冬奥主题创新科普实验

荆琪，张芯瑶，高青原，王文云，冯清，刘敏,＊，袁红玲,＊

1华中科技大学生命科学与技术学院，武汉 430074

2华中科技大学化学与化工学院，武汉 430074

1 引言

科学普及是实现我国未来创新发展的两翼之一，与科技创新具有同等重要的位置[1]。化学作为一门基础学科，与人类日常生活有着密切的联系，其中化学科普实验更是有着科学有趣、贴近生活的特点，它对于青少年的科学启蒙、科学普及和科学素养培养有着重要的意义和作用。2022年2月北京与奥林匹克再次相约，向世界呈现了一场精彩绝伦、安全绿色的冰雪盛会。其中一项项新技术、新产品在赛场内外大放异彩，处处彰显出科技的力量，也点燃了人们对冰雪世界的热情和向往。为了更有效地促进化学知识的传播普及，我们以冬奥为契机，创新性地将冬奥场景元素与化学实验进行了有机融合，构建了一系列以冬奥为主题的趣味科普实验，期望在潜移默化中实现冬奥精神与科学知识的传播。

我们以医学基础化学实验[2]教材为基础，选取其中部分实验项目进行了设计改造，具体内容包括：(1) 模拟人造雪场；(2) 果蔬中天然色素以及合成配位化合物模拟制作奥运五环；(3) 人造锡树大雪花；(4) 双色荧光奥运火炬模拟制造，再现奥运开幕式场景。本系列科普实验具有趣味性、科学性和易操作性等特点。一方面，针对不同知识层次对象的心理特征，采用梯度化、模块化的设计，以期最大化实现科普价值。另一方面，通过主题性的系列实验设计，从无机化学、有机化学、高分子材料、分析化学及精细化工等不同角度，向公众呈现化学之美、化学之趣，从而有效地促进公众科学素养的提升。

2 实验部分

2.1 实验原理

2.1.1 人造雪场

聚丙烯酸钠是一种白色的新型功能高分子材料，分子链中含有大量的强亲水基团(-COONa，见图1)，具有很强的吸湿性。聚丙烯酸钠遇水后[3]，可移动的钠离子与水相互作用，离开了高分子离子链，仅剩下带负电荷的羧酸根离子。在同性电荷间的相互排斥力作用下，原聚合物结构由相互缠绕状态逐渐伸展(或溶胀)开来，从而在网络结构内外产生渗透压，使水分子以渗透方式向网络结构不断扩散，聚合物的体积也随之快速膨胀，外表变得晶莹剔透、松软似雪。

图1 聚丙烯酸钠三维结构模型

2.1.2 奥运五环制作

缤纷的色彩总能给人们的生活带来赏心悦目的观感，这些美丽的颜色大多来自天然色素、染料、颜料和合成的配位化合物等化学物质，其背后蕴含着深刻的化学原理，非常适合用作向公众进行化学科普的载体[4]。我们通过天然色素制取和配位化合物合成两种途径，来分别获得红、黄、绿、蓝和黑色五种颜色溶液，然后以聚丙烯酸钠为载体复刻奥运五环。

2.1.2.1 奥运五环之亲子乐园——天然色素

天然色素的种类众多(图2)，在大自然中来源广泛。番茄红素是成熟番茄中存在的一种类胡萝卜素，也是一种红色素。属于直链型不饱和碳氢化合物，具有很强的抗氧化功能。β-胡萝卜素是具有长链结构的共轭多烯，同时也是一种橘黄色脂溶性化合物，具有维生素A的生理活性，其结构是两分子维生素A在链端失去两分子水结合而成。叶绿素是菠菜中含量最为丰富的天然色素，是一种脂溶性色素，其分子结构由卟啉环与镁原子配位形成。叶绿素有叶绿素a和叶绿素b两种结构形式，都是植物进行光合作用所必需的催化剂，其差别仅是a中一个甲基被b中的甲酰基所取代。紫甘蓝中含有花青素，花青素是自然界广泛存在于植物中的一类水溶性天然色素，属类黄酮化合物。花青素存在于植物细胞的液泡中，可由叶绿素转化而来。花青素在不同pH下的水溶液中会发生结构转化，因而呈现不同的颜色，其中在弱碱性(pH约为8.3)条件下为蓝色[5]。

图2 天然色素结构

2.1.2.2 奥运五环之化学调色盘——配位化合物

过渡金属离子形成的配位化合物常呈现出一定的颜色，这是因为大多数过渡金属离子具有未充满的d轨道，他们在配体负电场作用下发生能级分裂，处于低能级的d电子选择性吸收与分裂能相当的某一波长光子后，从低能级d轨道迁到高能级d轨道，从而使配位化合物呈现被吸收光的互补色[6]。本实验采用配位化合物[2]的反应方程式及结构式见图3。

图3 配位化合物的合成(a)和单宁酸铁结构式(b)

2.1.3 人造锡树大雪花[2]

