苗金玲,何 畏,崔 玉,顏 梅
(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,化學(xué)工業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)的化學(xué)工業(yè)貢獻(xiàn)占全國(guó)總GDP的20%以上,是我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè),關(guān)系國(guó)家穩(wěn)定,具有戰(zhàn)略意義[1]。但由于專業(yè)人員不足、技術(shù)不過(guò)關(guān)、從業(yè)者安全意識(shí)淡薄等原因,導(dǎo)致廢棄物違規(guī)排放、廠房爆炸、化學(xué)品泄漏、食品污染等事件時(shí)有發(fā)生,加上新聞媒體的報(bào)道和影視作品的宣傳,導(dǎo)致普通大眾談到化學(xué)和化學(xué)品,第一反應(yīng)就是“危險(xiǎn)”和“污染”。這導(dǎo)致立志報(bào)考化學(xué)化工相關(guān)專業(yè)的學(xué)生數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[1],其后果是加劇了化工專業(yè)從業(yè)人員的短缺?;瘜W(xué)是把雙刃劍,有“壞”的一面,更有“好”的一面。如果沒有化肥,世界上將有一半的人面臨饑餓;如果沒有農(nóng)藥,糧食將減產(chǎn)1/3[2];如果沒有化學(xué)合成布料,世界上將有大批人無(wú)衣可穿;如果沒有合成藥物,很多疾病都無(wú)藥可醫(yī)。讓普通大眾認(rèn)識(shí)化學(xué)的“好”,愿意選擇化學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí),促進(jìn)我國(guó)化工產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展,是亟待解決的問(wèn)題。
化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是五顏六色的,像極了繪畫顏料;化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,特別是伴隨顏色改變的反應(yīng)過(guò)程就像在變魔術(shù)[3-5]。將化學(xué)反應(yīng)與繪畫相結(jié)合,將創(chuàng)造出獨(dú)特的美術(shù)作品,并呈現(xiàn)魔術(shù)般的效果,無(wú)疑是有趣的、吸引人的。鑒于此,我們開發(fā)了系列紙上有色化學(xué)反應(yīng),利用繪畫的形式呈現(xiàn)。為了制造視覺沖擊,我們選擇產(chǎn)物與反應(yīng)物顏色具有明顯差別的反應(yīng)作為紙上反應(yīng),液體吸收能力強(qiáng)的濾紙作為呈現(xiàn)材料,中國(guó)特色毛筆作為繪畫工具。這些實(shí)驗(yàn)材料易得、用料少,反應(yīng)原理簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、易操作,會(huì)讓大眾在趣味作畫的同時(shí),認(rèn)識(shí)到化學(xué)的“美好”。
試劑:酚酞(化學(xué)純);甲基橙(化學(xué)純);NiSO4·7H2O(分析純);MgSO4(分析純);KSCN(分析純);(NH4)2Fe(SO4)2(分析純);FeCl3(分析純);鄰二氮菲(化學(xué)純);Na2CO3(分析純);HAc(36%,分析純);丁二酮肟(分析純);鉻黑T(分析純);K4[Fe(CN)6]·3H2O(分析純);K3[Fe(CN)6]。
材料:燒杯;濾紙;培養(yǎng)皿;表面皿;滴管;毛筆;調(diào)色盤。
(1)酚酞溶液
稱取0.2 g酚酞溶于100 mL 95%乙醇中,得6 mmol·L-1無(wú)色酚酞溶液。
(2)甲基橙溶液,
稱取甲基橙0.1 g溶于100 mL 95%乙醇中,加入 0.1 g Na2CO3, 使溶液為堿性,得3 mmol·L-1黃色甲基橙溶液。
(3)NiSO4溶液
稱取7.0 g NiSO4·7H2O溶于10 mL蒸餾水中,得0.5 mol·L-1綠色硫酸鎳溶液。
(4)MgSO4溶液
稱取6.0 g硫酸鎂溶于50 mL蒸餾水,得1 mol·L-1無(wú)色硫酸鎂溶液。
