冬奧主題創(chuàng)新科普實驗

荊琪，張芯瑤，高青原，王文云，馮清，劉敏,＊，袁紅玲,＊

1華中科技大學生命科學與技術學院，武漢 430074

2華中科技大學化學與化工學院，武漢 430074

1 引言

科學普及是實現(xiàn)我國未來創(chuàng)新發(fā)展的兩翼之一，與科技創(chuàng)新具有同等重要的位置[1]?；瘜W作為一門基礎學科，與人類日常生活有著密切的聯(lián)系，其中化學科普實驗更是有著科學有趣、貼近生活的特點，它對于青少年的科學啟蒙、科學普及和科學素養(yǎng)培養(yǎng)有著重要的意義和作用。2022年2月北京與奧林匹克再次相約，向世界呈現(xiàn)了一場精彩絕倫、安全綠色的冰雪盛會。其中一項項新技術、新產(chǎn)品在賽場內外大放異彩，處處彰顯出科技的力量，也點燃了人們對冰雪世界的熱情和向往。為了更有效地促進化學知識的傳播普及，我們以冬奧為契機，創(chuàng)新性地將冬奧場景元素與化學實驗進行了有機融合，構建了一系列以冬奧為主題的趣味科普實驗，期望在潛移默化中實現(xiàn)冬奧精神與科學知識的傳播。

我們以醫(yī)學基礎化學實驗[2]教材為基礎，選取其中部分實驗項目進行了設計改造，具體內容包括：(1) 模擬人造雪場；(2) 果蔬中天然色素以及合成配位化合物模擬制作奧運五環(huán)；(3) 人造錫樹大雪花；(4) 雙色熒光奧運火炬模擬制造，再現(xiàn)奧運開幕式場景。本系列科普實驗具有趣味性、科學性和易操作性等特點。一方面，針對不同知識層次對象的心理特征，采用梯度化、模塊化的設計，以期最大化實現(xiàn)科普價值。另一方面，通過主題性的系列實驗設計，從無機化學、有機化學、高分子材料、分析化學及精細化工等不同角度，向公眾呈現(xiàn)化學之美、化學之趣，從而有效地促進公眾科學素養(yǎng)的提升。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

2.1.1 人造雪場

聚丙烯酸鈉是一種白色的新型功能高分子材料，分子鏈中含有大量的強親水基團(-COONa，見圖1)，具有很強的吸濕性。聚丙烯酸鈉遇水后[3]，可移動的鈉離子與水相互作用，離開了高分子離子鏈，僅剩下帶負電荷的羧酸根離子。在同性電荷間的相互排斥力作用下，原聚合物結構由相互纏繞狀態(tài)逐漸伸展(或溶脹)開來，從而在網(wǎng)絡結構內外產(chǎn)生滲透壓，使水分子以滲透方式向網(wǎng)絡結構不斷擴散，聚合物的體積也隨之快速膨脹，外表變得晶瑩剔透、松軟似雪。

圖1 聚丙烯酸鈉三維結構模型

2.1.2 奧運五環(huán)制作

繽紛的色彩總能給人們的生活帶來賞心悅目的觀感，這些美麗的顏色大多來自天然色素、染料、顏料和合成的配位化合物等化學物質，其背后蘊含著深刻的化學原理，非常適合用作向公眾進行化學科普的載體[4]。我們通過天然色素制取和配位化合物合成兩種途徑，來分別獲得紅、黃、綠、藍和黑色五種顏色溶液，然后以聚丙烯酸鈉為載體復刻奧運五環(huán)。

2.1.2.1 奧運五環(huán)之親子樂園——天然色素

天然色素的種類眾多(圖2)，在大自然中來源廣泛。番茄紅素是成熟番茄中存在的一種類胡蘿卜素，也是一種紅色素。屬于直鏈型不飽和碳氫化合物，具有很強的抗氧化功能。β-胡蘿卜素是具有長鏈結構的共軛多烯，同時也是一種橘黃色脂溶性化合物，具有維生素A的生理活性，其結構是兩分子維生素A在鏈端失去兩分子水結合而成。葉綠素是菠菜中含量最為豐富的天然色素，是一種脂溶性色素，其分子結構由卟啉環(huán)與鎂原子配位形成。葉綠素有葉綠素a和葉綠素b兩種結構形式，都是植物進行光合作用所必需的催化劑，其差別僅是a中一個甲基被b中的甲?；〈?。紫甘藍中含有花青素，花青素是自然界廣泛存在于植物中的一類水溶性天然色素，屬類黃酮化合物?；ㄇ嗨卮嬖谟谥参锛毎囊号葜?，可由葉綠素轉化而來。花青素在不同pH下的水溶液中會發(fā)生結構轉化，因而呈現(xiàn)不同的顏色，其中在弱堿性(pH約為8.3)條件下為藍色[5]。

