双色流荧——基于氨气制备的鲁米诺双色荧光喷泉

张光亚，李杰，张涵，李素芝，陈淑敏

商丘师范学院化学化工学院，河南 商丘 476000

喷泉实验是高一化学有关氨的性质的一个演示实验，该实验基于氨气在水中的溶解度很大，在短时间内产生负压，利用大气压将烧杯内的液体压入烧瓶中，从而在导管口形成喷泉[1]。由于喷泉实验的趣味性强，直观效果好，现在已拓宽了教材中喷泉实验的范围，演变为一系列的喷泉实验。

通过查阅文献发现，很多喷泉实验都是对课堂演示实验加以改进(如：仪器改进、药品更换等)以提高实验成功率和增加观赏的趣味性。对此引出一系列思考：作为一个科普实验，它是否只能在实验室进行操作？面对不同年龄段的人群，该实验是否具有可操作性？根据实验原理进行演示，该实验是否能达到趣味化学、科普化学的效果？事实上，我们不难发现，基于氨气的性质营造压强差，推而广之，利用极易溶于水且密度比空气小的气体都可以达到相同的实验效果，当然，给予一定的外力或者抽出空气也可以改变压强[2,3]。此外，在喷泉的选择中，也可以构思多样、趣味、创新的想法，以达到科普实验激发兴趣、普及知识、创新思维的目的。

基于上述思考，我们设计出具有创新性、趣味性、简单易操作且现象直观惊艳的双色荧光喷泉实验[4,5]。本实验基于氨气极易溶于水的性质，在密闭容器中，氨气溶于水后气压降低和外界大气压形成压强差，从而形成喷泉。喷泉发光的主要因素是鲁米诺以及鲁米诺和其他荧光染料混合的效果。鲁米诺，又称发光氨，在碱性条件下遇氧化剂会发光，是常用的光化学试剂。此外，鲁米诺试剂(鲁米诺与过氧化氢的碱性混合溶液)可将在犯罪现场肉眼无法观察到的血液以蓝色荧光的形式显现出来，非常灵敏，即使极微量的血迹也可以被检测。其原理为：血液中含有血红蛋白，血红蛋白中含有铁离子，该离子能催化过氧化氢分解产生羟基自由基，该自由基可与鲁米诺反应产生发光现象[6,7]。实验室中常以铁氰化钾作为双氧水分解的催化剂，在碱性条件下鲁米诺与被铁离子催化的过氧化氢反应，以此产生蓝色荧光现象[8]。

在实验的过程中，发现将鲁米诺试剂加入含有不同染料的铁氰化钾的混合水溶液中，会呈现不同的颜色，选择罗丹明B和鲁米诺结合显现出红色荧光。综上，喷泉的双色荧光得以实现。

在装置上，利用倒置的三颈烧瓶作为喷泉的发生器，各玻璃仪器之间用橡胶管相连的玻璃导管进行连接，用止水夹作为阀门控制进气和进液。用凡士林将固体药品涂附在烧瓶底部和喷泉喷出的玻璃导管口处，三颈烧瓶的中间口用橡胶塞连接玻璃导管与液体试剂相接，达到一定压强差后让液体进入烧瓶，在导管口上端即产生荧光喷泉。对于氨气收集量的检验，我们设计了浸有酚酞溶液的棉球的干燥管，当看到棉球从上而下全部变红后，则说明氨气已经充满了整个装置。反应结束后，利用装有蒸馏水的锥形瓶装置进行防倒吸和吸收多余的氨气，符合绿色化学的要求。

本实验涉及浓氨水遇热挥发、氨气易溶于水、无色酚酞溶液在碱性条件下的变色反应和鲁米诺发光反应等多个化学原理，能够普及化学知识，引导大家进行实验探究和创新实验方案。实验过程中，在烧瓶内以喷泉的效果呈现双色流荧的现象，其趣味性能够激发出对化学的兴趣，同时解开了在犯罪现场喷洒试剂，使肉眼无法观察到的血液显色的疑惑，最终通过此次科普实验让受众进一步关注生活中的化学。

