中學(xué)化學(xué)趣味演示實(shí)驗(yàn)綠色化探究及拓展

張小丹 吳佳妮

摘要：“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)因呈現(xiàn)藍(lán)白周期性變化，常作為中學(xué)化學(xué)課堂的趣味演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和科學(xué)探究的欲望。但傳統(tǒng)“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)中需使用大量強(qiáng)堿參與反應(yīng)，本文改進(jìn)使用綠色的還原劑抗壞血酸（Vc），通過探究實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件，得到一種綠色環(huán)保的、變色周期短、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的適于中學(xué)課堂演示的趣味實(shí)驗(yàn)方案，為中學(xué)化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：藍(lán)瓶子；還原劑；振蕩

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在深化教育改革的背景下，要求化學(xué)教師的教學(xué)手段和方法多樣化，尤其要多以實(shí)驗(yàn)為載體來(lái)豐富課堂內(nèi)容和形式[1]，而趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探究欲望起著重要作用。新課標(biāo)人教版和蘇教版的高中化學(xué)教材在“化學(xué)實(shí)驗(yàn)”選修模塊中都引用了“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)，意在引起學(xué)生對(duì)化學(xué)的熱情，并通過該實(shí)驗(yàn)了解震蕩反應(yīng)[2]。此外，現(xiàn)今的教學(xué)理念，“低碳環(huán)保性”逐漸體現(xiàn)在化學(xué)課堂上[1]，化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅要增強(qiáng)趣味性，還要關(guān)注實(shí)驗(yàn)的“經(jīng)濟(jì)環(huán)保”性。基于傳統(tǒng)“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)中使用葡萄糖作為還原劑，需要在極強(qiáng)堿性條件下完成實(shí)驗(yàn)，本文將選取一種綠色還原劑——抗壞血酸（Vc）代替葡萄糖作為改進(jìn)，探究其反應(yīng)的最佳條件，對(duì)比總結(jié)出環(huán)保、周期和現(xiàn)象更優(yōu)于傳統(tǒng)“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的課堂演示的實(shí)驗(yàn)方案。

儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：150mL錐形瓶、電子天平

實(shí)驗(yàn)試劑：抗壞血酸，亞甲藍(lán)（指示劑），氫氧化鈉，碳酸氫鈉，碳酸鈉，二水氯化銅

實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定量還原劑和堿加入150 mL錐形瓶中，加入50 mL蒸餾水溶解，滴加一定量的指示劑溶液，以每秒兩次的頻率振蕩錐形瓶，搖勻，靜置；待溶液顏色褪去后，重復(fù)振蕩操作，觀察溶液顏色變化，記錄10 min內(nèi)藍(lán)色-無(wú)色-藍(lán)色的周期顏色變化的時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)混合液最終呈現(xiàn)為黃棕色，顏色不再變化時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行完全，溶液不能用于闡明現(xiàn)象[3]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）指示劑亞甲藍(lán)用量探究

抗壞血酸有很強(qiáng)的還原性，在堿性溶液中，能將指示劑亞甲藍(lán)還原褪色，并不能發(fā)生可逆氧化，但加入微量銅離子能降低抗壞血酸的還原性[4]，從而使“藍(lán)瓶子”中的可逆反應(yīng)恢復(fù)，因此，實(shí)驗(yàn)中均加入一定量的銅離子。從表1得出，滴加1 d 0.2%亞甲藍(lán)溶液的周期最短，但溶液顏色較淺，不利于課堂實(shí)驗(yàn)學(xué)生觀察，因此，選擇3 d亞甲藍(lán)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

（2）還原劑Vc用量的探究

還原劑Vc用于還原亞甲藍(lán)成亞甲基白，還原劑量太少，不足以完全還原亞基藍(lán)，溶液藍(lán)色不易褪去；還原劑量過多，導(dǎo)致亞甲基白被氧化成亞甲藍(lán)的時(shí)間過長(zhǎng)，溶液顏色不易恢復(fù)，不利于課堂演示，因此，有必要探究還原劑Vc的用量。

從表2中得出，只加入0.2 g抗壞血酸，30 min后仍藍(lán)色也未褪去；加入0.5 g和0.7 g抗壞血酸，藍(lán)白互變的周期均最短，因此，從綠色化學(xué)、節(jié)約藥品的理念出發(fā)，選擇0.5 g為Vc的最佳用量。

