呂小蘭，胡昱，吳思豪，瞿銀合，王明明，趙妍，蔡琥

南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院，南昌 330031

光化學(xué)反應(yīng)是物質(zhì)在光的作用下獲得能量而發(fā)生化學(xué)變化的過程。光作為維持地球生命活力的直接能源，催動(dòng)無數(shù)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，眾所周知的光合作用、染料的光褪色、塑料的光老化、指甲油的光固化……光化學(xué)反應(yīng)在我們的身邊無處不在。1842年，英國約翰·赫謝爾爵士發(fā)明了氰版攝影法(Cyanotype)，俗稱藍(lán)曬法[1]。藍(lán)曬是典型的光化學(xué)反應(yīng)，它通過光敏物質(zhì)捕捉太陽光中的紫外線，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。其原理為鐵離子與配體如草酸鹽或檸檬酸鹽在紫外線的作用下發(fā)生反應(yīng)被還原成亞鐵離子，然后亞鐵離子與鐵氰化物反應(yīng)生成亞鐵氰化鐵(又名普魯士藍(lán))。普魯士藍(lán)吸附在相紙上，顯示出美麗的藍(lán)色圖像。國內(nèi)的藍(lán)曬工藝最早見文于1958年，常被用于地形地貌圖和建筑圖紙的繪制，是生產(chǎn)與科研、建設(shè)中常見的圖形影印資料，直至20年前才逐漸在藝術(shù)和攝影領(lǐng)域有所發(fā)展[2]。藍(lán)曬工藝因操作簡易且顯影效果明顯而廣受攝影愛好者的喜愛，諸多愛好者還嘗試拓展藍(lán)曬工藝，發(fā)掘其更多的可能性。

本文將藍(lán)曬工藝與光化學(xué)反應(yīng)知識(shí)相結(jié)合，形態(tài)萬千的藍(lán)曬印相就像一個(gè)個(gè)“藍(lán)色精靈”，向公眾展示光化學(xué)反應(yīng)的“魔力”，讓公眾領(lǐng)略化學(xué)與藝術(shù)的完美融合。同時(shí)創(chuàng)新開展藍(lán)曬-紫外線科普探索實(shí)驗(yàn)——紫外線強(qiáng)度探索和科學(xué)防曬，讓參與者真切感悟到生活中處處有化學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

(1) 檸檬酸鐵銨在紫外光下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，三價(jià)鐵離子光還原為二價(jià)鐵離子，檸檬酸鹽被氧化為1,3-丙酮二羧酸鹽[3]。

(2) 二價(jià)鐵離子與鐵氰化鉀反應(yīng)生成三價(jià)鐵離子和六氰合亞鐵離子，進(jìn)而相互結(jié)合生成配位化合物普魯士藍(lán)(亞鐵氰化鐵，F(xiàn)e4III[FeII(CN)6]3·nH2O (n= 14–17))，從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)色印相。

(3) 再用稀的過氧化氫溶液漂洗，將殘留游離的亞鐵離子氧化為三價(jià)鐵離子，藍(lán)色圖像將變得更加飽滿、濃郁。

1.2 儀器、試劑與材料

儀器：自制紫外暗箱，打印機(jī)(惠普HP 1112)，天平(JM·A20002)。

試劑與材料：檸檬酸鐵銨(AR，上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司)，鐵氰化鉀(AR，西隴科學(xué)股份有限公司)，過氧化氫(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，白色卡紙(上海西丁工業(yè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司)，菲林負(fù)片(安徽樂穎數(shù)碼科技有限公司)，PVC板(深圳市順泰塑膠有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟/方法/現(xiàn)象

本實(shí)驗(yàn)操作便捷，流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.3.1 前期準(zhǔn)備

(1) 負(fù)片打印。

打開一個(gè)圖片處理網(wǎng)站，選定照片，選擇“圖像–調(diào)整–黑白”，完成黑白處理后選擇“圖像–調(diào)整–反相”得到反相圖像，打印該圖片得到要印相的負(fù)片。

