綻放在紙上的美麗化學*

苗金玲，何 畏，崔 玉，顏 梅

(濟南大學化學化工學院，山東 濟南 250022)

隨著我國經濟社會的發展，化學工業得到了長足的發展。據統計，我國的化學工業貢獻占全國總GDP的20%以上，是我國的基礎工業，關系國家穩定，具有戰略意義[1]。但由于專業人員不足、技術不過關、從業者安全意識淡薄等原因，導致廢棄物違規排放、廠房爆炸、化學品泄漏、食品污染等事件時有發生，加上新聞媒體的報道和影視作品的宣傳，導致普通大眾談到化學和化學品，第一反應就是“危險”和“污染”。這導致立志報考化學化工相關專業的學生數量呈現下降趨勢[1]，其后果是加劇了化工專業從業人員的短缺。化學是把雙刃劍，有“壞”的一面，更有“好”的一面。如果沒有化肥，世界上將有一半的人面臨饑餓；如果沒有農藥，糧食將減產1/3[2]；如果沒有化學合成布料，世界上將有大批人無衣可穿；如果沒有合成藥物，很多疾病都無藥可醫。讓普通大眾認識化學的“好”，愿意選擇化學相關專業的學習，促進我國化工產業的良性發展，是亟待解決的問題。

化學反應的產物是五顏六色的，像極了繪畫顏料；化學反應過程，特別是伴隨顏色改變的反應過程就像在變魔術[3-5]。將化學反應與繪畫相結合，將創造出獨特的美術作品，并呈現魔術般的效果，無疑是有趣的、吸引人的。鑒于此，我們開發了系列紙上有色化學反應，利用繪畫的形式呈現。為了制造視覺沖擊，我們選擇產物與反應物顏色具有明顯差別的反應作為紙上反應，液體吸收能力強的濾紙作為呈現材料，中國特色毛筆作為繪畫工具。這些實驗材料易得、用料少，反應原理簡單、重復性好、易操作，會讓大眾在趣味作畫的同時，認識到化學的“美好”。

1 實驗部分

1.1 試劑和材料

試劑：酚酞(化學純)；甲基橙(化學純)；NiSO4·7H2O(分析純)；MgSO4(分析純)；KSCN(分析純)；(NH4)2Fe(SO4)2(分析純)；FeCl3(分析純)；鄰二氮菲(化學純)；Na2CO3(分析純)；HAc(36%,分析純)；丁二酮肟(分析純)；鉻黑T(分析純)；K4[Fe(CN)6]·3H2O(分析純)；K3[Fe(CN)6]。

材料：燒杯；濾紙；培養皿；表面皿；滴管；毛筆；調色盤。

1.2 畫紙制備液的配制

(1)酚酞溶液

稱取0.2 g酚酞溶于100 mL 95%乙醇中，得6 mmol·L-1無色酚酞溶液。

(2)甲基橙溶液,

稱取甲基橙0.1 g溶于100 mL 95%乙醇中，加入 0.1 g Na2CO3, 使溶液為堿性，得3 mmol·L-1黃色甲基橙溶液。

(3)NiSO4溶液

稱取7.0 g NiSO4·7H2O溶于10 mL蒸餾水中，得0.5 mol·L-1綠色硫酸鎳溶液。

(4)MgSO4溶液

稱取6.0 g硫酸鎂溶于50 mL蒸餾水，得1 mol·L-1無色硫酸鎂溶液。

(5)KSCN溶液

稱取0.5 g硫氰酸鉀溶于50 mL蒸餾水，得0.1 mol·L-1無色硫氰酸鉀液。

(6)(NH4)2Fe(SO4)2溶液

稱取12 g硫酸亞鐵銨(摩爾鹽)溶于60 mL蒸餾水，得0.5 mol·L-1無色硫酸亞鐵銨溶液。

(7)FeCl3溶液

稱取1.0 g氯化鐵溶于60 mL蒸餾水中，得0.1 mol·L-1橙黃色氯化鐵溶液，轉入試劑瓶備用。

(8)鄰二氮菲溶液

稱取0.1 g鄰二氮菲溶于50 mL的95%乙醇中，配成0.01 mol·L-1無色鄰二氮菲溶液，轉入試劑瓶備用。

1.3 繪畫顏料的配制

(1)飽和Na2CO3溶液

稱取4 g Na2CO3溶于50 mL蒸餾水中，得無色飽和Na2CO3溶液。

(2)HAc溶液

取36%的醋酸10 mL，加入10 mL蒸餾水，攪拌，得3 mol·L-1無色醋酸溶液。

(3)丁二酮肟溶液

稱取0.1 g丁二酮肟，溶于10 mL 95%乙醇中，配成0.09 mol·L-1丁二酮肟無色溶液。

(4)鉻黑T溶液

稱取0.1 g 鉻黑T，溶于三乙醇氨和無水乙醇的30 mL 混合溶液(1:5, V:V)中，配成7 mmol·L-1純藍色溶液，轉入試劑瓶備用。

(5)K4[Fe(CN)6]溶液

稱取0.8 g K4[Fe(CN)6]·3H2O，溶于20 mL蒸餾水中，得0.1 mol·L-1淺黃色K4[Fe(CN)6]溶液。

(6)K3[Fe(CN)6]溶液

稱取0.7 g K3[Fe(CN)6]，溶于20 mL蒸餾水中，得到0.1 mol·L-1橙色K3[Fe(CN)6]溶液。

1.4 實驗步驟

1.4.1 畫紙的制備過程

如圖1所示，將濾紙放入合適大小的玻璃培養皿中，倒入畫紙制備液，使液面沒過濾紙，浸泡2 min。將濾紙取出，放在表面皿上自然晾干，即制得畫紙，收集到自封袋中備用。大眾如果沒有燒杯、培養皿和表面皿這些專業器皿，可以用一次性塑料杯和塑料盤代替。

