基于數(shù)字影像技術(shù)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察與辨識—以鈉與水反應(yīng)為例

曾顯林

一、問題的提出

鈉與水反應(yīng)是人教版《高中化學(xué)(必修一)》第三章《金屬及其化合物》中的重要內(nèi)容。鈉與水反應(yīng)過程中存在物質(zhì)形態(tài)的變化、顏色的變化、能量的變化，并且伴隨有聲音、火焰、煙霧等現(xiàn)象。對本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)致的觀察及辨識不但可以加深學(xué)生對金屬鈉的物理性質(zhì)及主要化學(xué)性質(zhì)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全意識及控制風(fēng)險(xiǎn)能力，而且可以培養(yǎng)學(xué)生從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題的能力[1]。鈉與水反應(yīng)持續(xù)時(shí)間短、現(xiàn)象復(fù)雜，該反應(yīng)宏觀現(xiàn)象的確認(rèn)及微觀原因的分析仍存在一定的爭議，因此引入數(shù)字影像技術(shù)對本實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象及對其蘊(yùn)含的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行探析很有必要。

二、相關(guān)研究

何斌華[2]認(rèn)為反應(yīng)中發(fā)出的“吱吱”聲是氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生化合反應(yīng)爆炸時(shí)產(chǎn)生的，反應(yīng)需要一定的溫度，這個(gè)溫度由反應(yīng)熱提供。孫成斌[3]用Born-Haber循環(huán)進(jìn)行理論計(jì)算，得出鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能使鈉在特定的條件下達(dá)到著火點(diǎn)，進(jìn)而與空氣中的氧氣反應(yīng)燃燒起來。張琳、江錫鈞[4]認(rèn)為金屬鈉球在反應(yīng)后期與玻璃接觸，積聚熱量，尤其是鈉與燒杯的間隙部分溫度驟升并產(chǎn)生小火星，小火星引爆鈉球周圍的氫氣和空氣的混合氣體。對于是氫氣先著火還是金屬鈉先著火在已知文獻(xiàn)中大多只能靠理論計(jì)算或者靠其他實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的間接推測，缺少實(shí)質(zhì)性的影像證據(jù)，而對于金屬鈉與水反應(yīng)過程中伴隨的其他副反應(yīng)很少有文獻(xiàn)提及。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

為便于對鈉與水反應(yīng)進(jìn)行觀察與記錄，筆者對這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，由教材中的“把綠豆大小的金屬鈉投進(jìn)水中”改成“把綠豆大小金屬鈉置于濕潤濾紙上”，并使用數(shù)字影像技術(shù)輔助對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的觀察與辨識。數(shù)字影像技術(shù)是指包括影像的獲取、處理、加工、呈現(xiàn)、應(yīng)用的一門綜合技術(shù)[5]。在這一實(shí)驗(yàn)中，筆者先用相機(jī)對鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行視頻采集，然后利用視頻編輯軟件對采集到的視頻畫面進(jìn)行觀察與辨識。

1.實(shí)驗(yàn)材料

金屬鈉、酚酞指示劑、蒸餾水、燒杯、玻璃片、鑷子、小刀、白瓷片、濾紙條、圓形濾紙、白色背景板、護(hù)目鏡、防護(hù)手套、實(shí)驗(yàn)防護(hù)服、三腳架2個(gè)、數(shù)碼相機(jī)或成像效果較好的手機(jī)2臺，計(jì)算機(jī)及相關(guān)的圖片查看及視頻編輯軟件。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

(1)實(shí)驗(yàn)者穿著實(shí)驗(yàn)服，戴上護(hù)目鏡。

(2)搭建實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)桌上放置一塊白瓷板，實(shí)驗(yàn)桌正后方放置白色背景板，用三腳架固定好相機(jī)，設(shè)定正拍(如圖1a所示)、俯拍(如圖1b所示)兩個(gè)機(jī)位。

