化學(xué)無(wú)處不在

供稿|戴偉

內(nèi)容導(dǎo)讀

“汽水”如何瞬間華麗變身“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”？瓶子中的黃色液體為何能連續(xù)變色？本文首先介紹“玩科學(xué)”、“做科普”的重要性，筆者克服化學(xué)科普工作難題，突破傳統(tǒng)科普傳播方式，采用多種科普工作形式，使科普生動(dòng)有趣，接著對(duì)現(xiàn)場(chǎng)科普講座中常用化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)述，指出上述問(wèn)題的奧妙之處與化學(xué)的無(wú)處不在，最后強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識(shí)一直在發(fā)展變化，需要我們不斷去學(xué)習(xí)。

人類(lèi)最寶貴的品質(zhì)就是好奇，好奇是天生的，它不需要刻意創(chuàng)造和培養(yǎng)。因此我們要保護(hù)孩子們的好奇，讓他們利用好奇提問(wèn)題，這個(gè)很重要。但是很多父母認(rèn)為孩子老是在提問(wèn)題，他們厭煩回答，其實(shí)這是不對(duì)的?？茖W(xué)家愛(ài)因斯坦經(jīng)常強(qiáng)調(diào)提問(wèn)題的重要性，因?yàn)樗鼤?huì)培養(yǎng)孩子們的創(chuàng)造力和想象力，所以我們應(yīng)希望孩子多提問(wèn)題，而且可以通過(guò)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)他們提問(wèn)題。其實(shí)通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)不但能傳播科學(xué)知識(shí)，還能培養(yǎng)孩子們的其他技能，如遵守（實(shí)驗(yàn)）規(guī)則，對(duì)于獨(dú)生子女還可以安排2~3 個(gè)人共同完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)他們的合作能力。

很多科學(xué)家提到“玩”和“科學(xué)”的關(guān)系，牛頓就認(rèn)為他一輩子就是在“玩科學(xué)”（圖1）。好玩的背后是科學(xué)的思維。那么他們是如何“玩”的呢？他們不斷探索和觀察環(huán)境，這是科學(xué)的本質(zhì)。所以讓孩子們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)他們探索和觀察能力及科學(xué)思維。在“北京國(guó)際城市科學(xué)節(jié)”開(kāi)展的200 多個(gè)科普活動(dòng)中，我們的活動(dòng)點(diǎn)前排隊(duì)家長(zhǎng)最多，他們都認(rèn)為孩子很缺這樣的機(jī)會(huì)，不管要排多長(zhǎng)時(shí)間，都要讓他們的孩子做上化學(xué)實(shí)驗(yàn)，甚至有一位住在郊區(qū)的家長(zhǎng)因?yàn)樯弦荒昊顒?dòng)來(lái)晚了沒(méi)有進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，今年頭天晚上住在活動(dòng)地點(diǎn)旁邊的賓館，就為了保證他的孩子能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室?？梢?jiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)很受家長(zhǎng)及孩子的歡迎。

圖 1 牛頓“玩科學(xué)”

圖 2 硫酸酸化高錳酸鉀溶液反應(yīng)原理

圖 3 靛藍(lán)胭脂紅溶液變色過(guò)程

圖 4 瓶蓋試劑驗(yàn)證

圖 6 催化實(shí)驗(yàn)

圖 7 酸堿中和反應(yīng)

圖 8 生活中酸堿中和反應(yīng)

北京化工大學(xué)科普實(shí)驗(yàn)中心的老師都是本校的研究生志愿者，其中有一個(gè)老師第一次參加我們的實(shí)驗(yàn)是在小學(xué)五年級(jí)，當(dāng)時(shí)和我談了很久，后來(lái)他經(jīng)常來(lái)我的實(shí)驗(yàn)室，有時(shí)他在自己家里也做實(shí)驗(yàn)。上中學(xué)時(shí)，學(xué)校組織活動(dòng)，別的同學(xué)都是彈吉他和跳舞，他給同學(xué)們演示化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在上高中時(shí)，他加入我們的團(tuán)隊(duì)，他的講課水平不比研究生差，甚至比很多研究生講得都要好，高考時(shí)，他的化學(xué)是滿(mǎn)分，目前在天津大學(xué)化工專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)，可以說(shuō)他是我們科普中心最優(yōu)秀的畢業(yè)生。我們也希望能培養(yǎng)更多這樣的學(xué)生。

