基于顯微技術的微型化學實驗

摘要：通過顯微鏡、放大鏡觀察化學實驗現象，不僅觀察角度與設計思維獨到，體現綠色化學觀念，更推進了微型化學實驗研究的進展，是一種值得推廣的實驗方法。

關鍵詞： 顯微鏡；微型化學實驗；科學探究

文章編號：1005－6629(2008)05－0016－03中圖分類號：G633.8文獻標識碼：C

“微型化學實驗”英文翻譯為“Microscale Chemical Experiments”。“microscale”一詞意為極微小刻度或數值范圍的，表明微型化是此類化學實驗不同于普通化學實驗的最大特點。我國中學所使用的微型化學實驗儀器主要包括杭州師范學院、湛江師范學院等高校所開發出來的成套產品，也有在生活中、實驗室里所尋找的替代品，但不論應用何種儀器所設計的微型化學實驗，大多憑肉眼就能觀察到實驗現象。如果藥品的用量減少到一兩滴，或濃度降低到化學反應現象根本無法通過肉眼觀察時，那么應該怎么辦呢？國內外一些中學師生受到納米科技和生物實驗的啟發，大膽地將顯微鏡應用于微型化學實驗設計[1-3]。在顯微技術的世界里，一滴溶液也可以呈現出包羅萬象的神奇。這樣創新的思路和獨特的視角，非常值得實驗研究推廣。

1常用儀器設備

作為顯微技術的核心器材，顯微鏡是將微小物體或物體的微細部分高倍放大，以便觀察的儀器或設備。它廣泛應用于工農業生產及科學研究，大致分為光學顯微鏡和電子顯微鏡，最高級的光學顯微鏡的分辨本領的限度約200nm(放大2000倍) ， 然它的分辨本領由于所用光波的波長而受到限制，僅在生物學和醫學業務研究中使用較多，但對于一般化學實驗現象的觀察已足夠。如果需要向班級學生演示，可采用顯微鏡、數碼相機、數碼攝影機、電子熒屏等設施，配合部分電腦零部件組裝成顯微聚光反射電子投影機，可將顯微鏡下觀察到的實驗現象放大，投影在電子熒屏上，只用極少的化學試劑，卻能讓全班同學都能觀察到結果，

基于顯微技術的微型化學實驗僅以一兩滴溶液為研究對象，達到了了微型實驗“零廢液污染”的目標，但用普通的微型化學實驗儀器中的井穴板盛裝觀察很不方便；如果使用濾紙，紙纖維的毛細現象會破壞一滴溶液的表面張力而使其擴散開來，也不利于觀察；傳統方法一般以玻璃片為載液面，可以清洗反復使用，但厚度、透光度不令人滿意，柔軟度不夠也容易碎裂。而投影膠片厚度、透光度、柔軟度均比較適宜，在微型化學實驗反應中適合作為平面型載液面；更因其質地細致，不易刮傷顯微鏡的物鏡，所以適宜用高倍鏡觀察實驗中所得的晶體。平面型載液面上參加反應的液體物質流動性較大不易穩定觀察，所以需要凹槽型反應裝置盛裝。這種凹槽型載液面對沉淀反應的觀察角度不利，卻適用于產生氣泡的反應觀察，它將化學反應局限于一定的范圍，使液體不至于流出觀察區域，一般采用剖開塑料吸管或電腦接頭套加工截取即可。

針對不同實驗任務，還需要配備相應的常規儀器或者其替代品，比如做電解實驗需要的大頭針和鉛筆芯電極、鱷魚夾、導線等；為了滴加少量液體試劑，一般采用多用滴管或針筒；又由于藥品用量極少，所以在半定量實驗、定量實驗中需要通過分析天平和電子天平精確稱量反應物或產物固體的質量。

2 顯微技術適用的微型化學實驗

顯微技術用于微型化學實驗，可以于細微之處見化學反應特色，一般適用于以下幾類實驗：

2.1 觀察化學反應的沉淀結晶

液相反應體系中產生的沉淀結晶，往往是化學實驗中最關注的現象之一。在中學一般通過肉眼觀察溶液中的渾濁程度，但由于體系濃度較小或其它顏色干擾，使得產物沉淀顆粒的形狀和顏色的分辨較為困難。借助不同放大率的顯微鏡可以觀察到少量沉淀的顆粒聚集程度、 晶體形狀，甚至通過控制溫度、濃度、聲波等變量來探討影響沉淀結晶形態的因素。

例1、碳酸鈉與氯化鈣（溶液，各1滴）的沉淀反應中，微型實驗中藥品用量僅為傳統型的0.16%，但借助顯微鏡仍然能清晰看到碳酸鈣沉淀結晶，為微小的圓形顆粒狀，排布密集但不互相重疊，粒子邊緣呈現白色。通過控制不同濃度因素下的觀察，發現兩反應物均為0.4mol·L^－1濃度時，反應沉淀疏密程度較適當，透視度佳，反應時間不會太快。

例2、碘化鉀和硝酸鉛（溶液，各2滴）反應產生的碘化鉛沉淀

該反應現象明顯，常用于沉淀溶解平衡部分的演示。由于該實驗中所用硝酸鉛有一定毒性，所以需要減少用量。使用微型化學實驗儀器可以減少藥品，降低污染，微型實驗所用藥品用量僅為傳統實驗的3%左右；通過顯微技術，則可以將現象放大，不影響實驗效果。

