雙色流熒
——基于氨氣制備的魯米諾雙色熒光噴泉

張光亞，李杰，張涵，李素芝，陳淑敏

商丘師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南 商丘 476000

噴泉實(shí)驗(yàn)是高一化學(xué)有關(guān)氨的性質(zhì)的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)基于氨氣在水中的溶解度很大，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，利用大氣壓將燒杯內(nèi)的液體壓入燒瓶中，從而在導(dǎo)管口形成噴泉[1]。由于噴泉實(shí)驗(yàn)的趣味性強(qiáng)，直觀效果好，現(xiàn)在已拓寬了教材中噴泉實(shí)驗(yàn)的范圍，演變?yōu)橐幌盗械膰娙獙?shí)驗(yàn)。

通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，很多噴泉實(shí)驗(yàn)都是對(duì)課堂演示實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)(如：儀器改進(jìn)、藥品更換等)以提高實(shí)驗(yàn)成功率和增加觀賞的趣味性。對(duì)此引出一系列思考：作為一個(gè)科普實(shí)驗(yàn)，它是否只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作？面對(duì)不同年齡段的人群，該實(shí)驗(yàn)是否具有可操作性？根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行演示，該實(shí)驗(yàn)是否能達(dá)到趣味化學(xué)、科普化學(xué)的效果？事實(shí)上，我們不難發(fā)現(xiàn)，基于氨氣的性質(zhì)營(yíng)造壓強(qiáng)差，推而廣之，利用極易溶于水且密度比空氣小的氣體都可以達(dá)到相同的實(shí)驗(yàn)效果，當(dāng)然，給予一定的外力或者抽出空氣也可以改變壓強(qiáng)[2,3]。此外，在噴泉的選擇中，也可以構(gòu)思多樣、趣味、創(chuàng)新的想法，以達(dá)到科普實(shí)驗(yàn)激發(fā)興趣、普及知識(shí)、創(chuàng)新思維的目的。

基于上述思考，我們?cè)O(shè)計(jì)出具有創(chuàng)新性、趣味性、簡(jiǎn)單易操作且現(xiàn)象直觀驚艷的雙色熒光噴泉實(shí)驗(yàn)[4,5]。本實(shí)驗(yàn)基于氨氣極易溶于水的性質(zhì)，在密閉容器中，氨氣溶于水后氣壓降低和外界大氣壓形成壓強(qiáng)差，從而形成噴泉。噴泉發(fā)光的主要因素是魯米諾以及魯米諾和其他熒光染料混合的效果。魯米諾，又稱發(fā)光氨，在堿性條件下遇氧化劑會(huì)發(fā)光，是常用的光化學(xué)試劑。此外，魯米諾試劑(魯米諾與過氧化氫的堿性混合溶液)可將在犯罪現(xiàn)場(chǎng)肉眼無(wú)法觀察到的血液以藍(lán)色熒光的形式顯現(xiàn)出來(lái)，非常靈敏，即使極微量的血跡也可以被檢測(cè)。其原理為：血液中含有血紅蛋白，血紅蛋白中含有鐵離子，該離子能催化過氧化氫分解產(chǎn)生羥基自由基，該自由基可與魯米諾反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象[6,7]。實(shí)驗(yàn)室中常以鐵氰化鉀作為雙氧水分解的催化劑，在堿性條件下魯米諾與被鐵離子催化的過氧化氫反應(yīng)，以此產(chǎn)生藍(lán)色熒光現(xiàn)象[8]。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)將魯米諾試劑加入含有不同染料的鐵氰化鉀的混合水溶液中，會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色，選擇羅丹明B和魯米諾結(jié)合顯現(xiàn)出紅色熒光。綜上，噴泉的雙色熒光得以實(shí)現(xiàn)。

