供稿|戴偉

內(nèi)容導(dǎo)讀

“汽水”如何瞬間華麗變身“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”？瓶子中的黃色液體為何能連續(xù)變色？本文首先介紹“玩科學(xué)”、“做科普”的重要性，筆者克服化學(xué)科普工作難題，突破傳統(tǒng)科普傳播方式，采用多種科普工作形式，使科普生動有趣，接著對現(xiàn)場科普講座中常用化學(xué)演示實驗的簡述，指出上述問題的奧妙之處與化學(xué)的無處不在，最后強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識一直在發(fā)展變化，需要我們不斷去學(xué)習(xí)。

人類最寶貴的品質(zhì)就是好奇，好奇是天生的，它不需要刻意創(chuàng)造和培養(yǎng)。因此我們要保護(hù)孩子們的好奇，讓他們利用好奇提問題，這個很重要。但是很多父母認(rèn)為孩子老是在提問題，他們厭煩回答，其實這是不對的?？茖W(xué)家愛因斯坦經(jīng)常強(qiáng)調(diào)提問題的重要性，因為它會培養(yǎng)孩子們的創(chuàng)造力和想象力，所以我們應(yīng)希望孩子多提問題，而且可以通過做科學(xué)實驗啟發(fā)他們提問題。其實通過科學(xué)實驗不但能傳播科學(xué)知識，還能培養(yǎng)孩子們的其他技能，如遵守（實驗）規(guī)則，對于獨(dú)生子女還可以安排2~3 個人共同完成實驗，培養(yǎng)他們的合作能力。

很多科學(xué)家提到“玩”和“科學(xué)”的關(guān)系，牛頓就認(rèn)為他一輩子就是在“玩科學(xué)”（圖1）。好玩的背后是科學(xué)的思維。那么他們是如何“玩”的呢？他們不斷探索和觀察環(huán)境，這是科學(xué)的本質(zhì)。所以讓孩子們進(jìn)入實驗室做實驗培養(yǎng)他們探索和觀察能力及科學(xué)思維。在“北京國際城市科學(xué)節(jié)”開展的200 多個科普活動中，我們的活動點前排隊家長最多，他們都認(rèn)為孩子很缺這樣的機(jī)會，不管要排多長時間，都要讓他們的孩子做上化學(xué)實驗，甚至有一位住在郊區(qū)的家長因為上一年活動來晚了沒有進(jìn)入實驗室，今年頭天晚上住在活動地點旁邊的賓館，就為了保證他的孩子能進(jìn)入實驗室?？梢娀瘜W(xué)實驗很受家長及孩子的歡迎。

圖 1 牛頓“玩科學(xué)”

圖 2 硫酸酸化高錳酸鉀溶液反應(yīng)原理

圖 3 靛藍(lán)胭脂紅溶液變色過程

圖 4 瓶蓋試劑驗證

圖 6 催化實驗

圖 7 酸堿中和反應(yīng)

圖 8 生活中酸堿中和反應(yīng)

北京化工大學(xué)科普實驗中心的老師都是本校的研究生志愿者，其中有一個老師第一次參加我們的實驗是在小學(xué)五年級，當(dāng)時和我談了很久，后來他經(jīng)常來我的實驗室，有時他在自己家里也做實驗。上中學(xué)時，學(xué)校組織活動，別的同學(xué)都是彈吉他和跳舞，他給同學(xué)們演示化學(xué)實驗。在上高中時，他加入我們的團(tuán)隊，他的講課水平不比研究生差，甚至比很多研究生講得都要好，高考時，他的化學(xué)是滿分，目前在天津大學(xué)化工專業(yè)學(xué)習(xí)，可以說他是我們科普中心最優(yōu)秀的畢業(yè)生。我們也希望能培養(yǎng)更多這樣的學(xué)生。

