顯微技術(shù)在“金屬的腐蝕與防護(hù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉廣斌

摘要： 鐵片、真空包裝袋等器材可使鐵片在2分鐘左右出現(xiàn)銹斑，利用LED燈條等器材將普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行簡(jiǎn)單的改裝，可以清晰地觀察到鐵銹的圖像及其特征。利用顯微鏡還可獲得有關(guān)晶體的析出、金屬與鹽溶液反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)圖像，甚至是反應(yīng)的動(dòng)態(tài)圖像，并顯著縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、提高實(shí)驗(yàn)效率。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 光學(xué)顯微鏡; 金屬的腐蝕與防護(hù)

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）12-0078-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往建立在對(duì)肉眼看不見的微觀世界進(jìn)行成功顯像的基礎(chǔ)上[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，顯微技術(shù)也在不斷地發(fā)展，從可以放大到幾十、幾百、上千倍的光學(xué)顯微鏡、光學(xué)數(shù)碼顯微鏡，再到放大倍率達(dá)數(shù)百萬(wàn)倍的電子顯微鏡，無(wú)一不是先進(jìn)生產(chǎn)力的代名詞。借助于顯微技術(shù)，人類解決了許多生化領(lǐng)域的重大難題，從人類新起源到精確的基因編輯，再到新冠疫苗的誕生。

“金屬的腐蝕與防護(hù)”是九年級(jí)化學(xué)“金屬與金屬礦物”這一主題的教學(xué)內(nèi)容[2]。該主題涉及不同金屬材料物理性質(zhì)的比較、常見金屬的化學(xué)性質(zhì)、一氧化碳還原氧化鐵、鐵制品銹蝕的條件等四個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3]。其中前三個(gè)實(shí)驗(yàn)不管是實(shí)驗(yàn)藥品，還是實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)操作、安全環(huán)保等方面都比較成熟，并且實(shí)驗(yàn)中都能快速產(chǎn)生預(yù)期的且相當(dāng)明顯的現(xiàn)象。但“金屬的腐蝕與防護(hù)”這一課題所涉及的“鐵制品銹蝕的條件”實(shí)驗(yàn)，由于緩慢氧化本身速率較慢，為了真實(shí)體現(xiàn)鐵制品在自然界條件下的銹蝕，并且得出銹蝕的條件，所以教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案均有一周左右的提前量，這就無(wú)形中拉長(zhǎng)了此實(shí)驗(yàn)的周期。但如果使用鐵粉[4]或鐵片，則可初步解決金屬銹蝕耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題;而借助于光學(xué)顯微鏡技術(shù)，則可進(jìn)一步克服這一缺陷，可快速、清晰地觀察到棕黃色的鐵銹。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 樣品的準(zhǔn)備

在人教版或國(guó)內(nèi)其他版本的教材中，“鐵制品銹蝕的條件”實(shí)驗(yàn)的鐵制品樣品一般選擇學(xué)生熟悉的鐵釘。當(dāng)使用顯微鏡觀察時(shí)，由于鐵釘平放時(shí)易滾動(dòng)，難以穩(wěn)定地平放在顯微鏡下觀察，即使可觀察，聚焦后得到的也是一個(gè)傾斜的、部分清晰部分模糊的圖像，所以建議采用鐵粉或鐵片為宜。

為了達(dá)到防銹的目的，日常生活中的鐵制品表面一般會(huì)鍍有一層其他的金屬或涂油，有的表面還會(huì)有些許銹跡。為了確保實(shí)驗(yàn)的成功，找來(lái)的鐵片首先需要用砂紙打磨，以去除表面的金屬涂層或銹跡，再用堿液洗去表面的油污，最后將鐵片在無(wú)氧環(huán)境（可在當(dāng)?shù)靥胤N氣站購(gòu)得“氬弧焊”所用的氬氣，利用氬氣流吹干鐵片）中快速干燥，以防止其再次氧化，將處理好的鐵片放在真空包裝袋中備用。

2.2 顯微鏡的選擇

義務(wù)教育階段的化學(xué)教育，其主要目的是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的變化規(guī)律，形成化學(xué)觀念;在體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程中啟迪學(xué)生的思維;在認(rèn)識(shí)化學(xué)、科技、社會(huì)、環(huán)境的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)[5]。所以義務(wù)教育階段的化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)，不同于科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng)造，它是一個(gè)培養(yǎng)興趣、提高科學(xué)素養(yǎng)、揭秘物質(zhì)間變化規(guī)律、領(lǐng)悟科學(xué)探究方法的教學(xué)載體。

