利用延时摄影技术观察铜铁置换反应

李娟　凌一洲　李德前

摘要： 以“铜铁置换反应实验”的可视化改进为例，用智能手机的延时摄影功能录制48小时的反应过程，并压缩成96秒的视频，使化学反应的完整过程清晰直观地呈现。延时摄影技术为实验者提供了更感性的体验和更丰富的直观材料，适合应用于化学实验教学。

关键词： 延时摄影; 铜铁置换反应; 可视化; 实验改进

文章编号： 10056629（2019）10006703中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 过程可视化的概念与作用

“可视化”是指利用一系列方法，让原本不可见的事物可以被看见。化学实验中的“过程可视化”是指通过某些技术方法的改进，让原本不便于观察的化学反应过程易于观察。

大部分化学反应的速率都较快，其过程本身就易于观察。但仍然有部分反应速率非常缓慢，长达几十分钟、几小时甚至几天，耗时过长不便于实验者直观地感受反应的全过程。一方面，受到现实条件的限制，实验者无法长时间地集中精力，连续地观察现象;另一方面，由于化学反应速率缓慢，许多变化都在不知不觉中发生，即使实验者连续地观察也很难辨识。例如，溶液的蒸发结晶过程非常缓慢，实验者往往只能观察到结晶的结果和几个孤立的片段;又如，金属与酸反应的传统实验中，虽然生成气体的过程迅速而明显，但金属体积减小的过程却非常缓慢，难以察觉。

因此，化学实验的过程可视化就是利用延时摄影（或高速摄影）等技术手段，把时间跨度太长（或太短）的反应过程压缩（或延长）成几秒或几十秒，把过于缓慢（或快速）的反应进程快进（或慢放）成便于肉眼识别的速率。

2 延时摄影技术的研究概述

延时摄影（Timelapse photography）又称缩时摄影，是以一种将时间压缩的拍摄技术。延时摄影通常应用于拍摄城市风光、自然风景、天文现象、城市生活、建筑制造、生物演变等题材上[1]。近年来也出现于物理、生物实验教学中，例如李中原[2]等利用延时摄影技术拍摄缓慢的渗透作用实验，王蕾[3]用延时摄影技术观察气体（固体）的扩散现象。在化学领域，“美丽科学”团队用高清摄像机创作的《美丽化学》《重现化学》系列影片都利用了延时摄影技术，通过影像的快速变化创造出强烈的视觉冲击。但是，尚未有文献介绍适合中学化学实验教学应用的延时摄影的具体方法。

应用在中学化学实验教学中时，出于控制成本、降低难度的需要，延时摄影适合用师生自己的智能手机完成，既可以用手机自带的摄影功能拍摄，也可以用“Lapse It”等免费软件拍摄。根据化学反应速率和实验者观察需求的不同，需要自行设置不同的参数，其计算式为：

式中： 视频时长（秒）为最终呈现视频的时长;录像时长（秒）为录制化学反应全过程所需的时间，需要实验者预估;各帧间隔时间（秒/帧）为摄像机每拍1帧所间隔的时间，需要实验者事先设定;视频帧速率（帧/秒）为最终视频每秒播放的帧数，它决定了最终视频的流畅度，通常为系统默认的20、 24或30帧/秒。

例如，预计某化学反应共需48小时（录像时长172800秒），实验者希望把该过程压缩到1.6分钟来观看（视频时长96秒），采用系统默认流畅度（视频帧率30帧/秒），通过计算可知，应该设置各帧间隔时间为60秒/帧。

3 延时摄影技术的实验应用

本文以“铜铁置换反应实验”为例，介绍延时摄影技术在化学实验教学中的应用。

3.1 实验背景

传统的铜铁置换反应实验的操作是： 把铁钉放入盛有硫酸铜溶液的试管中，由实验者手持试管，用肉眼直接观察。该方法通常能观察到铁钉表面淡淡地附着了一层红色固体，但仍然存在以下不足： ①铜铁置换反应是一个缓慢的过程，几分钟的实验仅仅能呈现反应初期的现象，而非完整过程;②生成金属铜的量很少，其细节形态无法观察;③生成的硫酸亚铁溶液颜色非常浅，且容易被氧化，很难观察到浅绿色[4];④无法证明反应构成了铜铁原电池。为解决上述问题，本文用延时摄影的技术改进实验，实现化学反应过程的可视化。

