“化學(xué)印章”與“化學(xué)打印機(jī)”趣味化學(xué)實驗的設(shè)計

雷以柱 王倩 萬亞荔 李志 陳定梅 盧香宇

摘要： 基于化學(xué)變色反應(yīng)，遞進(jìn)式地設(shè)計“化學(xué)印章”與“化學(xué)打印機(jī)”系列化學(xué)變色反應(yīng)趣味實驗。介紹了實驗的設(shè)計思路、實驗過程、實驗現(xiàn)象及影響因素。該實驗具有創(chuàng)新性強(qiáng)、趣味性濃、視覺體驗效果好、貼近生活等特點，可以應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)、兒童化學(xué)啟蒙教育及化學(xué)科普教育等方面。

關(guān)鍵詞： 趣味化學(xué)實驗; 顯色反應(yīng); 化學(xué)印章; 化學(xué)打印機(jī); 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）2-0066-04??????????? 中圖分類號： G633.8??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

推進(jìn)創(chuàng)新型國家建設(shè)，關(guān)鍵在于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。中學(xué)生正處于創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)的基礎(chǔ)期和關(guān)鍵期，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)必須從中學(xué)生抓起[1， 2]?；瘜W(xué)作為重要的基礎(chǔ)科學(xué)之一，其以實驗為基礎(chǔ)、以創(chuàng)造新物質(zhì)為核心任務(wù)的學(xué)科內(nèi)涵，使其在學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造意識的培養(yǎng)上較其他基礎(chǔ)學(xué)科具有內(nèi)在優(yōu)勢。設(shè)計與開展富有創(chuàng)新性、探究性和趣味性的化學(xué)實驗項目，對于培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新思維具有重要意義[3～7]。鑒于此，本文著眼于酸堿與指示劑之間的顯色反應(yīng)，采用遞進(jìn)的方式設(shè)計了富有趣味性和視覺體驗效果的“化學(xué)印章”與“化學(xué)打印機(jī)”系列化學(xué)顯色反應(yīng)趣味實驗。

1? 設(shè)計思路

顯色反應(yīng)是化學(xué)教學(xué)中的一類重要反應(yīng)。其中，酸堿指示劑顯色是最為常見的一類顯色反應(yīng)[8， 9]，具有顯色種類多、色彩可調(diào)變性強(qiáng)等特點。時下，兒童小印章、教師獎勵小印章等趣味性印章，因極具趣味性而深受兒童和教師喜愛;成為了當(dāng)下流行的兒童益智玩具和教師教具。但是，同公文印章一樣，這些印章都是通過先沾上顏料然后再印上。我們預(yù)想，利用化學(xué)顯色反應(yīng)，采用無色的堿或酸溶液作為“化學(xué)印泥”，通過印章將“化學(xué)印泥”印制在含有指示劑的紙片上，可以實現(xiàn)化學(xué)印制。而且，基于酸堿在不同指示劑中顯示顏色不同，采用同一堿式或酸式印泥，印在含不同指示劑的紙片上，可以顯現(xiàn)出不同的顏色，使得實驗更具趣味性和觀賞性。另外，印章印制的圖案受印章本身圖形的限制，但是打印機(jī)卻不受圖文大小和形狀的限制，可以對任意圖文進(jìn)行打印。因此，在“化學(xué)印章”基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步預(yù)想，將酸堿或者指示劑配制成溶液作為打印機(jī)的“油墨”，將這種“油墨”應(yīng)用于油墨打印機(jī)，通過與酸堿指示劑間的顯色反應(yīng)，便可以實現(xiàn)化學(xué)打印。

2? 實驗藥品及儀器

藥品： 酚酞、百里酚酞、鄰甲酚酞、氫氧化鈉、乙醇、聚乙烯醇（3.2～3.6mPa·S）

儀器： 佳能MG2580噴墨打印機(jī)、DK-98-Ⅱ型加熱電爐、AL204型分析天平、燒杯、玻璃棒、容量瓶、噴霧瓶（15mL）

教具： 教師獎勵小印章

3? 實驗步驟及現(xiàn)象

3.1? “化學(xué)印章”

3.1.1? “化學(xué)印泥”的配制

稱取1.5g的聚乙烯醇加入10.0mL去離子水中，在電爐上攪拌加熱至聚乙烯醇完全溶解，冷卻至室溫后，向聚乙烯醇溶液加入10.0mL 0.50mol/L的NaOH水溶液并混合均勻。取一部分配制的混合溶液裝入干凈的海綿印盒中，制得堿性“化學(xué)印泥”。

3.1.2? 指示劑紙片的制作

采用無水乙醇為溶劑，分別配制250mL濃度均為5.0g/L的酚酞、百里酚酞、鄰甲酚酞指示劑溶液。將A4打印紙裁剪成小紙片，將小紙片浸入所配制的5.0g/L的指示劑溶液中，5秒后取出，自然條件下風(fēng)干，即得指示劑紙片。采用不同的指示劑溶液浸泡，可制作出含不同指示劑的紙片。

當(dāng)采用指示劑溶液制作“化學(xué)印泥”時，還需向上述指示劑溶液中加入25g的聚乙烯醇。

3.1.3? 化學(xué)印制

取印章在“化學(xué)印泥”盒中蘸取堿性液體，印在含指示劑的小紙片上，從而實現(xiàn)“化學(xué)印章”的印制功能。印章的圖案如圖1所示，無色的堿性“印泥”印在含不同指示劑的白色紙片上顯示出不同的顏色。其中印制在含酚酞的紙片上顯示紅色，印制在含鄰甲酚酞的紙片上顯示出紫紅色，印制在含百里酚酞的紙片上顯示出藍(lán)色。實現(xiàn)了一種無色“化學(xué)印泥”印制出不同顏色圖形的目的，較傳統(tǒng)的印章更具趣味性。

