荊琪,張芯瑤,高青原,王文云,馮清,劉敏,*,袁紅玲,*
1華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,武漢 430074
2華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,武漢 430074
科學(xué)普及是實現(xiàn)我國未來創(chuàng)新發(fā)展的兩翼之一,與科技創(chuàng)新具有同等重要的位置[1]?;瘜W(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科,與人類日常生活有著密切的聯(lián)系,其中化學(xué)科普實驗更是有著科學(xué)有趣、貼近生活的特點,它對于青少年的科學(xué)啟蒙、科學(xué)普及和科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)有著重要的意義和作用。2022年2月北京與奧林匹克再次相約,向世界呈現(xiàn)了一場精彩絕倫、安全綠色的冰雪盛會。其中一項項新技術(shù)、新產(chǎn)品在賽場內(nèi)外大放異彩,處處彰顯出科技的力量,也點燃了人們對冰雪世界的熱情和向往。為了更有效地促進化學(xué)知識的傳播普及,我們以冬奧為契機,創(chuàng)新性地將冬奧場景元素與化學(xué)實驗進行了有機融合,構(gòu)建了一系列以冬奧為主題的趣味科普實驗,期望在潛移默化中實現(xiàn)冬奧精神與科學(xué)知識的傳播。
我們以醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗[2]教材為基礎(chǔ),選取其中部分實驗項目進行了設(shè)計改造,具體內(nèi)容包括:(1) 模擬人造雪場;(2) 果蔬中天然色素以及合成配位化合物模擬制作奧運五環(huán);(3) 人造錫樹大雪花;(4) 雙色熒光奧運火炬模擬制造,再現(xiàn)奧運開幕式場景。本系列科普實驗具有趣味性、科學(xué)性和易操作性等特點。一方面,針對不同知識層次對象的心理特征,采用梯度化、模塊化的設(shè)計,以期最大化實現(xiàn)科普價值。另一方面,通過主題性的系列實驗設(shè)計,從無機化學(xué)、有機化學(xué)、高分子材料、分析化學(xué)及精細化工等不同角度,向公眾呈現(xiàn)化學(xué)之美、化學(xué)之趣,從而有效地促進公眾科學(xué)素養(yǎng)的提升。
2.1.1 人造雪場
聚丙烯酸鈉是一種白色的新型功能高分子材料,分子鏈中含有大量的強親水基團(-COONa,見圖1),具有很強的吸濕性。聚丙烯酸鈉遇水后[3],可移動的鈉離子與水相互作用,離開了高分子離子鏈,僅剩下帶負電荷的羧酸根離子。在同性電荷間的相互排斥力作用下,原聚合物結(jié)構(gòu)由相互纏繞狀態(tài)逐漸伸展(或溶脹)開來,從而在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓,使水分子以滲透方式向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷擴散,聚合物的體積也隨之快速膨脹,外表變得晶瑩剔透、松軟似雪。
圖1 聚丙烯酸鈉三維結(jié)構(gòu)模型
2.1.2 奧運五環(huán)制作
繽紛的色彩總能給人們的生活帶來賞心悅目的觀感,這些美麗的顏色大多來自天然色素、染料、顏料和合成的配位化合物等化學(xué)物質(zhì),其背后蘊含著深刻的化學(xué)原理,非常適合用作向公眾進行化學(xué)科普的載體[4]。我們通過天然色素制取和配位化合物合成兩種途徑,來分別獲得紅、黃、綠、藍和黑色五種顏色溶液,然后以聚丙烯酸鈉為載體復(fù)刻奧運五環(huán)。
2.1.2.1 奧運五環(huán)之親子樂園——天然色素