1 实验部分

1.1 实验原理

(1) 氢氧化钠固体溶于浓氨水时，会放出大量热量，从而浓氨水遇热挥发。

NH3·H2O → NH3+ H2O

(2) 氨气易溶于水，且与水反应生成碱性的一水合氨，酚酞溶液遇碱变红色。

NH3+ H2O → NH3·H2O

(3) 过氧化氢在铁离子的催化下分解放出氧气。

H2O2→ H2+ O2

(4) 鲁米诺，化学名称为3-氨基邻苯二甲酰肼，在碱性条件下与被铁离子催化过氧化氢产生的羟基自由基反应，生成一个偶氮化合物，该化合物和过氧氢根离子反应，生成一个环状有机过氧化物，然后开环得到激发态的3-氨基邻苯二甲酸，激发态分子不稳定，在回到基态的过程中释放能量，能量以光子的形式释放，其发光波长位于可见光的蓝光区域，从而发出蓝色荧光(图1)。

(5) 荧光染料(能发出荧光的染料)在吸收紫外线或可见光后，能把短波长的光转变为波长较长的可见光波反射出来，呈闪亮的鲜艳色彩。例如，酸性曙红、荧光黄、红汞以及某些分散染料等。它们大多是含有苯环或杂环并带有共轭双键的化合物。

荧光染料可以单独使用，也可以组合成复合荧光染料使用。其中复合荧光染料是利用荧光共振能量转移原理实现荧光发射的染料，由距离非常近、能量可以在彼此间传递的一组(含供体及受体)荧光分子所组成(图2)。

图2 荧光共振能量转移原理示意图

1.2 试剂和仪器

试剂：鲁米诺、氢氧化钠、铁氰化钾、过氧化氢(30%)、浓氨水(25%)、碱石灰、酚酞、凡士林、罗丹明B、荧光紫、荧光绿、荧光大红，均为分析纯(AR)试剂。

仪器：铁架台、三颈烧瓶、锥形瓶、直型玻璃导管、钝角玻璃导管、T型管、干燥管、烧杯、玻璃棒、量筒、短颈玻璃漏斗、针管注射器、止水夹、石英研钵、胶头滴管、药匙、橡胶塞、橡胶管、表面皿、脱脂棉、电子天平、磁力搅拌器。

1.3 实验步骤和现象

(1) 鲁米诺试剂的配制：首先配制500 mL 0.20 mol·L-1的NaOH溶液，再加入0.4 g鲁米诺黄色粉末，使其搅拌溶解，最后加入6 mL 30% H2O2。把500 mL鲁米诺试剂均分在两个500 mL烧杯中，备用。

(2) 发光喷泉反应器的制备：选取两个500 mL三颈烧瓶，两根玻璃导管，酒精喷灯烧拉处理玻璃导管，使其一端端口呈尖口型；接着，称取两份铁氰化钾固体各2.0 g，并研磨成粉末，其中一份在研磨过程中加入适量罗丹明B，用凡士林把两种粉末分别涂附在两个三颈烧瓶底部和“尖口”玻璃导管口处；最后，玻璃导管尖口端从三颈烧瓶的中间口插入至烧瓶中部，用橡胶塞和三颈烧瓶固定在一起。最后分别在两个橡胶塞上插入注射器针头。

(3) 氨气发生装置：称取10.0 g NaOH固体倒入锥形瓶中，瓶口用橡胶塞密封，同时把注射器针头插入橡胶塞中。取用一只干燥管中加入适量碱石灰，备用。

(4) 尾气吸收装置：在锥形瓶中倒入适量蒸馏水(不超过锥形瓶2/3)，橡胶塞固定一玻璃导管，玻璃导管口插入至锥形瓶上端。

(5) 验满及尾气吸收装置：把蘸有酚酞溶液的棉球装入干燥管中，通过橡胶管把干燥管和短颈漏斗相连接。

(6) 搭建装置：首先，把两个喷泉发生装置——三颈烧瓶固定在铁架台上，利用玻璃导管和橡皮管串联接通，形成闭合通路；然后氨气发生装置通过玻璃导管和装有碱石灰的干燥管连接，通过T型管和尾气吸收装置相连；最后，在装置的最右端连接验满及尾气吸收装置，把倒置的短颈漏斗放入盛有蒸馏水的烧杯中(蒸馏水没过漏斗口处即可)；再通过玻璃导管连接三颈烧瓶和鲁米诺试剂，最后吸取9–10 mL蒸馏水的注射器连接针头(图3)。