（3）堿性條件的探究

從表3得出，在不加入碳酸氫鈉條件也能發(fā)生反應(yīng)，而加入0.01g碳酸氫鈉周期最短。但不加入碳酸氫鈉的實(shí)驗(yàn)周期比最佳條件下的實(shí)驗(yàn)周期僅多20 s，也在2 min以內(nèi)，本著節(jié)約藥品的原則，課堂演示實(shí)驗(yàn)可不加入碳酸氫鈉。

綜上所述，使用抗壞血酸作為綠色還原劑時(shí)，“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)最佳課堂演示反應(yīng)條件為：50 mL蒸餾水中加入0.5 g抗壞血酸，0.03 g二水氯化銅，滴加3 d 0.2%亞甲藍(lán)溶液，實(shí)驗(yàn)平均周期1′51。

（4）藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)拓展

“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)中，溶液顏色只能從藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色，再由無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色，變化太過單一。如果讓實(shí)驗(yàn)變成“彩瓶子”實(shí)驗(yàn)，多彩絢麗的顏色個(gè)更能有效吸引學(xué)生的注意力。由于該實(shí)驗(yàn)過程中溶液酸堿性在不斷變化，可以加入實(shí)驗(yàn)室常用的酸堿指示劑來(lái)豐富顏色的變化[5]，如酚酞。酚酞在堿性條件下顯紅色，與“藍(lán)瓶子”的藍(lán)色疊加起來(lái)呈紫色，現(xiàn)象如表4。因此，可以作為 “藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的拓展進(jìn)行教學(xué)演示。

表4 “彩瓶子”實(shí)驗(yàn)

加入酸堿指示劑 氧化態(tài)——還原態(tài)

酚酞

此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)混合溶液震蕩?kù)o置后，可以看到溶液出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)圖案（如表5）。指示劑-還原劑-氧反應(yīng)體系中的點(diǎn)和線圖案被稱為自組織圖案[6]。將溶液倒入培養(yǎng)皿中，在一段時(shí)間后顏色消失時(shí)形成圖案。影響圖案形成的因素有很多，如溶液的組成、溶液的厚度和表面積、溫度和時(shí)間。將指示劑加入溶液后，在5 min內(nèi)就能形成清晰的圖案，最終發(fā)展成類似于植物葉上的血管或維管束的“網(wǎng)絡(luò)線”。在課堂上，教師可以用表面皿盛裝溶液進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，利用投影儀放映給學(xué)生觀看，讓學(xué)生感受這一奇妙的化學(xué)變化。

表5 “藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的自組織圖案

時(shí)間 0min 1min 2min 3min

圖案

結(jié)論

相較于傳統(tǒng)的“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)，以抗壞血酸為綠色還原劑作為中學(xué)課堂趣味化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)具有一定優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中只需弱堿性或不加堿就能成功，改進(jìn)方法綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)單、周期短、現(xiàn)象明顯，適用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)演示，具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊曉，丁偉.不需要NaOH的“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2012，28（5）：14-15.

[2]張燕，韓金根.“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)拓展[J].化學(xué)教與學(xué)，2012，（10）：93-94.

[3]許文皓，羅明標(biāo).探究“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)最佳的課堂演示反應(yīng)條件[J].化學(xué)教與學(xué)，2016，（10）：84-86.

[4]范淑平，陳凱，張鳳，蔡敏堯.讓“藍(lán)瓶子”變綠[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2008，24（3）：27-28.

[5]劉文明，王應(yīng)紅，李佳芳，萬(wàn)東海.“藍(lán)瓶子”變“彩瓶子”的實(shí)驗(yàn)研究[J].化學(xué)教與學(xué)，2013，（15）：90.

[6]U. Rajchakit and T. Limpanuparb， Greening the Traffic Light：Air Oxidation of Vitamin C Catalyzed by Indicators， J. Chem. Educ.， 2016，93，1486–1489.

作者簡(jiǎn)介：張小丹（1986年12月），女，四川彭州，西南大學(xué)，碩士，實(shí)驗(yàn)師講師，主要從事分析化學(xué)研究。