圖2 天然色素結構

2.1.2.2 奧運五環(huán)之化學調色盤——配位化合物

過渡金屬離子形成的配位化合物常呈現(xiàn)出一定的顏色，這是因為大多數(shù)過渡金屬離子具有未充滿的d軌道，他們在配體負電場作用下發(fā)生能級分裂，處于低能級的d電子選擇性吸收與分裂能相當?shù)哪骋徊ㄩL光子后，從低能級d軌道遷到高能級d軌道，從而使配位化合物呈現(xiàn)被吸收光的互補色[6]。本實驗采用配位化合物[2]的反應方程式及結構式見圖3。

圖3 配位化合物的合成(a)和單寧酸鐵結構式(b)

2.1.3 人造錫樹大雪花[2]

實驗應用了氧化還原反應原理，具體反應為：Zn + SnCl2= ZnCl2+ Sn。從電極電位的數(shù)值來看，氧化還原反應的反應條件是氧化劑電對的電位大于還原劑電對的電位。由于φ?(Zn2+/Zn) = -0.763 V，φ?(Sn2+/Sn) = -0.136 V，E?=φ?(Sn2+/Sn) -φ?(Zn2+/Zn) = 0.627 V，一般認為，當n= 2，E?＞ 0.2 V時，氧化還原反應平衡常數(shù)已相當大，反應可以進行比較完全[6]。因此，鋅可置換錫鹽中的錫，并“生長”在鋅片上，形成光亮的“錫樹大雪花”。

2.1.4 雙色熒光火炬[7,8]制作

化學發(fā)光是指某些化學反應中發(fā)出可見光的現(xiàn)象。其發(fā)光機理是：反應體系中的某些物質分子，如反應物、中間體或者熒光物質吸收了反應釋放的能量而由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后再從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，同時將能量以光輻射的形式釋放出來，產(chǎn)生化學發(fā)光。在少量魯米諾堿溶液中，加入適量鄰苯三酚、甲醛和過氧化氫，在暗室環(huán)境中將觀察到紅色發(fā)光?？赡艿姆磻獧C理[9]為：鄰苯三酚(pyrogallol，P)被過氧化氫氧化得到鄰苯三酚氧化產(chǎn)物(PD)和單線態(tài)氧，單線態(tài)氧相互碰撞轉為激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)氧再與鄰苯三酚氧化產(chǎn)物發(fā)生能量交換，得到三線態(tài)氧和激發(fā)態(tài)氧化產(chǎn)物，激發(fā)態(tài)氧化產(chǎn)物在從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的轉變中，釋放的能量產(chǎn)生紅光。具體反應如下：

反應液放置一段時間后，溶液發(fā)出的紅光轉變?yōu)轸斆字Z標志性的藍光。其反應機理[10]為魯米諾在堿溶液中形成雙陰離子，該雙陰離子被過氧化氫分解的氧氣氧化，生成有機過氧化物。過氧化物不穩(wěn)定，立即分解放氮形成3-氨基鄰苯二甲酸根的激發(fā)態(tài)，3-氨基鄰苯二甲酸根從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的轉變中發(fā)出藍光。甲醛作為增敏劑加速了化學反應中電子的轉移，整個反應過程放熱，并伴隨氧氣和氮氣的生成。具體反應如下：

