氨氣噴泉及化學“燈塔”表演實驗的新設計

吳青茂,　趙文超

摘要： 運用信息化技術實現對中學化學實驗單元操作的智能控制，分別設計趣味性較強的氨氣噴泉和化學“燈塔”實驗，既可作為演示實驗用于化學教學，又可作為科普實驗用于科普場館和大型晚會的科學實驗表演。整個實驗設計的實踐活動，引領學生在跨學科知識的學習與運用中提升科學技術素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力。

關鍵詞： 氨氣噴泉; 化學“燈塔”; 表演實驗設計; 化學振蕩反應

文章編號： 10056629（2020）08006703

中圖分類號： G633 8

文獻標識碼： B

1? 課題提出

科普實驗表演，是目前國際上流行的一種全新獨特的科普形式。它以各種現象明顯、原理簡單的物理、化學、生物等科學實驗為主體，結合前沿科學技術研究成果等科普知識以舞臺表演的形式表現出來，融合了小品、相聲、演唱、舞蹈等多種表演形式，在傳播科普知識和科學觀念的同時，倡導一種健康、科學的生活方式，達到寓教于樂的目的[1]。一臺優(yōu)秀的科學實驗表演節(jié)目的核心就是科學實驗的創(chuàng)新設計。據此，需要對演出的主體實驗進行創(chuàng)新設計和巧妙編排。

2? 實驗設計思路

基于以上的真實情境問題，我們與學生一起探索解決方法，設計主體實驗、實驗裝置、呈現方式，運用先進實驗設計理念和技術手段等多方面知識，初步設計了一套基于Vernier數字傳感器和TI系統(tǒng)的氨氣噴泉和化學“燈塔”表演實驗。充分發(fā)揮數字化實驗的優(yōu)勢，引導學生應用技術來解決真實情境問題，通過技術的功能與跨學科知識的融合，把技術作為獲取知識和加工信息、解決真實問題的有效工具。

我們選擇“多米諾效應”作為主體實驗的設計元素。多米諾效應，即“多米諾骨牌效應”，指在一個相互聯系的系統(tǒng)中，一個很小的初始能量就可能產生一系列的連鎖反應，通俗點講就是“牽一發(fā)而動全身”。多米諾效應有著豐富的文化內涵： 一個最小的力量能夠引起的或許只是察覺不到的漸變，但是它所引發(fā)的卻可能是翻天覆地的變化。這有點類似于蝴蝶效應，但是比蝴蝶效應更注重過程的發(fā)展與變化。

利用Vernier壓強傳感器、TI圖形計算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數字化技術對主體實驗中壓強的變化進行實時檢測。設置當壓強為98千帕時，背景燈自動打開;設置當壓強為90千帕時，花朵自動打開。整個實驗設計過程： 觸發(fā)氨氣噴泉，使抽濾瓶中壓強迅速減小，引發(fā)多米諾效應，化學燈塔（碘鐘）燈閃花開。實驗一氣呵成，色彩變化豐富，層次分明，效果驚艷，成功率高。

本實驗演示采用的是1000mL規(guī)格的大反應容器，目的是凸顯實驗現象，讓觀眾看得更清楚，方便普及科學知識。同時，科學與藝術相結合，融入舞臺表演藝術，關注實驗本身，演示實驗同時以精確的語言揭示實驗原理，解釋實驗現象，取得了令人滿意的教學效果。

3? 實驗原理

3.1? 氨氣噴泉實驗

氨氣噴泉實驗是中學化學的一個經典實驗，融化學、物理、數學知識于一體，具有操作簡單、趣味性強、現象明顯等優(yōu)點。原理是： 在實驗時，燒瓶里面和外面的大氣形成壓強差，導致瓶中的液體被大氣壓壓進燒瓶之中形成噴泉。氨氣溶于水時大部分形成NH3·H2O，在常溫下約有1%電離成NH+4和OH-，所以氨水顯弱堿性，能使含有酚酞的溶液變紅[2]。