天然色素的種類眾多(圖2),在大自然中來源廣泛。番茄紅素是成熟番茄中存在的一種類胡蘿卜素,也是一種紅色素。屬于直鏈型不飽和碳氫化合物,具有很強的抗氧化功能。β-胡蘿卜素是具有長鏈結(jié)構(gòu)的共軛多烯,同時也是一種橘黃色脂溶性化合物,具有維生素A的生理活性,其結(jié)構(gòu)是兩分子維生素A在鏈端失去兩分子水結(jié)合而成。葉綠素是菠菜中含量最為豐富的天然色素,是一種脂溶性色素,其分子結(jié)構(gòu)由卟啉環(huán)與鎂原子配位形成。葉綠素有葉綠素a和葉綠素b兩種結(jié)構(gòu)形式,都是植物進行光合作用所必需的催化劑,其差別僅是a中一個甲基被b中的甲酰基所取代。紫甘藍中含有花青素,花青素是自然界廣泛存在于植物中的一類水溶性天然色素,屬類黃酮化合物?;ㄇ嗨卮嬖谟谥参锛毎囊号葜校捎扇~綠素轉(zhuǎn)化而來。花青素在不同pH下的水溶液中會發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,因而呈現(xiàn)不同的顏色,其中在弱堿性(pH約為8.3)條件下為藍色[5]。
圖2 天然色素結(jié)構(gòu)
2.1.2.2 奧運五環(huán)之化學(xué)調(diào)色盤——配位化合物
過渡金屬離子形成的配位化合物常呈現(xiàn)出一定的顏色,這是因為大多數(shù)過渡金屬離子具有未充滿的d軌道,他們在配體負電場作用下發(fā)生能級分裂,處于低能級的d電子選擇性吸收與分裂能相當?shù)哪骋徊ㄩL光子后,從低能級d軌道遷到高能級d軌道,從而使配位化合物呈現(xiàn)被吸收光的互補色[6]。本實驗采用配位化合物[2]的反應(yīng)方程式及結(jié)構(gòu)式見圖3。
圖3 配位化合物的合成(a)和單寧酸鐵結(jié)構(gòu)式(b)
2.1.3 人造錫樹大雪花[2]
實驗應(yīng)用了氧化還原反應(yīng)原理,具體反應(yīng)為:Zn + SnCl2= ZnCl2+ Sn。從電極電位的數(shù)值來看,氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)條件是氧化劑電對的電位大于還原劑電對的電位。由于φ?(Zn2+/Zn) = -0.763 V,φ?(Sn2+/Sn) = -0.136 V,E?=φ?(Sn2+/Sn) -φ?(Zn2+/Zn) = 0.627 V,一般認為,當n= 2,E?> 0.2 V時,氧化還原反應(yīng)平衡常數(shù)已相當大,反應(yīng)可以進行比較完全[6]。因此,鋅可置換錫鹽中的錫,并“生長”在鋅片上,形成光亮的“錫樹大雪花”。
2.1.4 雙色熒光火炬[7,8]制作
化學(xué)發(fā)光是指某些化學(xué)反應(yīng)中發(fā)出可見光的現(xiàn)象。其發(fā)光機理是:反應(yīng)體系中的某些物質(zhì)分子,如反應(yīng)物、中間體或者熒光物質(zhì)吸收了反應(yīng)釋放的能量而由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),然后再從激發(fā)態(tài)返回基態(tài),同時將能量以光輻射的形式釋放出來,產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。在少量魯米諾堿溶液中,加入適量鄰苯三酚、甲醛和過氧化氫,在暗室環(huán)境中將觀察到紅色發(fā)光??赡艿姆磻?yīng)機理[9]為:鄰苯三酚(pyrogallol,P)被過氧化氫氧化得到鄰苯三酚氧化產(chǎn)物(PD)和單線態(tài)氧,單線態(tài)氧相互碰撞轉(zhuǎn)為激發(fā)態(tài),激發(fā)態(tài)氧再與鄰苯三酚氧化產(chǎn)物發(fā)生能量交換,得到三線態(tài)氧和激發(fā)態(tài)氧化產(chǎn)物,激發(fā)態(tài)氧化產(chǎn)物在從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的轉(zhuǎn)變中,釋放的能量產(chǎn)生紅光。具體反應(yīng)如下:
