尚昊

摘要： 借助藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)，室溫下利用藍(lán)牙音箱，探究聲音（波形為正弦波）對(duì)化學(xué)反應(yīng)液圖案的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，因聲音產(chǎn)生的波腹處氧氣溶解多于波節(jié)處，導(dǎo)致氧化還原反應(yīng)的程度不同，進(jìn)而在溶液表面出現(xiàn)有序的波紋。聲音的介入，改變了原實(shí)驗(yàn)條件以及反應(yīng)液的圖案，有助于學(xué)生增強(qiáng)外界條件可能影響化學(xué)反應(yīng)的意識(shí)和激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

關(guān)鍵詞： 藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)； 氧化還原反應(yīng)； 聲音； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）11-0075-03

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。在化學(xué)反應(yīng)條件控制的學(xué)習(xí)中，藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)因使用的化學(xué)物質(zhì)相對(duì)安全，現(xiàn)象明顯、有趣，并且易于實(shí)施，在中學(xué)學(xué)習(xí)中受到廣泛應(yīng)用。如果無(wú)色亞甲基藍(lán)（亞甲基白）被氧氣氧化的程度大于亞甲基藍(lán)被葡萄糖還原的程度，溶液呈現(xiàn)藍(lán)色，反之，則呈現(xiàn)無(wú)色。由于溶液中化學(xué)反應(yīng)物的無(wú)序擴(kuò)散行為，導(dǎo)致藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的藍(lán)色圖案是隨機(jī)的。而聲音可以使溶液產(chǎn)生有序振動(dòng)，改變?nèi)芤罕砻媾c氧氣的接觸情況，進(jìn)而控制此反應(yīng)在溶液表面不同位置的氧化還原程度，最終出現(xiàn)有序圖案。這里通過(guò)介紹一種聲音控制化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生圖案的實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)以及改變條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1中A圖展示的是無(wú)聲音影響的藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)顏色變化（圖案的產(chǎn)生是隨機(jī)的），B圖展示的是有聲音影響的藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)顏色變化（圖案的產(chǎn)生是有序的，該培養(yǎng)皿下方為音箱）。

聲音是可以通過(guò)介質(zhì)傳播的波。可聽(tīng)見(jiàn)的聲音（頻率通常在20～2000Hz）能量較低，通常難以直接引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。然而，聲音可以影響液體表面的振動(dòng)和液體內(nèi)部的流動(dòng)，類(lèi)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(dāng)?shù)皖l垂直振動(dòng)作用于碟子中的液體時(shí)，波就會(huì)發(fā)生在空氣和液體的界面。當(dāng)?shù)臃旁诳梢援a(chǎn)生聲音的揚(yáng)聲器上時(shí)便可以產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象。聲音產(chǎn)生的液體表面波導(dǎo)致在波腹和波節(jié)處氣體的溶解程度不同。相比于波節(jié)，波腹處溶液會(huì)更加頻繁與空氣中的氧氣接觸［3］，如圖2所示?；诖?，氧化還原反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的區(qū)域控制。對(duì)于藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)，波腹位置相比于波節(jié)位置就更容易被氧氣氧化，更容易呈現(xiàn)藍(lán)色，而波節(jié)位置顏色相對(duì)更容易褪去。通過(guò)有色圖案的形成，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了良好的可視化效果，對(duì)學(xué)生氧化還原反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)條件控制的學(xué)習(xí)有一定的幫助。日常學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的改變局限于溫度、壓強(qiáng)和催化劑等的改變，通過(guò)探究聲音對(duì)藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)的影響，可以有效拓展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生多向思考的能力。藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)從1960年至今經(jīng)過(guò)多年改進(jìn)［4～9］，已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)簡(jiǎn)易且有趣的實(shí)驗(yàn)，下述實(shí)驗(yàn)采用典型方法進(jìn)行，二甲基亞砜是選用溶劑，能加強(qiáng)各化合物的溶解能力，不使用該溶劑對(duì)實(shí)驗(yàn)效果不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。實(shí)驗(yàn)使用常見(jiàn)的智能手機(jī)、免費(fèi)的音頻調(diào)節(jié)軟件和藍(lán)牙音箱，令實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

無(wú)色透明塑料瓶、培養(yǎng)皿、智能手機(jī)、藍(lán)牙音箱、白色亞克力板

純水、亞甲基藍(lán)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)象

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

2.5mL DMSO、1mL氫氧化鈉溶液注入1個(gè)透明的塑料瓶。

（2） 輕輕搖動(dòng)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(yǎng)皿中，輕輕搖動(dòng)。