3.2? “化學(xué)打印機(jī)”

3.2.1? “化學(xué)油墨”的配制

以無水乙醇為溶劑，配制50mL的酚酞濃度為5.0g/L的酚酞指示劑溶液。向該溶液中加入5g聚乙烯醇，配制成一定黏度的無色酚酞指示劑溶液，作為“化學(xué)油墨”備用。

3.2.2? 堿性紙片制作

配制0.50mol/L的NaOH水溶液，將A4紙浸入堿性溶液中，5秒后取出，室溫下自然風(fēng)干。

3.2.3? 打印

取出打印機(jī)的墨盒，用注射器將墨盒中的原裝墨水取出，并用無水乙醇清洗墨盒直至洗液無色透明。再將所配制的“化學(xué)油墨”裝入墨盒中，將墨盒裝回打印機(jī)并連接電源。以制作的堿性A4紙為打印紙。在Word中任意畫一種圖案，點擊打印，即打印出了紅色的圖像。另外，也可以采取先打印再向紙片上噴涂堿性溶液的方式實現(xiàn)“化學(xué)打印”。即先在空白的A4紙上打印出含有指示劑無色圖形，然后再用裝有堿性溶液的噴霧瓶向打印出的白色紙片噴堿性液體，使圖案顯示出來。兩種情況打印效果圖如圖2所示，采用先打印再噴涂堿性溶液的方式獲得的圖形色彩更加均勻、鮮艷。

4? 實驗說明

（1） “化學(xué)印章”趣味化學(xué)實驗，既可以采用堿性溶液作為“化學(xué)印泥”，將圖案印制在指示劑紙片上實現(xiàn)化學(xué)印制，也可以采用指示劑溶液作為“化學(xué)印泥”，在堿性紙片上實現(xiàn)化學(xué)印制。

（2） 本文詳細(xì)探討了堿、指示劑以及印制方式對“化學(xué)印章”印制效果的影響，結(jié)果如表1～6所示，可以看出溶液濃度和印制方式均對印制圖案顏色效果有一定影響。

（3） 做“化學(xué)印章”實驗時，印泥的黏度對印制圖案的清晰程度有較大影響。本文采用3.1中堿性“化學(xué)印泥”的配制步驟，配制了含不同濃度的聚乙烯醇NaOH溶液，考察了其對印制圖案清晰度的影響。結(jié)果如表7所示，每20mL溶液中加入1.0～1.5g聚乙烯醇，印制的圖案更清晰。

（4） 為保證“化學(xué)印章”的印制質(zhì)量，印泥盒中的海綿空隙越小越好，這樣可以保證溶液在印章表面均勻分布，不出現(xiàn)液滴懸掛現(xiàn)象，從而獲得清晰的印章圖案。

（5） 為了提高“化學(xué)打印機(jī)”的壽命，打印機(jī)的“化學(xué)油墨”最好用指示劑來配制，堿或酸配制的“化學(xué)油墨”對墨盒噴頭有較大的腐蝕性，使得噴頭容易因腐蝕而損壞。

5? 結(jié)語

本文基于化學(xué)酸堿指示劑變色反應(yīng)，開發(fā)了“化學(xué)印章”和“化學(xué)打印機(jī)”系列趣味化學(xué)實驗。系統(tǒng)探究了堿和指示劑的濃度、印泥溶液的黏性等因素對印制效果的影響。結(jié)果表明堿濃度、指示劑濃度及印制方式對印制顏色的深淺有較大影響，而印泥的黏性及印制力度對印制圖案的清晰性有較大影響。本系列實驗具有創(chuàng)新性強(qiáng)、趣味性濃、視覺體驗效果好、貼近生活等特點;另外，由于變色反應(yīng)的廣泛性，本實驗還可以采用絡(luò)合反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等常見變色類反應(yīng)來進(jìn)行設(shè)計，具有極強(qiáng)的可設(shè)計性、可變性和探究性。因而，本實驗應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)課堂及實驗教學(xué)，不僅能有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的興趣，而且能培養(yǎng)學(xué)生探究思維和創(chuàng)新意識。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉沛漢. 中學(xué)生創(chuàng)新型人才培養(yǎng)路徑分析[J]. 科教導(dǎo)刊， 2017， （3）： 140～141.

[2]高向杰， 翟澤. 日本企業(yè)家教育對我國基礎(chǔ)教育階段創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的啟示[J]. 中國校外教育， 2012， （3）： 13～14.

[3]張棟， 陳永平. 設(shè)計趣味實驗解密氣體反應(yīng)的奇妙現(xiàn)象[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （1）： 68～71.

[4]胡綺妙. 例談初中化學(xué)趣味實驗的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （6）： 56～60.

[5]葉燕珠， 吳新建， 張賢金等. 幾個初中化學(xué)趣味實驗及相關(guān)探究課題[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （1）： 52～55.

[6]樊敏， 彭蜀晉， 萬莉. 高中化學(xué)新課程背景下的實驗趣味化研究[J]. 化學(xué)教育， 2011， （1）： 60～61.

[7]陳凱， 陳博， 趙鈞若. 基于趣味化學(xué)實驗的小學(xué)生化學(xué)啟蒙教育[J]. 化學(xué)教育， 2010， （9）： 38～41.

[8]郭啟航， 楊金鳳， 于鋒. 幾種顯色反應(yīng)的化學(xué)趣味實驗[J]. 化學(xué)教與學(xué)， 2017， （12）： 79～80.

[9]黃海燕. 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的探究性化學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計思路——以“化學(xué)反應(yīng)速率”為例[J]. 廣西教育， 2015， （34）： 63～64.