(2) 感光相紙的制備。

稱取6.00 g檸檬酸鐵銨和5.00 g鐵氰化鉀，各加入20 mL蒸餾水配制成0.30 g·mL-1檸檬酸鐵銨溶液(A液)和0.25 g·mL-1鐵氰化鉀溶液(B液)，將A液和B液等體積混合均勻，得到感光液。

用軟毛刷蘸取適量感光液，均勻涂刷在白色卡紙上，室溫下避光晾干即得感光相紙。

1.3.2 曝光及漂洗

將感光相紙和負(fù)片置于兩塊透明PVC板之間夾緊，置于自制紫外暗箱中曝光10 min。

將相紙取出，用水漂洗，直至沒有黃色液體出現(xiàn)。再用3%雙氧水漂洗相紙，處理后藍(lán)色會(huì)迅速加深，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

1.3.3 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

應(yīng)用智能手機(jī)拾色器中三原色識(shí)別功能，給出成相的藍(lán)色判斷標(biāo)準(zhǔn)。RGB色彩模式是目前運(yùn)用最廣的色彩標(biāo)準(zhǔn)，R、G、B分別代表紅、綠、藍(lán)三種顏色的強(qiáng)度，也常被用于顏色量化處理數(shù)據(jù)[4]。

(1) A、B液濃度篩選。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，藍(lán)色B值為152，藍(lán)色濃郁程度適中(圖3)，對(duì)應(yīng)的感光液由0.30 g·mL-1A液和0.25 g·mL-1B液等體積混合而得，可作為感光液的優(yōu)選配比。

圖3 A、B液濃度篩選

(2) 曝光時(shí)間篩選。

延長曝光時(shí)間，照片的藍(lán)色會(huì)更濃郁，但到達(dá)臨界時(shí)間后，變化逐漸減弱，因?yàn)槌^最佳曝光時(shí)間后，普魯士藍(lán)繼續(xù)反應(yīng)形成FeII4[FeII(CN)6]3·nH2O而使藍(lán)色減弱(圖4)。

圖4 曝光時(shí)間篩選

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)選擇曝光10 min，此時(shí)的藍(lán)曬照片藍(lán)色B值為160，藍(lán)色濃郁程度適中。

2 科普展示

2.1 展示條件及對(duì)象

寬敞室內(nèi)場(chǎng)所，如科技館、中小學(xué)教室等；室外場(chǎng)所，如廣場(chǎng)、公園等均可作為展示地點(diǎn)。室內(nèi)展示時(shí)需要有電源，目前室內(nèi)場(chǎng)所大多能保障；室外展示時(shí)最好是天氣晴朗，有電源時(shí)對(duì)天氣沒有要求。實(shí)驗(yàn)用水可存儲(chǔ)于塑料器皿中備用。

根據(jù)參與者知識(shí)水平、認(rèn)知能力、年齡層次及科普期望達(dá)到的效果，將展示對(duì)象分為小學(xué)階段(6–12歲)、中學(xué)階段(12–18歲)及成年階段(18歲以上)三個(gè)人群。

小學(xué)階段人群，對(duì)科學(xué)知識(shí)有初步了解，對(duì)有顏色變化的化學(xué)過程感興趣，但不具備了解化學(xué)原理的能力，因此側(cè)重讓他們體驗(yàn)制作藍(lán)曬照片的過程，感受化學(xué)之美與實(shí)驗(yàn)之趣。

中學(xué)階段人群，具備了一定的化學(xué)學(xué)科知識(shí)，但是對(duì)光化學(xué)反應(yīng)缺乏認(rèn)知。在制作藍(lán)曬照片的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生理解藍(lán)曬光化學(xué)反應(yīng)的原理，并解答生活中與光化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的問題。

