绽放在纸上的美丽化学*

苗金玲，何 畏，崔 玉，颜 梅

(济南大学化学化工学院，山东 济南 250022)

随着我国经济社会的发展，化学工业得到了长足的发展。据统计，我国的化学工业贡献占全国总GDP的20%以上，是我国的基础工业，关系国家稳定，具有战略意义[1]。但由于专业人员不足、技术不过关、从业者安全意识淡薄等原因，导致废弃物违规排放、厂房爆炸、化学品泄漏、食品污染等事件时有发生，加上新闻媒体的报道和影视作品的宣传，导致普通大众谈到化学和化学品，第一反应就是“危险”和“污染”。这导致立志报考化学化工相关专业的学生数量呈现下降趋势[1]，其后果是加剧了化工专业从业人员的短缺。化学是把双刃剑，有“坏”的一面，更有“好”的一面。如果没有化肥，世界上将有一半的人面临饥饿；如果没有农药，粮食将减产1/3[2]；如果没有化学合成布料，世界上将有大批人无衣可穿；如果没有合成药物，很多疾病都无药可医。让普通大众认识化学的“好”，愿意选择化学相关专业的学习，促进我国化工产业的良性发展，是亟待解决的问题。

化学反应的产物是五颜六色的，像极了绘画颜料；化学反应过程，特别是伴随颜色改变的反应过程就像在变魔术[3-5]。将化学反应与绘画相结合，将创造出独特的美术作品，并呈现魔术般的效果，无疑是有趣的、吸引人的。鉴于此，我们开发了系列纸上有色化学反应，利用绘画的形式呈现。为了制造视觉冲击，我们选择产物与反应物颜色具有明显差别的反应作为纸上反应，液体吸收能力强的滤纸作为呈现材料，中国特色毛笔作为绘画工具。这些实验材料易得、用料少，反应原理简单、重复性好、易操作，会让大众在趣味作画的同时，认识到化学的“美好”。

1 实验部分

1.1 试剂和材料

试剂：酚酞(化学纯)；甲基橙(化学纯)；NiSO4·7H2O(分析纯)；MgSO4(分析纯)；KSCN(分析纯)；(NH4)2Fe(SO4)2(分析纯)；FeCl3(分析纯)；邻二氮菲(化学纯)；Na2CO3(分析纯)；HAc(36%,分析纯)；丁二酮肟(分析纯)；铬黑T(分析纯)；K4[Fe(CN)6]·3H2O(分析纯)；K3[Fe(CN)6]。

材料：烧杯；滤纸；培养皿；表面皿；滴管；毛笔；调色盘。

1.2 画纸制备液的配制

(1)酚酞溶液

称取0.2 g酚酞溶于100 mL 95%乙醇中，得6 mmol·L-1无色酚酞溶液。

(2)甲基橙溶液,

称取甲基橙0.1 g溶于100 mL 95%乙醇中，加入 0.1 g Na2CO3, 使溶液为碱性，得3 mmol·L-1黄色甲基橙溶液。

(3)NiSO4溶液

称取7.0 g NiSO4·7H2O溶于10 mL蒸馏水中，得0.5 mol·L-1绿色硫酸镍溶液。

(4)MgSO4溶液

称取6.0 g硫酸镁溶于50 mL蒸馏水，得1 mol·L-1无色硫酸镁溶液。

(5)KSCN溶液

称取0.5 g硫氰酸钾溶于50 mL蒸馏水，得0.1 mol·L-1无色硫氰酸钾液。

(6)(NH4)2Fe(SO4)2溶液

称取12 g硫酸亚铁铵(摩尔盐)溶于60 mL蒸馏水，得0.5 mol·L-1无色硫酸亚铁铵溶液。

(7)FeCl3溶液

称取1.0 g氯化铁溶于60 mL蒸馏水中，得0.1 mol·L-1橙黄色氯化铁溶液，转入试剂瓶备用。

(8)邻二氮菲溶液

称取0.1 g邻二氮菲溶于50 mL的95%乙醇中，配成0.01 mol·L-1无色邻二氮菲溶液，转入试剂瓶备用。

1.3 绘画颜料的配制

(1)饱和Na2CO3溶液

称取4 g Na2CO3溶于50 mL蒸馏水中，得无色饱和Na2CO3溶液。

(2)HAc溶液

取36%的醋酸10 mL，加入10 mL蒸馏水，搅拌，得3 mol·L-1无色醋酸溶液。

(3)丁二酮肟溶液

称取0.1 g丁二酮肟，溶于10 mL 95%乙醇中，配成0.09 mol·L-1丁二酮肟无色溶液。

(4)铬黑T溶液

称取0.1 g 铬黑T，溶于三乙醇氨和无水乙醇的30 mL 混合溶液(1:5, V:V)中，配成7 mmol·L-1纯蓝色溶液，转入试剂瓶备用。

(5)K4[Fe(CN)6]溶液

称取0.8 g K4[Fe(CN)6]·3H2O，溶于20 mL蒸馏水中，得0.1 mol·L-1浅黄色K4[Fe(CN)6]溶液。

(6)K3[Fe(CN)6]溶液

称取0.7 g K3[Fe(CN)6]，溶于20 mL蒸馏水中，得到0.1 mol·L-1橙色K3[Fe(CN)6]溶液。

1.4 实验步骤

1.4.1 画纸的制备过程

如图1所示，将滤纸放入合适大小的玻璃培养皿中，倒入画纸制备液，使液面没过滤纸，浸泡2 min。将滤纸取出，放在表面皿上自然晾干，即制得画纸，收集到自封袋中备用。大众如果没有烧杯、培养皿和表面皿这些专业器皿，可以用一次性塑料杯和塑料盘代替。

