤瓶中的溶液泵入装氨气的两口烧瓶中，导致抽滤瓶和左边两口烧瓶内压强减小，三个烧杯中的溶液分别泵入左边两口烧瓶中，引发“灯塔”实验（见图2）。
将H2O2的A溶液及丙二酸、MnSO4和淀粉的B溶液与H2SO4酸化KIO3的C溶液混合。此时，溶液颜色在蓝色→琥珀色→无色三者间反复变化，主要化学反应如下[6]：
2KIO3+5H2O2+H2SO4Mn2+I2+K2SO4+6H2O+5O2↑
I2+5H2O22H2IO3+4H2O
I2+CH2（COOH）2CHI（COOH）2+I-+H+
I2+CHI（COOH）2CI2（COOH）2+I-+H+
I-+I2I-3
反应过程中呈现的颜色：
（1） 蓝色为游离碘I2和碘离子I-结合生成I-3，遇淀粉变蓝。
（2） 无色为I2与CH2（COOH）2作用生成CHI（COOH）2。
（3） 琥珀色为Mn3+与Mn2+浓度比颜色。
3.3 TI图形计算器工作原理
利用Vernier压强传感器、TI图形计算器、TI创新者系统等数字化技术对主体实验中压强的变化进行实时检测，实验中设置当压强为98千帕时，背景灯自动打开，设置当压强为90千帕时，花朵自动打开。这是运用TI对装置的控制。本实验的装置工作流程如图1所示。
4 实验
4.1 试剂与仪器
试剂： 氨水（25%～28%）、碱石灰、酚酞试液、双氧
水（30%）、KIO3（s）、硫酸溶液（2mol/L）、MnSO4·H2O（s）、丙二酸、淀粉、蒸馏水
仪器： Vernier气体压力传感器、计算机及Logger Pro 3.8.6软件、Vernier数据采集器、TI图形计算机、TI
创新者系统、TI数据采集器、透明软导管、电路连接线、干电池、电池盒、场效应晶体管、灯带、盆花、玻璃管、直形活塞、止水夹、火柴、铁架台、万用夹、烧杯（500mL）、抽滤瓶（1000mL）、定制两口烧瓶（文中称两口烧瓶，1000mL）、注射器、导气管若干、橡胶塞若干
4.2 实验过程与现象
（1） 配制下列三种溶液[7]。
A液： 205mL 30% H2O2用水稀释至500mL;
B液： 7.8g丙二酸、1.52g硫酸锰（MnSO4）、0.15g淀粉，用水稀释至500mL（淀粉用少量水先溶解，再加热至沸）;
C液： 将21.5g碘酸钾（KIO3），溶于60℃的热水里，加入40mL 2mol/L稀H2SO4，再用水稀釋至500mL。
（2） 如图2所示，组装好实验装置，并检查装置气密性。在TI图形计算器中设置： 当压强为98千帕时，背景灯自动打开;当压强为90千帕时，花朵自动打开。
（3） 向抽滤瓶中加入约1000mL的蒸馏水并滴加5～6滴酚酞试液，关闭止水夹;将A、 B、 C三种溶液各
400mL分别加入三个烧杯中。
（4） 点燃酒精灯，加热装有氨水与碱石灰的锥形瓶，约30秒后，将导气管由两口烧瓶的下口伸入烧瓶底部并用棉花团封口，将氨气经U型干燥管中的碱石灰干燥后通入两口烧瓶，在两口烧瓶的下口处用湿润的
图2 化学灯塔实验装置简示图
红色石蕊试纸检验氨气是否充满烧瓶。待红色石蕊试纸变蓝后，移出导气管，将两口烧瓶下口用带导管橡胶塞塞紧。
（5） 向两口烧瓶上口注入少量水，由于氨气迅速溶于水，导致右边两口烧瓶内压强快速下降，形成红色喷泉。从而，又导致下方抽滤瓶及左边两口烧瓶内压强快速下降，三个烧杯中的A、 B、 C液同时被吸入左边两口烧瓶中，此时灯亮了，继而花儿也开啦。同时，两个气体压强传感器压强同时快速下降（见图3）。
（6） 右瓶的喷泉大约能充满圆底蒸馏烧瓶体积的四分之三，左边两口烧瓶中的溶液开始时完全无色，约2～3秒后颜色改变为琥珀色，又迅速变为蓝色。溶液的颜色就在无色→琥珀色→蓝色之间振荡，约8秒一周期变化，该化学振荡大约能持续2分钟左右。实验画面感强，颜色丰富多彩，十分美丽。
5 教学效果
运用信息技术对反应体系中压强的变化进行自动化检测，初步实现了控制化学实验单元操作的目的。学生通过对程序指令、数据、图形等的处理和分析，增进了对化学现象和原理本质的认识，提高了分析问题、解决问题的方法和能力。当然，本实验还能拓展延伸对其他影响因素进行探究，极大地丰富了学生的学习体验，也对学生的工程思维提出了较高的要求。
在传统教学中，学生对喷泉实验产生原理（烧瓶内外压强差）的认知仅仅局限于表面现象（如橡胶管变扁、矿泉水瓶变瘪），而且传统实验仪器不能定量测出体系的压强，必然弱化了学生对喷泉实验原理的认知。利用数字化信息技术，不仅能实时检测烧瓶内压强的变化，还可以压强为触发器，开启一系列“多米诺效应”，体现了现代化学从粗放型实验向精细化、可控化、自动化实验发展的趋势。
整个实验过程将氨气的水溶性、氨水呈碱性、化学振荡反应集于一体，实验现象明显，趣味性浓，互动性强，不仅激发学生的兴趣，活跃学生的思维，寓教于乐，而且编排成化学实验情景剧进行舞台表演，社会反响良好。实验设计过程以整合的方式解决真实的问题，为学生提供真实而富有现实意义的学习情景，培养学生的高阶思维，从而全面提升学生知识、能力与创新方面的核心素养。
参考文献：
[1]安丰艳. 发挥科技馆科普剧功能——在快乐中学习科学知识[J]. 科技风， 2011， （11）： 46.
[2]钟志健. “喷泉实验”教学的三维设计[J]. 化学教学， 2011， （2）： 26～28.
[3]王杰. 手持技术在喷泉实验中的运用[J]. 实验设计与技术， 2012， （10）： 39～41.
[4]王欣磊， 沈甸. 气体压强传感技术在中学化学实验教学中的应用[J]. 化学教学， 2015， （9）： 58～61.
[5]中国化学会. 2011世界化学年趣味实验全国大奖作品汇集[C]. 2011： 7～8， 47～51.
[6][7]王程杰主编. 中学化学实验研究[M]. 上海： 华东师范大学出版社， 2005： 162～164.
