氨氣噴泉及化學“燈塔”表演實驗的新設計

吳青茂,　趙文超

摘要： 運用信息化技術實現對中學化學實驗單元操作的智能控制，分別設計趣味性較強的氨氣噴泉和化學“燈塔”實驗，既可作為演示實驗用于化學教學，又可作為科普實驗用于科普場館和大型晚會的科學實驗表演。整個實驗設計的實踐活動，引領學生在跨學科知識的學習與運用中提升科學技術素養和創新實踐能力。

關鍵詞： 氨氣噴泉; 化學“燈塔”; 表演實驗設計; 化學振蕩反應

文章編號： 10056629（2020）08006703

中圖分類號： G633 8

文獻標識碼： B

1? 課題提出

科普實驗表演，是目前國際上流行的一種全新獨特的科普形式。它以各種現象明顯、原理簡單的物理、化學、生物等科學實驗為主體，結合前沿科學技術研究成果等科普知識以舞臺表演的形式表現出來，融合了小品、相聲、演唱、舞蹈等多種表演形式，在傳播科普知識和科學觀念的同時，倡導一種健康、科學的生活方式，達到寓教于樂的目的[1]。一臺優秀的科學實驗表演節目的核心就是科學實驗的創新設計。據此，需要對演出的主體實驗進行創新設計和巧妙編排。

2? 實驗設計思路

基于以上的真實情境問題，我們與學生一起探索解決方法，設計主體實驗、實驗裝置、呈現方式，運用先進實驗設計理念和技術手段等多方面知識，初步設計了一套基于Vernier數字傳感器和TI系統的氨氣噴泉和化學“燈塔”表演實驗。充分發揮數字化實驗的優勢，引導學生應用技術來解決真實情境問題，通過技術的功能與跨學科知識的融合，把技術作為獲取知識和加工信息、解決真實問題的有效工具。

我們選擇“多米諾效應”作為主體實驗的設計元素。多米諾效應，即“多米諾骨牌效應”，指在一個相互聯系的系統中，一個很小的初始能量就可能產生一系列的連鎖反應，通俗點講就是“牽一發而動全身”。多米諾效應有著豐富的文化內涵： 一個最小的力量能夠引起的或許只是察覺不到的漸變，但是它所引發的卻可能是翻天覆地的變化。這有點類似于蝴蝶效應，但是比蝴蝶效應更注重過程的發展與變化。

利用Vernier壓強傳感器、TI圖形計算器、TI創新者系統等數字化技術對主體實驗中壓強的變化進行實時檢測。設置當壓強為98千帕時，背景燈自動打開;設置當壓強為90千帕時，花朵自動打開。整個實驗設計過程： 觸發氨氣噴泉，使抽濾瓶中壓強迅速減小，引發多米諾效應，化學燈塔（碘鐘）燈閃花開。實驗一氣呵成，色彩變化豐富，層次分明，效果驚艷，成功率高。

本實驗演示采用的是1000mL規格的大反應容器，目的是凸顯實驗現象，讓觀眾看得更清楚，方便普及科學知識。同時，科學與藝術相結合，融入舞臺表演藝術，關注實驗本身，演示實驗同時以精確的語言揭示實驗原理，解釋實驗現象，取得了令人滿意的教學效果。

3? 實驗原理

3.1? 氨氣噴泉實驗

氨氣噴泉實驗是中學化學的一個經典實驗，融化學、物理、數學知識于一體，具有操作簡單、趣味性強、現象明顯等優點。原理是： 在實驗時，燒瓶里面和外面的大氣形成壓強差，導致瓶中的液體被大氣壓壓進燒瓶之中形成噴泉。氨氣溶于水時大部分形成NH3·H2O，在常溫下約有1%電離成NH+4和OH-，所以氨水顯弱堿性，能使含有酚酞的溶液變紅[2]。

