化学让生活多姿多彩——记中国科学技术大学化学科普活动

发布时间：2024-11-20 09:38

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Chemistry Makes Life Colorful: Science Popularization Activities of Chemistry in University of Science and Technology of China

ZHU Pingping ,, LAN Quan, FENG Hongyan, WANG Honglei, HUANG Wei, ZHA Zhenggen, ZHENG Yuan, LIU Jihong, WEI Wei, LI Wan, GAO Mingli, SHAO Wei, LI Weiwei

本文引用格式

朱平平, 兰泉, 冯红艳, 汪红蕾, 黄微, 查正根, 郑媛, 刘济红, 魏伟, 李婉, 高明丽, 邵伟, 李维维. 化学让生活多姿多彩——记中国科学技术大学化学科普活动. 大学化学[J], 2018, 33(7): 96-102 doi:10.3866/PKU.DXHX201803008

ZHU Pingping, LAN Quan, FENG Hongyan, WANG Honglei, HUANG Wei, ZHA Zhenggen, ZHENG Yuan, LIU Jihong, WEI Wei, LI Wan, GAO Mingli, SHAO Wei, LI Weiwei. Chemistry Makes Life Colorful: Science Popularization Activities of Chemistry in University of Science and Technology of China. University Chemistry[J], 2018, 33(7): 96-102 doi:10.3866/PKU.DXHX201803008

1 引言

什么是化学？什么是化学反应？化学的中心含义在“化”字。“化”，指变化、转化、造成万物之造化等。化学与人类的发展有着非常深厚的渊源。特别是，化学与人类的生活有着密切的联系，人们的衣、食、住、行处处都离不开化学。然而，近些年发生的奶制品污染事件、白酒塑化剂事件、苏丹红事件……化学已经屡次遭到误解和歪曲。2015年中央电视台播放的一则法兰琳卡化妆品广告语“我们恨化学”，更是将化学妖名化、污名化，造成了对化学形象的严重诋毁，极其恶劣地误导了公众对化学的正确认识。“我们恨化学”表面看起来是个反科学、伤害化学的广告，但问题的实质却是人们对化学以及化学产品的片面认识、甚至是错误的认识，以及基本化学常识的缺失。改变这一现状、普及大众化学知识、提高大众的科学素养，是一件十分有意义而且紧迫的工作，也是我们每一位化学教育工作者义不容辞的责任。

化学反应的本质是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。反应中常伴有发光、发热、变色、产生刺激性气体、生成沉淀等这些不可避免的特点，往往容易被认为“化学是危险的、有毒的”，这也成了开展化学科普的局限。又由于化学是一门以实验为基础的自然科学，在科普教育过程中，采用图文讲解的效果并不明显；而演示与讲解并重、互动性强、可实际操作的实验项目、产品展示等形式用于科普活动，不仅能引领大众欣赏化学之美丽、体验化学之精彩、感受化学之魅力，还能激发大众，特别是中小学生们了解现象背后化学原理的热情。

近些年来，我校化学实验教学中心(为国家级实验教学示范中心，以下简称中心)一直致力于化学科普的推广和宣传，通过多种途径广泛开展化学科普教育活动，如开放中国科学技术大学科技活动周化学与材料科学科普点，建设大规模在线开放课程“奇妙的化学世界”慕课，开设“生活中的化学科普实验”选修课，举办全国青少年高校科学营中国科学技术大学分营，推出微信公众平台“化学科普园地”等，已产生良好的影响。本文介绍了中心在化学科普教育内容方面的一些探索和经验，与同行分享。

2 化学让大自然丰富多彩、色彩斑斓——天然色素的五彩世界

项目特点：为化学实验，可以展开为多个实验项目。以大众餐桌上常见的蔬菜为实验对象。参与者可亲手操作，体验实验乐趣的同时了解现象背后的原理，感受大自然的神奇。

2.1 项目1：菠菜中色素的提取及分离

蔬菜为什么是五颜六色的？花朵为什么是多姿多彩的？秋天一到，树叶为什么会变换色彩？植物的花、叶、果实、皮等往往呈现出绚丽多彩的颜色，这些都与植物色素有关。但是不能认为植物花色的种类就是色素的种类，因为色素也会随着季节的变化、环境的影响、生理条件的不同而改变颜色，而含有不同种色素的植物可能呈现相同的颜色。