用壓強傳感器實時檢測噴泉實驗中壓強的變化，即可讓學生從數據的變化中感知壓強的變化[3，4]。

3.2? 化學“燈塔”實驗

化學燈塔實驗[5]： 夜晚在港口觀察燈塔時，可以看見燈塔的燈光呈現周期性的明滅現象。在化學的世界里我們也可找到一類特殊的化學反應——化學振蕩反應，來實現這一現象。本文的化學振蕩反應，是將三種無色的液體混合在一起，在幾秒鐘后變成深藍色，然后變?yōu)殓晟僮優(yōu)闊o色，8秒一周期的變化。真是太神奇啦！

通過將兩口燒瓶中的氨氣溶于水（在常溫下，1體積水大約可溶解700體積的氨氣），致使兩口燒瓶內的氣體壓強迅速減小，小于外界大氣壓，從而將抽濾瓶中的溶液泵入裝氨氣的兩口燒瓶中，導致抽濾瓶和左邊兩口燒瓶內壓強減小，三個燒杯中的溶液分別泵入左邊兩口燒瓶中，引發(fā)“燈塔”實驗（見圖2）。

將H2O2的A溶液及丙二酸、MnSO4和淀粉的B溶液與H2SO4酸化KIO3的C溶液混合。此時，溶液顏色在藍色→琥珀色→無色三者間反復變化，主要化學反應如下[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

反應過程中呈現的顏色：

（1） 藍色為游離碘I2和碘離子I-結合生成I-3，遇淀粉變藍。

（2） 無色為I2與CH2（COOH）2作用生成CHI（COOH）2。

（3） 琥珀色為Mn3+與Mn2+濃度比顏色。

3.3? TI圖形計算器工作原理

利用Vernier壓強傳感器、TI圖形計算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數字化技術對主體實驗中壓強的變化進行實時檢測，實驗中設置當壓強為98千帕時，背景燈自動打開，設置當壓強為90千帕時，花朵自動打開。這是運用TI對裝置的控制。本實驗的裝置工作流程如圖1所示。

4? 實驗

4.1? 試劑與儀器

試劑： 氨水（25%～28%）、堿石灰、酚酞試液、雙氧

水（30%）、KIO3（s）、硫酸溶液（2mol/L）、MnSO4·H2O（s）、丙二酸、淀粉、蒸餾水

儀器： Vernier氣體壓力傳感器、計算機及Logger Pro 3.8.6軟件、Vernier數據采集器、TI圖形計算機、TI

創(chuàng)新者系統(tǒng)、TI數據采集器、透明軟導管、電路連接線、干電池、電池盒、場效應晶體管、燈帶、盆花、玻璃管、直形活塞、止水夾、火柴、鐵架臺、萬用夾、燒杯（500mL）、抽濾瓶（1000mL）、定制兩口燒瓶（文中稱兩口燒瓶，1000mL）、注射器、導氣管若干、橡膠塞若干

4.2? 實驗過程與現象

（1） 配制下列三種溶液[7]。

A液： 205mL 30% H2O2用水稀釋至500mL;

B液： 7.8g丙二酸、1.52g硫酸錳（MnSO4）、0.15g淀粉，用水稀釋至500mL（淀粉用少量水先溶解，再加熱至沸）;

C液： 將21.5g碘酸鉀（KIO3），溶于60℃的熱水里，加入40mL 2mol/L稀H2SO4，再用水稀釋至500mL。

（2） 如圖2所示，組裝好實驗裝置，并檢查裝置氣密性。在TI圖形計算器中設置： 當壓強為98千帕時，背景燈自動打開;當壓強為90千帕時，花朵自動打開。

（3） 向抽濾瓶中加入約1000mL的蒸餾水并滴加5～6滴酚酞試液，關閉止水夾;將A、 B、 C三種溶液各

400mL分別加入三個燒杯中。

（4） 點燃酒精燈，加熱裝有氨水與堿石灰的錐形瓶，約30秒后，將導氣管由兩口燒瓶的下口伸入燒瓶底部并用棉花團封口，將氨氣經U型干燥管中的堿石灰干燥后通入兩口燒瓶，在兩口燒瓶的下口處用濕潤的

