以溶液畫實驗為例探討化學科普

＊羅宏斌吳文源

（南京工業大學化學與分子工程學院 江蘇 211816）

1.引言

化學是一門基礎自然學科，專注于研究物質的性質、組成、結構、變化及物質間的相互作用。化學與生活息息相關，它們如同不可分割的雙胞胎，使我們的生活充滿了奇跡和便利[1]。但是，在當今社會中，人們在談及化學時常常產生一種與危險和有害相關的負面聯想，表現出對化學的排斥心態。這種心態部分源自于對某些化學物質的毒性和危險性的擔憂，以及對化學反應可能引發的意外和損害的憂慮。然而，我們需要認識到，化學本身并不是問題的根源。化學是一門基礎科學，它的目標是研究和理解物質世界的運作機制。化學所研究的化學物質本身并不一定有害，而是在特定條件下可能表現出不同的性質和行為。

為了克服人們對化學的排斥心態，科學教育和科學傳播起著重要的作用。通過教育，我們可以提高公眾對化學科學的理解，增加對科學研究的認同感，并促進化學的正確應用和合理管理。同時，科學傳播可以向公眾傳遞關于化學的正面信息和應用案例，幫助人們更全面地認識化學的積極面和對人類社會發展的重要作用[2-4]。總之，盡管人們在談及化學時可能存在一些負面心態，但化學本身是一門重要的基礎科學。通過科學知識和安全措施的應用，我們可以合理管理和控制化學物質及化學反應的潛在危險性，并將化學帶來的益處最大化。加強科學教育和科學傳播是消除對化學排斥心態的關鍵，幫助公眾更好地理解化學的重要性和積極意義。

2.化學之美

化學是一門富有美感的科學。化學物質的晶體幾何圖形令人驚嘆，當許多化合物結晶時，它們形成了美麗而有序的晶體結構，呈現出精確的幾何形狀和對稱性。例如，鉆石的結晶以其六面體的形狀和閃耀的光學特性而聞名，它們以精確而對稱的方式排列，散發出耀眼的光芒。在化學反應中，物質之間發生相互作用和轉化，產生了引人入勝的動態過程。例如，燃燒反應中的火焰舞動、色彩變化及火焰的形狀都呈現出一種迷人的流動美。此外，化學物質的色彩美也是化學中引人注目的方面。許多化合物和物質因其分子結構的不同而呈現出多樣的色彩。例如，酸性溶液中的酚酞指示劑可以在酸堿中呈現出引人注目的顏色變化，從無色到粉紅色的轉變令人著迷。還有許多有機染料和熒光劑，它們通過吸收和發射特定波長的光線，展現出鮮艷的顏色，如草莓紅、孔雀藍和葡萄紫等。通過欣賞晶體結構的幾何美、化學反應的動態美和化學物質的豐富色彩，我們能夠深入感受到化學世界的多樣性和獨特性，領略到化學所帶來的美與魅力[5-10]。

在本文中，我們采用了一種創新的方法，利用亞鐵氰化鉀與Fe3+、Cu2+、Ni2+離子反應制備獲得具有強著色力的絡合物顯色顏料，選擇亞鐵氰化鉀溶液作為畫布，在溶液中構建溶液畫的方式，模擬出迷人的星云圖案。通過將化學反應與繪畫藝術相結合，以一種富有創意的方式向公眾展示了化學之美。這種互動的科普形式能夠減少人們對化學的偏見，讓更多人對化學產生興趣，并認識到化學是一門美麗而有趣的學科。

3.實驗設計原理

亞鐵氰化鉀（K4[Fe(CN)6]）與過渡金屬離子反應生成不同顏色的難溶絡合物。本實驗中使用三價鐵離子（Fe3+）、銅離子（Cu2+）、鎳離子（Ni2+）與亞鐵氰化鉀在水溶液中反應，產生多種有色絡合物，并以其作為顯色顏料，在亞鐵氰化鉀水溶液中構筑彩色畫。

4.科普實驗展示

(1)試劑與儀器準備

亞鐵氰化鉀（K4[Fe(CN)6]）、六水合硫酸鎳銨（Ni(NH4)2(SO4)2·6H2O）、五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）均為分析純試劑，購買于麥克林試劑制造有限公司。生銹鐵釘、潔廁靈（超威）、分析電子天平、量筒、滴管、燒杯（100ml 3個，600ml 1個）、玻璃棒、亞克力方盤（27cm×21cm×5cm）。本實驗所涉及的試劑均為非危險品，無需特殊防護。

(2)準備溶液配制

分別稱取約1g六水合硫酸鎳銨、五水硫酸銅，然后加入80ml蒸餾水，充分攪拌至完全溶解，配制得到硫酸鎳銨溶液和硫酸銅溶液。潔廁靈的主要成分為鹽酸，將生銹鐵釘置于燒杯中，然后加入80ml潔廁靈，充分攪拌至鐵釘表面呈現銀色，制備得到氯化鐵溶液。稱取約1.5g亞鐵氰化鉀于600ml燒杯中，加入400ml蒸餾水，充分攪拌溶解備用。

