電子顯微鏡輔助下的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)

李銀方

摘要： 將傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)微量化，用電子顯微鏡分別觀察鐵置換銅的反應(yīng)、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)、碘化鉀與硫酸銅的反應(yīng)和晶體析出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。與肉眼觀察的方法相比，突破了可視范圍，獲得更加明顯的實(shí)驗(yàn)效果，讓學(xué)生真切地感受到化學(xué)的神奇和美麗。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)實(shí)驗(yàn)； 電子顯微鏡； 置換反應(yīng)； 晶體； 酸堿中和反應(yīng)

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）4-0062-03 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。人們使用試管、燒杯、酒精燈等簡(jiǎn)單化學(xué)儀器就可以探索物質(zhì)構(gòu)成的奧秘，比如顏色的變化、沉淀的生成和溶解、氣體的吸收和釋放等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)一步推斷化學(xué)反應(yīng)體系中的變化本質(zhì)[1]。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)發(fā)展水平和學(xué)生的需求。如何使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，結(jié)果更加準(zhǔn)確，操作更加簡(jiǎn)便，產(chǎn)物對(duì)環(huán)境影響更小成為化學(xué)工作者思考的問(wèn)題。工作在一線的化學(xué)教師在這方面進(jìn)行了大量的探索，其中部分好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已在教學(xué)中運(yùn)用[2～6]。在這些探索中很少涉及運(yùn)用顯微鏡觀察化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究。這主要是因?yàn)轱@微鏡不是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配備儀器，同時(shí)光學(xué)顯微鏡操作步驟復(fù)雜，調(diào)節(jié)精度要求高，體積大，攜帶不方便是另一方面的原因。隨著科技的進(jìn)步，電子顯微鏡因其價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、體積小、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。筆者嘗試將其應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，觀察化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)一系列的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索，獲得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)用品

（1） 1000倍高清數(shù)碼顯微鏡（USB）。主要用于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以下介紹所用顯微鏡的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 千倍高清數(shù)碼顯微鏡具體參數(shù)

續(xù) 表

（2） 筆記本電腦。主要用于顯示和存儲(chǔ)電子顯微鏡捕捉到的圖像。電子顯微鏡自帶的軟件中可拍照，也可錄像，非常適合記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化，捕獲瞬時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及回放。

（3） 化學(xué)實(shí)驗(yàn)用品。具體如表2所示。

表2 所做實(shí)驗(yàn)名稱及實(shí)驗(yàn)用品

2 實(shí)驗(yàn)操作

2.1 顯微鏡的調(diào)試

按照表1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖把顯微鏡安裝好，通過(guò)調(diào)節(jié)支架上面的高度和角度調(diào)節(jié)旋鈕，使電子顯微鏡處于合適的高度和角度以方便操作；將USB線插入電腦接口，打開(kāi)電腦，安裝隨機(jī)附帶的驅(qū)動(dòng)程序，安裝完成之后，桌面上會(huì)出現(xiàn)電子顯微鏡圖標(biāo)，雙擊打開(kāi)軟件；將培養(yǎng)皿放在顯微鏡頭下，取下鏡頭上的封蓋，旋轉(zhuǎn)調(diào)焦?jié)L軸將清晰度調(diào)到最佳；同時(shí)通過(guò)LED調(diào)光線控將亮度調(diào)到需要的亮度，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠呈現(xiàn)出清晰的對(duì)比度。

2.2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作

表3 四個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作步驟

3 實(shí)驗(yàn)效果

3.1 實(shí)驗(yàn)效果圖

表4 四個(gè)實(shí)驗(yàn)效果圖

3.2 實(shí)驗(yàn)效果說(shuō)明

表5 四個(gè)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)說(shuō)明

4.實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，放大后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。由于顯微鏡可放大1000倍，所以即使很細(xì)微的現(xiàn)象也可出現(xiàn)很明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程均可直接投放到一體機(jī)或大屏幕上，當(dāng)學(xué)生看到動(dòng)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生過(guò)程，那種激動(dòng)之情無(wú)以言表，使得化學(xué)是美麗的和神奇的不再是一句空話。

（2） 設(shè)備價(jià)格便宜，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大。本實(shí)驗(yàn)中的顯微鏡一套在100元以內(nèi)，所有學(xué)校都能夠配備；顯微鏡只有一支小試管大小，攜帶很方便；顯微鏡操作很簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)高度、亮度和清晰度即可，一般10s內(nèi)就可解決問(wèn)題。顯微鏡可拍照、錄像，制成的視頻可用剪輯軟件進(jìn)行剪輯。

（3） 試劑用量少，實(shí)驗(yàn)安全，環(huán)境污染小。從表3中的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程不難看出，試劑的用量都是幾滴，甚至1到2滴。藥品用量少，現(xiàn)象卻很明顯，極大地推動(dòng)了微量實(shí)驗(yàn)的可行性。

張希院士在第31屆中國(guó)化學(xué)奧林匹克（決賽）暨冬令營(yíng)上演講時(shí)指出，當(dāng)前的化學(xué)已經(jīng)進(jìn)入新的發(fā)展階段，傳統(tǒng)化學(xué)學(xué)科的界限越來(lái)越模糊，化學(xué)與其他學(xué)科間的聯(lián)系也越來(lái)越緊密。未來(lái)的化學(xué)人才不僅要善于利用化學(xué)的專長(zhǎng)解決其他領(lǐng)域難以解決的問(wèn)題，還要善于吸收其他學(xué)科的營(yíng)養(yǎng)來(lái)豐富化學(xué)的內(nèi)涵，拓展化學(xué)的外延?；瘜W(xué)的發(fā)展需要汲取其他學(xué)科的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是好的觀測(cè)儀器，會(huì)極大地提高對(duì)未知世界的認(rèn)知，幫助人們探索科學(xué)的奧秘。本文通過(guò)將傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)微量化，利用電子顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，突破了以往肉眼的可視范圍，更加深刻地認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。隨著科技的進(jìn)步，多學(xué)科之間的協(xié)調(diào)創(chuàng)新是未來(lái)科技發(fā)展的方向。相信不久的將來(lái)，在儀器技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)的同時(shí)，化學(xué)學(xué)科也將得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

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