以溶液畫實驗為例探討化學科普

＊羅宏斌吳文源

（南京工業(yè)大學化學與分子工程學院 江蘇 211816）

1.引言

化學是一門基礎(chǔ)自然學科，專注于研究物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、變化及物質(zhì)間的相互作用?；瘜W與生活息息相關(guān)，它們?nèi)缤豢煞指畹碾p胞胎，使我們的生活充滿了奇跡和便利[1]。但是，在當今社會中，人們在談及化學時常常產(chǎn)生一種與危險和有害相關(guān)的負面聯(lián)想，表現(xiàn)出對化學的排斥心態(tài)。這種心態(tài)部分源自于對某些化學物質(zhì)的毒性和危險性的擔憂，以及對化學反應(yīng)可能引發(fā)的意外和損害的憂慮。然而，我們需要認識到，化學本身并不是問題的根源?；瘜W是一門基礎(chǔ)科學，它的目標是研究和理解物質(zhì)世界的運作機制?；瘜W所研究的化學物質(zhì)本身并不一定有害，而是在特定條件下可能表現(xiàn)出不同的性質(zhì)和行為。

為了克服人們對化學的排斥心態(tài)，科學教育和科學傳播起著重要的作用。通過教育，我們可以提高公眾對化學科學的理解，增加對科學研究的認同感，并促進化學的正確應(yīng)用和合理管理。同時，科學傳播可以向公眾傳遞關(guān)于化學的正面信息和應(yīng)用案例，幫助人們更全面地認識化學的積極面和對人類社會發(fā)展的重要作用[2-4]?？傊M管人們在談及化學時可能存在一些負面心態(tài)，但化學本身是一門重要的基礎(chǔ)科學。通過科學知識和安全措施的應(yīng)用，我們可以合理管理和控制化學物質(zhì)及化學反應(yīng)的潛在危險性，并將化學帶來的益處最大化。加強科學教育和科學傳播是消除對化學排斥心態(tài)的關(guān)鍵，幫助公眾更好地理解化學的重要性和積極意義。

2.化學之美

化學是一門富有美感的科學?；瘜W物質(zhì)的晶體幾何圖形令人驚嘆，當許多化合物結(jié)晶時，它們形成了美麗而有序的晶體結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出精確的幾何形狀和對稱性。例如，鉆石的結(jié)晶以其六面體的形狀和閃耀的光學特性而聞名，它們以精確而對稱的方式排列，散發(fā)出耀眼的光芒。在化學反應(yīng)中，物質(zhì)之間發(fā)生相互作用和轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生了引人入勝的動態(tài)過程。例如，燃燒反應(yīng)中的火焰舞動、色彩變化及火焰的形狀都呈現(xiàn)出一種迷人的流動美。此外，化學物質(zhì)的色彩美也是化學中引人注目的方面。許多化合物和物質(zhì)因其分子結(jié)構(gòu)的不同而呈現(xiàn)出多樣的色彩。例如，酸性溶液中的酚酞指示劑可以在酸堿中呈現(xiàn)出引人注目的顏色變化，從無色到粉紅色的轉(zhuǎn)變令人著迷。還有許多有機染料和熒光劑，它們通過吸收和發(fā)射特定波長的光線，展現(xiàn)出鮮艷的顏色，如草莓紅、孔雀藍和葡萄紫等。通過欣賞晶體結(jié)構(gòu)的幾何美、化學反應(yīng)的動態(tài)美和化學物質(zhì)的豐富色彩，我們能夠深入感受到化學世界的多樣性和獨特性，領(lǐng)略到化學所帶來的美與魅力[5-10]。

在本文中，我們采用了一種創(chuàng)新的方法，利用亞鐵氰化鉀與Fe3+、Cu2+、Ni2+離子反應(yīng)制備獲得具有強著色力的絡(luò)合物顯色顏料，選擇亞鐵氰化鉀溶液作為畫布，在溶液中構(gòu)建溶液畫的方式，模擬出迷人的星云圖案。通過將化學反應(yīng)與繪畫藝術(shù)相結(jié)合，以一種富有創(chuàng)意的方式向公眾展示了化學之美。這種互動的科普形式能夠減少人們對化學的偏見，讓更多人對化學產(chǎn)生興趣，并認識到化學是一門美麗而有趣的學科。

