以溶液画实验为例探讨化学科普

＊罗宏斌吴文源

（南京工业大学化学与分子工程学院 江苏 211816）

1.引言

化学是一门基础自然学科，专注于研究物质的性质、组成、结构、变化及物质间的相互作用。化学与生活息息相关，它们如同不可分割的双胞胎，使我们的生活充满了奇迹和便利[1]。但是，在当今社会中，人们在谈及化学时常常产生一种与危险和有害相关的负面联想，表现出对化学的排斥心态。这种心态部分源自于对某些化学物质的毒性和危险性的担忧，以及对化学反应可能引发的意外和损害的忧虑。然而，我们需要认识到，化学本身并不是问题的根源。化学是一门基础科学，它的目标是研究和理解物质世界的运作机制。化学所研究的化学物质本身并不一定有害，而是在特定条件下可能表现出不同的性质和行为。

为了克服人们对化学的排斥心态，科学教育和科学传播起着重要的作用。通过教育，我们可以提高公众对化学科学的理解，增加对科学研究的认同感，并促进化学的正确应用和合理管理。同时，科学传播可以向公众传递关于化学的正面信息和应用案例，帮助人们更全面地认识化学的积极面和对人类社会发展的重要作用[2-4]。总之，尽管人们在谈及化学时可能存在一些负面心态，但化学本身是一门重要的基础科学。通过科学知识和安全措施的应用，我们可以合理管理和控制化学物质及化学反应的潜在危险性，并将化学带来的益处最大化。加强科学教育和科学传播是消除对化学排斥心态的关键，帮助公众更好地理解化学的重要性和积极意义。

2.化学之美

化学是一门富有美感的科学。化学物质的晶体几何图形令人惊叹，当许多化合物结晶时，它们形成了美丽而有序的晶体结构，呈现出精确的几何形状和对称性。例如，钻石的结晶以其六面体的形状和闪耀的光学特性而闻名，它们以精确而对称的方式排列，散发出耀眼的光芒。在化学反应中，物质之间发生相互作用和转化，产生了引人入胜的动态过程。例如，燃烧反应中的火焰舞动、色彩变化及火焰的形状都呈现出一种迷人的流动美。此外，化学物质的色彩美也是化学中引人注目的方面。许多化合物和物质因其分子结构的不同而呈现出多样的色彩。例如，酸性溶液中的酚酞指示剂可以在酸碱中呈现出引人注目的颜色变化，从无色到粉红色的转变令人着迷。还有许多有机染料和荧光剂，它们通过吸收和发射特定波长的光线，展现出鲜艳的颜色，如草莓红、孔雀蓝和葡萄紫等。通过欣赏晶体结构的几何美、化学反应的动态美和化学物质的丰富色彩，我们能够深入感受到化学世界的多样性和独特性，领略到化学所带来的美与魅力[5-10]。

在本文中，我们采用了一种创新的方法，利用亚铁氰化钾与Fe3+、Cu2+、Ni2+离子反应制备获得具有强着色力的络合物显色颜料，选择亚铁氰化钾溶液作为画布，在溶液中构建溶液画的方式，模拟出迷人的星云图案。通过将化学反应与绘画艺术相结合，以一种富有创意的方式向公众展示了化学之美。这种互动的科普形式能够减少人们对化学的偏见，让更多人对化学产生兴趣，并认识到化学是一门美丽而有趣的学科。

3.实验设计原理

亚铁氰化钾（K4[Fe(CN)6]）与过渡金属离子反应生成不同颜色的难溶络合物。本实验中使用三价铁离子（Fe3+）、铜离子（Cu2+）、镍离子（Ni2+）与亚铁氰化钾在水溶液中反应，产生多种有色络合物，并以其作为显色颜料，在亚铁氰化钾水溶液中构筑彩色画。

4.科普实验展示

(1)试剂与仪器准备

亚铁氰化钾（K4[Fe(CN)6]）、六水合硫酸镍铵（Ni(NH4)2(SO4)2·6H2O）、五水硫酸铜（CuSO4·5H2O）均为分析纯试剂，购买于麦克林试剂制造有限公司。生锈铁钉、洁厕灵（超威）、分析电子天平、量筒、滴管、烧杯（100ml 3个，600ml 1个）、玻璃棒、亚克力方盘（27cm×21cm×5cm）。本实验所涉及的试剂均为非危险品，无需特殊防护。

(2)准备溶液配制

分别称取约1g六水合硫酸镍铵、五水硫酸铜，然后加入80ml蒸馏水，充分搅拌至完全溶解，配制得到硫酸镍铵溶液和硫酸铜溶液。洁厕灵的主要成分为盐酸，将生锈铁钉置于烧杯中，然后加入80ml洁厕灵，充分搅拌至铁钉表面呈现银色，制备得到氯化铁溶液。称取约1.5g亚铁氰化钾于600ml烧杯中，加入400ml蒸馏水，充分搅拌溶解备用。

