18世纪的化学家拉瓦锡曾着迷于观察各种物质燃烧后发生的现象。通过实验，他发现了几十种元素，并影响了一大批化学家。可以说，从一开始，化学就是一门实验科学，科学家们一方面通过实验验证自己的设想，一方面又不断地通过实验获得新的灵感。
2011年是联合国确定的“国际化学年”，目的是纪念化学学科所取得的成就以及对人类文明的贡献。为庆祝“国际化学年”，我国举办了系列“国际化学年在中国”活动。其中，作为系列活动重要内容之一的“2011国际化学年全国趣味化学实验设计大赛”历时最长、参与最广泛。中国科学院院长白春礼说，这次大赛与其他学科竞赛最大的不同之处，就是体现了全民广泛参与的特色。比赛向全国大中专院校师生、企业员工和社会公众开放，只要对化学感兴趣，谁都可以来参加。开放的姿态让此次大赛吸引了众多化学发烧友的目光，自2月19日启动以来，大赛组委会共收到设计方案274份，在所有参赛选手中年幼的只有13岁，年长者已过花甲。
全国趣味实验设计大赛决赛现场
化学实验一定要流畅
“化学之所以能够吸引我，是因为它是一门非常奇妙的科学，能让人体验到一种意想不到的效果。”大赛的一等奖获得者赵志恒告诉记者。他和同伴姚伟设计的实验“化学喷泉广场”，以趣味和环保为主题，巧妙地将自制的导轨和化学开关作为连接点，自动启动喷泉，整个实验环环相扣。
“实验的一切都是围绕喷泉来设计的，”在谈到实验设计初衷的时候，赵志恒说：“最初看到这个大赛报名通知的时候，我就想到了‘喷泉实验’，如果能把它改进一下，加入一些颜色的变化和其他动态的环节，一定能给人以视觉的冲击。”
喷泉实验是高中化学里非常经典的小实验，其原理是让烧瓶内外在短时间内产生较大的压强差（负压），利用大气压将烧瓶下面烧杯中的液体压入烧瓶内，在尖嘴导管口形成喷泉。为了让喷泉更漂亮，选手们首先确定了一种红色液体（加入白醋的石蕊溶液）和一种黄色液体（荧光素溶液）共同作为“泉”的部分。接下来的问题就是怎样创造一个负压的环境了。我们都知道氨气和水都是极性分子，根据相似相溶原理，氨气极易溶于水。如果可以让氨气在烧瓶中溶于水，烧瓶内的气体体积就会急剧减少，处于负压状态下的烧瓶就会“想尽办法”来平衡气压，这样喷泉所需的条件就具备了。那氨气从何而来？水将怎样进入烧瓶？制备氨气的办法很多，究竟应该选择哪种呢？对于化学实验，赵志恒一直有个理念，就是要把它流畅地进行下来。在他看来，“如果不停地有人为因素辅助实验的每个环节，就没意思了。只有流畅的实验才称得上有趣。”于是他开始试着靠一些连接的装置把实验有机地整合在一起。
灵感源于生活
首先，他们将化肥（氯化铵）粉末加入锥形瓶，锥形瓶连接一个干燥装置，里边放有沾满石灰粉末的棉花。干燥装置的另一端连接三口烧瓶，也就是此次实验的“心脏”。在三口烧瓶上，另选一个出口连接一个烧杯，将混合了水的月季花酒精提取液装入烧杯中，用于吸收“尾气”。吸收了尾气（氨气）的土红色花青素提取液会变成黄色，这个环节被命名为“植物变色龙”。
现在，三口烧瓶就剩下一个出口了，这也是实验的核心部分，决定喷泉能否实现的要素都要通过这个出口来完成。在这个出口，选手们安排了3个孔，有两个用于连接“泉”，即红色液体和黄色液体。另一个孔，则用于连接喷泉的启动装置：一个装有白醋（为了保证实验效果，用白醋代替了水）的注射器。
“这是实验最关键的环节，”赵志恒说：“要想顺利地启动喷泉，必须同时满足多个条件，既要保证白醋可以被压到三口烧瓶里，还要保证白醋被压进去之前和之后三口烧瓶都是密闭的，这就要求无论是理论计算还是实际操作都必须非常精细。”他们试验过很多办法，但都没有成功。比如曾试用的胶头滴管就因为不好固定，压入三口烧瓶的白醋很少而不足以形成负压等原因被淘汰。“这是实验设计时我们遇到的最大困难，”赵志恒花了很多心思：“最后我们想到了用注射器的方法。说起这个法子，还是因为一次偶然生病去医院打针，才受到启发，想到可以在实验中尝试一下，结果就成功了。”
最核心的问题解决了，接下来就是如何驱动这个注射器。选手们将注射器末端的导管连接了一个抽滤瓶，瓶中加入少量白醋，将加有碱面的小盒放置在一根弯曲的铁丝上，塞紧橡胶塞，此时白醋是接触不到碱面的。铁丝的另一端涂抹了起润滑作用的凡士林，穿透橡胶塞。控制铁丝的是一个“长腿的小球”，小球用混合了高锰酸钾粉的蜡固定在一根棉线上，棉线的另一端连接着一个八音盒的发条，在小球上升轨道途中，有一个沾有甘油的棉球。