2.2 材料、試劑、儀器及表征方法

2.2.1 材料

西紅柿、桔子、菠菜、紫甘藍、藍莓粉、茶葉和食用小蘇打均購于農(nóng)貿(mào)市場，實驗前用去離子水將果蔬多次洗滌后備用。

2.2.2 試劑和藥品

聚丙烯酸鈉、氯化鐵、硫氰化鉀、亞鐵氰化鉀、硫酸亞鐵、鹽酸羥胺、鄰二氮菲、草酸鉀、硝酸鐵、綠礬、鋅片、氯化亞錫、碳酸鉀、氫氧化鈉、鄰苯三酚和甲醛溶液均為分析純(均購買于國藥集團化學試劑有限公司)，98%魯米諾為生化試劑(購買于上海麥克林生化科技有限公司)，實驗用水為去離子水。其中部分試劑和藥品具有一定刺激性、有害性，因此實驗過程中應做好防護，避免直接接觸，同時注意試劑和藥品的及時回收和妥善保存。

2.2.3 儀器

723N型號分光光度計(上海佑科儀器儀表有限公司)、TP-220A型號電子天平(湘儀天平儀器設備有限公司)、JYZ-V15型號榨汁機(九陽股份有限公司)。

2.2.4 表征方法

采用分光光度計對制備的配位化合物進行吸收光譜測定，此分光光度計以鎢燈為光源，測試波長范圍為400-760 nm，狹縫寬度為2 nm。

2.3 實驗步驟

2.3.1 人造雪場

取適量聚丙烯酸鈉置于小燒杯中，向其中加入清水，聚丙烯酸鈉迅速膨脹，得到人造雪，用藥匙將其均勻撒入白色瓷盤，形成人造雪場，見圖4。

圖4 人造雪場制作過程

2.3.2 奧運五環(huán)制作

2.3.2.1 奧運五環(huán)之親子樂園

各稱取150 g番茄、橘子、菠菜和紫甘藍，放入榨汁機中榨汁，得到紅、黃、綠和紫色溶液，取少許藍莓粉，加水，攪拌均勻，得到黑紫色溶液；用藥匙將適量聚丙烯酸鈉置于自制的環(huán)形容器中(在家中可用塑料水瓶底或紙板等常見材料制作環(huán)形容器)，分別倒入不同顏色的果蔬汁，聚丙烯酸鈉吸水膨脹，其中紫甘藍汁中加入食用小蘇打溶液(pH約為8.3)后變?yōu)樗{色，得到彩色五環(huán)，并將彩色五環(huán)置于人造雪場中，見圖5。

圖5 果蔬奧運五環(huán)制作流程圖

2.3.2.2 奧運五環(huán)之化學調色盤

按下述方法制備不同顏色的5種配位化合物：

(1) 量取5 mL 0.1 mol·L-1FeCl3溶液于25 mL比色管中，加入15 mL 0.1 mol·L-1KSCN溶液，混合均勻，得到血紅色溶液。

(2) 量取10 mL 0.1 mol·L-1FeCl3溶液于25 mL比色管中，加入8 mL 0.1 mol·L-1K4[Fe(CN)6]溶液，混合均勻，出現(xiàn)藍色沉淀。

(3) 量取1 mL 0.1 mol·L-1新鮮配制的FeSO4溶液于25 mL比色管中，依次加入1 mL 10%鹽酸羥胺溶液，10 mL 0.15%鄰二氮菲溶液，混合均勻，得到橙黃色溶液。

(4) 量取5 mL 1 mol·L-1K2C2O4溶液于25 mL比色管中，加入15 mL 0.5 mol·L-1Fe(NO3)3溶液，混合均勻，得到綠色溶液。

(5) 稱取約8 g茶葉，置于小燒杯中，加入約20 mL沸水，浸泡15 min后，加入2.5 g綠礬固體，攪拌均勻，出現(xiàn)黑紫色沉淀。

將適量聚丙烯酸鈉置于自制的環(huán)形容器中，分別加入不同顏色的上述混合溶液，聚丙烯酸鈉吸水膨脹，形成彩色五環(huán)，并將彩色五環(huán)置于人造雪場中，見圖6。

圖6 奧運五環(huán)之化學調色盤制作流程圖

2.3.2.3 吸收曲線制作

將上述2.3.2.2中，(1)、(3)和(4)配位化合物溶液稀釋至合適濃度，含有沉淀的(2)和(5)配位化合物進行離心分離，取上清液備用。在分光光度計上，用1 cm比色皿，以空白溶液為參比，在400-760 nm波長范圍內，繪制吸收曲線(圖7)。結果表明，生成的配位化合物鐵氰化鉀、普魯士藍、鄰二氮菲亞鐵和草酸鐵鉀的最大吸收峰[11-13]分別為451、729、511和682 nm，分別呈現(xiàn)它們的互補色：紅色、藍色、橙黃色和綠色，單寧酸鐵最大吸收波長為591 nm，且整個可見光區(qū)具有較寬的吸收，因此呈現(xiàn)黑紫色。