(3)显色络合物颜料制备

将硫酸镍铵溶液、硫酸铜溶液或氯化铁溶液滴加到亚铁氰化钾溶液中，可制备得到三种颜色不同的难溶络合物（图1），分别为蓝色Fe4[Fe(CN)6]3、淡绿色Ni2[Fe(CN)6]、红褐色Cu2[Fe(CN)6]。这三种络合物具有明显的显色效果，将其作为显色颜料，用来绘制彩色图案或文字（图2）。

(4)溶液画展示

将配置好的亚铁氰化钾溶液倒入亚克力方盘内，再往其中按照需要滴加不同量的硫酸镍铵溶液、硫酸铜溶液、氯化铁溶液，并通过震荡或定向引导使得沉淀扩散，可以绘制出不同的画面。首先滴加氯化铁溶液到亚铁氰化钾溶液中，生成蓝色Fe4[Fe(CN)6]3络合物，使得溶液变蓝；然后，分别在不同位置滴加少量的硫酸镍铵溶液、硫酸铜溶液，可以绘画出类似星辰大海的画面（图3）。另外，通过改变三种溶液的滴加量，使其生成大量的红褐色Cu2[Fe(CN)6]，以及少量的蓝色Fe4[Fe(CN)6]3和淡绿色Ni2[Fe(CN)6]，得到的三种显色络合物混合在一起，在溶液中形成了类似于宇宙星云的画面（图4）。

图4 宇宙星云溶液画

图5 不同人群及其对应科普方案

5.科普活动方案

本科普实验将化学反应与绘画艺术结合，使用无毒无害的亚铁氰化钾与Fe3+、Cu2+、Ni2+盐溶液反应制备得到Fe4[Fe(CN)6]3、Ni2[Fe(CN)6]、Cu2[Fe(CN)6]三种显色颜料，以亚铁氰化钾溶液作为画布，在溶液中绘制出类似于星云的溶液画。

本实验展示内容极具观赏性，且实验操作安全性高、互动性强，可以针对不同人群开展科普活动，展现化学之美，减少人们对化学的偏见。

科普活动需要因材施教，因此我们面向不同人群采取个性化的科普方案，以更好地传播化学知识和激发兴趣。具体而言，我们将针对以下四个群体提供相应的科普方案：

（1）小学生群体：致力于让小学生们在有趣的环境中体验化学之美。为此，将采取科普化学染料知识的方式，并通过展示实验视频，以生动有趣的形式展现化学反应和颜色变化。例如，可以在实验中展示各种颜色斑斓的染料与水的交互作用，引发小学生们对颜色和化学实验的好奇心，让他们在快乐的氛围中学习科学。

（2）中学生群体：将着重培养中学生的化学兴趣和实验能力。为此，建议学校适当组织开展溶液画科普实验。在实验中，中学生们将亲自动手进行实验，通过参与化学反应的过程，可以更深刻地理解化学原理和实验方法。例如，让中学生们自己调配溶液、观察反应，并观察到颜色变化或产生沉淀，从而在实践中感受到化学的神奇。

（3）大学生群体：将为大学生提供更加深入的科普内容，使他们在动手操作的同时，扩展对化学知识的理解。在开展溶液画实验的同时，将结合课本知识，开展有关络合物的系列讲座。这样的讲座将深入探讨络合物的结构、性质和应用，让大学生们从实验和理论两个方面全面掌握化学的知识。例如，在实验操作中，引导大学生探索不同金属离子与配体的络合反应，并在讲座中解释其背后的化学原理。

（4）社会公众：将通过溶液画科普实验成果的活动展示，向社会公众推广化学艺术，并且借此机会开展科学辟谣工作。例如，可以在公共场所举办艺术展览，展示由科普实验创作的艺术品，吸引大众的关注。在展览的同时，还可以利用活动宣讲，解答公众对化学问题的疑惑，纠正一些常见的科学误解，提高公众对科学的认知水平。更好地将化学知识传递给不同的受众群体，激发他们对化学的兴趣，并促进化学知识的普及和传播。

6.结论与展望

本溶液画科普实验巧妙地将化学反应与绘画艺术结合起来。通过化学反应制备得到络合物显色颜料，成功构筑出一系列类似星云的画面在溶液画布上，给人带来极大的视觉冲击，充分展示了化学之美。这种创新的实验不仅吸引了广大公众的注意，还向他们生动地呈现了化学的奇妙魅力。除此之外，借鉴本溶液画科普实验的成功经验，可以设计更多科普类化学实验，以展示化学的各种美妙魅力。比如，通过展示化学物质晶体的几何美，让人们感受到晶体的规则排列和迷人的结构之美。再或者展示化学反应的流动美，将化学变化呈现成流动的艺术，让观众亲眼见证反应过程中的美轮美奂。这些有趣而有教育意义的科普化学实验将吸引更多的人对化学产生兴趣。透过实验，他们将更深入地了解化学的原理和应用，逐渐建立对化学的信心与兴趣，从而减少对化学的偏见。通过这样的教育和宣传，可以为化学学科树立更加正面和深刻的形象，激发更多年轻人走进化学领域，为科学事业的发展贡献自己的力量。