基于數字影像技術的高中化學實驗觀察與辨識—以鈉與水反應為例

曾顯林

一、問題的提出

鈉與水反應是人教版《高中化學(必修一)》第三章《金屬及其化合物》中的重要內容。鈉與水反應過程中存在物質形態的變化、顏色的變化、能量的變化，并且伴隨有聲音、火焰、煙霧等現象。對本實驗進行細致的觀察及辨識不但可以加深學生對金屬鈉的物理性質及主要化學性質的理解，培養學生的實驗安全意識及控制風險能力，而且可以培養學生從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題的能力[1]。鈉與水反應持續時間短、現象復雜，該反應宏觀現象的確認及微觀原因的分析仍存在一定的爭議，因此引入數字影像技術對本實驗的宏觀現象及對其蘊含的化學反應進行探析很有必要。

二、相關研究

何斌華[2]認為反應中發出的“吱吱”聲是氫氣與空氣中的氧氣發生化合反應爆炸時產生的，反應需要一定的溫度，這個溫度由反應熱提供。孫成斌[3]用Born-Haber循環進行理論計算，得出鈉與水反應產生的熱量能使鈉在特定的條件下達到著火點，進而與空氣中的氧氣反應燃燒起來。張琳、江錫鈞[4]認為金屬鈉球在反應后期與玻璃接觸，積聚熱量，尤其是鈉與燒杯的間隙部分溫度驟升并產生小火星，小火星引爆鈉球周圍的氫氣和空氣的混合氣體。對于是氫氣先著火還是金屬鈉先著火在已知文獻中大多只能靠理論計算或者靠其他實驗現象的間接推測，缺少實質性的影像證據，而對于金屬鈉與水反應過程中伴隨的其他副反應很少有文獻提及。

三、實驗設計與實施

為便于對鈉與水反應進行觀察與記錄，筆者對這個實驗進行了重新設計，由教材中的“把綠豆大小的金屬鈉投進水中”改成“把綠豆大小金屬鈉置于濕潤濾紙上”，并使用數字影像技術輔助對這個實驗的觀察與辨識。數字影像技術是指包括影像的獲取、處理、加工、呈現、應用的一門綜合技術[5]。在這一實驗中，筆者先用相機對鈉與水反應的實驗現象進行視頻采集，然后利用視頻編輯軟件對采集到的視頻畫面進行觀察與辨識。

1.實驗材料

金屬鈉、酚酞指示劑、蒸餾水、燒杯、玻璃片、鑷子、小刀、白瓷片、濾紙條、圓形濾紙、白色背景板、護目鏡、防護手套、實驗防護服、三腳架2個、數碼相機或成像效果較好的手機2臺，計算機及相關的圖片查看及視頻編輯軟件。

2.實驗步驟

(1)實驗者穿著實驗服，戴上護目鏡。

(2)搭建實驗裝置，在實驗桌上放置一塊白瓷板，實驗桌正后方放置白色背景板，用三腳架固定好相機，設定正拍(如圖1a所示)、俯拍(如圖1b所示)兩個機位。

表1 鈉與水反應各個階段實驗現象及原因分析

(3)把潤濕后的濾紙鋪在白瓷片上。

(4)把兩臺相機調至視頻拍攝模式，兩臺相機的快門速度要設置到1/500 s或以上，啟動相機，開始視頻錄制。

(5)取一塊金屬鈉(綠豆大小)除去煤油及表面氧化物后將其置于準備好的濕潤濾紙上。

(6)放置好金屬鈉后，觀察者馬上退至1 m外，離遠觀察。

(7)待反應結束，確認安全后停止錄制，將拍攝到的視頻素材導入計算機，待進一步分析處理。

圖1 實驗裝置示意圖

四、在數字影像技術的輔助下對鈉與水反應實驗進行深入的觀察與辨識

Adobe Premiere Pro CC是一款由Adobe公司推出的專業視頻編輯軟件，能實現高精度、細節化的操作，主要應用于影視作品的創作。但因為其在視頻慢鏡頭回放、畫面縮放、關鍵幀提取、畫面顏色對比鑒別、音頻波形分析等方面有出色表現，所以應用該款軟件對采集到的實驗視頻進行分析也十分方便。

1.實驗現象概況

觀看采集到的源視頻可以得知，反應從03''24開始，13''14結束，一共持續10''10，記錄畫面共1 183幀。該反應十分劇烈，放出耀眼黃光，且伴隨有大量煙氣產生，此外在反應過程中可以聽到明顯的爆鳴聲。

2.利用數字影像技術分析實驗現象及原因

進一步獲取實驗現象的細節，則需要利用Adobe Premiere Pro CC軟件的慢動作回放及提取關鍵幀畫面等功能進行分析。圖2a～圖2h是在所采集到的視頻中提取出的關鍵幀畫面，表1為對圖中畫面的分析結果。