实验应用了氧化还原反应原理，具体反应为：Zn + SnCl2= ZnCl2+ Sn。从电极电位的数值来看，氧化还原反应的反应条件是氧化剂电对的电位大于还原剂电对的电位。由于φӨ(Zn2+/Zn) = -0.763 V，φӨ(Sn2+/Sn) = -0.136 V，EӨ=φӨ(Sn2+/Sn) -φӨ(Zn2+/Zn) = 0.627 V，一般认为，当n= 2，EӨ＞ 0.2 V时，氧化还原反应平衡常数已相当大，反应可以进行比较完全[6]。因此，锌可置换锡盐中的锡，并“生长”在锌片上，形成光亮的“锡树大雪花”。

2.1.4 双色荧光火炬[7,8]制作

化学发光是指某些化学反应中发出可见光的现象。其发光机理是：反应体系中的某些物质分子，如反应物、中间体或者荧光物质吸收了反应释放的能量而由基态跃迁至激发态，然后再从激发态返回基态，同时将能量以光辐射的形式释放出来，产生化学发光。在少量鲁米诺碱溶液中，加入适量邻苯三酚、甲醛和过氧化氢，在暗室环境中将观察到红色发光。可能的反应机理[9]为：邻苯三酚(pyrogallol，P)被过氧化氢氧化得到邻苯三酚氧化产物(PD)和单线态氧，单线态氧相互碰撞转为激发态，激发态氧再与邻苯三酚氧化产物发生能量交换，得到三线态氧和激发态氧化产物，激发态氧化产物在从激发态到基态的转变中，释放的能量产生红光。具体反应如下：

反应液放置一段时间后，溶液发出的红光转变为鲁米诺标志性的蓝光。其反应机理[10]为鲁米诺在碱溶液中形成双阴离子，该双阴离子被过氧化氢分解的氧气氧化，生成有机过氧化物。过氧化物不稳定，立即分解放氮形成3-氨基邻苯二甲酸根的激发态，3-氨基邻苯二甲酸根从激发态到基态的转变中发出蓝光。甲醛作为增敏剂加速了化学反应中电子的转移，整个反应过程放热，并伴随氧气和氮气的生成。具体反应如下：

2.2 材料、试剂、仪器及表征方法

2.2.1 材料

西红柿、桔子、菠菜、紫甘蓝、蓝莓粉、茶叶和食用小苏打均购于农贸市场，实验前用去离子水将果蔬多次洗涤后备用。

2.2.2 试剂和药品

聚丙烯酸钠、氯化铁、硫氰化钾、亚铁氰化钾、硫酸亚铁、盐酸羟胺、邻二氮菲、草酸钾、硝酸铁、绿矾、锌片、氯化亚锡、碳酸钾、氢氧化钠、邻苯三酚和甲醛溶液均为分析纯(均购买于国药集团化学试剂有限公司)，98%鲁米诺为生化试剂(购买于上海麦克林生化科技有限公司)，实验用水为去离子水。其中部分试剂和药品具有一定刺激性、有害性，因此实验过程中应做好防护，避免直接接触，同时注意试剂和药品的及时回收和妥善保存。

2.2.3 仪器

723N型号分光光度计(上海佑科仪器仪表有限公司)、TP-220A型号电子天平(湘仪天平仪器设备有限公司)、JYZ-V15型号榨汁机(九阳股份有限公司)。

2.2.4 表征方法

采用分光光度计对制备的配位化合物进行吸收光谱测定，此分光光度计以钨灯为光源，测试波长范围为400-760 nm，狭缝宽度为2 nm。

2.3 实验步骤

2.3.1 人造雪场

取适量聚丙烯酸钠置于小烧杯中，向其中加入清水，聚丙烯酸钠迅速膨胀，得到人造雪，用药匙将其均匀撒入白色瓷盘，形成人造雪场，见图4。

图4 人造雪场制作过程

2.3.2 奥运五环制作

2.3.2.1 奥运五环之亲子乐园

各称取150 g番茄、橘子、菠菜和紫甘蓝，放入榨汁机中榨汁，得到红、黄、绿和紫色溶液，取少许蓝莓粉，加水，搅拌均匀，得到黑紫色溶液；用药匙将适量聚丙烯酸钠置于自制的环形容器中(在家中可用塑料水瓶底或纸板等常见材料制作环形容器)，分别倒入不同颜色的果蔬汁，聚丙烯酸钠吸水膨胀，其中紫甘蓝汁中加入食用小苏打溶液(pH约为8.3)后变为蓝色，得到彩色五环，并将彩色五环置于人造雪场中，见图5。

图5 果蔬奥运五环制作流程图

2.3.2.2 奥运五环之化学调色盘

按下述方法制备不同颜色的5种配位化合物：

(1) 量取5 mL 0.1 mol·L-1FeCl3溶液于25 mL比色管中，加入15 mL 0.1 mol·L-1KSCN溶液，混合均匀，得到血红色溶液。

(2) 量取10 mL 0.1 mol·L-1FeCl3溶液于25 mL比色管中，加入8 mL 0.1 mol·L-1K4[Fe(CN)6]溶液，混合均匀，出现蓝色沉淀。