(3)顯色絡合物顏料制備

將硫酸鎳銨溶液、硫酸銅溶液或氯化鐵溶液滴加到亞鐵氰化鉀溶液中，可制備得到三種顏色不同的難溶絡合物（圖1），分別為藍色Fe4[Fe(CN)6]3、淡綠色Ni2[Fe(CN)6]、紅褐色Cu2[Fe(CN)6]。這三種絡合物具有明顯的顯色效果，將其作為顯色顏料，用來繪制彩色圖案或文字（圖2）。

(4)溶液畫展示

將配置好的亞鐵氰化鉀溶液倒入亞克力方盤內，再往其中按照需要滴加不同量的硫酸鎳銨溶液、硫酸銅溶液、氯化鐵溶液，并通過震蕩或定向引導使得沉淀擴散，可以繪制出不同的畫面。首先滴加氯化鐵溶液到亞鐵氰化鉀溶液中，生成藍色Fe4[Fe(CN)6]3絡合物，使得溶液變藍；然后，分別在不同位置滴加少量的硫酸鎳銨溶液、硫酸銅溶液，可以繪畫出類似星辰大海的畫面（圖3）。另外，通過改變三種溶液的滴加量，使其生成大量的紅褐色Cu2[Fe(CN)6]，以及少量的藍色Fe4[Fe(CN)6]3和淡綠色Ni2[Fe(CN)6]，得到的三種顯色絡合物混合在一起，在溶液中形成了類似于宇宙星云的畫面（圖4）。

圖4 宇宙星云溶液畫

圖5 不同人群及其對應科普方案

5.科普活動方案

本科普實驗將化學反應與繪畫藝術結合，使用無毒無害的亞鐵氰化鉀與Fe3+、Cu2+、Ni2+鹽溶液反應制備得到Fe4[Fe(CN)6]3、Ni2[Fe(CN)6]、Cu2[Fe(CN)6]三種顯色顏料，以亞鐵氰化鉀溶液作為畫布，在溶液中繪制出類似于星云的溶液畫。

本實驗展示內容極具觀賞性，且實驗操作安全性高、互動性強，可以針對不同人群開展科普活動，展現化學之美，減少人們對化學的偏見。

科普活動需要因材施教，因此我們面向不同人群采取個性化的科普方案，以更好地傳播化學知識和激發興趣。具體而言，我們將針對以下四個群體提供相應的科普方案：

（1）小學生群體：致力于讓小學生們在有趣的環境中體驗化學之美。為此，將采取科普化學染料知識的方式，并通過展示實驗視頻，以生動有趣的形式展現化學反應和顏色變化。例如，可以在實驗中展示各種顏色斑斕的染料與水的交互作用，引發小學生們對顏色和化學實驗的好奇心，讓他們在快樂的氛圍中學習科學。

（2）中學生群體：將著重培養中學生的化學興趣和實驗能力。為此，建議學校適當組織開展溶液畫科普實驗。在實驗中，中學生們將親自動手進行實驗，通過參與化學反應的過程，可以更深刻地理解化學原理和實驗方法。例如，讓中學生們自己調配溶液、觀察反應，并觀察到顏色變化或產生沉淀，從而在實踐中感受到化學的神奇。

（3）大學生群體：將為大學生提供更加深入的科普內容，使他們在動手操作的同時，擴展對化學知識的理解。在開展溶液畫實驗的同時，將結合課本知識，開展有關絡合物的系列講座。這樣的講座將深入探討絡合物的結構、性質和應用，讓大學生們從實驗和理論兩個方面全面掌握化學的知識。例如，在實驗操作中，引導大學生探索不同金屬離子與配體的絡合反應，并在講座中解釋其背后的化學原理。

（4）社會公眾：將通過溶液畫科普實驗成果的活動展示，向社會公眾推廣化學藝術，并且借此機會開展科學辟謠工作。例如，可以在公共場所舉辦藝術展覽，展示由科普實驗創作的藝術品，吸引大眾的關注。在展覽的同時，還可以利用活動宣講，解答公眾對化學問題的疑惑，糾正一些常見的科學誤解，提高公眾對科學的認知水平。更好地將化學知識傳遞給不同的受眾群體，激發他們對化學的興趣，并促進化學知識的普及和傳播。

6.結論與展望

本溶液畫科普實驗巧妙地將化學反應與繪畫藝術結合起來。通過化學反應制備得到絡合物顯色顏料，成功構筑出一系列類似星云的畫面在溶液畫布上，給人帶來極大的視覺沖擊，充分展示了化學之美。這種創新的實驗不僅吸引了廣大公眾的注意，還向他們生動地呈現了化學的奇妙魅力。除此之外，借鑒本溶液畫科普實驗的成功經驗，可以設計更多科普類化學實驗，以展示化學的各種美妙魅力。比如，通過展示化學物質晶體的幾何美，讓人們感受到晶體的規則排列和迷人的結構之美。再或者展示化學反應的流動美，將化學變化呈現成流動的藝術，讓觀眾親眼見證反應過程中的美輪美奐。這些有趣而有教育意義的科普化學實驗將吸引更多的人對化學產生興趣。透過實驗，他們將更深入地了解化學的原理和應用，逐漸建立對化學的信心與興趣，從而減少對化學的偏見。通過這樣的教育和宣傳，可以為化學學科樹立更加正面和深刻的形象，激發更多年輕人走進化學領域，為科學事業的發展貢獻自己的力量。