借光執筆的“藍色精靈”
——藍曬中奇妙的光化學反應

呂小蘭，胡昱，吳思豪，瞿銀合，王明明，趙妍，蔡琥

南昌大學化學學院，南昌 330031

光化學反應是物質在光的作用下獲得能量而發生化學變化的過程。光作為維持地球生命活力的直接能源，催動無數化學反應的進行，眾所周知的光合作用、染料的光褪色、塑料的光老化、指甲油的光固化……光化學反應在我們的身邊無處不在。1842年，英國約翰·赫謝爾爵士發明了氰版攝影法(Cyanotype)，俗稱藍曬法[1]。藍曬是典型的光化學反應，它通過光敏物質捕捉太陽光中的紫外線，發生光化學反應。其原理為鐵離子與配體如草酸鹽或檸檬酸鹽在紫外線的作用下發生反應被還原成亞鐵離子，然后亞鐵離子與鐵氰化物反應生成亞鐵氰化鐵(又名普魯士藍)。普魯士藍吸附在相紙上，顯示出美麗的藍色圖像。國內的藍曬工藝最早見文于1958年，常被用于地形地貌圖和建筑圖紙的繪制，是生產與科研、建設中常見的圖形影印資料，直至20年前才逐漸在藝術和攝影領域有所發展[2]。藍曬工藝因操作簡易且顯影效果明顯而廣受攝影愛好者的喜愛，諸多愛好者還嘗試拓展藍曬工藝，發掘其更多的可能性。

本文將藍曬工藝與光化學反應知識相結合，形態萬千的藍曬印相就像一個個“藍色精靈”，向公眾展示光化學反應的“魔力”，讓公眾領略化學與藝術的完美融合。同時創新開展藍曬-紫外線科普探索實驗——紫外線強度探索和科學防曬，讓參與者真切感悟到生活中處處有化學。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

(1) 檸檬酸鐵銨在紫外光下發生氧化還原反應，三價鐵離子光還原為二價鐵離子，檸檬酸鹽被氧化為1,3-丙酮二羧酸鹽[3]。

(2) 二價鐵離子與鐵氰化鉀反應生成三價鐵離子和六氰合亞鐵離子，進而相互結合生成配位化合物普魯士藍(亞鐵氰化鐵，Fe4III[FeII(CN)6]3·nH2O (n= 14–17))，從而實現藍色印相。

(3) 再用稀的過氧化氫溶液漂洗，將殘留游離的亞鐵離子氧化為三價鐵離子，藍色圖像將變得更加飽滿、濃郁。

1.2 儀器、試劑與材料

儀器：自制紫外暗箱，打印機(惠普HP 1112)，天平(JM·A20002)。

試劑與材料：檸檬酸鐵銨(AR，上海易恩化學技術有限公司)，鐵氰化鉀(AR，西隴科學股份有限公司)，過氧化氫(AR，國藥集團化學試劑有限公司)，白色卡紙(上海西丁工業設計咨詢有限公司)，菲林負片(安徽樂穎數碼科技有限公司)，PVC板(深圳市順泰塑膠有限公司)。

1.3 實驗步驟/方法/現象

本實驗操作便捷，流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

1.3.1 前期準備

(1) 負片打印。

打開一個圖片處理網站，選定照片，選擇“圖像–調整–黑白”，完成黑白處理后選擇“圖像–調整–反相”得到反相圖像，打印該圖片得到要印相的負片。

(2) 感光相紙的制備。

稱取6.00 g檸檬酸鐵銨和5.00 g鐵氰化鉀，各加入20 mL蒸餾水配制成0.30 g·mL-1檸檬酸鐵銨溶液(A液)和0.25 g·mL-1鐵氰化鉀溶液(B液)，將A液和B液等體積混合均勻，得到感光液。

用軟毛刷蘸取適量感光液，均勻涂刷在白色卡紙上，室溫下避光晾干即得感光相紙。

1.3.2 曝光及漂洗

將感光相紙和負片置于兩塊透明PVC板之間夾緊，置于自制紫外暗箱中曝光10 min。

將相紙取出，用水漂洗，直至沒有黃色液體出現。再用3%雙氧水漂洗相紙，處理后藍色會迅速加深，如圖2所示。

圖2 實驗結果圖

1.3.3 實驗條件優化

應用智能手機拾色器中三原色識別功能，給出成相的藍色判斷標準。RGB色彩模式是目前運用最廣的色彩標準，R、G、B分別代表紅、綠、藍三種顏色的強度，也常被用于顏色量化處理數據[4]。