（4） 蓋上培養(yǎng)皿蓋，靜置。

2.2.2 聲音干擾的藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)象

（1） 將藍(lán)牙音箱、白色亞克力板、培養(yǎng)皿（直徑10cm），由下至上放置，

打開(kāi)音箱。

（2） 通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙連接音箱，打開(kāi)智能手機(jī)上預(yù)先下載的免費(fèi)音頻軟件，設(shè)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(lán)溶液、5.5mL葡萄糖溶液、

2.5mL DMSO、1mL氫氧化鈉溶液注入1個(gè)透明的塑料瓶。

（4） 輕輕搖動(dòng)塑料瓶，靜置10分鐘。

（5） 用移液管取瓶中下部溶液15mL于培養(yǎng)皿中，輕輕搖動(dòng)。

（6） 蓋上培養(yǎng)皿蓋，將培養(yǎng)皿放在音箱上方的亞克力板上。

3 結(jié)果與討論

圖3是在音頻60Hz、系統(tǒng)音量60分貝條件下，混合溶液置于培養(yǎng)皿3分鐘后呈現(xiàn)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(yǎng)皿下進(jìn)行顏色對(duì)比。由圖2可知，因聲音產(chǎn)生的液體表面垂直振動(dòng)，導(dǎo)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(zhǎng)時(shí)間保持藍(lán)色。而波節(jié)位置溶液處于相對(duì)平靜的狀態(tài)，氧氣較少地溶解在波節(jié)位置，導(dǎo)致波節(jié)位置出現(xiàn)先褪色的情況。波節(jié)處褪色說(shuō)明波節(jié)位置亞甲基藍(lán)被葡萄糖還原的程度，大于無(wú)色亞甲基藍(lán)被氧氣氧化的程度（如圖3所示）。此實(shí)驗(yàn)可視化地說(shuō)明了氧氣濃度的不同對(duì)于化學(xué)反應(yīng)結(jié)果的影響。而溶液中波紋圖案的產(chǎn)生，不僅和溶液的垂直振動(dòng)有關(guān)，還和溶液內(nèi)部的液體流動(dòng)有關(guān)，可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中流體力學(xué)的思考，如圖4所示。

在思考波紋圖案產(chǎn)生的原因時(shí)，學(xué)生可以了解其中氧化還原反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程，進(jìn)而可以引導(dǎo)學(xué)生思索波紋產(chǎn)生的合適條件。如果降低聲音頻率，波節(jié)和波節(jié)之間的距離會(huì)增大；提高聲音頻率，波節(jié)和波節(jié)之間的距離會(huì)減??；如果距離過(guò)小，區(qū)分度降低，則不利于觀察波紋的形成。此外，音量大小也會(huì)影響波紋的形成，音量過(guò)大會(huì)破壞波紋圖案，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)需用潔凈的培養(yǎng)皿，否則可能會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生的波紋圖案產(chǎn)生影響。

由于使用的設(shè)備或環(huán)境會(huì)有差異，調(diào)試合適的音頻和音量成為形成波紋狀圖案的關(guān)鍵，因此可以通過(guò)側(cè)面觀察是否形成相對(duì)均勻的水波來(lái)確定需要的音頻和音量，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

教師可以設(shè)置一些問(wèn)題來(lái)測(cè)試或評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)

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

通過(guò)為高中學(xué)生創(chuàng)建的這一在聲音影響下的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，使學(xué)生從一個(gè)全新的角度來(lái)認(rèn)識(shí)藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)，有助于更好地理解氧化還原反應(yīng)，以及條件的改變對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。因聲音產(chǎn)生的溶液表面垂直振動(dòng)導(dǎo)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(jié)位置氧氣溶解較少，進(jìn)而出現(xiàn)有序的藍(lán)色波紋。引導(dǎo)學(xué)生思考這一全新現(xiàn)象背后的原因，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，奇妙實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示也能提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

參考文獻(xiàn)：

［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(xué)民. “藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)及其擴(kuò)展［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2001， （5）： 47～48.

［8］ 張守林， 馬宏佳. 圍繞“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的探究活動(dòng)設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2003， （4）： 24～25.

［9］ 熊言林， 王闖. 藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)最佳反應(yīng)條件的探究［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2010， （10）： 16～18.