圖2? 化學燈塔實驗裝置簡示圖

紅色石蕊試紙檢驗氨氣是否充滿燒瓶。待紅色石蕊試紙變藍后，移出導氣管，將兩口燒瓶下口用帶導管橡膠塞塞緊。

（5） 向兩口燒瓶上口注入少量水，由于氨氣迅速溶于水，導致右邊兩口燒瓶內壓強快速下降，形成紅色噴泉。從而，又導致下方抽濾瓶及左邊兩口燒瓶內壓強快速下降，三個燒杯中的A、 B、 C液同時被吸入左邊兩口燒瓶中，此時燈亮了，繼而花兒也開啦。同時，兩個氣體壓強傳感器壓強同時快速下降（見圖3）。

（6） 右瓶的噴泉大約能充滿圓底蒸餾燒瓶體積的四分之三，左邊兩口燒瓶中的溶液開始時完全無色，約2～3秒后顏色改變?yōu)殓晟?，又迅速變?yōu)樗{色。溶液的顏色就在無色→琥珀色→藍色之間振蕩，約8秒一周期變化，該化學振蕩大約能持續(xù)2分鐘左右。實驗畫面感強，顏色豐富多彩，十分美麗。

5? 教學效果

運用信息技術對反應體系中壓強的變化進行自動化檢測，初步實現了控制化學實驗單元操作的目的。學生通過對程序指令、數據、圖形等的處理和分析，增進了對化學現象和原理本質的認識，提高了分析問題、解決問題的方法和能力。當然，本實驗還能拓展延伸對其他影響因素進行探究，極大地豐富了學生的學習體驗，也對學生的工程思維提出了較高的要求。

在傳統(tǒng)教學中，學生對噴泉實驗產生原理（燒瓶內外壓強差）的認知僅僅局限于表面現象（如橡膠管變扁、礦泉水瓶變癟），而且傳統(tǒng)實驗儀器不能定量測出體系的壓強，必然弱化了學生對噴泉實驗原理的認知。利用數字化信息技術，不僅能實時檢測燒瓶內壓強的變化，還可以壓強為觸發(fā)器，開啟一系列“多米諾效應”，體現了現代化學從粗放型實驗向精細化、可控化、自動化實驗發(fā)展的趨勢。

整個實驗過程將氨氣的水溶性、氨水呈堿性、化學振蕩反應集于一體，實驗現象明顯，趣味性濃，互動性強，不僅激發(fā)學生的興趣，活躍學生的思維，寓教于樂，而且編排成化學實驗情景劇進行舞臺表演，社會反響良好。實驗設計過程以整合的方式解決真實的問題，為學生提供真實而富有現實意義的學習情景，培養(yǎng)學生的高階思維，從而全面提升學生知識、能力與創(chuàng)新方面的核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]安豐艷. 發(fā)揮科技館科普劇功能——在快樂中學習科學知識[J]. 科技風， 2011， （11）： 46.

[2]鐘志健. “噴泉實驗”教學的三維設計[J]. 化學教學， 2011， （2）： 26～28.

[3]王杰. 手持技術在噴泉實驗中的運用[J]. 實驗設計與技術， 2012， （10）： 39～41.

[4]王欣磊， 沈甸. 氣體壓強傳感技術在中學化學實驗教學中的應用[J]. 化學教學， 2015， （9）： 58～61.

[5]中國化學會. 2011世界化學年趣味實驗全國大獎作品匯集[C]. 2011： 7～8， 47～51.

[6][7]王程杰主編. 中學化學實驗研究[M]. 上海： 華東師范大學出版社， 2005： 162～164.