菠菜是常见的绿叶菜，存在于叶绿体中的色素是菠菜吸收太阳能进行光合作用的主要物质，主要有胡萝卜素(橙黄色)、叶黄素(黄色)、叶绿素a (蓝绿色)和叶绿素b (黄绿色)等，这几种色素共存于菠菜中，都属于脂溶性色素。胡萝卜素和叶绿素易溶于石油醚等非极性溶剂，而叶黄素则易溶于乙醇等极性溶剂，在石油醚中的溶解度较小，石油醚与乙醇可以混溶，因此可利用这些溶解特性用石油醚-乙醇混合溶剂来提取菠菜中的色素，水洗后得到色素的提取液。再用薄层色谱法或纸色谱法分离从菠菜中提取的色素(图1)。由于不同种色素对同一种吸附剂吸附能力的差异，当流动相流过固定相的过程中，产生多次的吸附与解吸附，最终达到色素分离的目的。如同色素的“跑步比赛”，由于不同色素跑的快慢不同，最终在硅胶板上不同高度呈现出不同颜色的斑点或色带。

图1

在本项目基础上，我们还可以采用图文并茂的展板讲解形式告诉大众，除了提取植物中的色素，其他有效成分都可以采取类似的方法来提取。例如，从油料植物中提取植物油，从植物中提取香料和香精，从草药中提取有效成分制造药品和保健品等。治疗疟疾的药物——青蒿素就是典型的植物提取物，是由2015年诺贝尔生理奖或医学奖获得者屠呦呦从中药青蒿中采用乙醚低温提取出来的。

2.2 项目2：紫甘蓝的五彩世界

除了脂溶性色素，植物色素还包括水溶性色素。花青素是一种主要的水溶性色素，普遍存在于花朵、紫色蔬菜和水果中。

以大众餐桌上常见的紫甘蓝为原料，将紫甘蓝在研钵中捣烂，加入50%的乙醇水溶液浸泡，用纱布过滤(或挤出)，所得汁液即为含有花青素的紫色混合液。调节混合液的pH值由酸性到碱性，可以观察到由红色到紫色、蓝色、绿色、黄色的一系列色彩的变化(图2)。

图2

当然这个实验也可以在家里做。以白醋为酸、小苏打水为碱，用白醋和小苏打水来调节溶液的酸碱性，观察紫甘蓝汁液在不同酸碱性溶液中的颜色变化。CCTV2“是真的吗？”栏目曾播出“吹气可以使紫甘蓝汁变色？”，利用的也是类似的原理，吹气吹出的二氧化碳溶于紫甘蓝汁后使汁液的酸性增加，从而引起花青素变色。紫薯煮小米粥，发生了变色也是正常的，因为紫薯中含有花青素，小米粥是呈碱性的，花青素遇碱而变色。

花青素也普遍存在于花朵中，是造就花朵呈现不同色泽的主要色素。一串红的鲜红、黑牡丹的深红、桔梗花的紫，就是由于不同品种的花朵液泡中酸碱性的差异，导致花青素呈现不同的颜色。更为神奇的是喇叭花颜色一日三变也是由于花青素的缘故。清晨的喇叭花花瓣是粉红色的，之后变为紫红色，最后变为蓝紫色。实际上是因为一种基因导致花瓣细胞液泡的pH值发生了变化，因此花青素随之变色，从而花瓣也跟着显示不同的颜色。可以说，大自然是自带调色板的。

3 化学很魔幻——揭秘化学小魔术

项目特点：安全可控的化学反应，现象变化多端，生动有趣，美不胜收，给观众带来神奇的视觉冲击。适用于科普时现场表演。

3.1 项目1：大象牙膏

魔术演示：魔术师在台面上摆一个大号玻璃量筒或容量瓶，并准备了两种液体，其中一种可能是彩色的，将两种液体迅速地在量筒或容量瓶中混合，瞬间大量白色(或彩色)泡沫像喷泉一样从量筒口或容量瓶口喷涌而出，冲向空中，很是震撼。想必大象刷牙时就要挤出这么长的牙膏吧！