(5)KSCN溶液
稱取0.5 g硫氰酸鉀溶于50 mL蒸餾水,得0.1 mol·L-1無(wú)色硫氰酸鉀液。
(6)(NH4)2Fe(SO4)2溶液
稱取12 g硫酸亞鐵銨(摩爾鹽)溶于60 mL蒸餾水,得0.5 mol·L-1無(wú)色硫酸亞鐵銨溶液。
(7)FeCl3溶液
稱取1.0 g氯化鐵溶于60 mL蒸餾水中,得0.1 mol·L-1橙黃色氯化鐵溶液,轉(zhuǎn)入試劑瓶備用。
(8)鄰二氮菲溶液
稱取0.1 g鄰二氮菲溶于50 mL的95%乙醇中,配成0.01 mol·L-1無(wú)色鄰二氮菲溶液,轉(zhuǎn)入試劑瓶備用。
(1)飽和Na2CO3溶液
稱取4 g Na2CO3溶于50 mL蒸餾水中,得無(wú)色飽和Na2CO3溶液。
(2)HAc溶液
取36%的醋酸10 mL,加入10 mL蒸餾水,攪拌,得3 mol·L-1無(wú)色醋酸溶液。
(3)丁二酮肟溶液
稱取0.1 g丁二酮肟,溶于10 mL 95%乙醇中,配成0.09 mol·L-1丁二酮肟無(wú)色溶液。
(4)鉻黑T溶液
稱取0.1 g 鉻黑T,溶于三乙醇氨和無(wú)水乙醇的30 mL 混合溶液(1:5, V:V)中,配成7 mmol·L-1純藍(lán)色溶液,轉(zhuǎn)入試劑瓶備用。
(5)K4[Fe(CN)6]溶液
稱取0.8 g K4[Fe(CN)6]·3H2O,溶于20 mL蒸餾水中,得0.1 mol·L-1淺黃色K4[Fe(CN)6]溶液。
(6)K3[Fe(CN)6]溶液
稱取0.7 g K3[Fe(CN)6],溶于20 mL蒸餾水中,得到0.1 mol·L-1橙色K3[Fe(CN)6]溶液。
1.4.1 畫紙的制備過(guò)程
如圖1所示,將濾紙放入合適大小的玻璃培養(yǎng)皿中,倒入畫紙制備液,使液面沒過(guò)濾紙,浸泡2 min。將濾紙取出,放在表面皿上自然晾干,即制得畫紙,收集到自封袋中備用。大眾如果沒有燒杯、培養(yǎng)皿和表面皿這些專業(yè)器皿,可以用一次性塑料杯和塑料盤代替。
圖1 畫紙的制備過(guò)程
1.4.2 繪畫過(guò)程
將繪畫顏料滴入塑料調(diào)色盤中,用毛筆蘸取顏料在畫紙上繪制自己喜歡的畫作,根據(jù)不同的反應(yīng)原理,畫作呈現(xiàn)不同的顏色改變。
為了呈現(xiàn)最佳畫作效果,我們通過(guò)多次嘗試,確定了實(shí)驗(yàn)部分所呈現(xiàn)的畫紙的制備液與繪畫顏料的最佳濃度,并在一些細(xì)節(jié)問(wèn)題上都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),如酚酞畫紙的繪畫顏料,需要堿性溶液,在眾多的堿性物質(zhì)中,我們選擇了腐蝕性較小又易得的碳酸鈉;甲基橙畫紙的繪畫顏料,需要酸性溶液,為安全和節(jié)約成本考慮,我們選擇了醋酸。
表1 畫紙上的相關(guān)反應(yīng)原料和反應(yīng)
通過(guò)實(shí)驗(yàn),我們共制作了八種畫紙,除了甲基橙畫紙的顏色為橙色外,其它畫紙的顏色都很淺,甚至是純白色。繪畫顏料也有對(duì)應(yīng)的八種,包括單獨(dú)配制的六種顏料、制備畫紙用的FeCl3溶液和鄰二氮菲溶液。繪畫的過(guò)程中,顏料和畫紙中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),呈現(xiàn)出反應(yīng)產(chǎn)物的顏色。我們選擇的反應(yīng),產(chǎn)物的顏色和畫紙及顏料的顏色具有明顯差別,可造成較強(qiáng)視覺沖擊。
表1列出畫紙上反應(yīng)原料和相關(guān)反應(yīng),以及各物質(zhì)的顏色。酚酞是酸堿滴定中常用的指示劑,它在酸性溶液中呈現(xiàn)無(wú)色,但在堿性溶液中呈現(xiàn)艷麗的紫紅色,酚酞畫紙上的反應(yīng)就是利用了酚酞在堿性條件下的變色反應(yīng)。甲基橙是酸堿滴定中另一種常用指示劑,與酚酞不同,它在酸性條件下為紅色,但堿性條件下為黃色。為呈現(xiàn)畫紙的黃色效果,我們?cè)诩谆戎苽湟褐屑尤肓松倭刻妓徕c。因此,用醋酸繪畫時(shí)可呈現(xiàn)較明顯的顏色改變。硫酸鎳畫紙的顏色改變利用的是硫酸鎳與丁二酮肟反應(yīng)生成紅色的二丁二酮肟合鎳(II)配合物。硫酸鎂畫紙的創(chuàng)作靈感來(lái)源于配位滴定。鉻黑T是常用的配位滴定劑,與鎂離子發(fā)生配位反應(yīng)生成酒紅色的配合物。