探究聲音對藍瓶子實驗現象的影響

尚昊

摘要： 借助藍瓶子實驗，室溫下利用藍牙音箱，探究聲音（波形為正弦波）對化學反應液圖案的影響。實驗發現，因聲音產生的波腹處氧氣溶解多于波節處，導致氧化還原反應的程度不同，進而在溶液表面出現有序的波紋。聲音的介入，改變了原實驗條件以及反應液的圖案，有助于學生增強外界條件可能影響化學反應的意識和激發學習化學的興趣。

關鍵詞： 藍瓶子實驗； 氧化還原反應； 聲音； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2022）11-0075-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出開展以化學實驗為主的多種探究活動，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變。在化學反應條件控制的學習中，藍瓶子實驗因使用的化學物質相對安全，現象明顯、有趣，并且易于實施，在中學學習中受到廣泛應用。如果無色亞甲基藍（亞甲基白）被氧氣氧化的程度大于亞甲基藍被葡萄糖還原的程度，溶液呈現藍色，反之，則呈現無色。由于溶液中化學反應物的無序擴散行為，導致藍瓶子實驗產生的藍色圖案是隨機的。而聲音可以使溶液產生有序振動，改變溶液表面與氧氣的接觸情況，進而控制此反應在溶液表面不同位置的氧化還原程度，最終出現有序圖案。這里通過介紹一種聲音控制化學反應產生圖案的實驗，可以幫助學生理解氧化還原反應以及改變條件對化學反應的影響。

1 實驗原理

圖1中A圖展示的是無聲音影響的藍瓶子實驗顏色變化（圖案的產生是隨機的），B圖展示的是有聲音影響的藍瓶子實驗顏色變化（圖案的產生是有序的，該培養皿下方為音箱）。

聲音是可以通過介質傳播的波。可聽見的聲音（頻率通常在20～2000Hz）能量較低，通常難以直接引發化學反應。然而，聲音可以影響液體表面的振動和液體內部的流動，類似于法拉第波［1，2］。法拉第波最早是由法拉第在1831年提出，當低頻垂直振動作用于碟子中的液體時，波就會發生在空氣和液體的界面。當碟子放在可以產生聲音的揚聲器上時便可以產生同樣的現象。聲音產生的液體表面波導致在波腹和波節處氣體的溶解程度不同。相比于波節，波腹處溶液會更加頻繁與空氣中的氧氣接觸［3］，如圖2所示。基于此，氧化還原反應可以實現一定程度上的區域控制。對于藍瓶子實驗，波腹位置相比于波節位置就更容易被氧氣氧化，更容易呈現藍色，而波節位置顏色相對更容易褪去。通過有色圖案的形成，化學反應過程實現了良好的可視化效果，對學生氧化還原反應和化學反應條件控制的學習有一定的幫助。日常學習中，學生對實驗條件的改變局限于溫度、壓強和催化劑等的改變，通過探究聲音對藍瓶子實驗的影響，可以有效拓展學生的思維，培養學生多向思考的能力。藍瓶子實驗從1960年至今經過多年改進［4～9］，已經發展成一個簡易且有趣的實驗，下述實驗采用典型方法進行，二甲基亞砜是選用溶劑，能加強各化合物的溶解能力，不使用該溶劑對實驗效果不會產生顯著影響。實驗使用常見的智能手機、免費的音頻調節軟件和藍牙音箱，令實驗操作相對容易實現。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