3.2 实验用品

试剂和仪器： 硫酸铜、铁块、透明塑料瓶或玻璃瓶（20～30mL）、滴管（注： 铁块呈阶梯轴形，细端能够伸入瓶口而粗端不能，如图1所示。如果没有形状合适的铁块，可以在柱状铁块一端缠绕胶带自制，亦可用合适大小的铁质粗螺栓代替。）

3.3 实验步骤

（1） 在塑料瓶底部鋪一层硫酸铜粉末，并加入饱和硫酸铜溶液至接近瓶口。把塑料瓶放在远离扰动的桌面上，调整光线背景。

（2） 把智能手机安装在三脚架上，摄像头对焦塑料瓶（见图2）。预测录像时间为48小时，为防止录像中断，把手机设置为飞行模式，关闭闹钟，连接充电器。

（3） 打开延时摄影软件，通过计算，设置各帧间隔时间为60秒/帧（视频帧速率为默认的30帧/秒）。把铁块倒扣于塑料瓶口（开始反应），同时开始录像。

（4） 48小时后结束录像（亦可根据反应实际进程提前或延期结束）。延时摄影技术自动把48小时的过程压缩成1.6分钟。

3.4 实验结果与讨论

延时摄影技术在视觉上相当于把化学反应速率“加快”了1800倍，使动态变化过程清晰可见。观看视频可知，本次铜铁置换反应大致经历了表1的几个过程。

3.5 实验拓展

上述的改进实验以水作为反应介质，生成的金属铜容易受到气泡的扰动而脱落。如果用琼脂凝胶代替水作为介质，就能使金属铜的生长环境更加坚韧，有时可以持续稳定地向下延伸（见图3），直至把底部的硫酸铜固体全部消耗，与钟乳石的生长过程类似。在凝胶中的置换反应更加缓慢，需要3～4天的时间。

4 延时摄影技术的应用优势

4.1 更感性的体验

传统的教师演示只允许学生粗略地浏览现象，学生对化学实验缺少感性认识。延时摄影技术的改进实现了化学反应过程的可视化，通过时间的变幻创造强烈的视觉冲击，给予学生崭新的视觉体验，有利于激发学生学习兴趣和探究热情。

4.2 更丰富的直观材料

在传统实验中，学生凭借肉眼观察，获得的信息非常有限。经过延时摄影技术的改进，学生可以获得更丰富的直观材料，为分析、解释实验提供支持;同时，延时摄影技术也为学生的探究活动提供了获得证据的方法[5]。例如，经过改进的铜铁置换实验可以直接证明原电池的存在： 铜铁置换反应的本质是铜离子与铁原子的氧化还原反应，而铜离子（分界面下方）与铁块（分界面上方）不直接接触，如果不存在原电池，电子的转移就无法发生，反应就不可能进行。因此，延时摄影技术拍摄的实验结果直接证明了反应体系必须构成原电池，以金属铜作为导线传递电子。

参考文献：

[1]构图君. 慢门、 延时、 夜景摄影从入门到精通[M]. 北京： 清华大学出版社， 2018： 193～194.

[2]李中原， 董婉莹， 柳丹. 用蛋白质钠盐溶液代替蔗糖溶液对渗透装置进行改良[J]. 中学生物教学， 2018， （Z1）： 79～80.

[3]王蕾. 智能手机拍摄功能在物理课堂教学中的应用[J]. 物理教师， 2018， 39（4）： 69～71.

[4]李德前， 魏海， 张羿. 用铁丝绒做“Fe与CuSO4溶液反应”的实验[J]. 化学教学， 2018， （11）： 78～80.

[5]李德前， 魏海， 李伟等. 从化学实验创新谈培养师生的科学精神[J]. 化学教学， 2018， （4）： 65～68， 77.