北京化工大學(xué)的科普實(shí)驗(yàn)基地有一個(gè)科普實(shí)驗(yàn)室，小學(xué)生、初中生、高中生都可以來(lái)這里跟我們一起做實(shí)驗(yàn)，我們也經(jīng)常去北京或者外地的學(xué)校實(shí)驗(yàn)室做演示實(shí)驗(yàn)。對(duì)于沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校，我們可以在操場(chǎng)，有幾張桌子和一群好奇的孩子，就可以做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且我們針對(duì)小學(xué)生使用日用品來(lái)做實(shí)驗(yàn)，因此也避免了安全問(wèn)題。當(dāng)然要出去給全國(guó)所有學(xué)生做化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)很難，所以我們?cè)诒本┗ご髮W(xué)成立了科學(xué)營(yíng)，希望全國(guó)的學(xué)生來(lái)這里做實(shí)驗(yàn)。疫情期間他們不能來(lái)，我們就把實(shí)驗(yàn)材料編成一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)包，把實(shí)驗(yàn)包寄給學(xué)生，讓他們?cè)诩依镒鰧?shí)驗(yàn)。我們拍了視頻教學(xué)生在家里如何做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們匯報(bào)他們?cè)诩依镒鰧?shí)驗(yàn)的情況，拍了很多照片和視頻發(fā)給我們，這說(shuō)明做實(shí)驗(yàn)有時(shí)不需要專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室。

我們經(jīng)常出去開(kāi)展講課并演示實(shí)驗(yàn)，在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)。目前除西藏（旅游去過(guò)，但沒(méi)講過(guò)課），全國(guó)其他省份我都去講過(guò)課，希望以后有機(jī)會(huì)去西藏講課。

一般我們不“講”科普，而是“做”科普；不“講”實(shí)驗(yàn)，而是“做”實(shí)驗(yàn)。面對(duì)一個(gè)科學(xué)現(xiàn)象，我們不能直接給出肯定或者否定的結(jié)論，而是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)去證明。我經(jīng)常給學(xué)生們演示紫色“汽水”變身“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”的實(shí)驗(yàn)。我們經(jīng)常說(shuō)汽水對(duì)身體有害，那么危害最大的物質(zhì)是什么，可能有人說(shuō)是CO2，有人說(shuō)是色素，其實(shí)這些都不是，而是具有甜味的糖，根據(jù)瓶子標(biāo)簽上描述每100 ml 汽水含有7 g 糖，那么對(duì)于一瓶600 ml 汽水，則含有42 g糖，這個(gè)含量是很高的。糖雖然溶于汽水，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也看不到顏色變化，但你可以通過(guò)甜味感覺(jué)到它的存在。糖過(guò)多攝入對(duì)身體十分有害，短期損壞牙齒，長(zhǎng)期容易誘發(fā)糖尿病、心臟病等疾病。然后我會(huì)現(xiàn)場(chǎng)啟發(fā)學(xué)生改喝水、奶、酸奶等健康飲品。一瓶偽裝成紫色葡萄味美年達(dá)“汽水”（硫酸酸化的高錳酸鉀溶液），向特制的杯子里倒入這個(gè)特制“汽水”，瞬間獲得“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”，在學(xué)生們的驚奇中，訓(xùn)練他們的觀察力，激發(fā)他們提出問(wèn)題。針對(duì)不同年級(jí)的學(xué)生科普的程度也不一樣，對(duì)于小學(xué)生可以告訴他們這個(gè)“汽水”其實(shí)是高錳酸鉀溶液，里面加入了硫酸，倒入的杯子里提前加入了一些試劑，在倒入時(shí)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。而對(duì)于高中生則可以告訴他們這里涉及氧化還原反應(yīng)、酸堿反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)（圖2），這些對(duì)于高中生理解記憶這些反應(yīng)方程式很有幫助。

還有一個(gè)我經(jīng)常演示的實(shí)驗(yàn)——“黃瓶子”。這是一瓶裝有半滿(mǎn)黃色液體（靛藍(lán)胭脂紅溶液）的瓶子，通過(guò)搖晃，瓶子里的液體從黃變紅，又從紅變綠（圖3），靜止一會(huì)又恢復(fù)成黃色?，F(xiàn)場(chǎng)在的學(xué)生就會(huì)感覺(jué)到很神奇。作為想成為科學(xué)家的學(xué)生們不禁提出問(wèn)題——這是為什么？

受到前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，學(xué)生們會(huì)認(rèn)為瓶蓋上有試劑，導(dǎo)致液體變色，那么我可以通過(guò)慢慢翻轉(zhuǎn)瓶子，讓瓶子里的液體接觸到瓶蓋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有變色，則證明瓶蓋沒(méi)有試劑（圖4）。到這里可以提醒瓶子里除了黃色液體還有空氣，是瓶子中液體與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使液體變色。通過(guò)將瓶子裝滿(mǎn)黃色液體，搖晃瓶子，液體不變色來(lái)證明。進(jìn)一步還可以通過(guò)向瓶子分別充氮?dú)?、CO2和氧氣證明液體其實(shí)是與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，并向高中生科普反應(yīng)原理（圖5）