反應(yīng)液放置一段時間后,溶液發(fā)出的紅光轉(zhuǎn)變?yōu)轸斆字Z標志性的藍光。其反應(yīng)機理[10]為魯米諾在堿溶液中形成雙陰離子,該雙陰離子被過氧化氫分解的氧氣氧化,生成有機過氧化物。過氧化物不穩(wěn)定,立即分解放氮形成3-氨基鄰苯二甲酸根的激發(fā)態(tài),3-氨基鄰苯二甲酸根從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的轉(zhuǎn)變中發(fā)出藍光。甲醛作為增敏劑加速了化學(xué)反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移,整個反應(yīng)過程放熱,并伴隨氧氣和氮氣的生成。具體反應(yīng)如下:
2.2.1 材料
西紅柿、桔子、菠菜、紫甘藍、藍莓粉、茶葉和食用小蘇打均購于農(nóng)貿(mào)市場,實驗前用去離子水將果蔬多次洗滌后備用。
2.2.2 試劑和藥品
聚丙烯酸鈉、氯化鐵、硫氰化鉀、亞鐵氰化鉀、硫酸亞鐵、鹽酸羥胺、鄰二氮菲、草酸鉀、硝酸鐵、綠礬、鋅片、氯化亞錫、碳酸鉀、氫氧化鈉、鄰苯三酚和甲醛溶液均為分析純(均購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司),98%魯米諾為生化試劑(購買于上海麥克林生化科技有限公司),實驗用水為去離子水。其中部分試劑和藥品具有一定刺激性、有害性,因此實驗過程中應(yīng)做好防護,避免直接接觸,同時注意試劑和藥品的及時回收和妥善保存。
2.2.3 儀器
723N型號分光光度計(上海佑科儀器儀表有限公司)、TP-220A型號電子天平(湘儀天平儀器設(shè)備有限公司)、JYZ-V15型號榨汁機(九陽股份有限公司)。
2.2.4 表征方法
采用分光光度計對制備的配位化合物進行吸收光譜測定,此分光光度計以鎢燈為光源,測試波長范圍為400-760 nm,狹縫寬度為2 nm。
2.3.1 人造雪場
取適量聚丙烯酸鈉置于小燒杯中,向其中加入清水,聚丙烯酸鈉迅速膨脹,得到人造雪,用藥匙將其均勻撒入白色瓷盤,形成人造雪場,見圖4。
圖4 人造雪場制作過程
2.3.2 奧運五環(huán)制作
2.3.2.1 奧運五環(huán)之親子樂園
各稱取150 g番茄、橘子、菠菜和紫甘藍,放入榨汁機中榨汁,得到紅、黃、綠和紫色溶液,取少許藍莓粉,加水,攪拌均勻,得到黑紫色溶液;用藥匙將適量聚丙烯酸鈉置于自制的環(huán)形容器中(在家中可用塑料水瓶底或紙板等常見材料制作環(huán)形容器),分別倒入不同顏色的果蔬汁,聚丙烯酸鈉吸水膨脹,其中紫甘藍汁中加入食用小蘇打溶液(pH約為8.3)后變?yōu)樗{色,得到彩色五環(huán),并將彩色五環(huán)置于人造雪場中,見圖5。
圖5 果蔬奧運五環(huán)制作流程圖
2.3.2.2 奧運五環(huán)之化學(xué)調(diào)色盤
按下述方法制備不同顏色的5種配位化合物:
(1) 量取5 mL 0.1 mol·L-1FeCl3溶液于25 mL比色管中,加入15 mL 0.1 mol·L-1KSCN溶液,混合均勻,得到血紅色溶液。
(2) 量取10 mL 0.1 mol·L-1FeCl3溶液于25 mL比色管中,加入8 mL 0.1 mol·L-1K4[Fe(CN)6]溶液,混合均勻,出現(xiàn)藍色沉淀。
(3) 量取1 mL 0.1 mol·L-1新鮮配制的FeSO4溶液于25 mL比色管中,依次加入1 mL 10%鹽酸羥胺溶液,10 mL 0.15%鄰二氮菲溶液,混合均勻,得到橙黃色溶液。
(4) 量取5 mL 1 mol·L-1K2C2O4溶液于25 mL比色管中,加入15 mL 0.5 mol·L-1Fe(NO3)3溶液,混合均勻,得到綠色溶液。
(5) 稱取約8 g茶葉,置于小燒杯中,加入約20 mL沸水,浸泡15 min后,加入2.5 g綠礬固體,攪拌均勻,出現(xiàn)黑紫色沉淀。
將適量聚丙烯酸鈉置于自制的環(huán)形容器中,分別加入不同顏色的上述混合溶液,聚丙烯酸鈉吸水膨脹,形成彩色五環(huán),并將彩色五環(huán)置于人造雪場中,見圖6。
圖6 奧運五環(huán)之化學(xué)調(diào)色盤制作流程圖
2.3.2.3 吸收曲線制作
將上述2.3.2.2中,(1)、(3)和(4)配位化合物溶液稀釋至合適濃度,含有沉淀的(2)和(5)配位化合物進行離心分離,取上清液備用。在分光光度計上,用1 cm比色皿,以空白溶液為參比,在400-760 nm波長范圍內(nèi),繪制吸收曲線(圖7)。結(jié)果表明,生成的配位化合物鐵氰化鉀、普魯士藍、鄰二氮菲亞鐵和草酸鐵鉀的最大吸收峰[11-13]分別為451、729、511和682 nm,分別呈現(xiàn)它們的互補色:紅色、藍色、橙黃色和綠色,單寧酸鐵最大吸收波長為591 nm,且整個可見光區(qū)具有較寬的吸收,因此呈現(xiàn)黑紫色。