用壓強傳感器實時檢測噴泉實驗中壓強的變化，即可讓學生從數據的變化中感知壓強的變化[3，4]。

3.2? 化學“燈塔”實驗

化學燈塔實驗[5]： 夜晚在港口觀察燈塔時，可以看見燈塔的燈光呈現周期性的明滅現象。在化學的世界里我們也可找到一類特殊的化學反應——化學振蕩反應，來實現這一現象。本文的化學振蕩反應，是將三種無色的液體混合在一起，在幾秒鐘后變成深藍色，然后變為琥珀色，再變為無色，8秒一周期的變化。真是太神奇啦！

通過將兩口燒瓶中的氨氣溶于水（在常溫下，1體積水大約可溶解700體積的氨氣），致使兩口燒瓶內的氣體壓強迅速減小，小于外界大氣壓，從而將抽濾瓶中的溶液泵入裝氨氣的兩口燒瓶中，導致抽濾瓶和左邊兩口燒瓶內壓強減小，三個燒杯中的溶液分別泵入左邊兩口燒瓶中，引發“燈塔”實驗（見圖2）。

將H2O2的A溶液及丙二酸、MnSO4和淀粉的B溶液與H2SO4酸化KIO3的C溶液混合。此時，溶液顏色在藍色→琥珀色→無色三者間反復變化，主要化學反應如下[6]：

2KIO3+5H2O2+H2SO4Mn2+I2+K2SO4+6H2O+5O2↑

I2+5H2O22H2IO3+4H2O

I2+CH2（COOH）2CHI（COOH）2+I-+H+

I2+CHI（COOH）2CI2（COOH）2+I-+H+

I-+I2I-3

反應過程中呈現的顏色：

（1） 藍色為游離碘I2和碘離子I-結合生成I-3，遇淀粉變藍。

（2） 無色為I2與CH2（COOH）2作用生成CHI（COOH）2。

（3） 琥珀色為Mn3+與Mn2+濃度比顏色。

3.3? TI圖形計算器工作原理

利用Vernier壓強傳感器、TI圖形計算器、TI創新者系統等數字化技術對主體實驗中壓強的變化進行實時檢測，實驗中設置當壓強為98千帕時，背景燈自動打開，設置當壓強為90千帕時，花朵自動打開。這是運用TI對裝置的控制。本實驗的裝置工作流程如圖1所示。

4? 實驗

4.1? 試劑與儀器

試劑： 氨水（25%～28%）、堿石灰、酚酞試液、雙氧

水（30%）、KIO3（s）、硫酸溶液（2mol/L）、MnSO4·H2O（s）、丙二酸、淀粉、蒸餾水

儀器： Vernier氣體壓力傳感器、計算機及Logger Pro 3.8.6軟件、Vernier數據采集器、TI圖形計算機、TI

創新者系統、TI數據采集器、透明軟導管、電路連接線、干電池、電池盒、場效應晶體管、燈帶、盆花、玻璃管、直形活塞、止水夾、火柴、鐵架臺、萬用夾、燒杯（500mL）、抽濾瓶（1000mL）、定制兩口燒瓶（文中稱兩口燒瓶，1000mL）、注射器、導氣管若干、橡膠塞若干

4.2? 實驗過程與現象

（1） 配制下列三種溶液[7]。

A液： 205mL 30% H2O2用水稀釋至500mL;

B液： 7.8g丙二酸、1.52g硫酸錳（MnSO4）、0.15g淀粉，用水稀釋至500mL（淀粉用少量水先溶解，再加熱至沸）;

C液： 將21.5g碘酸鉀（KIO3），溶于60℃的熱水里，加入40mL 2mol/L稀H2SO4，再用水稀釋至500mL。

（2） 如圖2所示，組裝好實驗裝置，并檢查裝置氣密性。在TI圖形計算器中設置： 當壓強為98千帕時，背景燈自動打開;當壓強為90千帕時，花朵自動打開。

（3） 向抽濾瓶中加入約1000mL的蒸餾水并滴加5～6滴酚酞試液，關閉止水夾;將A、 B、 C三種溶液各

400mL分別加入三個燒杯中。

（4） 點燃酒精燈，加熱裝有氨水與堿石灰的錐形瓶，約30秒后，將導氣管由兩口燒瓶的下口伸入燒瓶底部并用棉花團封口，將氨氣經U型干燥管中的堿石灰干燥后通入兩口燒瓶，在兩口燒瓶的下口處用濕潤的