基于以上認(rèn)識(shí)，顯微鏡一般不需要選擇價(jià)格高昂的掃描隧道顯微鏡、電子顯微鏡等，可直接使用各學(xué)校實(shí)驗(yàn)室都具有的普通光學(xué)顯微鏡（如圖1所示），使用可見光作為光源。雖然理論上可見光的波長(zhǎng)為390到760納米之間，而顯微鏡的分辨率最大可達(dá)其所用光源波長(zhǎng)的一半，所以光學(xué)顯微鏡的理論極限分辨率也就在200納米左右。然而對(duì)于啟蒙的初中化學(xué)教學(xué)，對(duì)于樣本的放大倍率一般不需要達(dá)到這個(gè)層級(jí)，選擇放大倍數(shù)在1000倍以內(nèi)的光學(xué)顯微鏡即可[6]。當(dāng)然如果使用可連接各種多媒體的數(shù)碼顯微鏡（光學(xué)顯微鏡與光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)的結(jié)合體），則教學(xué)效果將會(huì)更佳。

2.3 顯微鏡的改裝

普通光學(xué)顯微鏡對(duì)于樣本的基本要求是其要有一定的透光性，當(dāng)光透過(guò)樣品到達(dá)物鏡，樣品經(jīng)物鏡和管鏡放大后，會(huì)形成倒立放大的實(shí)像，實(shí)像經(jīng)目鏡再次放大形成放大的虛像。

鐵制樣品的不透光性決定了使用普通光學(xué)顯微鏡時(shí)，可見光不可能從下面經(jīng)反光鏡反射，再透過(guò)樣品進(jìn)入物鏡。那么光只能從樣品側(cè)面或正上方入射，此時(shí)就有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)此要求： 一是購(gòu)買鏡頭帶有補(bǔ)光設(shè)備的顯微鏡;二是對(duì)學(xué)校現(xiàn)有普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行改裝。但前者成本相對(duì)較高，動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)，從充分利用現(xiàn)有資源、節(jié)約成本的角度出發(fā)，可以選擇對(duì)現(xiàn)有光學(xué)顯微鏡進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝。

方案一 將光源固定在物鏡上，光線由樣品的正上方射入。

改裝措施： 利用紐扣電池供電，使用發(fā)光二極管，將二極管用雙面膠固定在物鏡前端。

優(yōu)勢(shì)： （1）補(bǔ)光充足。（2）觀察放大倍數(shù)要求較低的樣品時(shí)，能得到較清晰的圖像。

不足： （1）二極管本身占據(jù)一定的體積，對(duì)于放大倍數(shù)要求較高的實(shí)驗(yàn)，物鏡與樣品的距離本就需要十分接近，而此時(shí)二極管的存在限制了物鏡向下的行程距離，難以對(duì)焦形成更清晰的圖像。（2）對(duì)樣品觀察時(shí)一般先選擇低倍率的物鏡，當(dāng)觀察區(qū)的圖像相對(duì)清晰后，再選用高倍率的物鏡或目鏡。此時(shí)由于頻繁轉(zhuǎn)換鏡頭，就需要在不同的物鏡鏡頭前端均粘上二極管，并且由于接線較多，轉(zhuǎn)換鏡頭相對(duì)麻煩。

方案二 將光源固定在載物臺(tái)上，光線由樣品四周射入。

改裝措施： （1）選擇LED燈條作為光源，同時(shí)選擇與LED燈條相適應(yīng)的鎮(zhèn)流器與燈條連接。（2）將LED燈條用雙面膠盤旋固定在培養(yǎng)皿的外側(cè)（如圖2所示）。

優(yōu)勢(shì)： （1）選擇LED燈條作為光源的優(yōu)勢(shì)有三： 一是燈條較軟，便于盤旋固定。二是亮度可調(diào)，當(dāng)亮度過(guò)高時(shí)，可以在培養(yǎng)皿四周盤旋1～2圈;當(dāng)亮度不夠時(shí)，可以盤旋2～3圈。三是燈條色溫可選、亮度較高，觀察者長(zhǎng)期觀察后不容易視覺疲勞。（2）利用培養(yǎng)皿作為載物盤盛放樣品的優(yōu)勢(shì)有： 一是便于固定鐵片等實(shí)驗(yàn)樣品;二是保證了光線的充足，由于培養(yǎng)皿邊沿有一定的高度，LED燈條盤旋固定在培養(yǎng)皿外側(cè)，可以保證樣品四周360°的光線照射;三是在保證樣品有充足光線照射的條件下，不影響物鏡的上下行程，即使在高倍鏡下觀察，物鏡與樣品的距離較近時(shí)，也能得到較清晰的彩色圖像。

2.4 利用改裝的顯微鏡觀察鐵制品的銹蝕

為了探究鐵制品銹蝕的基本條件，并縮短實(shí)驗(yàn)耗時(shí)，提高課堂教學(xué)效率，本實(shí)驗(yàn)除選用鐵片外，還需經(jīng)煮沸并迅速冷卻的蒸餾水和純氧氣，在真空包裝袋內(nèi)（如圖3所示）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟： （1）取第1片鐵片沾水放入真空包裝袋，并充入氧氣，將袋口密封條抹平壓實(shí)。（2）取第2片鐵片僅沾水（需煮沸并冷卻的蒸餾水）放入真空包裝袋中，先將袋口密封條抹平壓實(shí)，再用抽氣泵抽去袋內(nèi)空氣。（3）取第3片鐵片不沾水，直接放入真空包裝袋中，僅充入氧氣，將袋口密封條抹平壓實(shí)。