對(duì)于化學(xué)中的催化實(shí)驗(yàn)，我使用硝酸鐵（Fe（NO3）3）溶液和硫代硫酸鈉（Na2S2O3）溶液來(lái)演示。分別取100 ml 硝酸鐵和硫代硫酸鈉溶液，將兩者溶液同時(shí)倒入同一個(gè)燒杯中，燒杯液體瞬間呈深紫色，靜止后紫色緩慢變淺甚至無(wú)色，但這個(gè)變無(wú)色的過(guò)程非常緩慢。其涉及的2 個(gè)反應(yīng)過(guò)程如下。

但是我向燒杯中添加硫酸銅（CuSO4）溶液，這個(gè)加入量很少，甚至僅5 滴，燒杯深紫色的溶液迅速變成近無(wú)色（圖6），說(shuō)明硫酸銅具有很好的催化效果。教科書(shū)中介紹催化劑使反應(yīng)速率變快，同時(shí)本身卻沒(méi)有發(fā)生任何變化，但是如何證明催化劑本身沒(méi)有任何變化呢？可以通過(guò)向變白的溶液中繼續(xù)分別倒入100 ml 硝酸鐵、硫代硫酸鈉溶液，發(fā)現(xiàn)燒杯中瞬間生成的深紫色溶液依然迅速變成近無(wú)色，從而證明硫酸銅沒(méi)有發(fā)生變化，繼續(xù)起催化作用，通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證教科書(shū)內(nèi)容，使同學(xué)們理解更容易、更直接，確信催化劑在催化反應(yīng)中不發(fā)生變化。

兩個(gè)無(wú)色液體混合實(shí)驗(yàn)也被我經(jīng)常演示。將一瓶無(wú)色液體（鹽酸與百里酚酞的混合液）向另一瓶無(wú)色液體（NaOH 溶液）中慢慢傾倒，被倒入無(wú)色液體的瓶中的液體瞬間變藍(lán)（圖7），隨著繼續(xù)倒入，瓶中液體藍(lán)色加深，最后又變成無(wú)色。這個(gè)現(xiàn)象是不是很神奇？其實(shí)它是一個(gè)酸堿中和反應(yīng)。作為酸堿指示劑的百里酚酞在鹽酸溶液中呈無(wú)色，在剛倒進(jìn)NaOH 溶液時(shí)，由于NaOH 含量多，溶液pH 值高，百里酚酞使溶液呈藍(lán)色，隨著倒入的鹽酸逐漸增多，與NaOH 發(fā)生中和反應(yīng)，最后過(guò)量的鹽酸使溶液呈酸性，此時(shí)百里酚酞又使溶液呈無(wú)色。酸堿中和反應(yīng)在生活很常見(jiàn)（圖8），例如胃酸分泌過(guò)多，需要吃堿性藥物（如復(fù)方氫氧化鋁片）來(lái)中和胃酸，使用堿性物質(zhì)（一般用石灰）對(duì)酸性土壤改良。化學(xué)與生活密切相關(guān)，化學(xué)無(wú)處不在。

我經(jīng)常跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)不能盲目地相信課本，也不能盲目地相信科學(xué)家寫(xiě)的文章。有人問(wèn)過(guò)著名期刊Nature 曾經(jīng)的主編John Maddox，在Nature 發(fā)表的文章中有百分之多少的內(nèi)容是錯(cuò)的？他怎么回答呢？他說(shuō)全都是（All of it）。為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)榭茖W(xué)是不斷發(fā)展的，會(huì)不斷有新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、新的理論模型和新的知識(shí)改變我們?cè)瓉?lái)所謂的“知識(shí)”，所以科學(xué)是不斷變化的。對(duì)于對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，要讓他們保持懷疑的態(tài)度，不盲目地相信課本和文章，看能否從中找到錯(cuò)誤并糾正，并持續(xù)給學(xué)生以啟發(fā)。如果我們現(xiàn)在的科學(xué)家什么都懂，什么都明白，那么學(xué)生還學(xué)習(xí)科學(xué)干什么呢？恰恰相反，現(xiàn)在很多科學(xué)還沒(méi)有完全定論，還需要不斷糾正，所以需要學(xué)生努力學(xué)習(xí)科學(xué)甚至變成科學(xué)家，在科學(xué)世界找到自己的位置，做出自己的貢獻(xiàn)。我們現(xiàn)在的科學(xué)家需要你們這些未來(lái)的科學(xué)家來(lái)糾正我們的錯(cuò)誤，補(bǔ)充我們的不足。因?yàn)榭茖W(xué)知識(shí)并不是一成不變，而是一直在變化。