表1 鈉與水反應(yīng)各個(gè)階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原因分析

(3)把潤濕后的濾紙鋪在白瓷片上。

(4)把兩臺相機(jī)調(diào)至視頻拍攝模式，兩臺相機(jī)的快門速度要設(shè)置到1/500 s或以上，啟動相機(jī)，開始視頻錄制。

(5)取一塊金屬鈉(綠豆大小)除去煤油及表面氧化物后將其置于準(zhǔn)備好的濕潤濾紙上。

(6)放置好金屬鈉后，觀察者馬上退至1 m外，離遠(yuǎn)觀察。

(7)待反應(yīng)結(jié)束，確認(rèn)安全后停止錄制，將拍攝到的視頻素材導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，待進(jìn)一步分析處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

四、在數(shù)字影像技術(shù)的輔助下對鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入的觀察與辨識

Adobe Premiere Pro CC是一款由Adobe公司推出的專業(yè)視頻編輯軟件，能實(shí)現(xiàn)高精度、細(xì)節(jié)化的操作，主要應(yīng)用于影視作品的創(chuàng)作。但因?yàn)槠湓谝曨l慢鏡頭回放、畫面縮放、關(guān)鍵幀提取、畫面顏色對比鑒別、音頻波形分析等方面有出色表現(xiàn)，所以應(yīng)用該款軟件對采集到的實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行分析也十分方便。

1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象概況

觀看采集到的源視頻可以得知，反應(yīng)從03''24開始，13''14結(jié)束，一共持續(xù)10''10，記錄畫面共1 183幀。該反應(yīng)十分劇烈，放出耀眼黃光，且伴隨有大量煙氣產(chǎn)生，此外在反應(yīng)過程中可以聽到明顯的爆鳴聲。

2.利用數(shù)字影像技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原因

進(jìn)一步獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)節(jié)，則需要利用Adobe Premiere Pro CC軟件的慢動作回放及提取關(guān)鍵幀畫面等功能進(jìn)行分析。圖2a～圖2h是在所采集到的視頻中提取出的關(guān)鍵幀畫面，表1為對圖中畫面的分析結(jié)果。

圖2 不同階段的鈉和水反應(yīng)關(guān)鍵幀畫面

(1)由表1可知，此反應(yīng)可以分為以下五個(gè)階段。

第一階段，反應(yīng)生成氫氣，且生成的氫氣包裹在金屬鈉表面，此時(shí)金屬鈉與空氣中的氧氣接觸不充分。由于反應(yīng)放出熱量，溫度很快達(dá)到金屬鈉的熔點(diǎn)98.3 ℃，金屬鈉融化成小球，原先覆蓋其表面的氣泡消失。

第二階段，氫氣氣泡消失后熔融的金屬鈉得以與空氣中的氧氣充分接觸，反應(yīng)生成氧化鈉及過氧化鈉，這些氧化物覆蓋在鈉球表面(如圖2b所示)。

第三階段，生成的鈉的氧化物立刻與水反應(yīng)，覆蓋在金屬鈉表面的氧化物隨即消失，金屬鈉與氧氣接觸更加充分(如圖2c～圖2d所示)。在幾個(gè)放熱反應(yīng)的共同作用下，溫度很快到達(dá)金屬鈉的著火點(diǎn)115 ℃，金屬鈉起火燃燒，并隨即引燃反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，發(fā)出爆鳴聲。

第四階段，鈉燃燒生成的過氧化鈉與水反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氧氣，氧氣的加入，使反應(yīng)變得更加劇烈，產(chǎn)生爆燃，發(fā)出耀眼的黃光，且生成大量的煙氣(如圖2f～圖2g所示)。

第五階段，得到無色透明的熔融狀態(tài)的氫氧化鈉小球(如圖2h所示)，熔融的氫氧化鈉小球與濾紙上的水接觸，小球外部急速降溫，最終小球因內(nèi)外受熱不均而發(fā)生炸裂。此階段發(fā)生的炸裂，常常被誤以為是金屬鈉在燃燒過程中發(fā)生的爆燃，通過照相機(jī)捕捉的影像可以知道，反應(yīng)后期出現(xiàn)的圓球是無色透明的，與反應(yīng)開始時(shí)具有金屬光澤的鈉球明顯不同，圓球是熔融狀態(tài)的最終產(chǎn)物氫氧化鈉。