魔术揭秘：主要原料是双氧水(过氧化氢水溶液)。过氧化氢不太稳定，一般情况下会缓慢分解成水和氧气。为了加快反应，需要加入催化剂(如碘化钾)。双氧水在碘化钾的催化作用下，迅速分解，产生大量的氧气。为了制造出大量泡沫，最好使用表面活性剂，像家用的洗衣液、洗洁精、肥皂液都可以。为了更好看一些，可以加上色素或颜料。本魔术中，一种液体是双氧水，另一种液体是碘化钾和洗洁精混合液。两种液体迅速混合，分解反应就立即发生了。反应的剧烈程度可以通过双氧水浓度来控制。本魔术原理简单，反应较容易控制，效果令人惊奇，场面也比较壮观，非常适合科普时现场演示。图3是英国皇家化学会北京地区分会主席戴伟教授在中国科学技术大学科技周上表演化学小魔术“大象牙膏”。

图3

图3 戴伟教授在中国科学技术大学科技周上表演化学小魔术“大象牙膏”

3.2 项目2：水中花园

魔术演示：魔术师在台面上摆一个大烧杯，并在烧杯中加入大半杯液体，再先后加入几种固体，分散在不同部位。静置几分钟后，烧杯里就有了神奇的变化，不同颜色物质像枝条一样慢慢生长，还会有分枝在生长……整个水下如同绚丽多彩的植物园。

魔术揭秘：本实验中，烧杯中的液体为硅酸钠溶液(水玻璃)，加在不同部位的是各种金属盐固体(如硫酸铜、硫酸铁、硫酸锌、硫酸镍、氯化钴、氯化锰等)，它们与硅酸钠反应生成各种不同颜色的硅酸盐，因这些硅酸盐大都难溶于水，于是在硅酸盐与溶液接触处形成一层难溶性的薄膜(沉淀)，由于膜的渗透作用，水不断渗入膜内，继续溶解金属盐而形成溶液，最终膜内溶液撑破薄膜，使得金属盐又可以与硅酸钠接触而生成新的难溶性硅酸盐薄膜……如此反复，硅酸盐就逐渐长成芽状或枝条状，从而产生水中花园的效果。当然，如果加入的金属盐固体较大，有可能长出“珊瑚”“礁石”状的沉淀物，于是又可以把本魔术称为“海底世界”。图4是中国科学技术大学科之翼队学生作品“Chemistry, color the future”的视频截图，该作品在2013年全国高校化学视频大赛中获科普组卓越奖。

图4

图4 中国科学技术大学科之翼作品“Chemistry, color the future”的视频截图

此外，“点水成冰”也非常适合在科普活动中表演，魔术师用指头在一种液体表面轻轻一点，奇迹发生了：液体突然结了“冰”，“冰花”迅速蔓延开，令人惊奇。“碟中惊变”“茶水墨水变变变”“豆浆清水变变变”等，都可以当作化学小魔术来表演。

4 化学让我们生活得更智慧、更安全、更健康——引导大众消除生活误区

项目特点：从每天的饮用水如何选取到公众关心的日常生活中塑料制品是否安全，再到我们的身体是否健康？此类项目贴近生活，有助于消除大众生活误区。采用图文并茂的展板形式进行宣传，部分项目参与者还可实际操作、亲身体验。

水，是生命之源。该喝什么水一直是大众十分关注的话题，水，也成了谣言之源。我们每天该喝什么样的水？白开水、矿泉水、纯净水、富氧水、婴儿水、弱酸性水还是弱碱性水？硬水还是软水？

4.1 误区1：矿泉水有营养，纯净水没营养，长期喝纯净水会导致营养不良

民间不知道从什么时候开始，流传着一种说法：纯净水没有营养(主要指微量元素)，长期喝纯净水会导致营养不良，损害健康。而矿泉水因含有人体所需的矿物质，被认为是有营养的。