3.實驗設(shè)計原理

亞鐵氰化鉀（K4[Fe(CN)6]）與過渡金屬離子反應(yīng)生成不同顏色的難溶絡(luò)合物。本實驗中使用三價鐵離子（Fe3+）、銅離子（Cu2+）、鎳離子（Ni2+）與亞鐵氰化鉀在水溶液中反應(yīng)，產(chǎn)生多種有色絡(luò)合物，并以其作為顯色顏料，在亞鐵氰化鉀水溶液中構(gòu)筑彩色畫。

4.科普實驗展示

(1)試劑與儀器準備

亞鐵氰化鉀（K4[Fe(CN)6]）、六水合硫酸鎳銨（Ni(NH4)2(SO4)2·6H2O）、五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）均為分析純試劑，購買于麥克林試劑制造有限公司。生銹鐵釘、潔廁靈（超威）、分析電子天平、量筒、滴管、燒杯（100ml 3個，600ml 1個）、玻璃棒、亞克力方盤（27cm×21cm×5cm）。本實驗所涉及的試劑均為非危險品，無需特殊防護。

(2)準備溶液配制

分別稱取約1g六水合硫酸鎳銨、五水硫酸銅，然后加入80ml蒸餾水，充分攪拌至完全溶解，配制得到硫酸鎳銨溶液和硫酸銅溶液。潔廁靈的主要成分為鹽酸，將生銹鐵釘置于燒杯中，然后加入80ml潔廁靈，充分攪拌至鐵釘表面呈現(xiàn)銀色，制備得到氯化鐵溶液。稱取約1.5g亞鐵氰化鉀于600ml燒杯中，加入400ml蒸餾水，充分攪拌溶解備用。

(3)顯色絡(luò)合物顏料制備

將硫酸鎳銨溶液、硫酸銅溶液或氯化鐵溶液滴加到亞鐵氰化鉀溶液中，可制備得到三種顏色不同的難溶絡(luò)合物（圖1），分別為藍色Fe4[Fe(CN)6]3、淡綠色Ni2[Fe(CN)6]、紅褐色Cu2[Fe(CN)6]。這三種絡(luò)合物具有明顯的顯色效果，將其作為顯色顏料，用來繪制彩色圖案或文字（圖2）。

(4)溶液畫展示

將配置好的亞鐵氰化鉀溶液倒入亞克力方盤內(nèi)，再往其中按照需要滴加不同量的硫酸鎳銨溶液、硫酸銅溶液、氯化鐵溶液，并通過震蕩或定向引導使得沉淀擴散，可以繪制出不同的畫面。首先滴加氯化鐵溶液到亞鐵氰化鉀溶液中，生成藍色Fe4[Fe(CN)6]3絡(luò)合物，使得溶液變藍；然后，分別在不同位置滴加少量的硫酸鎳銨溶液、硫酸銅溶液，可以繪畫出類似星辰大海的畫面（圖3）。另外，通過改變?nèi)N溶液的滴加量，使其生成大量的紅褐色Cu2[Fe(CN)6]，以及少量的藍色Fe4[Fe(CN)6]3和淡綠色Ni2[Fe(CN)6]，得到的三種顯色絡(luò)合物混合在一起，在溶液中形成了類似于宇宙星云的畫面（圖4）。

圖4 宇宙星云溶液畫

圖5 不同人群及其對應(yīng)科普方案

5.科普活動方案

本科普實驗將化學反應(yīng)與繪畫藝術(shù)結(jié)合，使用無毒無害的亞鐵氰化鉀與Fe3+、Cu2+、Ni2+鹽溶液反應(yīng)制備得到Fe4[Fe(CN)6]3、Ni2[Fe(CN)6]、Cu2[Fe(CN)6]三種顯色顏料，以亞鐵氰化鉀溶液作為畫布，在溶液中繪制出類似于星云的溶液畫。

