尚昊

摘要： 借助藍瓶子實驗，室溫下利用藍牙音箱，探究聲音（波形為正弦波）對化學反應液圖案的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，因聲音產(chǎn)生的波腹處氧氣溶解多于波節(jié)處，導致氧化還原反應的程度不同，進而在溶液表面出現(xiàn)有序的波紋。聲音的介入，改變了原實驗條件以及反應液的圖案，有助于學生增強外界條件可能影響化學反應的意識和激發(fā)學習化學的興趣。

關(guān)鍵詞： 藍瓶子實驗； 氧化還原反應； 聲音； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2022）11-0075-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出開展以化學實驗為主的多種探究活動，激發(fā)學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變。在化學反應條件控制的學習中，藍瓶子實驗因使用的化學物質(zhì)相對安全，現(xiàn)象明顯、有趣，并且易于實施，在中學學習中受到廣泛應用。如果無色亞甲基藍（亞甲基白）被氧氣氧化的程度大于亞甲基藍被葡萄糖還原的程度，溶液呈現(xiàn)藍色，反之，則呈現(xiàn)無色。由于溶液中化學反應物的無序擴散行為，導致藍瓶子實驗產(chǎn)生的藍色圖案是隨機的。而聲音可以使溶液產(chǎn)生有序振動，改變?nèi)芤罕砻媾c氧氣的接觸情況，進而控制此反應在溶液表面不同位置的氧化還原程度，最終出現(xiàn)有序圖案。這里通過介紹一種聲音控制化學反應產(chǎn)生圖案的實驗，可以幫助學生理解氧化還原反應以及改變條件對化學反應的影響。

1 實驗原理

圖1中A圖展示的是無聲音影響的藍瓶子實驗顏色變化（圖案的產(chǎn)生是隨機的），B圖展示的是有聲音影響的藍瓶子實驗顏色變化（圖案的產(chǎn)生是有序的，該培養(yǎng)皿下方為音箱）。

聲音是可以通過介質(zhì)傳播的波?？陕犚姷穆曇簦l率通常在20～2000Hz）能量較低，通常難以直接引發(fā)化學反應。然而，聲音可以影響液體表面的振動和液體內(nèi)部的流動，類似于法拉第波［1，2］。法拉第波最早是由法拉第在1831年提出，當?shù)皖l垂直振動作用于碟子中的液體時，波就會發(fā)生在空氣和液體的界面。當?shù)臃旁诳梢援a(chǎn)生聲音的揚聲器上時便可以產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象。聲音產(chǎn)生的液體表面波導致在波腹和波節(jié)處氣體的溶解程度不同。相比于波節(jié)，波腹處溶液會更加頻繁與空氣中的氧氣接觸［3］，如圖2所示?；诖?，氧化還原反應可以實現(xiàn)一定程度上的區(qū)域控制。對于藍瓶子實驗，波腹位置相比于波節(jié)位置就更容易被氧氣氧化，更容易呈現(xiàn)藍色，而波節(jié)位置顏色相對更容易褪去。通過有色圖案的形成，化學反應過程實現(xiàn)了良好的可視化效果，對學生氧化還原反應和化學反應條件控制的學習有一定的幫助。日常學習中，學生對實驗條件的改變局限于溫度、壓強和催化劑等的改變，通過探究聲音對藍瓶子實驗的影響，可以有效拓展學生的思維，培養(yǎng)學生多向思考的能力。藍瓶子實驗從1960年至今經(jīng)過多年改進［4～9］，已經(jīng)發(fā)展成一個簡易且有趣的實驗，下述實驗采用典型方法進行，二甲基亞砜是選用溶劑，能加強各化合物的溶解能力，不使用該溶劑對實驗效果不會產(chǎn)生顯著影響。實驗使用常見的智能手機、免費的音頻調(diào)節(jié)軟件和藍牙音箱，令實驗操作相對容易實現(xiàn)。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