在裝置上，利用倒置的三頸燒瓶作為噴泉的發(fā)生器，各玻璃儀器之間用橡膠管相連的玻璃導(dǎo)管進(jìn)行連接，用止水夾作為閥門控制進(jìn)氣和進(jìn)液。用凡士林將固體藥品涂附在燒瓶底部和噴泉噴出的玻璃導(dǎo)管口處，三頸燒瓶的中間口用橡膠塞連接玻璃導(dǎo)管與液體試劑相接，達(dá)到一定壓強(qiáng)差后讓液體進(jìn)入燒瓶，在導(dǎo)管口上端即產(chǎn)生熒光噴泉。對(duì)于氨氣收集量的檢驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了浸有酚酞溶液的棉球的干燥管，當(dāng)看到棉球從上而下全部變紅后，則說明氨氣已經(jīng)充滿了整個(gè)裝置。反應(yīng)結(jié)束后，利用裝有蒸餾水的錐形瓶裝置進(jìn)行防倒吸和吸收多余的氨氣，符合綠色化學(xué)的要求。

本實(shí)驗(yàn)涉及濃氨水遇熱揮發(fā)、氨氣易溶于水、無(wú)色酚酞溶液在堿性條件下的變色反應(yīng)和魯米諾發(fā)光反應(yīng)等多個(gè)化學(xué)原理，能夠普及化學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)大家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)過程中，在燒瓶?jī)?nèi)以噴泉的效果呈現(xiàn)雙色流熒的現(xiàn)象，其趣味性能夠激發(fā)出對(duì)化學(xué)的興趣，同時(shí)解開了在犯罪現(xiàn)場(chǎng)噴灑試劑，使肉眼無(wú)法觀察到的血液顯色的疑惑，最終通過此次科普實(shí)驗(yàn)讓受眾進(jìn)一步關(guān)注生活中的化學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

(1) 氫氧化鈉固體溶于濃氨水時(shí)，會(huì)放出大量熱量，從而濃氨水遇熱揮發(fā)。

NH3·H2O → NH3+ H2O

(2) 氨氣易溶于水，且與水反應(yīng)生成堿性的一水合氨，酚酞溶液遇堿變紅色。

NH3+ H2O → NH3·H2O

(3) 過氧化氫在鐵離子的催化下分解放出氧氣。

H2O2→ H2+ O2

(4) 魯米諾，化學(xué)名稱為3-氨基鄰苯二甲酰肼，在堿性條件下與被鐵離子催化過氧化氫產(chǎn)生的羥基自由基反應(yīng)，生成一個(gè)偶氮化合物，該化合物和過氧氫根離子反應(yīng)，生成一個(gè)環(huán)狀有機(jī)過氧化物，然后開環(huán)得到激發(fā)態(tài)的3-氨基鄰苯二甲酸，激發(fā)態(tài)分子不穩(wěn)定，在回到基態(tài)的過程中釋放能量，能量以光子的形式釋放，其發(fā)光波長(zhǎng)位于可見光的藍(lán)光區(qū)域，從而發(fā)出藍(lán)色熒光(圖1)。

(5) 熒光染料(能發(fā)出熒光的染料)在吸收紫外線或可見光后，能把短波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光波反射出來(lái)，呈閃亮的鮮艷色彩。例如，酸性曙紅、熒光黃、紅汞以及某些分散染料等。它們大多是含有苯環(huán)或雜環(huán)并帶有共軛雙鍵的化合物。

熒光染料可以單獨(dú)使用，也可以組合成復(fù)合熒光染料使用。其中復(fù)合熒光染料是利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理實(shí)現(xiàn)熒光發(fā)射的染料，由距離非常近、能量可以在彼此間傳遞的一組(含供體及受體)熒光分子所組成(圖2)。

圖2 熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理示意圖

1.2 試劑和儀器

試劑：魯米諾、氫氧化鈉、鐵氰化鉀、過氧化氫(30%)、濃氨水(25%)、堿石灰、酚酞、凡士林、羅丹明B、熒光紫、熒光綠、熒光大紅，均為分析純(AR)試劑。

儀器：鐵架臺(tái)、三頸燒瓶、錐形瓶、直型玻璃導(dǎo)管、鈍角玻璃導(dǎo)管、T型管、干燥管、燒杯、玻璃棒、量筒、短頸玻璃漏斗、針管注射器、止水夾、石英研缽、膠頭滴管、藥匙、橡膠塞、橡膠管、表面皿、脫脂棉、電子天平、磁力攪拌器。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