圖1 畫紙的制備過程

1.4.2 繪畫過程

將繪畫顏料滴入塑料調色盤中，用毛筆蘸取顏料在畫紙上繪制自己喜歡的畫作，根據不同的反應原理，畫作呈現不同的顏色改變。

2 實驗結果和展示

2.1 實驗結果和討論

為了呈現最佳畫作效果，我們通過多次嘗試，確定了實驗部分所呈現的畫紙的制備液與繪畫顏料的最佳濃度，并在一些細節問題上都進行了優化設計，如酚酞畫紙的繪畫顏料，需要堿性溶液，在眾多的堿性物質中，我們選擇了腐蝕性較小又易得的碳酸鈉；甲基橙畫紙的繪畫顏料，需要酸性溶液，為安全和節約成本考慮，我們選擇了醋酸。

表1 畫紙上的相關反應原料和反應

通過實驗，我們共制作了八種畫紙，除了甲基橙畫紙的顏色為橙色外，其它畫紙的顏色都很淺，甚至是純白色。繪畫顏料也有對應的八種，包括單獨配制的六種顏料、制備畫紙用的FeCl3溶液和鄰二氮菲溶液。繪畫的過程中，顏料和畫紙中的物質發生反應，呈現出反應產物的顏色。我們選擇的反應，產物的顏色和畫紙及顏料的顏色具有明顯差別，可造成較強視覺沖擊。

表1列出畫紙上反應原料和相關反應，以及各物質的顏色。酚酞是酸堿滴定中常用的指示劑，它在酸性溶液中呈現無色，但在堿性溶液中呈現艷麗的紫紅色，酚酞畫紙上的反應就是利用了酚酞在堿性條件下的變色反應。甲基橙是酸堿滴定中另一種常用指示劑，與酚酞不同，它在酸性條件下為紅色，但堿性條件下為黃色。為呈現畫紙的黃色效果，我們在甲基橙制備液中加入了少量碳酸鈉。因此，用醋酸繪畫時可呈現較明顯的顏色改變。硫酸鎳畫紙的顏色改變利用的是硫酸鎳與丁二酮肟反應生成紅色的二丁二酮肟合鎳(II)配合物。硫酸鎂畫紙的創作靈感來源于配位滴定。鉻黑T是常用的配位滴定劑，與鎂離子發生配位反應生成酒紅色的配合物。鉻黑T是較深的藍色，用它制作畫紙，顏色較暗，不利于顏色的觀察，因此我們用硫酸鎂制作了無色的畫紙，用鉻黑T做顏料，呈現紅色效果。硫氰酸鉀畫紙利用的是Fe(III)離子與硫氰酸根的配位反應，配合物為血紅色，呈現在紙上是紅棕色。摩爾鹽畫紙的繪畫顏料有兩種，一種是K3[Fe(CN)6]，俗稱赤血鹽，摩爾鹽中的Fe(II)替換赤血鹽中的K+鉀離子生成藍色的Fe3[Fe(CN)6]2，因此畫作呈現藍色；另一種顏料是鄰二氮菲，鄰二氮菲常用于比色法測微量鐵，我們的靈感也來源于此，利用的是鄰二氮菲與Fe(II)離子生成橙色配合物的反應。氯化鐵畫紙的繪畫顏料也有兩種，一種是K4[Fe(CN)6]，俗稱黃血鹽，K+離子被畫紙中 Fe(III)替換后，生成普魯士藍Fe4[Fe(CN)6]3，呈現純藍色；另一種顏料是硫氰酸鉀，反應與硫氰酸鉀畫紙上的反應相同。鄰二氮菲畫紙上的顏色呈現的是三鄰二氮菲合鐵(II)配合物的橙紅色。

圖2 單色作品

利用我們創作的畫紙和配制的顏料，可以創作如圖2所示的單色畫，對于有兩種繪畫顏料的畫紙，也可以創作較為復雜的雙色畫，如圖3所示。畫作可以根據自己的喜好創作，不需要具備美術功底。當然如果有美術功底，魔術般的效果會呈現的更加完美。

圖3 雙色作品

2.2 科普展示及效果

本實驗內容適合向非化學專業人群，特別是中小學生，甚至是幼兒園小朋友展示。我們嘗試通過現場和網絡兩種方式向大眾展示了我們的實驗。我們攜酚酞畫紙走進了校附屬幼兒園和中小學，活動過程中，首先進行科普知識講解和實驗演示，然后開展“比比誰的畫作更美、更有創意”的活動，邀請學生現場體驗繪畫，并以小份繪畫材料作為贈品，讓學習帶回家，目的是讓其展示給更多的人。現場學生響應積極，提出各種感興趣的問題，畫作各有特色。活動后問卷結果顯示90%以上的學生認為實驗很有趣，希望有更多的類似活動走進校園，有95%的中學生希望參觀大學實驗室，對化學有更多認識。另外，現在是網絡時代，人們習慣了通過網絡獲取信息，因此我們也將實驗過程制成視頻，通過視頻平臺發布，希望更多人關注化學的美好。

3 結 語

通過繪畫的形式向人們展示絢麗多彩的魔術般的化學反應，人們在欣賞和體驗繪畫創作的同時，對化學有了新的認識，體會到化學的“好”的一面。我們努力向公眾展示化學的有趣和“美好”，以促進公眾扭轉對化學和化工產業的不良印象，進而愿意關注化學化工，選擇報考化學相關專業，從而滿足化工產業對專業人才的需求，使化工產業進入良性發展。