成年階段人群，有一定的社會(huì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，想象力、分析能力、接受能力和輻射影響其交際圈的能力。在制作藍(lán)曬照片之后，進(jìn)行藍(lán)曬-紫外線拓展實(shí)驗(yàn)，更好地幫助他們了解生活中常見的光化學(xué)反應(yīng)，糾正其可能存在的認(rèn)知誤區(qū)，傳播化學(xué)創(chuàng)造美好生活的理念。

2.2 展示方案

2.2.1 藍(lán)曬作品展示

通過多種媒介，如紙、蛋殼、玻璃、布等承載的藍(lán)曬成品(圖5)，可拓展藍(lán)曬的應(yīng)用范圍，豐富藍(lán)曬的表現(xiàn)方式，充分展現(xiàn)藍(lán)曬成相的藝術(shù)魅力。

圖5 藍(lán)曬成品媒介

還可結(jié)合社會(huì)熱點(diǎn)進(jìn)行藍(lán)曬主題展示，如動(dòng)物展——保護(hù)動(dòng)物、植物展——保護(hù)環(huán)境、民族風(fēng)情展——感受風(fēng)土人情、分子結(jié)構(gòu)展——了解分子結(jié)構(gòu)等，將圖像轉(zhuǎn)化為靈動(dòng)的語言，讓藍(lán)曬成為具有文化內(nèi)涵的科普實(shí)踐活動(dòng)。

2.2.2 拓展實(shí)驗(yàn)展示

據(jù)北京某地區(qū)一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高中生對(duì)日曬的正確認(rèn)知率僅為25%左右，初中生僅為10%左右[5]；加上疫情以來紫外線過量暴露事件屢見報(bào)道[6]。基于藍(lán)曬的光化學(xué)反應(yīng)原理，本文將照片藍(lán)色的深度與反應(yīng)中紫外線暴露量建立起關(guān)聯(lián)性[7]，可以幫助公眾直觀認(rèn)識(shí)紫外線的危害及防護(hù)的重要性。

(1) 太陽光紫外線強(qiáng)度測(cè)試。

將晾干后的感光相紙放置在某城市夏季不同時(shí)間段的日光下曝光10 min，再經(jīng)過漂洗，使用手機(jī)拾色器讀取三原色中的B值，發(fā)現(xiàn)在8:00–17:00范圍內(nèi)，中午13:00–14:00曝光得到的藍(lán)色圖像顏色最深，B值最小，說明該時(shí)間段紫外線最強(qiáng)，傍晚16:00–17:00曝光得到的藍(lán)色圖像顏色最淺，B值最大，說明該時(shí)間段紫外線最弱(圖6)。

圖6 夏季晴天太陽光紫外線強(qiáng)度變化圖

(2) 防曬霜防曬性能測(cè)試。

對(duì)凡士林和7種不同品牌防曬霜進(jìn)行防曬性能測(cè)試，結(jié)果表明每種防曬霜對(duì)紫外線均有削弱效果，但不同防曬霜抵抗紫外線的能力有一定差異。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖7(A)所示，凡士林遮擋后，無圖像顯現(xiàn)表明其對(duì)紫外線無阻隔作用；B至H為不同品牌防曬霜均有成相效果，表明有防紫外線功能。

圖7 防曬霜性能測(cè)試

3 結(jié)語

惟妙惟肖、姿態(tài)萬千的藍(lán)曬圖像，是化學(xué)與藝術(shù)的完美融合，本實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)科學(xué)性、趣味性和觀賞性。參與者通過親手制作藍(lán)曬照片，可以直觀感受化學(xué)變化的神奇過程；通過簡單易行的藍(lán)曬-紫外線拓展實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)紫外線知識(shí)、防曬的原理及效果。本實(shí)驗(yàn)安全可靠，操作簡便，耗時(shí)短，適用面廣，是一個(gè)值得推廣的化學(xué)科普項(xiàng)目。