图3 实验装置图

(7) 实验过程：先关闭a、b、c，用注射器吸取7–8 mL浓氨水，然后通过针头将浓氨水缓慢注入氨气发生装置的锥形瓶中，盛有氢氧化钠的锥形瓶和倒置的漏斗不断有气泡冒出，待蘸有酚酞和水的棉球由上而下完全变红后，打开a，关闭d、e、f，用注射器快速向烧瓶中注入7–8 mL蒸馏水，打开b、c。

(8) 实验现象：将水注入烧瓶中后，装置内的氨气溶于水，形成了气压差，打开b、c后，鲁米诺试剂会在大约30 s后通过玻璃导管进入烧瓶中，涂附有铁氰化钾的烧瓶中产生蓝色荧光的喷泉，涂附有铁氰化钾和罗丹明B的烧瓶中产生红色荧光的喷泉(图4)。

图4 双色喷泉实验现象图

本实验的喷泉发生装置导管采用经处理过(酒精喷灯烧制)的尖型玻璃导管，整个实验现象平稳，喷泉效果柔和稳定，持续时间为30 s左右。双色流荧，喷涌而上，顺流而下，有击空明兮朔流光之意，有很好的观赏效果。

2 科普展示和互动方案

展示地点：空气流动性强的场所。

展示人群：中小学生、市民群众。

展示方式：进行演示实验和延伸实验的展示、志愿者讲解和观众互动。

前期准备：招募志愿者；对志愿者进行培训，并分组(分为实验操作人员和讲解人员)；准备实验展示器材和试剂；布置展示场地。

展示内容：

(1) 演示实验：双色流荧——基于氨气制备的鲁米诺双色荧光喷泉。

(2) 延伸实验1 (水中火焰)：取若干个相同规格的烧杯，并在不同烧杯中加入铁氰化钾溶液和适量各种染色颜料，分别用胶头滴管滴加鲁米诺试剂(图5)。延伸实验1现象：添加不同荧光染料的烧杯中在滴加溶液后呈现出不同颜色的荧光，呈现出如水中火焰般的视觉效果(图5)。

图5 延伸实验1 (水中火焰)实验现象图

(3) 延伸实验2 (瓶内喷泉)：取空的矿泉水瓶和两根吸管，将两根吸管分别插入混有碱性鲁米诺的过氧化氢溶液和铁氰化钾溶液(图6)。延伸实验2现象：通过挤压瓶身形成气压差，两份溶液会通过吸管吸入水瓶中，在瓶内形成发光喷泉。

图6 延伸实验2 (瓶内喷泉)实验现象图

(4) 志愿者在完成实验操作后向观众讲解实验原理。

(5) 观众可在志愿者的陪同下操作两个延伸实验。

3 结语

基于氨气制备的鲁米诺双色荧光喷泉实验将氨气喷泉和鲁米诺荧光反应结合起来，利用氨气易溶于水以及鲁米诺试剂遇铁显色的特性，使喷泉实验变得更加富有趣味性。在实验装置方面，串联两个三颈烧瓶让双色荧光喷泉同时进行，拉细形成喷泉的玻璃导管口，增长形成喷泉喷涌的时间，提高实验的观赏性。用针管转移浓氨水，解决浓氨水参与实验的气味问题，两个位置的尾气吸收装置处理反应过程中多余的氨气。同时也向大众科普了鲁米诺试剂使肉眼不可见的血迹显现，帮助刑侦案件的侦破工作。鲁米诺还可以和其他荧光染料混合产生更多的颜色，为更丰富的喷泉制作提供理论依据。该科普实验原理清晰、操作简单、现象有趣，不仅可以开拓学生的创造思维能力，也能让学生在探索科学真理的道路上，感受化学世界的奇妙，提高学习化学的兴趣，爱上科学。

4 特点/特色/创新性声明

本科普实验易操作，揭开了悬疑剧中喷洒试剂显色的谜底，巧妙运用基础化学中的实验原理，感受化学的魅力。

(1) 利用鲁米诺加荧光染料呈现出不同颜色的荧光喷泉。

(2) 设计了一体化的双喷泉装置。

(3) 实验现象明显，有很强的科普性，可更好地走进课堂，走进生活。