據文獻報道，在顯微鏡不同放大倍數下可以觀察到少量產物碘化鉛沉淀的形態，發現10倍時沉淀結晶較為細致，貌似金粉，呈現亮晶晶的金黃色；40倍放大率時觀察到PbI2細小顆粒聚集在一起，3~5分鐘后結晶分散，透光度較佳，此時最為適宜觀察沉淀；100倍放大率觀察到沉淀形態與40倍時相似，但顆粒顯得較大，影象比較模糊。

2.2化學反應速率的探究

影響化學反應速率的因素探究實驗是化學新課程重要實踐內容之一。有的化學反應速率較慢時，在短時間之內根本無法用肉眼感受到，此時，就需要放大鏡和顯微鏡觀察不同化學反應速率的細微區別[4]。

例1. 顯微化學實驗觀察化學反應速率與表面積的關系

在顯微鏡下用報廢的光盤作為聚光反射之用，投影片上承載一小顆粒貝殼，滴加一滴鹽酸反應。將顯微鏡的目鏡接上電子熒屏，可以看到此時生成氣泡的速率較慢，過了片刻可看見小貝殼體積明顯變小；如果將一小顆貝殼在研缽中研磨成粉末，通過顯微鏡可以看到粉末的顆粒形態，再滴加一滴鹽酸即可見大量小氣泡逸出，小氣泡逐漸聚集形成大氣泡，在顯微鏡的放大作用下清晰可見。

例2. 顯微化學實驗觀察化學反應速率與催化劑的關系

MnO₂催化雙氧水分解實驗中，如果催化劑添加多了，會造成反應太過于劇烈，催化劑黑色顆粒散布在整個溶液中，干擾現象觀察，在微型實驗中，只需添加極微量的MnO₂，在無色溶液中可以看到少量氣泡；再添加微量MnO₂，通過電子熒屏發現氧氣氣泡生成較快，并逐漸漲大。

2.3 微型電解實驗

很多電解質溶液的電解過程常伴隨著電極上有沉淀或氣體的析出，或者出現電極附近溶液變色、pH發生改變等現象。電解所用藥品或者反應后的廢液多有污染，應該采用微型化學實驗盡量減少藥品消耗和廢液排放，而基于顯微技術的化學實驗只用一兩滴電解質溶液，自然將污染的可能降低到最低。筆者曾經以活動鉛筆芯作為電極，對一滴紫甘藍汁進行電解，通過肉眼可清晰看見兩極附近液體顏色變化，通過放大鏡或顯微鏡可以觀察到兩極有大量細小氣泡的產生[5]。

3 反思與展望

由上可見，基于顯微技術的微型化學實驗不只是設計思路的新穎，其更多的意義體現在：

(1)消耗藥品用量極少，產生廢氣廢液也極少，將化學藥品可能產生的危害降到最低，充分體現了綠色化學理念，對環境保護和減少實驗室建設成本具有一定的積極意義；

(2)將顯微鏡應用于中學化學實驗，其思路應該源自材料科學研究中常用的掃描電鏡，不僅將細微難辨的實驗現象加以放大、強化，使得化學反應中的奧秘更加直觀、鮮明地呈現出來，更適用于固體表面結構分析以及沉淀結晶、氣泡大小、溶液顏色改變等現象的觀察，更易于從另一個角度揭示一些化學反應的規律；

(3)利用物理光學原理設計顯微鏡一直以來多用于生物學科，如今用于化學實驗設計，正如眾多基于物理原理研制的現代化分析儀器走入中學教材，充分展現了科學學科思維和技術的相互滲透， 啟發中學不同學科的教師在實驗研究過程中應加強學科思維的溝通和技術的合作；

(4)顯微技術應用的反應對象量少體微，極易受外界環境影響，也正是這個特點，研究者可以將電壓、聲波等物理因素考慮為變量進行控制，如變換電壓看電極上的微小變化，變換聲波看沉淀顆粒如何受影響等，大大拓展了實驗探究應用領域，值得學習參考，至今為止，國內外將顯微鏡應用于化學實驗的研究案例寥寥可數，而筆者希望通過這種創新實驗技術的簡單介紹，能讓大家對顯微技術在中學化學實驗中的應用領域有所了解，借此推廣開來，可以作為教師實驗研究以及學生課外研究性學習中值得嘗試的一種方法。中學化學課程體系中的有色物質在水中的溶解擴散、復分解反應、銀鏡反應、水解反應、原電池反應、晶體生長等都適宜作為顯微技術的重要研究體系，尤其是化學實驗中出現的異常顏色和不明沉淀值得應用顯微鏡作為工具進行嘗試性探究。

參考文獻：

[1]Ninomiya Akio．A Chemical Experiment through the Microscope. (X). Sprout of Phosphate and Observation on the Continuous Change of Sprout[J]．Chemical Education（Japanese），1999，47（3）：192~195.

[2]Chuk-Yin，Lam-Erwin，Sprague， Joseph．Replacement reactions using a dissecting microscope.[J]．Journal of Chemical Education，1992，69（10）：855.

[3]Winokur Robert; Monroe Manus．Using a dissecting microscope in teaching introductory chemistry (IC) [J]．Journal of Chemical Education，1985，62（2）：157.

[4]www.ftjh.tcc.edu.tw.

[5]張鳳，陳凱，柳閩生．一滴溶液的微型化學實驗[J]．教學儀器與實驗，2008，（1）：22~23.