本實驗展示內(nèi)容極具觀賞性，且實驗操作安全性高、互動性強，可以針對不同人群開展科普活動，展現(xiàn)化學之美，減少人們對化學的偏見。

科普活動需要因材施教，因此我們面向不同人群采取個性化的科普方案，以更好地傳播化學知識和激發(fā)興趣。具體而言，我們將針對以下四個群體提供相應(yīng)的科普方案：

（1）小學生群體：致力于讓小學生們在有趣的環(huán)境中體驗化學之美。為此，將采取科普化學染料知識的方式，并通過展示實驗視頻，以生動有趣的形式展現(xiàn)化學反應(yīng)和顏色變化。例如，可以在實驗中展示各種顏色斑斕的染料與水的交互作用，引發(fā)小學生們對顏色和化學實驗的好奇心，讓他們在快樂的氛圍中學習科學。

（2）中學生群體：將著重培養(yǎng)中學生的化學興趣和實驗?zāi)芰?。為此，建議學校適當組織開展溶液畫科普實驗。在實驗中，中學生們將親自動手進行實驗，通過參與化學反應(yīng)的過程，可以更深刻地理解化學原理和實驗方法。例如，讓中學生們自己調(diào)配溶液、觀察反應(yīng)，并觀察到顏色變化或產(chǎn)生沉淀，從而在實踐中感受到化學的神奇。

（3）大學生群體：將為大學生提供更加深入的科普內(nèi)容，使他們在動手操作的同時，擴展對化學知識的理解。在開展溶液畫實驗的同時，將結(jié)合課本知識，開展有關(guān)絡(luò)合物的系列講座。這樣的講座將深入探討絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用，讓大學生們從實驗和理論兩個方面全面掌握化學的知識。例如，在實驗操作中，引導大學生探索不同金屬離子與配體的絡(luò)合反應(yīng)，并在講座中解釋其背后的化學原理。

（4）社會公眾：將通過溶液畫科普實驗成果的活動展示，向社會公眾推廣化學藝術(shù)，并且借此機會開展科學辟謠工作。例如，可以在公共場所舉辦藝術(shù)展覽，展示由科普實驗創(chuàng)作的藝術(shù)品，吸引大眾的關(guān)注。在展覽的同時，還可以利用活動宣講，解答公眾對化學問題的疑惑，糾正一些常見的科學誤解，提高公眾對科學的認知水平。更好地將化學知識傳遞給不同的受眾群體，激發(fā)他們對化學的興趣，并促進化學知識的普及和傳播。

6.結(jié)論與展望

本溶液畫科普實驗巧妙地將化學反應(yīng)與繪畫藝術(shù)結(jié)合起來。通過化學反應(yīng)制備得到絡(luò)合物顯色顏料，成功構(gòu)筑出一系列類似星云的畫面在溶液畫布上，給人帶來極大的視覺沖擊，充分展示了化學之美。這種創(chuàng)新的實驗不僅吸引了廣大公眾的注意，還向他們生動地呈現(xiàn)了化學的奇妙魅力。除此之外，借鑒本溶液畫科普實驗的成功經(jīng)驗，可以設(shè)計更多科普類化學實驗，以展示化學的各種美妙魅力。比如，通過展示化學物質(zhì)晶體的幾何美，讓人們感受到晶體的規(guī)則排列和迷人的結(jié)構(gòu)之美。再或者展示化學反應(yīng)的流動美，將化學變化呈現(xiàn)成流動的藝術(shù)，讓觀眾親眼見證反應(yīng)過程中的美輪美奐。這些有趣而有教育意義的科普化學實驗將吸引更多的人對化學產(chǎn)生興趣。透過實驗，他們將更深入地了解化學的原理和應(yīng)用，逐漸建立對化學的信心與興趣，從而減少對化學的偏見。通過這樣的教育和宣傳，可以為化學學科樹立更加正面和深刻的形象，激發(fā)更多年輕人走進化學領(lǐng)域，為科學事業(yè)的發(fā)展貢獻自己的力量。