圖2? 化學燈塔實驗裝置簡示圖

紅色石蕊試紙檢驗氨氣是否充滿燒瓶。待紅色石蕊試紙變藍后，移出導氣管，將兩口燒瓶下口用帶導管橡膠塞塞緊。

（5） 向兩口燒瓶上口注入少量水，由于氨氣迅速溶于水，導致右邊兩口燒瓶內壓強快速下降，形成紅色噴泉。從而，又導致下方抽濾瓶及左邊兩口燒瓶內壓強快速下降，三個燒杯中的A、 B、 C液同時被吸入左邊兩口燒瓶中，此時燈亮了，繼而花兒也開啦。同時，兩個氣體壓強傳感器壓強同時快速下降（見圖3）。

（6） 右瓶的噴泉大約能充滿圓底蒸餾燒瓶體積的四分之三，左邊兩口燒瓶中的溶液開始時完全無色，約2～3秒后顏色改變為琥珀色，又迅速變為藍色。溶液的顏色就在無色→琥珀色→藍色之間振蕩，約8秒一周期變化，該化學振蕩大約能持續2分鐘左右。實驗畫面感強，顏色豐富多彩，十分美麗。

5? 教學效果

運用信息技術對反應體系中壓強的變化進行自動化檢測，初步實現了控制化學實驗單元操作的目的。學生通過對程序指令、數據、圖形等的處理和分析，增進了對化學現象和原理本質的認識，提高了分析問題、解決問題的方法和能力。當然，本實驗還能拓展延伸對其他影響因素進行探究，極大地豐富了學生的學習體驗，也對學生的工程思維提出了較高的要求。

在傳統教學中，學生對噴泉實驗產生原理（燒瓶內外壓強差）的認知僅僅局限于表面現象（如橡膠管變扁、礦泉水瓶變癟），而且傳統實驗儀器不能定量測出體系的壓強，必然弱化了學生對噴泉實驗原理的認知。利用數字化信息技術，不僅能實時檢測燒瓶內壓強的變化，還可以壓強為觸發器，開啟一系列“多米諾效應”，體現了現代化學從粗放型實驗向精細化、可控化、自動化實驗發展的趨勢。

整個實驗過程將氨氣的水溶性、氨水呈堿性、化學振蕩反應集于一體，實驗現象明顯，趣味性濃，互動性強，不僅激發學生的興趣，活躍學生的思維，寓教于樂，而且編排成化學實驗情景劇進行舞臺表演，社會反響良好。實驗設計過程以整合的方式解決真實的問題，為學生提供真實而富有現實意義的學習情景，培養學生的高階思維，從而全面提升學生知識、能力與創新方面的核心素養。

參考文獻：

[1]安豐艷. 發揮科技館科普劇功能——在快樂中學習科學知識[J]. 科技風， 2011， （11）： 46.

[2]鐘志健. “噴泉實驗”教學的三維設計[J]. 化學教學， 2011， （2）： 26～28.

[3]王杰. 手持技術在噴泉實驗中的運用[J]. 實驗設計與技術， 2012， （10）： 39～41.

[4]王欣磊， 沈甸. 氣體壓強傳感技術在中學化學實驗教學中的應用[J]. 化學教學， 2015， （9）： 58～61.

[5]中國化學會. 2011世界化學年趣味實驗全國大獎作品匯集[C]. 2011： 7～8， 47～51.

[6][7]王程杰主編. 中學化學實驗研究[M]. 上海： 華東師范大學出版社， 2005： 162～164.