無色透明塑料瓶、培養皿、智能手機、藍牙音箱、白色亞克力板

純水、亞甲基藍溶液（1mg/mL）、葡萄糖溶液（1mol/L）

氫氧化鈉溶液（5mol/L）、二甲基亞砜（DMSO，選用溶劑）

2.2 實驗過程

2.2.1 藍瓶子實驗及現象

（1） 依次將38.5mL純水、2.5mL亞甲基藍溶液、5.5mL葡萄糖溶液、

2.5mL DMSO、1mL氫氧化鈉溶液注入1個透明的塑料瓶。

（2） 輕輕搖動塑料瓶，靜置10分鐘，可以觀察到下部溶液褪色。

（3） 用移液管取瓶中下部溶液15mL于培養皿中，輕輕搖動。

（4） 蓋上培養皿蓋，靜置。

2.2.2 聲音干擾的藍瓶子實驗及現象

（1） 將藍牙音箱、白色亞克力板、培養皿（直徑10cm），由下至上放置，

打開音箱。

（2） 通過手機藍牙連接音箱，打開智能手機上預先下載的免費音頻軟件，設置音頻為60Hz，音量為60分貝，因正弦波是單一頻率的波形，故選擇正弦波波形。

（3） 依次將38.5mL純水、2.5mL亞甲基藍溶液、5.5mL葡萄糖溶液、

2.5mL DMSO、1mL氫氧化鈉溶液注入1個透明的塑料瓶。

（4） 輕輕搖動塑料瓶，靜置10分鐘。

（5） 用移液管取瓶中下部溶液15mL于培養皿中，輕輕搖動。

（6） 蓋上培養皿蓋，將培養皿放在音箱上方的亞克力板上。

3 結果與討論

圖3是在音頻60Hz、系統音量60分貝條件下，混合溶液置于培養皿3分鐘后呈現的波紋狀顏色變化。為方便觀察顏色變化，采用白色亞克力板放置于培養皿下進行顏色對比。由圖2可知，因聲音產生的液體表面垂直振動，導致波腹位置更加頻繁地與空氣中的氧氣接觸，氧氣更多地溶解在波腹位置，使得波腹位置長時間保持藍色。而波節位置溶液處于相對平靜的狀態，氧氣較少地溶解在波節位置，導致波節位置出現先褪色的情況。波節處褪色說明波節位置亞甲基藍被葡萄糖還原的程度，大于無色亞甲基藍被氧氣氧化的程度（如圖3所示）。此實驗可視化地說明了氧氣濃度的不同對于化學反應結果的影響。而溶液中波紋圖案的產生，不僅和溶液的垂直振動有關，還和溶液內部的液體流動有關，可以進一步引導學生對于實驗現象中流體力學的思考，如圖4所示。

在思考波紋圖案產生的原因時，學生可以了解其中氧化還原反應發生的過程，進而可以引導學生思索波紋產生的合適條件。如果降低聲音頻率，波節和波節之間的距離會增大；提高聲音頻率，波節和波節之間的距離會減小；如果距離過小，區分度降低，則不利于觀察波紋的形成。此外，音量大小也會影響波紋的形成，音量過大會破壞波紋圖案，如圖5所示。

實驗時需用潔凈的培養皿，否則可能會對反應產生的波紋圖案產生影響。

由于使用的設備或環境會有差異，調試合適的音頻和音量成為形成波紋狀圖案的關鍵，因此可以通過側面觀察是否形成相對均勻的水波來確定需要的音頻和音量，如圖6所示。

4 結語

教師可以設置一些問題來測試或評估學生的學習

情況。比如，圖1中B圖產生有序波紋的原因是什么？為什么波紋的顏色呈現藍白相間（采用白色襯底）？波腹和波節處氧氣溶解的情況有什么不同？改變頻率或音量是否會對波紋產生影響？

通過為高中學生創建的這一在聲音影響下的實驗學習項目，使學生從一個全新的角度來認識藍瓶子實驗，有助于更好地理解氧化還原反應，以及條件的改變對化學反應的影響。因聲音產生的溶液表面垂直振動導致氧氣的不均勻溶解，波腹位置與氧氣接觸更頻繁，溶解較多；相反，波節位置氧氣溶解較少，進而出現有序的藍色波紋。引導學生思考這一全新現象背后的原因，有利于培養學生發現問題、解決問題的能力，奇妙實驗現象的展示也能提高學生學習化學的興趣。

參考文獻：

［1］ Faraday M.. On a peculiar class of acoustical figures; and on certain forms assumed by groups of particles upon vibrating elastic surfaces ［J］. Phil. Trans. R. Soc.， 1831， （121）： 299～340.

［2］ Douady S.. Experimental study of the Faraday instability ［J］. J. Fluid Mech.， 1990， （221）： 383～409.

［3］ Hwang I.， Mukhopadhyay R. D.， Dhasaiyan P.， Choi S.， Kim S. -Y.， Ko Y. H.， Baek K.， Kim K.. Audible sound-controlled spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium systems ［J］. Nature Chemistry， 2020， 12（9）： 808～813.

［4］ Dutton F. B.. Methylene blue-Reduction and oxidation ［J］. J. Chem. Educ.， 1960， 37（12）： A799.

［5］ Campbell J. A.. Kinetics — Early and often ［J］. J. Chem. Educ.， 1963， 40（11）： 578.

［6］ Limpanuparb T.， Areekul C.， Montriwat P.， Rajchakit U.. Blue Bottle Experiment： Learning Chemistry without Knowing the Chemicals ［J］. J. Chem. Educ.， 2017， 94（6）： 730～737.

［7］ 陳學民. “藍瓶子”實驗及其擴展［J］. 化學教學， 2001， （5）： 47～48.

［8］ 張守林， 馬宏佳. 圍繞“藍瓶子”實驗的探究活動設計［J］. 化學教學， 2003， （4）： 24～25.

［9］ 熊言林， 王闖. 藍瓶子實驗最佳反應條件的探究［J］. 化學教學， 2010， （10）： 16～18.