(2)問題與思考：判斷是鈉先起火的依據(jù)是什么？鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物氫氣也是一種極其易燃的氣體，為什么先著火的不是氫氣呢？

氫氣與氧氣混合點(diǎn)燃會產(chǎn)生較大的爆鳴聲，因此可以由爆鳴聲確認(rèn)氫氣被點(diǎn)燃的時(shí)間。利用Adobe Premiere Pro CC軟件對起火爆炸的畫面及音頻波形同時(shí)進(jìn)行分析的結(jié)果如圖3所示，金屬鈉在07''56時(shí)起火燃燒，此時(shí)采集到的音頻波形變化不大，07''56時(shí)采集到較大波峰，這個(gè)波峰就是氫氣爆炸的爆鳴聲引起的，此時(shí)氫氣才開始燃燒。經(jīng)查閱化工數(shù)據(jù)，氫氣在空氣中的著火點(diǎn)(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下)為570 ℃，遠(yuǎn)高于鈉的著火點(diǎn)115 ℃，因此通過影像技術(shù)采集到的畫面、音頻信息與理論吻合，由此可知，鈉先燃燒，然后再引燃?xì)錃狻?/p>

圖3 著火時(shí)的音頻波形圖

除了影像技術(shù)的間接分析，也可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“先是由鈉到達(dá)最低燃點(diǎn)燃燒，然后引燃?xì)錃膺@一結(jié)論”，由圖2a可以知，鈉與水反應(yīng)生成的氫氣在開始階段起到隔開空氣的作用，據(jù)此可以進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：取一支15 mm×150 mm小試管，加入蒸餾水約2 mL，往其中加入一塊黃豆大小的金屬鈉?？梢杂^察到金屬鈉迅速與水反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡，隨即浮到水面，快速變成一個(gè)金屬小球，小球在水面繞圈滾動，發(fā)出“嘶嘶”聲，直至小球完全消失。反應(yīng)過程中沒出現(xiàn)起火或者爆炸現(xiàn)象，如圖4所示。這是因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)生的氫氣迅速排出試管內(nèi)的空氣，使金屬鈉球處于一個(gè)相對缺氧的環(huán)境中，這樣即使金屬鈉的溫度達(dá)到著火點(diǎn)，也不會起火。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中我還用不同大小的金屬鈉重復(fù)該實(shí)驗(yàn)10多次，均沒有出現(xiàn)著火或者爆炸的情況，說明鈉與水反應(yīng)放出的熱量沒有引燃?xì)錃狻?/p>

圖4 在小試管中進(jìn)行鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

結(jié)果表明，數(shù)字影像技術(shù)的使用可以幫助教師高效地記錄及辨識化學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題的能力[1]。有些化學(xué)反應(yīng)蘊(yùn)含的信息量巨大，在一個(gè)反應(yīng)中往往同時(shí)包含主要現(xiàn)象、次要現(xiàn)象及一些反應(yīng)迅速、不易察覺的現(xiàn)象，這類實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的觀察能力要求非常高，大部分學(xué)生通過單次實(shí)驗(yàn)難以全面觀察。但目前中學(xué)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往以大班教學(xué)為主，因?yàn)閳龅?、課時(shí)的關(guān)系很難做到讓學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行重復(fù)觀察。對于這類現(xiàn)象復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，可以通過架設(shè)多個(gè)視頻采集機(jī)位對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行采集，只需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)就可以獲得不同的視覺效果。采集到的實(shí)驗(yàn)視頻還可以利用視頻慢鏡頭回放、畫面縮放、關(guān)鍵幀提取、畫面顏色對比鑒別、音頻波形分析等手段進(jìn)行反復(fù)地觀察及辨識。

五、結(jié)語

2017版新課標(biāo)的實(shí)施建議中指出，要“注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用、積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合”[1]，這種基于數(shù)字影像技術(shù)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察與辨識活動正符合新課標(biāo)這一建議的要求。相信隨著新課標(biāo)的落地實(shí)施及智慧校園建設(shè)的推動，數(shù)字影像技術(shù)在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀察與辨識方面將會得到更廣泛的應(yīng)用。