化學無處不在

供稿|戴偉

內容導讀

“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變色？本文首先介紹“玩科學”、“做科普”的重要性，筆者克服化學科普工作難題，突破傳統科普傳播方式，采用多種科普工作形式，使科普生動有趣，接著對現場科普講座中常用化學演示實驗的簡述，指出上述問題的奧妙之處與化學的無處不在，最后強調科學知識一直在發展變化，需要我們不斷去學習。

人類最寶貴的品質就是好奇，好奇是天生的，它不需要刻意創造和培養。因此我們要保護孩子們的好奇，讓他們利用好奇提問題，這個很重要。但是很多父母認為孩子老是在提問題，他們厭煩回答，其實這是不對的?？茖W家愛因斯坦經常強調提問題的重要性，因為它會培養孩子們的創造力和想象力，所以我們應希望孩子多提問題，而且可以通過做科學實驗啟發他們提問題。其實通過科學實驗不但能傳播科學知識，還能培養孩子們的其他技能，如遵守（實驗）規則，對于獨生子女還可以安排2~3 個人共同完成實驗，培養他們的合作能力。

很多科學家提到“玩”和“科學”的關系，牛頓就認為他一輩子就是在“玩科學”（圖1）。好玩的背后是科學的思維。那么他們是如何“玩”的呢？他們不斷探索和觀察環境，這是科學的本質。所以讓孩子們進入實驗室做實驗培養他們探索和觀察能力及科學思維。在“北京國際城市科學節”開展的200 多個科普活動中，我們的活動點前排隊家長最多，他們都認為孩子很缺這樣的機會，不管要排多長時間，都要讓他們的孩子做上化學實驗，甚至有一位住在郊區的家長因為上一年活動來晚了沒有進入實驗室，今年頭天晚上住在活動地點旁邊的賓館，就為了保證他的孩子能進入實驗室?？梢娀瘜W實驗很受家長及孩子的歡迎。

圖 1 牛頓“玩科學”

圖 2 硫酸酸化高錳酸鉀溶液反應原理

圖 3 靛藍胭脂紅溶液變色過程

圖 4 瓶蓋試劑驗證

圖 6 催化實驗

圖 7 酸堿中和反應

圖 8 生活中酸堿中和反應

北京化工大學科普實驗中心的老師都是本校的研究生志愿者，其中有一個老師第一次參加我們的實驗是在小學五年級，當時和我談了很久，后來他經常來我的實驗室，有時他在自己家里也做實驗。上中學時，學校組織活動，別的同學都是彈吉他和跳舞，他給同學們演示化學實驗。在上高中時，他加入我們的團隊，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，他的化學是滿分，目前在天津大學化工專業學習，可以說他是我們科普中心最優秀的畢業生。我們也希望能培養更多這樣的學生。

北京化工大學的科普實驗基地有一個科普實驗室，小學生、初中生、高中生都可以來這里跟我們一起做實驗，我們也經常去北京或者外地的學校實驗室做演示實驗。對于沒有實驗室的學校，我們可以在操場，有幾張桌子和一群好奇的孩子，就可以做化學實驗，而且我們針對小學生使用日用品來做實驗，因此也避免了安全問題。當然要出去給全國所有學生做化學實驗對我們來說很難，所以我們在北京化工大學成立了科學營，希望全國的學生來這里做實驗。疫情期間他們不能來，我們就把實驗材料編成一個個實驗包，把實驗包寄給學生，讓他們在家里做實驗。我們拍了視頻教學生在家里如何做實驗，學生們匯報他們在家里做實驗的情況，拍了很多照片和視頻發給我們，這說明做實驗有時不需要專業的實驗室。

我們經常出去開展講課并演示實驗，在演示實驗時，保持現場互動，讓學生參與實驗。目前除西藏（旅游去過，但沒講過課），全國其他省份我都去講過課，希望以后有機會去西藏講課。

一般我們不“講”科普，而是“做”科普；
不“講”實驗，而是“做”實驗。面對一個科學現象，我們不能直接給出肯定或者否定的結論，而是要通過實驗去證明。我經常給學生們演示紫色“汽水”變身“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”的實驗。我們經常說汽水對身體有害，那么危害最大的物質是什么，可能有人說是CO2，有人說是色素，其實這些都不是，而是具有甜味的糖，根據瓶子標簽上描述每100 ml 汽水含有7 g 糖，那么對于一瓶600 ml 汽水，則含有42 g糖，這個含量是很高的。糖雖然溶于汽水，不發生化學反應，也看不到顏色變化，但你可以通過甜味感覺到它的存在。糖過多攝入對身體十分有害，短期損壞牙齒，長期容易誘發糖尿病、心臟病等疾病。然后我會現場啟發學生改喝水、奶、酸奶等健康飲品。一瓶偽裝成紫色葡萄味美年達“汽水”（硫酸酸化的高錳酸鉀溶液），向特制的杯子里倒入這個特制“汽水”，瞬間獲得“清水”“牛奶”“紫色酸奶”“雪碧”，在學生們的驚奇中，訓練他們的觀察力，激發他們提出問題。針對不同年級的學生科普的程度也不一樣，對于小學生可以告訴他們這個“汽水”其實是高錳酸鉀溶液，里面加入了硫酸，倒入的杯子里提前加入了一些試劑，在倒入時發生了化學反應。而對于高中生則可以告訴他們這里涉及氧化還原反應、酸堿反應和復分解反應（圖2），這些對于高中生理解記憶這些反應方程式很有幫助。

