雙色流熒
——基于氨氣制備的魯米諾雙色熒光噴泉

張光亞，李杰，張涵，李素芝，陳淑敏

商丘師范學院化學化工學院，河南 商丘 476000

噴泉實驗是高一化學有關氨的性質的一個演示實驗，該實驗基于氨氣在水中的溶解度很大，在短時間內產生負壓，利用大氣壓將燒杯內的液體壓入燒瓶中，從而在導管口形成噴泉[1]。由于噴泉實驗的趣味性強，直觀效果好，現在已拓寬了教材中噴泉實驗的范圍，演變為一系列的噴泉實驗。

通過查閱文獻發現，很多噴泉實驗都是對課堂演示實驗加以改進(如：儀器改進、藥品更換等)以提高實驗成功率和增加觀賞的趣味性。對此引出一系列思考：作為一個科普實驗，它是否只能在實驗室進行操作？面對不同年齡段的人群，該實驗是否具有可操作性？根據實驗原理進行演示，該實驗是否能達到趣味化學、科普化學的效果？事實上，我們不難發現，基于氨氣的性質營造壓強差，推而廣之，利用極易溶于水且密度比空氣小的氣體都可以達到相同的實驗效果，當然，給予一定的外力或者抽出空氣也可以改變壓強[2,3]。此外，在噴泉的選擇中，也可以構思多樣、趣味、創新的想法，以達到科普實驗激發興趣、普及知識、創新思維的目的。

基于上述思考，我們設計出具有創新性、趣味性、簡單易操作且現象直觀驚艷的雙色熒光噴泉實驗[4,5]。本實驗基于氨氣極易溶于水的性質，在密閉容器中，氨氣溶于水后氣壓降低和外界大氣壓形成壓強差，從而形成噴泉。噴泉發光的主要因素是魯米諾以及魯米諾和其他熒光染料混合的效果。魯米諾，又稱發光氨，在堿性條件下遇氧化劑會發光，是常用的光化學試劑。此外，魯米諾試劑(魯米諾與過氧化氫的堿性混合溶液)可將在犯罪現場肉眼無法觀察到的血液以藍色熒光的形式顯現出來，非常靈敏，即使極微量的血跡也可以被檢測。其原理為：血液中含有血紅蛋白，血紅蛋白中含有鐵離子，該離子能催化過氧化氫分解產生羥基自由基，該自由基可與魯米諾反應產生發光現象[6,7]。實驗室中常以鐵氰化鉀作為雙氧水分解的催化劑，在堿性條件下魯米諾與被鐵離子催化的過氧化氫反應，以此產生藍色熒光現象[8]。

在實驗的過程中，發現將魯米諾試劑加入含有不同染料的鐵氰化鉀的混合水溶液中，會呈現不同的顏色，選擇羅丹明B和魯米諾結合顯現出紅色熒光。綜上，噴泉的雙色熒光得以實現。

在裝置上，利用倒置的三頸燒瓶作為噴泉的發生器，各玻璃儀器之間用橡膠管相連的玻璃導管進行連接，用止水夾作為閥門控制進氣和進液。用凡士林將固體藥品涂附在燒瓶底部和噴泉噴出的玻璃導管口處，三頸燒瓶的中間口用橡膠塞連接玻璃導管與液體試劑相接，達到一定壓強差后讓液體進入燒瓶，在導管口上端即產生熒光噴泉。對于氨氣收集量的檢驗，我們設計了浸有酚酞溶液的棉球的干燥管，當看到棉球從上而下全部變紅后，則說明氨氣已經充滿了整個裝置。反應結束后，利用裝有蒸餾水的錐形瓶裝置進行防倒吸和吸收多余的氨氣，符合綠色化學的要求。

本實驗涉及濃氨水遇熱揮發、氨氣易溶于水、無色酚酞溶液在堿性條件下的變色反應和魯米諾發光反應等多個化學原理，能夠普及化學知識，引導大家進行實驗探究和創新實驗方案。實驗過程中，在燒瓶內以噴泉的效果呈現雙色流熒的現象，其趣味性能夠激發出對化學的興趣，同時解開了在犯罪現場噴灑試劑，使肉眼無法觀察到的血液顯色的疑惑，最終通過此次科普實驗讓受眾進一步關注生活中的化學。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