(1) 魯米諾試劑的配制：首先配制500 mL 0.20 mol·L-1的NaOH溶液，再加入0.4 g魯米諾黃色粉末，使其攪拌溶解，最后加入6 mL 30% H2O2。把500 mL魯米諾試劑均分在兩個(gè)500 mL燒杯中，備用。

(2) 發(fā)光噴泉反應(yīng)器的制備：選取兩個(gè)500 mL三頸燒瓶，兩根玻璃導(dǎo)管，酒精噴燈燒拉處理玻璃導(dǎo)管，使其一端端口呈尖口型；接著，稱取兩份鐵氰化鉀固體各2.0 g，并研磨成粉末，其中一份在研磨過程中加入適量羅丹明B，用凡士林把兩種粉末分別涂附在兩個(gè)三頸燒瓶底部和“尖口”玻璃導(dǎo)管口處；最后，玻璃導(dǎo)管尖口端從三頸燒瓶的中間口插入至燒瓶中部，用橡膠塞和三頸燒瓶固定在一起。最后分別在兩個(gè)橡膠塞上插入注射器針頭。

(3) 氨氣發(fā)生裝置：稱取10.0 g NaOH固體倒入錐形瓶中，瓶口用橡膠塞密封，同時(shí)把注射器針頭插入橡膠塞中。取用一只干燥管中加入適量堿石灰，備用。

(4) 尾氣吸收裝置：在錐形瓶中倒入適量蒸餾水(不超過錐形瓶2/3)，橡膠塞固定一玻璃導(dǎo)管，玻璃導(dǎo)管口插入至錐形瓶上端。

(5) 驗(yàn)滿及尾氣吸收裝置：把蘸有酚酞溶液的棉球裝入干燥管中，通過橡膠管把干燥管和短頸漏斗相連接。

(6) 搭建裝置：首先，把兩個(gè)噴泉發(fā)生裝置——三頸燒瓶固定在鐵架臺(tái)上，利用玻璃導(dǎo)管和橡皮管串聯(lián)接通，形成閉合通路；然后氨氣發(fā)生裝置通過玻璃導(dǎo)管和裝有堿石灰的干燥管連接，通過T型管和尾氣吸收裝置相連；最后，在裝置的最右端連接驗(yàn)滿及尾氣吸收裝置，把倒置的短頸漏斗放入盛有蒸餾水的燒杯中(蒸餾水沒過漏斗口處即可)；再通過玻璃導(dǎo)管連接三頸燒瓶和魯米諾試劑，最后吸取9–10 mL蒸餾水的注射器連接針頭(圖3)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(7) 實(shí)驗(yàn)過程：先關(guān)閉a、b、c，用注射器吸取7–8 mL濃氨水，然后通過針頭將濃氨水緩慢注入氨氣發(fā)生裝置的錐形瓶中，盛有氫氧化鈉的錐形瓶和倒置的漏斗不斷有氣泡冒出，待蘸有酚酞和水的棉球由上而下完全變紅后，打開a，關(guān)閉d、e、f，用注射器快速向燒瓶中注入7–8 mL蒸餾水，打開b、c。

(8) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將水注入燒瓶中后，裝置內(nèi)的氨氣溶于水，形成了氣壓差，打開b、c后，魯米諾試劑會(huì)在大約30 s后通過玻璃導(dǎo)管進(jìn)入燒瓶中，涂附有鐵氰化鉀的燒瓶中產(chǎn)生藍(lán)色熒光的噴泉，涂附有鐵氰化鉀和羅丹明B的燒瓶中產(chǎn)生紅色熒光的噴泉(圖4)。

圖4 雙色噴泉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖

本實(shí)驗(yàn)的噴泉發(fā)生裝置導(dǎo)管采用經(jīng)處理過(酒精噴燈燒制)的尖型玻璃導(dǎo)管，整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象平穩(wěn)，噴泉效果柔和穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間為30 s左右。雙色流熒，噴涌而上，順流而下，有擊空明兮朔流光之意，有很好的觀賞效果。