纯净水是指经过滤、反渗透、蒸馏等方式纯化后的水，的确，水经过这些处理后，钙、镁、钾、钠等人体所需的矿物元素明显减少。其实，喝水就是补充人体所需的水分，而不是为了补充营养。人体所需要的各种营养素，主要是依靠食物来补充，而不是通过喝水来获取。喝一瓶矿泉水所获取的那点矿物质，还不如吃口蔬菜、喝口奶补充得多。如，某品牌牛奶每100 mL的钙含量是102 mg，而某品牌天然矿泉水每100 mL的钙含量是大于等于400 μg，也就是说，喝一杯牛奶所补充的钙质是250杯矿泉水的含钙量，而吃一块肉所补充的铁量是8200杯矿泉水的含铁量。显然，我们是不可能通过喝几百甚至上千杯矿泉水来补充矿物质的。如果有人说：“香蕉中不含胡萝卜素，因此香蕉是不利于健康的。”我们还会信吗？

4.2 误区2：喝水要喝弱碱性水

市售的瓶装水在酸碱性上是存在差异的，有偏酸性的纯净水，也有偏碱性的矿泉水。然而人体酸碱平衡是难以被所喝的水的酸碱性所改变的。由于人体胃液的酸性较强，无论我们喝的是弱酸性还是弱碱性水，都会在胃液中变成酸性的，人体的内环境更不会简单地通过喝水来改变，所以根本不要相信“喝碱性水改善酸性体质”一说。

至于“富氧水更健康”“婴儿水更健康”也是缺乏科学依据的。

4.3 误区3：暴晒后的瓶装水不能喝

特别是在夏季，放置在车子里的瓶装水由于暴晒，温度较高，人们担心有塑化剂会溶到水中，影响水质。一般的塑料饮料瓶碰到70 ℃的热水就会变形，这实际是一个物理变化。正规瓶装水使用的是PET材质(瓶底有标识)，PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其玻璃化温度约70 ℃，所以遇热水(或开水)，发生的是玻璃化转变，由玻璃态转为高弹态，材质软化变形，这只是一种力学状态的变化。

塑化剂是工业上被广泛使用的一种高分子材料添加剂，在塑料中添加塑化剂，可以改善塑料的塑性、增加塑料的韧性。混入塑化剂后，聚合物的玻璃化温度明显下降。PET遇70 ℃热水才变软，恰恰说明其中并没有添加塑化剂。所以，只要是正规厂家的瓶装水，暴晒后是可以放心喝的。

5 化学也诗意——以诗入“化”，打造诗意化学科普

项目特点：跟着诗词学化学，古诗词中，那些优美典雅的诗句蕴含着丰富的化学内容，映射着化学的诗意光辉。采用图文并茂的展板讲解形式对诗词里融入的化学知识进行科普，深受大众欢迎。

从开采石灰石的艰难(千锤万凿)，到主要成分为碳酸钙的石灰石经高温(烈火焚烧)分解为氧化钙(该反应只有在高温下才能进行)，再到氧化钙与水反应生成氢氧化钙(“浑”，是因为氢氧化钙水溶液是浑浊的)，最终氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应又会生成白色的碳酸钙(留清白在人间)，这首诗把一系列反应过程描述得非常严谨且精辟。

再如，每到新年，大家总要吟诵王安石的七言绝句“元日”：

诗词中描述了浓郁的节日气氛。爆竹声就是由于黑火药点燃时发生剧烈的化学反应，瞬间产生大量的气体而引起的。如果制作烟花时在火药中按一定比例掺入各种金属盐，就可以营造出“柳絮飞残铺地白，桃花落尽满街红”的绚丽画面，这就是化学中常说的焰色反应。

到了季节更替，比如秋天来了，“山明水净夜来霜，数树深红出浅黄”。当我们在欣赏如诗般的秋景时，不妨运用化学知识来品味秋天独有的景致。植物是自带调色板的，它的色调与植物中所包含的色素种类和相对比例有着密切的关系，而色素及数量易受到复杂的环境条件(如气温、土壤酸碱度等)的影响。