還有一個我經常演示的實驗——“黃瓶子”。這是一瓶裝有半滿黃色液體（靛藍胭脂紅溶液）的瓶子，通過搖晃，瓶子里的液體從黃變紅，又從紅變綠（圖3），靜止一會又恢復成黃色?，F場在的學生就會感覺到很神奇。作為想成為科學家的學生們不禁提出問題——這是為什么？

受到前一個實驗的啟發，學生們會認為瓶蓋上有試劑，導致液體變色，那么我可以通過慢慢翻轉瓶子，讓瓶子里的液體接觸到瓶蓋，結果發現沒有變色，則證明瓶蓋沒有試劑（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生化學反應使液體變色。通過將瓶子裝滿黃色液體，搖晃瓶子，液體不變色來證明。進一步還可以通過向瓶子分別充氮氣、CO2和氧氣證明液體其實是與空氣中的氧氣發生反應，并向高中生科普反應原理（圖5）

對于化學中的催化實驗，我使用硝酸鐵（Fe（NO3）3）溶液和硫代硫酸鈉（Na2S2O3）溶液來演示。分別取100 ml 硝酸鐵和硫代硫酸鈉溶液，將兩者溶液同時倒入同一個燒杯中，燒杯液體瞬間呈深紫色，靜止后紫色緩慢變淺甚至無色，但這個變無色的過程非常緩慢。其涉及的2 個反應過程如下。

但是我向燒杯中添加硫酸銅（CuSO4）溶液，這個加入量很少，甚至僅5 滴，燒杯深紫色的溶液迅速變成近無色（圖6），說明硫酸銅具有很好的催化效果。教科書中介紹催化劑使反應速率變快，同時本身卻沒有發生任何變化，但是如何證明催化劑本身沒有任何變化呢？可以通過向變白的溶液中繼續分別倒入100 ml 硝酸鐵、硫代硫酸鈉溶液，發現燒杯中瞬間生成的深紫色溶液依然迅速變成近無色，從而證明硫酸銅沒有發生變化，繼續起催化作用，通過這樣的實驗來驗證教科書內容，使同學們理解更容易、更直接，確信催化劑在催化反應中不發生變化。

兩個無色液體混合實驗也被我經常演示。將一瓶無色液體（鹽酸與百里酚酞的混合液）向另一瓶無色液體（NaOH 溶液）中慢慢傾倒，被倒入無色液體的瓶中的液體瞬間變藍（圖7），隨著繼續倒入，瓶中液體藍色加深，最后又變成無色。這個現象是不是很神奇？其實它是一個酸堿中和反應。作為酸堿指示劑的百里酚酞在鹽酸溶液中呈無色，在剛倒進NaOH 溶液時，由于NaOH 含量多，溶液pH 值高，百里酚酞使溶液呈藍色，隨著倒入的鹽酸逐漸增多，與NaOH 發生中和反應，最后過量的鹽酸使溶液呈酸性，此時百里酚酞又使溶液呈無色。酸堿中和反應在生活很常見（圖8），例如胃酸分泌過多，需要吃堿性藥物（如復方氫氧化鋁片）來中和胃酸，使用堿性物質（一般用石灰）對酸性土壤改良?；瘜W與生活密切相關，化學無處不在。

我經常跟學生強調不能盲目地相信課本，也不能盲目地相信科學家寫的文章。有人問過著名期刊Nature 曾經的主編John Maddox，在Nature 發表的文章中有百分之多少的內容是錯的？他怎么回答呢？他說全都是（All of it）。為什么這么說呢？因為科學是不斷發展的，會不斷有新的實驗結果、新的理論模型和新的知識改變我們原來所謂的“知識”，所以科學是不斷變化的。對于對學生來說，要讓他們保持懷疑的態度，不盲目地相信課本和文章，看能否從中找到錯誤并糾正，并持續給學生以啟發。如果我們現在的科學家什么都懂，什么都明白，那么學生還學習科學干什么呢？恰恰相反，現在很多科學還沒有完全定論，還需要不斷糾正，所以需要學生努力學習科學甚至變成科學家，在科學世界找到自己的位置，做出自己的貢獻。我們現在的科學家需要你們這些未來的科學家來糾正我們的錯誤，補充我們的不足。因為科學知識并不是一成不變，而是一直在變化。