(1) 氫氧化鈉固體溶于濃氨水時，會放出大量熱量，從而濃氨水遇熱揮發。

NH3·H2O → NH3+ H2O

(2) 氨氣易溶于水，且與水反應生成堿性的一水合氨，酚酞溶液遇堿變紅色。

NH3+ H2O → NH3·H2O

(3) 過氧化氫在鐵離子的催化下分解放出氧氣。

H2O2→ H2+ O2

(4) 魯米諾，化學名稱為3-氨基鄰苯二甲酰肼，在堿性條件下與被鐵離子催化過氧化氫產生的羥基自由基反應，生成一個偶氮化合物，該化合物和過氧氫根離子反應，生成一個環狀有機過氧化物，然后開環得到激發態的3-氨基鄰苯二甲酸，激發態分子不穩定，在回到基態的過程中釋放能量，能量以光子的形式釋放，其發光波長位于可見光的藍光區域，從而發出藍色熒光(圖1)。

(5) 熒光染料(能發出熒光的染料)在吸收紫外線或可見光后，能把短波長的光轉變為波長較長的可見光波反射出來，呈閃亮的鮮艷色彩。例如，酸性曙紅、熒光黃、紅汞以及某些分散染料等。它們大多是含有苯環或雜環并帶有共軛雙鍵的化合物。

熒光染料可以單獨使用，也可以組合成復合熒光染料使用。其中復合熒光染料是利用熒光共振能量轉移原理實現熒光發射的染料，由距離非常近、能量可以在彼此間傳遞的一組(含供體及受體)熒光分子所組成(圖2)。

圖2 熒光共振能量轉移原理示意圖

1.2 試劑和儀器

試劑：魯米諾、氫氧化鈉、鐵氰化鉀、過氧化氫(30%)、濃氨水(25%)、堿石灰、酚酞、凡士林、羅丹明B、熒光紫、熒光綠、熒光大紅，均為分析純(AR)試劑。

儀器：鐵架臺、三頸燒瓶、錐形瓶、直型玻璃導管、鈍角玻璃導管、T型管、干燥管、燒杯、玻璃棒、量筒、短頸玻璃漏斗、針管注射器、止水夾、石英研缽、膠頭滴管、藥匙、橡膠塞、橡膠管、表面皿、脫脂棉、電子天平、磁力攪拌器。

1.3 實驗步驟和現象

(1) 魯米諾試劑的配制：首先配制500 mL 0.20 mol·L-1的NaOH溶液，再加入0.4 g魯米諾黃色粉末，使其攪拌溶解，最后加入6 mL 30% H2O2。把500 mL魯米諾試劑均分在兩個500 mL燒杯中，備用。

(2) 發光噴泉反應器的制備：選取兩個500 mL三頸燒瓶，兩根玻璃導管，酒精噴燈燒拉處理玻璃導管，使其一端端口呈尖口型；接著，稱取兩份鐵氰化鉀固體各2.0 g，并研磨成粉末，其中一份在研磨過程中加入適量羅丹明B，用凡士林把兩種粉末分別涂附在兩個三頸燒瓶底部和“尖口”玻璃導管口處；最后，玻璃導管尖口端從三頸燒瓶的中間口插入至燒瓶中部，用橡膠塞和三頸燒瓶固定在一起。最后分別在兩個橡膠塞上插入注射器針頭。

(3) 氨氣發生裝置：稱取10.0 g NaOH固體倒入錐形瓶中，瓶口用橡膠塞密封，同時把注射器針頭插入橡膠塞中。取用一只干燥管中加入適量堿石灰，備用。

(4) 尾氣吸收裝置：在錐形瓶中倒入適量蒸餾水(不超過錐形瓶2/3)，橡膠塞固定一玻璃導管，玻璃導管口插入至錐形瓶上端。

(5) 驗滿及尾氣吸收裝置：把蘸有酚酞溶液的棉球裝入干燥管中，通過橡膠管把干燥管和短頸漏斗相連接。

(6) 搭建裝置：首先，把兩個噴泉發生裝置——三頸燒瓶固定在鐵架臺上，利用玻璃導管和橡皮管串聯接通，形成閉合通路；然后氨氣發生裝置通過玻璃導管和裝有堿石灰的干燥管連接，通過T型管和尾氣吸收裝置相連；最后，在裝置的最右端連接驗滿及尾氣吸收裝置，把倒置的短頸漏斗放入盛有蒸餾水的燒杯中(蒸餾水沒過漏斗口處即可)；再通過玻璃導管連接三頸燒瓶和魯米諾試劑，最后吸取9–10 mL蒸餾水的注射器連接針頭(圖3)。