图1 画纸的制备过程

1.4.2 绘画过程

将绘画颜料滴入塑料调色盘中，用毛笔蘸取颜料在画纸上绘制自己喜欢的画作，根据不同的反应原理，画作呈现不同的颜色改变。

2 实验结果和展示

2.1 实验结果和讨论

为了呈现最佳画作效果，我们通过多次尝试，确定了实验部分所呈现的画纸的制备液与绘画颜料的最佳浓度，并在一些细节问题上都进行了优化设计，如酚酞画纸的绘画颜料，需要碱性溶液，在众多的碱性物质中，我们选择了腐蚀性较小又易得的碳酸钠；甲基橙画纸的绘画颜料，需要酸性溶液，为安全和节约成本考虑，我们选择了醋酸。

表1 画纸上的相关反应原料和反应

通过实验，我们共制作了八种画纸，除了甲基橙画纸的颜色为橙色外，其它画纸的颜色都很浅，甚至是纯白色。绘画颜料也有对应的八种，包括单独配制的六种颜料、制备画纸用的FeCl3溶液和邻二氮菲溶液。绘画的过程中，颜料和画纸中的物质发生反应，呈现出反应产物的颜色。我们选择的反应，产物的颜色和画纸及颜料的颜色具有明显差别，可造成较强视觉冲击。

表1列出画纸上反应原料和相关反应，以及各物质的颜色。酚酞是酸碱滴定中常用的指示剂，它在酸性溶液中呈现无色，但在碱性溶液中呈现艳丽的紫红色，酚酞画纸上的反应就是利用了酚酞在碱性条件下的变色反应。甲基橙是酸碱滴定中另一种常用指示剂，与酚酞不同，它在酸性条件下为红色，但碱性条件下为黄色。为呈现画纸的黄色效果，我们在甲基橙制备液中加入了少量碳酸钠。因此，用醋酸绘画时可呈现较明显的颜色改变。硫酸镍画纸的颜色改变利用的是硫酸镍与丁二酮肟反应生成红色的二丁二酮肟合镍(II)配合物。硫酸镁画纸的创作灵感来源于配位滴定。铬黑T是常用的配位滴定剂，与镁离子发生配位反应生成酒红色的配合物。铬黑T是较深的蓝色，用它制作画纸，颜色较暗，不利于颜色的观察，因此我们用硫酸镁制作了无色的画纸，用铬黑T做颜料，呈现红色效果。硫氰酸钾画纸利用的是Fe(III)离子与硫氰酸根的配位反应，配合物为血红色，呈现在纸上是红棕色。摩尔盐画纸的绘画颜料有两种，一种是K3[Fe(CN)6]，俗称赤血盐，摩尔盐中的Fe(II)替换赤血盐中的K+钾离子生成蓝色的Fe3[Fe(CN)6]2，因此画作呈现蓝色；另一种颜料是邻二氮菲，邻二氮菲常用于比色法测微量铁，我们的灵感也来源于此，利用的是邻二氮菲与Fe(II)离子生成橙色配合物的反应。氯化铁画纸的绘画颜料也有两种，一种是K4[Fe(CN)6]，俗称黄血盐，K+离子被画纸中 Fe(III)替换后，生成普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3，呈现纯蓝色；另一种颜料是硫氰酸钾，反应与硫氰酸钾画纸上的反应相同。邻二氮菲画纸上的颜色呈现的是三邻二氮菲合铁(II)配合物的橙红色。

图2 单色作品

利用我们创作的画纸和配制的颜料，可以创作如图2所示的单色画，对于有两种绘画颜料的画纸，也可以创作较为复杂的双色画，如图3所示。画作可以根据自己的喜好创作，不需要具备美术功底。当然如果有美术功底，魔术般的效果会呈现的更加完美。

图3 双色作品

2.2 科普展示及效果

本实验内容适合向非化学专业人群，特别是中小学生，甚至是幼儿园小朋友展示。我们尝试通过现场和网络两种方式向大众展示了我们的实验。我们携酚酞画纸走进了校附属幼儿园和中小学，活动过程中，首先进行科普知识讲解和实验演示，然后开展“比比谁的画作更美、更有创意”的活动，邀请学生现场体验绘画，并以小份绘画材料作为赠品，让学习带回家，目的是让其展示给更多的人。现场学生响应积极，提出各种感兴趣的问题，画作各有特色。活动后问卷结果显示90%以上的学生认为实验很有趣，希望有更多的类似活动走进校园，有95%的中学生希望参观大学实验室，对化学有更多认识。另外，现在是网络时代，人们习惯了通过网络获取信息，因此我们也将实验过程制成视频，通过视频平台发布，希望更多人关注化学的美好。

3 结 语

通过绘画的形式向人们展示绚丽多彩的魔术般的化学反应，人们在欣赏和体验绘画创作的同时，对化学有了新的认识，体会到化学的“好”的一面。我们努力向公众展示化学的有趣和“美好”，以促进公众扭转对化学和化工产业的不良印象，进而愿意关注化学化工，选择报考化学相关专业，从而满足化工产业对专业人才的需求，使化工产业进入良性发展。