圖7 奧運五環(huán)配位化合物的吸收曲線
2.3.3 人造錫樹大雪花
在培養(yǎng)皿中,放入剪成雪花形狀的鋅片,滴加0.5 mol·L-1SnCl2溶液約20 mL,30 min后可觀察到閃光的雪花,見圖8。
圖8 人造錫樹大雪花制作過程
2.3.4 雙色熒光火炬制作
用電子天平依次稱取2.50 g碳酸鉀,0.08 g氫氧化鈉,0.10 g鄰苯三酚固體,置于小燒杯中,然后加入少量魯米諾固體,混合均勻;再加入約4 mL水,使固體混合物溶解,并形成暗紅色溶液;繼續(xù)向小燒杯中加入約1 mL 37%的甲醛溶液,置于自制暗室中,加入約4 mL 30%過氧化氫溶液,觀察雙色熒光,并伴隨有大量氣泡冒出。用燒杯、漏斗和鐵絲組成火炬的形狀,完成雙色熒光火炬的制作(圖9)。
圖9 雙色熒光火炬制作過程
本科普實驗遵循層次遞進的原則,具有模塊化、多樣化的特點,可滿足從幼兒園到中小學(xué)、到本科生及社會大眾等不同化學(xué)知識儲備人群的科普需求。另外,通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)資源,可進一步實現(xiàn)線上線下融合式的全民共享學(xué)習(xí)。具體方案如下:
(1) 面向幼兒園和小學(xué)生:通過具有“人造雪場和奧運五環(huán)之親子樂園”的趣味情景設(shè)置(圖10),以果蔬為原料,按照圖4和圖5的流程,讓小朋友們通過安全、簡易和快樂的動手實踐,感受“玩中學(xué)”的樂趣,并在思考科學(xué)問題中成長。
(2) 面向中學(xué)生:在(1)的基礎(chǔ)上,針對中學(xué)生已有的化學(xué)知識,增加奧運五環(huán)之化學(xué)調(diào)色盤(圖6)和人造錫樹大雪花(圖8)實驗,通過化學(xué)反應(yīng)重現(xiàn)五彩繽紛的冰雪世界,鞏固和理解過渡金屬配位化合物的合成方法和氧化還原反應(yīng)的理論知識,在實驗中領(lǐng)略化學(xué)之美、化學(xué)之趣,激發(fā)探究科學(xué)的熱情。
(3) 面向本科生:在(2)的基礎(chǔ)上,增加科普的廣度和深度,內(nèi)容涵蓋吸收曲線制作和雙色熒光火炬實驗(圖9),創(chuàng)設(shè)出內(nèi)容豐富、知識點串聯(lián),強調(diào)科學(xué)研究方法的綜合性實驗,供大學(xué)化學(xué)實驗使用(6學(xué)時)。學(xué)生既是科普實驗的開發(fā)者也是科普實驗的推廣者(圖10),有利于增強社會服務(wù)意識和社會責任感。
圖10 科普宣傳現(xiàn)場的報道
(4) 面向社會大眾:以網(wǎng)絡(luò)為載體,分專題模塊制作實驗視頻(圖4-圖9)并上傳,拓展強化科普服務(wù)功能,傳播冬奧精神和科學(xué)知識,使化學(xué)走入人們?nèi)粘I睢?/p>
本系列科普實驗是在大學(xué)生實驗教學(xué)基礎(chǔ)上進行的重新設(shè)計和改造,在相應(yīng)基本條件保障下整個實驗操作過程是安全可行的。其中對于有少年兒童參與的親子樂園實驗,應(yīng)在家長的陪同監(jiān)護下進行。對于青年學(xué)生,可以預(yù)先觀看相關(guān)實驗視頻,事先了解試劑藥品的使用規(guī)范,然后再開展實驗。
哲學(xué)家培根曾說,知識的力量不僅取決于其自身價值的大小,更取決于它是否被傳播,以及被傳播的深度和廣度。本科普實驗以冬奧為主題,希望能借助一種新的科普模式,寓教于樂,寓教于做,從而點燃人們探究化學(xué)世界的熱情,加深和拓寬化學(xué)知識的傳播和普及。此外,本系列科普實驗圍繞主題設(shè)立了多個獨立實驗?zāi)K,涉及多個領(lǐng)域的化學(xué)知識,未來可根據(jù)不同對象群體的需要“量體裁衣”,也可自由組合和不斷加以擴充,以引導(dǎo)和適應(yīng)社會大眾新的科普需求和變化。