还有，李商隐的“春蚕到死丝方尽，蜡烛成灰泪始干”，既描述了属于化学变化的燃烧现象，也有属于物理变化的熔化过程，形象生动。王安石的“墙角数枝梅，凌寒独自开。遥知不是雪，为有暗香来。”，则是告诉我们，之所以可以闻香识梅花，是因为分子的运动才有了“暗香来”。

6 化学让大自然更为奇特绝妙——走进大自然，学习化学知识，感悟化学的魅力

项目特点：采用图文并茂的展板讲解形式，通过介绍美妙奇特的自然景观，引领大众在领略自然美景时，有意识地去体味其中的化学原理，为旅游增添乐趣。

“早自17世纪徐霞客时代至今，这片风景一直是令游客、艺术家与科学家着迷、好奇和充满灵感的天堂。”一位国际著名地理学家面对中国南方喀斯特的奇丽景致发出这样的赞叹。云南石林(图5)是极具代表性的喀斯特地貌，富有重要的科学和美学价值。当我们走进石林时，不妨思考一下美妙奇特的石林景观是怎样形成的呢？其实，可以说是化学造就了石林。当石灰岩受到挤压产生破裂，垂直破裂面(节理)将岩石分割成网格状后，水便沿着节理面发生溶蚀，随着溶蚀的不断进行，裂隙加深加宽，最终分离出石峰石柱，尖锐的石峰石柱组合在一起，便形成了石林。这里的溶蚀就是典型的化学反应，构成石灰岩的主要成分碳酸钙当遇到含有二氧化碳的雨水时，便反应生成了可溶性的碳酸氢钙。

图5

与溶蚀相关的还有溶洞奇观，高耸的石笋、悬垂的石钟乳，千姿百态、奇特绝妙、宏伟壮观。实际上，这种奇观也是无数次化学反应造就的！溶蚀后形成的碳酸氢钙水滴由溶洞顶渗出时，由于环境的变化，分解为不溶于水的碳酸钙而逐次沉积下来。这种沉积既可以发生在溶洞顶，从而缓慢形成悬垂的钟乳石，也可以在液滴滴到洞底后再发生，最终沉积成石笋。当然，景观的形成需要上万年、几十万年甚至上亿年的逐渐积累。图6是位于云南九乡溶洞中的被誉为“亿年之吻”的奇观，一早期石笋与一新发育的石钟乳缓缓靠近。当我们有意识地去体味其中的化学原理时，旅游无疑变得更有乐趣，也更有意义。

图6

7 展望

多形式、多主题的科普活动给大众带来了一场场神奇的化学盛宴，产生了良好的社会反响。如果说我们近些年的科普活动是“请进来”，即，吸引大众走进化学实验室、走进化学世界、感悟化学的魅力，下一步我们还将“走出去”，广泛宣传化学知识。我们构建大规模在线开放课程“奇妙的化学世界”(简称慕课，英文缩写为MOOC)，课程知识深浅有度，既可作为中小学生学习化学的启蒙课程，又可作为高中生和大学生学习化学的增味剂，同时为广大化学科普工作者提供一个良好的学习平台。“奇妙的化学世界”科学教育活动获批为中国科学院2018年科学教育类项目。“色彩斑斓的自然，五颜六色的化学”已入选“2018澳门科技活动周”展品。作为化学教育工作者，深感化学科普工作任重而道远，我们将不懈努力。

参考文献

[1]

周公度. 化学是什么?,

北京:

北京大学出版社, 2011.

[2]

Kathleen C. A. G. ; Antoinette Y. O. ; Erin E. C. J. Chem. Educ. 2013, 90, 755.

[3]

杨帆. 疯狂化学,

北京:

人民邮电出版社, 2015.

[4]

熊言林; 王晨希. 化学教育, 2015, No 19, 73.

URL

[5]

北京师范大学国家基础教育课程标准实验教材总编委会. 化学(实验化学),

济南:

山东科学技术出版社, 2007.

[6]

王祖浩. 实验化学,

南京:

江苏教育出版社, 2009.

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