圖7 奧運五環(huán)配位化合物的吸收曲線

2.3.3 人造錫樹大雪花

在培養(yǎng)皿中，放入剪成雪花形狀的鋅片，滴加0.5 mol·L-1SnCl2溶液約20 mL，30 min后可觀察到閃光的雪花，見圖8。

圖8 人造錫樹大雪花制作過程

2.3.4 雙色熒光火炬制作

用電子天平依次稱取2.50 g碳酸鉀，0.08 g氫氧化鈉，0.10 g鄰苯三酚固體，置于小燒杯中，然后加入少量魯米諾固體，混合均勻；再加入約4 mL水，使固體混合物溶解，并形成暗紅色溶液；繼續(xù)向小燒杯中加入約1 mL 37%的甲醛溶液，置于自制暗室中，加入約4 mL 30%過氧化氫溶液，觀察雙色熒光，并伴隨有大量氣泡冒出。用燒杯、漏斗和鐵絲組成火炬的形狀，完成雙色熒光火炬的制作(圖9)。

圖9 雙色熒光火炬制作過程

3 科普展示和互動方案

本科普實驗遵循層次遞進的原則，具有模塊化、多樣化的特點，可滿足從幼兒園到中小學、到本科生及社會大眾等不同化學知識儲備人群的科普需求。另外，通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)資源，可進一步實現(xiàn)線上線下融合式的全民共享學習。具體方案如下：

(1) 面向幼兒園和小學生：通過具有“人造雪場和奧運五環(huán)之親子樂園”的趣味情景設置(圖10)，以果蔬為原料，按照圖4和圖5的流程，讓小朋友們通過安全、簡易和快樂的動手實踐，感受“玩中學”的樂趣，并在思考科學問題中成長。

(2) 面向中學生：在(1)的基礎上，針對中學生已有的化學知識，增加奧運五環(huán)之化學調色盤(圖6)和人造錫樹大雪花(圖8)實驗，通過化學反應重現(xiàn)五彩繽紛的冰雪世界，鞏固和理解過渡金屬配位化合物的合成方法和氧化還原反應的理論知識，在實驗中領略化學之美、化學之趣，激發(fā)探究科學的熱情。

(3) 面向本科生：在(2)的基礎上，增加科普的廣度和深度，內容涵蓋吸收曲線制作和雙色熒光火炬實驗(圖9)，創(chuàng)設出內容豐富、知識點串聯(lián)，強調科學研究方法的綜合性實驗，供大學化學實驗使用(6學時)。學生既是科普實驗的開發(fā)者也是科普實驗的推廣者(圖10)，有利于增強社會服務意識和社會責任感。

圖10 科普宣傳現(xiàn)場的報道

(4) 面向社會大眾：以網(wǎng)絡為載體，分專題模塊制作實驗視頻(圖4-圖9)并上傳，拓展強化科普服務功能，傳播冬奧精神和科學知識，使化學走入人們日常生活。

本系列科普實驗是在大學生實驗教學基礎上進行的重新設計和改造，在相應基本條件保障下整個實驗操作過程是安全可行的。其中對于有少年兒童參與的親子樂園實驗，應在家長的陪同監(jiān)護下進行。對于青年學生，可以預先觀看相關實驗視頻，事先了解試劑藥品的使用規(guī)范，然后再開展實驗。

4 結語

哲學家培根曾說，知識的力量不僅取決于其自身價值的大小，更取決于它是否被傳播，以及被傳播的深度和廣度。本科普實驗以冬奧為主題，希望能借助一種新的科普模式，寓教于樂，寓教于做，從而點燃人們探究化學世界的熱情，加深和拓寬化學知識的傳播和普及。此外，本系列科普實驗圍繞主題設立了多個獨立實驗模塊，涉及多個領域的化學知識，未來可根據(jù)不同對象群體的需要“量體裁衣”，也可自由組合和不斷加以擴充，以引導和適應社會大眾新的科普需求和變化。