2 科普展示和互動(dòng)方案

展示地點(diǎn)：空氣流動(dòng)性強(qiáng)的場(chǎng)所。

展示人群：中小學(xué)生、市民群眾。

展示方式：進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)和延伸實(shí)驗(yàn)的展示、志愿者講解和觀眾互動(dòng)。

前期準(zhǔn)備：招募志愿者；對(duì)志愿者進(jìn)行培訓(xùn)，并分組(分為實(shí)驗(yàn)操作人員和講解人員)；準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)展示器材和試劑；布置展示場(chǎng)地。

展示內(nèi)容：

(1) 演示實(shí)驗(yàn)：雙色流熒——基于氨氣制備的魯米諾雙色熒光噴泉。

(2) 延伸實(shí)驗(yàn)1 (水中火焰)：取若干個(gè)相同規(guī)格的燒杯，并在不同燒杯中加入鐵氰化鉀溶液和適量各種染色顏料，分別用膠頭滴管滴加魯米諾試劑(圖5)。延伸實(shí)驗(yàn)1現(xiàn)象：添加不同熒光染料的燒杯中在滴加溶液后呈現(xiàn)出不同顏色的熒光，呈現(xiàn)出如水中火焰般的視覺效果(圖5)。

圖5 延伸實(shí)驗(yàn)1 (水中火焰)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖

(3) 延伸實(shí)驗(yàn)2 (瓶?jī)?nèi)噴泉)：取空的礦泉水瓶和兩根吸管，將兩根吸管分別插入混有堿性魯米諾的過氧化氫溶液和鐵氰化鉀溶液(圖6)。延伸實(shí)驗(yàn)2現(xiàn)象：通過擠壓瓶身形成氣壓差，兩份溶液會(huì)通過吸管吸入水瓶中，在瓶?jī)?nèi)形成發(fā)光噴泉。

圖6 延伸實(shí)驗(yàn)2 (瓶?jī)?nèi)噴泉)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖

(4) 志愿者在完成實(shí)驗(yàn)操作后向觀眾講解實(shí)驗(yàn)原理。

(5) 觀眾可在志愿者的陪同下操作兩個(gè)延伸實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于氨氣制備的魯米諾雙色熒光噴泉實(shí)驗(yàn)將氨氣噴泉和魯米諾熒光反應(yīng)結(jié)合起來(lái)，利用氨氣易溶于水以及魯米諾試劑遇鐵顯色的特性，使噴泉實(shí)驗(yàn)變得更加富有趣味性。在實(shí)驗(yàn)裝置方面，串聯(lián)兩個(gè)三頸燒瓶讓雙色熒光噴泉同時(shí)進(jìn)行，拉細(xì)形成噴泉的玻璃導(dǎo)管口，增長(zhǎng)形成噴泉噴涌的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的觀賞性。用針管轉(zhuǎn)移濃氨水，解決濃氨水參與實(shí)驗(yàn)的氣味問題，兩個(gè)位置的尾氣吸收裝置處理反應(yīng)過程中多余的氨氣。同時(shí)也向大眾科普了魯米諾試劑使肉眼不可見的血跡顯現(xiàn)，幫助刑偵案件的偵破工作。魯米諾還可以和其他熒光染料混合產(chǎn)生更多的顏色，為更豐富的噴泉制作提供理論依據(jù)。該科普實(shí)驗(yàn)原理清晰、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象有趣，不僅可以開拓學(xué)生的創(chuàng)造思維能力，也能讓學(xué)生在探索科學(xué)真理的道路上，感受化學(xué)世界的奇妙，提高學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，愛上科學(xué)。

4 特點(diǎn)/特色/創(chuàng)新性聲明

本科普實(shí)驗(yàn)易操作，揭開了懸疑劇中噴灑試劑顯色的謎底，巧妙運(yùn)用基礎(chǔ)化學(xué)中的實(shí)驗(yàn)原理，感受化學(xué)的魅力。

(1) 利用魯米諾加熒光染料呈現(xiàn)出不同顏色的熒光噴泉。

(2) 設(shè)計(jì)了一體化的雙噴泉裝置。

(3) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，有很強(qiáng)的科普性，可更好地走進(jìn)課堂，走進(jìn)生活。