無色透明塑料瓶、培養(yǎng)皿、智能手機、藍牙音箱、白色亞克力板

純水、亞甲基藍溶液（1mg/mL）、葡萄糖溶液（1mol/L）

氫氧化鈉溶液（5mol/L）、二甲基亞砜（DMSO，選用溶劑）

2.2 實驗過程

2.2.1 藍瓶子實驗及現(xiàn)象

（1） 依次將38.5mL純水、2.5mL亞甲基藍溶液、5.5mL葡萄糖溶液、

2.5mL DMSO、1mL氫氧化鈉溶液注入1個透明的塑料瓶。

（2） 輕輕搖動塑料瓶，靜置10分鐘，可以觀察到下部溶液褪色。

（3） 用移液管取瓶中下部溶液15mL于培養(yǎng)皿中，輕輕搖動。

（4） 蓋上培養(yǎng)皿蓋，靜置。

2.2.2 聲音干擾的藍瓶子實驗及現(xiàn)象

（1） 將藍牙音箱、白色亞克力板、培養(yǎng)皿（直徑10cm），由下至上放置，

打開音箱。

（2） 通過手機藍牙連接音箱，打開智能手機上預先下載的免費音頻軟件，設置音頻為60Hz，音量為60分貝，因正弦波是單一頻率的波形，故選擇正弦波波形。

（3） 依次將38.5mL純水、2.5mL亞甲基藍溶液、5.5mL葡萄糖溶液、

2.5mL DMSO、1mL氫氧化鈉溶液注入1個透明的塑料瓶。

（4） 輕輕搖動塑料瓶，靜置10分鐘。

（5） 用移液管取瓶中下部溶液15mL于培養(yǎng)皿中，輕輕搖動。

（6） 蓋上培養(yǎng)皿蓋，將培養(yǎng)皿放在音箱上方的亞克力板上。

3 結(jié)果與討論

圖3是在音頻60Hz、系統(tǒng)音量60分貝條件下，混合溶液置于培養(yǎng)皿3分鐘后呈現(xiàn)的波紋狀顏色變化。為方便觀察顏色變化，采用白色亞克力板放置于培養(yǎng)皿下進行顏色對比。由圖2可知，因聲音產(chǎn)生的液體表面垂直振動，導致波腹位置更加頻繁地與空氣中的氧氣接觸，氧氣更多地溶解在波腹位置，使得波腹位置長時間保持藍色。而波節(jié)位置溶液處于相對平靜的狀態(tài)，氧氣較少地溶解在波節(jié)位置，導致波節(jié)位置出現(xiàn)先褪色的情況。波節(jié)處褪色說明波節(jié)位置亞甲基藍被葡萄糖還原的程度，大于無色亞甲基藍被氧氣氧化的程度（如圖3所示）。此實驗可視化地說明了氧氣濃度的不同對于化學反應結(jié)果的影響。而溶液中波紋圖案的產(chǎn)生，不僅和溶液的垂直振動有關(guān)，還和溶液內(nèi)部的液體流動有關(guān)，可以進一步引導學生對于實驗現(xiàn)象中流體力學的思考，如圖4所示。

在思考波紋圖案產(chǎn)生的原因時，學生可以了解其中氧化還原反應發(fā)生的過程，進而可以引導學生思索波紋產(chǎn)生的合適條件。如果降低聲音頻率，波節(jié)和波節(jié)之間的距離會增大；提高聲音頻率，波節(jié)和波節(jié)之間的距離會減??；如果距離過小，區(qū)分度降低，則不利于觀察波紋的形成。此外，音量大小也會影響波紋的形成，音量過大會破壞波紋圖案，如圖5所示。

實驗時需用潔凈的培養(yǎng)皿，否則可能會對反應產(chǎn)生的波紋圖案產(chǎn)生影響。

由于使用的設備或環(huán)境會有差異，調(diào)試合適的音頻和音量成為形成波紋狀圖案的關(guān)鍵，因此可以通過側(cè)面觀察是否形成相對均勻的水波來確定需要的音頻和音量，如圖6所示。

4 結(jié)語

教師可以設置一些問題來測試或評估學生的學習

情況。比如，圖1中B圖產(chǎn)生有序波紋的原因是什么？為什么波紋的顏色呈現(xiàn)藍白相間（采用白色襯底）？波腹和波節(jié)處氧氣溶解的情況有什么不同？改變頻率或音量是否會對波紋產(chǎn)生影響？

通過為高中學生創(chuàng)建的這一在聲音影響下的實驗學習項目，使學生從一個全新的角度來認識藍瓶子實驗，有助于更好地理解氧化還原反應，以及條件的改變對化學反應的影響。因聲音產(chǎn)生的溶液表面垂直振動導致氧氣的不均勻溶解，波腹位置與氧氣接觸更頻繁，溶解較多；相反，波節(jié)位置氧氣溶解較少，進而出現(xiàn)有序的藍色波紋。引導學生思考這一全新現(xiàn)象背后的原因，有利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，奇妙實驗現(xiàn)象的展示也能提高學生學習化學的興趣。

參考文獻：

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