(3) 量取1 mL 0.1 mol·L-1新鲜配制的FeSO4溶液于25 mL比色管中，依次加入1 mL 10%盐酸羟胺溶液，10 mL 0.15%邻二氮菲溶液，混合均匀，得到橙黄色溶液。

(4) 量取5 mL 1 mol·L-1K2C2O4溶液于25 mL比色管中，加入15 mL 0.5 mol·L-1Fe(NO3)3溶液，混合均匀，得到绿色溶液。

(5) 称取约8 g茶叶，置于小烧杯中，加入约20 mL沸水，浸泡15 min后，加入2.5 g绿矾固体，搅拌均匀，出现黑紫色沉淀。

将适量聚丙烯酸钠置于自制的环形容器中，分别加入不同颜色的上述混合溶液，聚丙烯酸钠吸水膨胀，形成彩色五环，并将彩色五环置于人造雪场中，见图6。

图6 奥运五环之化学调色盘制作流程图

2.3.2.3 吸收曲线制作

将上述2.3.2.2中，(1)、(3)和(4)配位化合物溶液稀释至合适浓度，含有沉淀的(2)和(5)配位化合物进行离心分离，取上清液备用。在分光光度计上，用1 cm比色皿，以空白溶液为参比，在400-760 nm波长范围内，绘制吸收曲线(图7)。结果表明，生成的配位化合物铁氰化钾、普鲁士蓝、邻二氮菲亚铁和草酸铁钾的最大吸收峰[11-13]分别为451、729、511和682 nm，分别呈现它们的互补色：红色、蓝色、橙黄色和绿色，单宁酸铁最大吸收波长为591 nm，且整个可见光区具有较宽的吸收，因此呈现黑紫色。

图7 奥运五环配位化合物的吸收曲线

2.3.3 人造锡树大雪花

在培养皿中，放入剪成雪花形状的锌片，滴加0.5 mol·L-1SnCl2溶液约20 mL，30 min后可观察到闪光的雪花，见图8。

图8 人造锡树大雪花制作过程

2.3.4 双色荧光火炬制作

用电子天平依次称取2.50 g碳酸钾，0.08 g氢氧化钠，0.10 g邻苯三酚固体，置于小烧杯中，然后加入少量鲁米诺固体，混合均匀；再加入约4 mL水，使固体混合物溶解，并形成暗红色溶液；继续向小烧杯中加入约1 mL 37%的甲醛溶液，置于自制暗室中，加入约4 mL 30%过氧化氢溶液，观察双色荧光，并伴随有大量气泡冒出。用烧杯、漏斗和铁丝组成火炬的形状，完成双色荧光火炬的制作(图9)。

图9 双色荧光火炬制作过程

3 科普展示和互动方案

本科普实验遵循层次递进的原则，具有模块化、多样化的特点，可满足从幼儿园到中小学、到本科生及社会大众等不同化学知识储备人群的科普需求。另外，通过现有的互联网资源，可进一步实现线上线下融合式的全民共享学习。具体方案如下：

(1) 面向幼儿园和小学生：通过具有“人造雪场和奥运五环之亲子乐园”的趣味情景设置(图10)，以果蔬为原料，按照图4和图5的流程，让小朋友们通过安全、简易和快乐的动手实践，感受“玩中学”的乐趣，并在思考科学问题中成长。

(2) 面向中学生：在(1)的基础上，针对中学生已有的化学知识，增加奥运五环之化学调色盘(图6)和人造锡树大雪花(图8)实验，通过化学反应重现五彩缤纷的冰雪世界，巩固和理解过渡金属配位化合物的合成方法和氧化还原反应的理论知识，在实验中领略化学之美、化学之趣，激发探究科学的热情。

(3) 面向本科生：在(2)的基础上，增加科普的广度和深度，内容涵盖吸收曲线制作和双色荧光火炬实验(图9)，创设出内容丰富、知识点串联，强调科学研究方法的综合性实验，供大学化学实验使用(6学时)。学生既是科普实验的开发者也是科普实验的推广者(图10)，有利于增强社会服务意识和社会责任感。

图10 科普宣传现场的报道

(4) 面向社会大众：以网络为载体，分专题模块制作实验视频(图4-图9)并上传，拓展强化科普服务功能，传播冬奥精神和科学知识，使化学走入人们日常生活。

本系列科普实验是在大学生实验教学基础上进行的重新设计和改造，在相应基本条件保障下整个实验操作过程是安全可行的。其中对于有少年儿童参与的亲子乐园实验，应在家长的陪同监护下进行。对于青年学生，可以预先观看相关实验视频，事先了解试剂药品的使用规范，然后再开展实验。

4 结语

哲学家培根曾说，知识的力量不仅取决于其自身价值的大小，更取决于它是否被传播，以及被传播的深度和广度。本科普实验以冬奥为主题，希望能借助一种新的科普模式，寓教于乐，寓教于做，从而点燃人们探究化学世界的热情，加深和拓宽化学知识的传播和普及。此外，本系列科普实验围绕主题设立了多个独立实验模块，涉及多个领域的化学知识，未来可根据不同对象群体的需要“量体裁衣”，也可自由组合和不断加以扩充，以引导和适应社会大众新的科普需求和变化。