鉻黑T是較深的藍(lán)色,用它制作畫紙,顏色較暗,不利于顏色的觀察,因此我們用硫酸鎂制作了無(wú)色的畫紙,用鉻黑T做顏料,呈現(xiàn)紅色效果。硫氰酸鉀畫紙利用的是Fe(III)離子與硫氰酸根的配位反應(yīng),配合物為血紅色,呈現(xiàn)在紙上是紅棕色。摩爾鹽畫紙的繪畫顏料有兩種,一種是K3[Fe(CN)6],俗稱赤血鹽,摩爾鹽中的Fe(II)替換赤血鹽中的K+鉀離子生成藍(lán)色的Fe3[Fe(CN)6]2,因此畫作呈現(xiàn)藍(lán)色;另一種顏料是鄰二氮菲,鄰二氮菲常用于比色法測(cè)微量鐵,我們的靈感也來(lái)源于此,利用的是鄰二氮菲與Fe(II)離子生成橙色配合物的反應(yīng)。氯化鐵畫紙的繪畫顏料也有兩種,一種是K4[Fe(CN)6],俗稱黃血鹽,K+離子被畫紙中 Fe(III)替換后,生成普魯士藍(lán)Fe4[Fe(CN)6]3,呈現(xiàn)純藍(lán)色;另一種顏料是硫氰酸鉀,反應(yīng)與硫氰酸鉀畫紙上的反應(yīng)相同。鄰二氮菲畫紙上的顏色呈現(xiàn)的是三鄰二氮菲合鐵(II)配合物的橙紅色。
圖2 單色作品
利用我們創(chuàng)作的畫紙和配制的顏料,可以創(chuàng)作如圖2所示的單色畫,對(duì)于有兩種繪畫顏料的畫紙,也可以創(chuàng)作較為復(fù)雜的雙色畫,如圖3所示。畫作可以根據(jù)自己的喜好創(chuàng)作,不需要具備美術(shù)功底。當(dāng)然如果有美術(shù)功底,魔術(shù)般的效果會(huì)呈現(xiàn)的更加完美。
圖3 雙色作品
本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容適合向非化學(xué)專業(yè)人群,特別是中小學(xué)生,甚至是幼兒園小朋友展示。我們嘗試通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和網(wǎng)絡(luò)兩種方式向大眾展示了我們的實(shí)驗(yàn)。我們攜酚酞畫紙走進(jìn)了校附屬幼兒園和中小學(xué),活動(dòng)過(guò)程中,首先進(jìn)行科普知識(shí)講解和實(shí)驗(yàn)演示,然后開展“比比誰(shuí)的畫作更美、更有創(chuàng)意”的活動(dòng),邀請(qǐng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)繪畫,并以小份繪畫材料作為贈(zèng)品,讓學(xué)習(xí)帶回家,目的是讓其展示給更多的人?,F(xiàn)場(chǎng)學(xué)生響應(yīng)積極,提出各種感興趣的問(wèn)題,畫作各有特色?;顒?dòng)后問(wèn)卷結(jié)果顯示90%以上的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)很有趣,希望有更多的類似活動(dòng)走進(jìn)校園,有95%的中學(xué)生希望參觀大學(xué)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)化學(xué)有更多認(rèn)識(shí)。另外,現(xiàn)在是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代,人們習(xí)慣了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取信息,因此我們也將實(shí)驗(yàn)過(guò)程制成視頻,通過(guò)視頻平臺(tái)發(fā)布,希望更多人關(guān)注化學(xué)的美好。
通過(guò)繪畫的形式向人們展示絢麗多彩的魔術(shù)般的化學(xué)反應(yīng),人們?cè)谛蕾p和體驗(yàn)繪畫創(chuàng)作的同時(shí),對(duì)化學(xué)有了新的認(rèn)識(shí),體會(huì)到化學(xué)的“好”的一面。我們努力向公眾展示化學(xué)的有趣和“美好”,以促進(jìn)公眾扭轉(zhuǎn)對(duì)化學(xué)和化工產(chǎn)業(yè)的不良印象,進(jìn)而愿意關(guān)注化學(xué)化工,選擇報(bào)考化學(xué)相關(guān)專業(yè),從而滿足化工產(chǎn)業(yè)對(duì)專業(yè)人才的需求,使化工產(chǎn)業(yè)進(jìn)入良性發(fā)展。