北京化工大學(xué)的科普實驗基地有一個科普實驗室，小學(xué)生、初中生、高中生都可以來這里跟我們一起做實驗，我們也經(jīng)常去北京或者外地的學(xué)校實驗室做演示實驗。對于沒有實驗室的學(xué)校，我們可以在操場，有幾張桌子和一群好奇的孩子，就可以做化學(xué)實驗，而且我們針對小學(xué)生使用日用品來做實驗，因此也避免了安全問題。當(dāng)然要出去給全國所有學(xué)生做化學(xué)實驗對我們來說很難，所以我們在北京化工大學(xué)成立了科學(xué)營，希望全國的學(xué)生來這里做實驗。疫情期間他們不能來，我們就把實驗材料編成一個個實驗包，把實驗包寄給學(xué)生，讓他們在家里做實驗。我們拍了視頻教學(xué)生在家里如何做實驗，學(xué)生們匯報他們在家里做實驗的情況，拍了很多照片和視頻發(fā)給我們，這說明做實驗有時不需要專業(yè)的實驗室。

我們經(jīng)常出去開展講課并演示實驗，在演示實驗時，保持現(xiàn)場互動，讓學(xué)生參與實驗。目前除西藏（旅游去過，但沒講過課），全國其他省份我都去講過課，希望以后有機(jī)會去西藏講課。

一般我們不“講”科普，而是“做”科普；不“講”實驗，而是“做”實驗。面對一個科學(xué)現(xiàn)象，我們不能直接給出肯定或者否定的結(jié)論，而是要通過實驗去證明。我經(jīng)常給學(xué)生們演示紫色“汽水”變身“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”的實驗。我們經(jīng)常說汽水對身體有害，那么危害最大的物質(zhì)是什么，可能有人說是CO2，有人說是色素，其實這些都不是，而是具有甜味的糖，根據(jù)瓶子標(biāo)簽上描述每100 ml 汽水含有7 g 糖，那么對于一瓶600 ml 汽水，則含有42 g糖，這個含量是很高的。糖雖然溶于汽水，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也看不到顏色變化，但你可以通過甜味感覺到它的存在。糖過多攝入對身體十分有害，短期損壞牙齒，長期容易誘發(fā)糖尿病、心臟病等疾病。然后我會現(xiàn)場啟發(fā)學(xué)生改喝水、奶、酸奶等健康飲品。一瓶偽裝成紫色葡萄味美年達(dá)“汽水”（硫酸酸化的高錳酸鉀溶液），向特制的杯子里倒入這個特制“汽水”，瞬間獲得“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”，在學(xué)生們的驚奇中，訓(xùn)練他們的觀察力，激發(fā)他們提出問題。針對不同年級的學(xué)生科普的程度也不一樣，對于小學(xué)生可以告訴他們這個“汽水”其實是高錳酸鉀溶液，里面加入了硫酸，倒入的杯子里提前加入了一些試劑，在倒入時發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。而對于高中生則可以告訴他們這里涉及氧化還原反應(yīng)、酸堿反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)（圖2），這些對于高中生理解記憶這些反應(yīng)方程式很有幫助。

還有一個我經(jīng)常演示的實驗——“黃瓶子”。這是一瓶裝有半滿黃色液體（靛藍(lán)胭脂紅溶液）的瓶子，通過搖晃，瓶子里的液體從黃變紅，又從紅變綠（圖3），靜止一會又恢復(fù)成黃色?，F(xiàn)場在的學(xué)生就會感覺到很神奇。作為想成為科學(xué)家的學(xué)生們不禁提出問題——這是為什么？

受到前一個實驗的啟發(fā)，學(xué)生們會認(rèn)為瓶蓋上有試劑，導(dǎo)致液體變色，那么我可以通過慢慢翻轉(zhuǎn)瓶子，讓瓶子里的液體接觸到瓶蓋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有變色，則證明瓶蓋沒有試劑（圖4）。到這里可以提醒瓶子里除了黃色液體還有空氣，是瓶子中液體與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使液體變色。通過將瓶子裝滿黃色液體，搖晃瓶子，液體不變色來證明。進(jìn)一步還可以通過向瓶子分別充氮?dú)?、CO2和氧氣證明液體其實是與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，并向高中生科普反應(yīng)原理（圖5）