大約2～3分鐘后分別將3片鐵片取出，首先用肉眼對(duì)比觀察，可以看到鐵片在沾水并充氧氣的情況下其表面發(fā)黃（銹斑），在圖4所示顯微鏡（目鏡10×、物鏡40×）下觀察，可以清晰地看到其表面黃色、疏松的鐵銹;而其他兩片鐵片的表面沒有明顯的變化（如表1所示）。

觀察步驟： （1）拆去顯微鏡載物臺(tái)上的壓片夾。（2）將裝有補(bǔ)光設(shè)備的培養(yǎng)皿放在顯微鏡的載物臺(tái)上。（3）將樣品放在培養(yǎng)皿中合適的位置。（4）將補(bǔ)光設(shè)備接通220V電源。（5）先用低倍率鏡頭觀察并調(diào)好焦距，再用高倍率鏡頭觀察并微調(diào)，直至在目鏡中觀察到清晰的圖像為止。

2.5 顯微技術(shù)的應(yīng)用評(píng)價(jià)

（1） 實(shí)驗(yàn)樣品、藥品以及實(shí)驗(yàn)儀器的重新選擇使鐵制品的銹蝕實(shí)驗(yàn)從大約一個(gè)禮拜縮短為2～3分鐘;借助顯微技術(shù)，還可以得到清晰的鐵銹圖像。這在節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)，為學(xué)生快捷地分析鐵生銹的條件提供了明確的佐證，有助于學(xué)生證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng)。

（2） 借助顯微技術(shù)，通過(guò)在顯微鏡下對(duì)鐵銹甚至是鐵銹生成過(guò)程的觀察，可以清晰地看到鐵銹呈“疏松”狀，它不能對(duì)里面的鐵起到保護(hù)作用。如果再對(duì)比觀察鋁表面的氧化物，學(xué)生可以清晰地看到什么是“致密層”，這對(duì)學(xué)生辯證地認(rèn)識(shí)金屬表面的氧化物有極其重要的作用。

（3） 顯微技術(shù)的應(yīng)用，雖說(shuō)是一種創(chuàng)新，其實(shí)也并不復(fù)雜，只要師生一起在充分理解原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本著某種特殊的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)的原有設(shè)計(jì)稍加“改動(dòng)”，就可以達(dá)到不一樣的效果，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度。這種“思考與改動(dòng)”有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。借助這種“改動(dòng)”，還可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解。

3 顯微技術(shù)的應(yīng)用拓展

顯微技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有著廣泛的適用性。它不僅可以應(yīng)用于觀察金屬的銹蝕，還可應(yīng)用在其他實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)中，如晶體的析出、有氣體或沉淀生成的反應(yīng)、金屬與鹽溶液的反應(yīng)等[7]。凌一洲等老師也曾利用光學(xué)顯微鏡觀察到了銀樹、銅樹、鉛樹的生成，但由于沒有采用補(bǔ)光技術(shù)，所以沒有很好地觀察到金屬樹原本的顏色[8]（如圖5①）。借助加裝有補(bǔ)光設(shè)備的光學(xué)顯微鏡，不僅可以獲得更清晰的實(shí)驗(yàn)圖像（如圖5②或③），而且充分激發(fā)了學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣;借助加裝有補(bǔ)光設(shè)備的光學(xué)顯微鏡，學(xué)生更清晰地觀察到了化學(xué)反應(yīng)之美[9]。

觀察步驟： （以Fe與CuSO4溶液的反應(yīng)、Cu與AgNO3溶液的反應(yīng)為例）

（1）拆去顯微鏡載物臺(tái)上的壓片夾。（2）將裝有補(bǔ)光設(shè)備的培養(yǎng)皿放在顯微鏡的載物臺(tái)上，并接通電源。（3）取2只直徑45mm表面皿，分別滴上少許CuSO4溶液、AgNO3溶液，再將兩根約0.5cm長(zhǎng)的細(xì)鐵絲、細(xì)銅絲分別放入CuSO4溶液和AgNO3溶液中。（4）將兩只表面皿分別放在顯微鏡下（培養(yǎng)皿內(nèi)），先用低倍率鏡頭觀察并調(diào)好焦距，再用高倍率鏡頭觀察并微調(diào)，直至在目鏡中觀察到清晰的圖像為止。

借助顯微鏡技術(shù)，不僅可以得到有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的靜態(tài)圖像，如果將目鏡換成電子目鏡，還可與電腦、投影儀相連，學(xué)生就可以在大屏幕上看到物質(zhì)間反應(yīng)的動(dòng)態(tài)圖像。由于在顯微鏡下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，藥品需求量極少，這使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)真正實(shí)現(xiàn)了試劑微量化[10]。

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