圖2 不同階段的鈉和水反應關鍵幀畫面

(1)由表1可知，此反應可以分為以下五個階段。

第一階段，反應生成氫氣，且生成的氫氣包裹在金屬鈉表面，此時金屬鈉與空氣中的氧氣接觸不充分。由于反應放出熱量，溫度很快達到金屬鈉的熔點98.3 ℃，金屬鈉融化成小球，原先覆蓋其表面的氣泡消失。

第二階段，氫氣氣泡消失后熔融的金屬鈉得以與空氣中的氧氣充分接觸，反應生成氧化鈉及過氧化鈉，這些氧化物覆蓋在鈉球表面(如圖2b所示)。

第三階段，生成的鈉的氧化物立刻與水反應，覆蓋在金屬鈉表面的氧化物隨即消失，金屬鈉與氧氣接觸更加充分(如圖2c～圖2d所示)。在幾個放熱反應的共同作用下，溫度很快到達金屬鈉的著火點115 ℃，金屬鈉起火燃燒，并隨即引燃反應產生的氫氣，發出爆鳴聲。

第四階段，鈉燃燒生成的過氧化鈉與水反應會產生大量的氧氣，氧氣的加入，使反應變得更加劇烈，產生爆燃，發出耀眼的黃光，且生成大量的煙氣(如圖2f～圖2g所示)。

第五階段，得到無色透明的熔融狀態的氫氧化鈉小球(如圖2h所示)，熔融的氫氧化鈉小球與濾紙上的水接觸，小球外部急速降溫，最終小球因內外受熱不均而發生炸裂。此階段發生的炸裂，常常被誤以為是金屬鈉在燃燒過程中發生的爆燃，通過照相機捕捉的影像可以知道，反應后期出現的圓球是無色透明的，與反應開始時具有金屬光澤的鈉球明顯不同，圓球是熔融狀態的最終產物氫氧化鈉。

(2)問題與思考：判斷是鈉先起火的依據是什么？鈉與水反應的產物氫氣也是一種極其易燃的氣體，為什么先著火的不是氫氣呢？

氫氣與氧氣混合點燃會產生較大的爆鳴聲，因此可以由爆鳴聲確認氫氣被點燃的時間。利用Adobe Premiere Pro CC軟件對起火爆炸的畫面及音頻波形同時進行分析的結果如圖3所示，金屬鈉在07''56時起火燃燒，此時采集到的音頻波形變化不大，07''56時采集到較大波峰，這個波峰就是氫氣爆炸的爆鳴聲引起的，此時氫氣才開始燃燒。經查閱化工數據，氫氣在空氣中的著火點(標準大氣壓下)為570 ℃，遠高于鈉的著火點115 ℃，因此通過影像技術采集到的畫面、音頻信息與理論吻合，由此可知，鈉先燃燒，然后再引燃氫氣。

圖3 著火時的音頻波形圖

除了影像技術的間接分析，也可以通過實驗驗證“先是由鈉到達最低燃點燃燒，然后引燃氫氣這一結論”，由圖2a可以知，鈉與水反應生成的氫氣在開始階段起到隔開空氣的作用，據此可以進行如下實驗設計：取一支15 mm×150 mm小試管，加入蒸餾水約2 mL，往其中加入一塊黃豆大小的金屬鈉。可以觀察到金屬鈉迅速與水反應，產生大量氣泡，隨即浮到水面，快速變成一個金屬小球，小球在水面繞圈滾動，發出“嘶嘶”聲，直至小球完全消失。反應過程中沒出現起火或者爆炸現象，如圖4所示。這是因為反應產生的氫氣迅速排出試管內的空氣，使金屬鈉球處于一個相對缺氧的環境中，這樣即使金屬鈉的溫度達到著火點，也不會起火。后續實驗中我還用不同大小的金屬鈉重復該實驗10多次，均沒有出現著火或者爆炸的情況，說明鈉與水反應放出的熱量沒有引燃氫氣。

圖4 在小試管中進行鈉與水反應實驗

結果表明，數字影像技術的使用可以幫助教師高效地記錄及辨識化學實驗，培養學生從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題的能力[1]。有些化學反應蘊含的信息量巨大，在一個反應中往往同時包含主要現象、次要現象及一些反應迅速、不易察覺的現象，這類實驗對學生的觀察能力要求非常高，大部分學生通過單次實驗難以全面觀察。但目前中學階段的實驗教學往往以大班教學為主，因為場地、課時的關系很難做到讓學生多次實驗并進行重復觀察。對于這類現象復雜的實驗，可以通過架設多個視頻采集機位對實驗過程進行采集，只需要進行一次實驗就可以獲得不同的視覺效果。采集到的實驗視頻還可以利用視頻慢鏡頭回放、畫面縮放、關鍵幀提取、畫面顏色對比鑒別、音頻波形分析等手段進行反復地觀察及辨識。

五、結語

2017版新課標的實施建議中指出，要“注重發揮現代信息技術的作用、積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合”[1]，這種基于數字影像技術的化學實驗觀察與辨識活動正符合新課標這一建議的要求。相信隨著新課標的落地實施及智慧校園建設的推動，數字影像技術在高中化學實驗的觀察與辨識方面將會得到更廣泛的應用。