對于化學(xué)中的催化實驗，我使用硝酸鐵（Fe（NO3）3）溶液和硫代硫酸鈉（Na2S2O3）溶液來演示。分別取100 ml 硝酸鐵和硫代硫酸鈉溶液，將兩者溶液同時倒入同一個燒杯中，燒杯液體瞬間呈深紫色，靜止后紫色緩慢變淺甚至無色，但這個變無色的過程非常緩慢。其涉及的2 個反應(yīng)過程如下。

但是我向燒杯中添加硫酸銅（CuSO4）溶液，這個加入量很少，甚至僅5 滴，燒杯深紫色的溶液迅速變成近無色（圖6），說明硫酸銅具有很好的催化效果。教科書中介紹催化劑使反應(yīng)速率變快，同時本身卻沒有發(fā)生任何變化，但是如何證明催化劑本身沒有任何變化呢？可以通過向變白的溶液中繼續(xù)分別倒入100 ml 硝酸鐵、硫代硫酸鈉溶液，發(fā)現(xiàn)燒杯中瞬間生成的深紫色溶液依然迅速變成近無色，從而證明硫酸銅沒有發(fā)生變化，繼續(xù)起催化作用，通過這樣的實驗來驗證教科書內(nèi)容，使同學(xué)們理解更容易、更直接，確信催化劑在催化反應(yīng)中不發(fā)生變化。

兩個無色液體混合實驗也被我經(jīng)常演示。將一瓶無色液體（鹽酸與百里酚酞的混合液）向另一瓶無色液體（NaOH 溶液）中慢慢傾倒，被倒入無色液體的瓶中的液體瞬間變藍(lán)（圖7），隨著繼續(xù)倒入，瓶中液體藍(lán)色加深，最后又變成無色。這個現(xiàn)象是不是很神奇？其實它是一個酸堿中和反應(yīng)。作為酸堿指示劑的百里酚酞在鹽酸溶液中呈無色，在剛倒進(jìn)NaOH 溶液時，由于NaOH 含量多，溶液pH 值高，百里酚酞使溶液呈藍(lán)色，隨著倒入的鹽酸逐漸增多，與NaOH 發(fā)生中和反應(yīng)，最后過量的鹽酸使溶液呈酸性，此時百里酚酞又使溶液呈無色。酸堿中和反應(yīng)在生活很常見（圖8），例如胃酸分泌過多，需要吃堿性藥物（如復(fù)方氫氧化鋁片）來中和胃酸，使用堿性物質(zhì)（一般用石灰）對酸性土壤改良?；瘜W(xué)與生活密切相關(guān)，化學(xué)無處不在。

我經(jīng)常跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)不能盲目地相信課本，也不能盲目地相信科學(xué)家寫的文章。有人問過著名期刊Nature 曾經(jīng)的主編John Maddox，在Nature 發(fā)表的文章中有百分之多少的內(nèi)容是錯的？他怎么回答呢？他說全都是（All of it）。為什么這么說呢？因為科學(xué)是不斷發(fā)展的，會不斷有新的實驗結(jié)果、新的理論模型和新的知識改變我們原來所謂的“知識”，所以科學(xué)是不斷變化的。對于對學(xué)生來說，要讓他們保持懷疑的態(tài)度，不盲目地相信課本和文章，看能否從中找到錯誤并糾正，并持續(xù)給學(xué)生以啟發(fā)。如果我們現(xiàn)在的科學(xué)家什么都懂，什么都明白，那么學(xué)生還學(xué)習(xí)科學(xué)干什么呢？恰恰相反，現(xiàn)在很多科學(xué)還沒有完全定論，還需要不斷糾正，所以需要學(xué)生努力學(xué)習(xí)科學(xué)甚至變成科學(xué)家，在科學(xué)世界找到自己的位置，做出自己的貢獻(xiàn)。我們現(xiàn)在的科學(xué)家需要你們這些未來的科學(xué)家來糾正我們的錯誤，補(bǔ)充我們的不足。因為科學(xué)知識并不是一成不變，而是一直在變化。