探究聲音對(duì)藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響

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。

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