(1) A、B液濃度篩選。

通過對比實驗，藍色B值為152，藍色濃郁程度適中(圖3)，對應的感光液由0.30 g·mL-1A液和0.25 g·mL-1B液等體積混合而得，可作為感光液的優選配比。

圖3 A、B液濃度篩選

(2) 曝光時間篩選。

延長曝光時間，照片的藍色會更濃郁，但到達臨界時間后，變化逐漸減弱，因為超過最佳曝光時間后，普魯士藍繼續反應形成FeII4[FeII(CN)6]3·nH2O而使藍色減弱(圖4)。

圖4 曝光時間篩選

通過對比實驗選擇曝光10 min，此時的藍曬照片藍色B值為160，藍色濃郁程度適中。

2 科普展示

2.1 展示條件及對象

寬敞室內場所，如科技館、中小學教室等；室外場所，如廣場、公園等均可作為展示地點。室內展示時需要有電源，目前室內場所大多能保障；室外展示時最好是天氣晴朗，有電源時對天氣沒有要求。實驗用水可存儲于塑料器皿中備用。

根據參與者知識水平、認知能力、年齡層次及科普期望達到的效果，將展示對象分為小學階段(6–12歲)、中學階段(12–18歲)及成年階段(18歲以上)三個人群。

小學階段人群，對科學知識有初步了解，對有顏色變化的化學過程感興趣，但不具備了解化學原理的能力，因此側重讓他們體驗制作藍曬照片的過程，感受化學之美與實驗之趣。

中學階段人群，具備了一定的化學學科知識，但是對光化學反應缺乏認知。在制作藍曬照片的同時，引導學生理解藍曬光化學反應的原理，并解答生活中與光化學反應相關的問題。

成年階段人群，有一定的社會實踐經驗，想象力、分析能力、接受能力和輻射影響其交際圈的能力。在制作藍曬照片之后，進行藍曬-紫外線拓展實驗，更好地幫助他們了解生活中常見的光化學反應，糾正其可能存在的認知誤區，傳播化學創造美好生活的理念。

2.2 展示方案

2.2.1 藍曬作品展示

通過多種媒介，如紙、蛋殼、玻璃、布等承載的藍曬成品(圖5)，可拓展藍曬的應用范圍，豐富藍曬的表現方式，充分展現藍曬成相的藝術魅力。

圖5 藍曬成品媒介

還可結合社會熱點進行藍曬主題展示，如動物展——保護動物、植物展——保護環境、民族風情展——感受風土人情、分子結構展——了解分子結構等，將圖像轉化為靈動的語言，讓藍曬成為具有文化內涵的科普實踐活動。

2.2.2 拓展實驗展示

據北京某地區一項調查發現，高中生對日曬的正確認知率僅為25%左右，初中生僅為10%左右[5]；加上疫情以來紫外線過量暴露事件屢見報道[6]?；谒{曬的光化學反應原理，本文將照片藍色的深度與反應中紫外線暴露量建立起關聯性[7]，可以幫助公眾直觀認識紫外線的危害及防護的重要性。

(1) 太陽光紫外線強度測試。

將晾干后的感光相紙放置在某城市夏季不同時間段的日光下曝光10 min，再經過漂洗，使用手機拾色器讀取三原色中的B值，發現在8:00–17:00范圍內，中午13:00–14:00曝光得到的藍色圖像顏色最深，B值最小，說明該時間段紫外線最強，傍晚16:00–17:00曝光得到的藍色圖像顏色最淺，B值最大，說明該時間段紫外線最弱(圖6)。

圖6 夏季晴天太陽光紫外線強度變化圖

(2) 防曬霜防曬性能測試。

對凡士林和7種不同品牌防曬霜進行防曬性能測試，結果表明每種防曬霜對紫外線均有削弱效果，但不同防曬霜抵抗紫外線的能力有一定差異。

實驗現象：如圖7(A)所示，凡士林遮擋后，無圖像顯現表明其對紫外線無阻隔作用；B至H為不同品牌防曬霜均有成相效果，表明有防紫外線功能。

圖7 防曬霜性能測試

3 結語

惟妙惟肖、姿態萬千的藍曬圖像，是化學與藝術的完美融合，本實驗具有較強科學性、趣味性和觀賞性。參與者通過親手制作藍曬照片，可以直觀感受化學變化的神奇過程；通過簡單易行的藍曬-紫外線拓展實驗，學習紫外線知識、防曬的原理及效果。本實驗安全可靠，操作簡便，耗時短，適用面廣，是一個值得推廣的化學科普項目。