圖3 實驗裝置圖

(7) 實驗過程：先關閉a、b、c，用注射器吸取7–8 mL濃氨水，然后通過針頭將濃氨水緩慢注入氨氣發生裝置的錐形瓶中，盛有氫氧化鈉的錐形瓶和倒置的漏斗不斷有氣泡冒出，待蘸有酚酞和水的棉球由上而下完全變紅后，打開a，關閉d、e、f，用注射器快速向燒瓶中注入7–8 mL蒸餾水，打開b、c。

(8) 實驗現象：將水注入燒瓶中后，裝置內的氨氣溶于水，形成了氣壓差，打開b、c后，魯米諾試劑會在大約30 s后通過玻璃導管進入燒瓶中，涂附有鐵氰化鉀的燒瓶中產生藍色熒光的噴泉，涂附有鐵氰化鉀和羅丹明B的燒瓶中產生紅色熒光的噴泉(圖4)。

圖4 雙色噴泉實驗現象圖

本實驗的噴泉發生裝置導管采用經處理過(酒精噴燈燒制)的尖型玻璃導管，整個實驗現象平穩，噴泉效果柔和穩定，持續時間為30 s左右。雙色流熒，噴涌而上，順流而下，有擊空明兮朔流光之意，有很好的觀賞效果。

2 科普展示和互動方案

展示地點：空氣流動性強的場所。

展示人群：中小學生、市民群眾。

展示方式：進行演示實驗和延伸實驗的展示、志愿者講解和觀眾互動。

前期準備：招募志愿者；對志愿者進行培訓，并分組(分為實驗操作人員和講解人員)；準備實驗展示器材和試劑；布置展示場地。

展示內容：

(1) 演示實驗：雙色流熒——基于氨氣制備的魯米諾雙色熒光噴泉。

(2) 延伸實驗1 (水中火焰)：取若干個相同規格的燒杯，并在不同燒杯中加入鐵氰化鉀溶液和適量各種染色顏料，分別用膠頭滴管滴加魯米諾試劑(圖5)。延伸實驗1現象：添加不同熒光染料的燒杯中在滴加溶液后呈現出不同顏色的熒光，呈現出如水中火焰般的視覺效果(圖5)。

圖5 延伸實驗1 (水中火焰)實驗現象圖

(3) 延伸實驗2 (瓶內噴泉)：取空的礦泉水瓶和兩根吸管，將兩根吸管分別插入混有堿性魯米諾的過氧化氫溶液和鐵氰化鉀溶液(圖6)。延伸實驗2現象：通過擠壓瓶身形成氣壓差，兩份溶液會通過吸管吸入水瓶中，在瓶內形成發光噴泉。

圖6 延伸實驗2 (瓶內噴泉)實驗現象圖

(4) 志愿者在完成實驗操作后向觀眾講解實驗原理。

(5) 觀眾可在志愿者的陪同下操作兩個延伸實驗。

3 結語

基于氨氣制備的魯米諾雙色熒光噴泉實驗將氨氣噴泉和魯米諾熒光反應結合起來，利用氨氣易溶于水以及魯米諾試劑遇鐵顯色的特性，使噴泉實驗變得更加富有趣味性。在實驗裝置方面，串聯兩個三頸燒瓶讓雙色熒光噴泉同時進行，拉細形成噴泉的玻璃導管口，增長形成噴泉噴涌的時間，提高實驗的觀賞性。用針管轉移濃氨水，解決濃氨水參與實驗的氣味問題，兩個位置的尾氣吸收裝置處理反應過程中多余的氨氣。同時也向大眾科普了魯米諾試劑使肉眼不可見的血跡顯現，幫助刑偵案件的偵破工作。魯米諾還可以和其他熒光染料混合產生更多的顏色，為更豐富的噴泉制作提供理論依據。該科普實驗原理清晰、操作簡單、現象有趣，不僅可以開拓學生的創造思維能力，也能讓學生在探索科學真理的道路上，感受化學世界的奇妙，提高學習化學的興趣，愛上科學。

4 特點/特色/創新性聲明

本科普實驗易操作，揭開了懸疑劇中噴灑試劑顯色的謎底，巧妙運用基礎化學中的實驗原理，感受化學的魅力。

(1) 利用魯米諾加熒光染料呈現出不同顏色的熒光噴泉。

(2) 設計了一體化的雙噴泉裝置。

(3) 實驗現象明顯，有很強的科普性，可更好地走進課堂，走進生活。