在实际操作中，想让小球自动下落，顺利地启动开关，并不是件容易的事。既要控制八音盒绞盘的力度，又要让高锰酸钾和甘油充分接触：“我们反复试验了很多次，最后才得出要把高锰酸钾颗粒的大小维持在一个相对稳定的程度，反应才最充分。这似乎违背了通常认为的‘粉末越细反应越充分’的原理，这也是实验让我觉得有意思的地方。”
为了配合“国际化学年”这一主题，选手们还加装了电机用以控制一面彩旗，为确保彩旗可以和喷泉同时展现在观众面前，电机的开关就安装在抽滤瓶铁丝的旁边，也由长腿的小球控制。
化学主题喷泉广场
一触即发的化学喷泉广场
当所有环节准备就绪，想要启动实验只需要手动操作两步。第一步向锥形瓶中加入生石灰粉末与水，塞紧橡胶塞。生石灰粉末和水反应获得热量和氢氧化钙，氢氧化钙继续和瓶中的化肥粉末发生反应制备氨气，这样不仅加快了反应速率，还避免了使用外部加热装置，实现了环保与自动反应的目的。我们能看到，锥形瓶中出现白色多孔的膏状固体，放热同时释放气体。收集尾气的烧杯中冒出气泡，溶液渐渐地由土红色变为黄色。
第二步，当氨气充满三口烧瓶时，转动八音盒的发条。小球在八音盒发条的牵引下上升，直至接触到顶端的棉球，而后甘油与高锰酸钾粉发生的氧化还原反应，虽然其不会产生明火，但仍会放出大量的热，使注水的小球（乒乓球）和棉线连接处的蜡熔化，小球沿着滑轨滑落，触碰到铁丝和开关：写着“2011年化学年主题喷泉广场”的彩旗上升，直至全部展开；抽滤瓶中的铁丝下降，白醋与碱面发生反应，产生二氧化碳，推动注射器。接着从注射器中推出的白醋和三口烧瓶里的氨气反应，喷泉实验启动。此刻，三口烧瓶中黄色和红色的两股喷泉喷出，混合后形成亮绿色的液体。一个化学主题喷泉广场展现在我们面前。
模拟吸烟者的肺
同样用到氨气的还有广东实验中学的选手们，他们巧妙地利用百里酚蓝在酸范围（pH值小于1.2）呈红色，在碱范围（pH值8.0〜9.6）由黄色变蓝色的特性，设计了一个“禁烟公益广告”。实验的设计者陈柘说：“以前见过一些吸烟前和吸烟后的肺颜色变化的宣传片，就想通过指示剂颜色的变换，来做一个模拟的反应实验。”首先，他们将海绵剪成人肺的形状，然后将一个T形管等长的两端插入海绵，另一端连接橡皮管，最终与一个气体发生装置相连；将百里酚蓝粉末加入50毫升95%乙醇，再加入50毫升蒸馏水，充分搅拌，静置后过滤制成的百里酚蓝指示剂均匀地涂抹于海绵肺上，使得海绵肺呈现红色；接下来，再通过气体发生装置向海绵中通入氨气，因为氨气呈碱性，只见鲜红色的“人工肺”逐渐变蓝，甚至越变越深。陈柘说：“我们试验过真的猪肺，但是由于猪肺的表面太光滑了，指示剂上色很困难，还想过要订制特别的模具，但这些都没有海绵的效果明显。”为了获得更好的视觉效果，选手们还将氯化氢气体事先注入装有“肺”的盒子，在通入氨气后，两种气体相遇生成氯化铵白烟，缭绕于“两肺”之间。
期待更多创新
在此次大赛中，除了巧妙的场景设计实验，我们还看到了一些参赛选手将自然界或者生活中的现象用化学方法展现出来。
我们知道萤火虫之所以会发光，是因为在它们的发光器中，萤光素（luciferin）、萤光素酶（luciferase）、氧及三磷酸腺苷（ATP）会进行复杂而高效的生化反应。ATP、萤光素与萤光素酶结合成一个复合体，其不稳定分解会将荧光素分子激发至激发态，再从激发态回到基态的过程中产生光子。“萤火虫与化学发光”的设计者江苏常州高级中学的参赛选手陆文轩使用CPPO模拟萤火虫体内的荧光素，用过氧化氢代替ATP氧化CPPO而得到二氧杂环丁二酮的环过氧化物，在分解过程中将溶液内的荧光染料激发至激发态，回到基态而产生光子。
以CPPO模拟萤火虫的化学发光，效果直观强烈，异彩纷呈。
北华大学化学与生物学院的参赛选手，利用化学振荡反应，模拟了灯塔的灯光呈现周期性的明灭现象。他们用氨水、碱石灰、碘酸钾、硫酸锰、酚酞等化学原料和实验设备设计实验，使碘离子和锰离子的浓度自行变换。我们看到，实验开始后，无色溶液约2〜3秒后颜色改变为琥珀色，然后短暂变为无色，又迅速变为蓝色。溶液的颜色就在琥珀色与蓝色之间振荡，这些颜色呈有规律的周期变化，展现了化学的复杂与神奇。
经过大赛专家指导委员会的审定，此次全国趣味化学实验设计大赛共评出一等奖10名，二等奖20名，三等奖30名。这些作品不乏趣味性，充分体现了选手们对书本知识的深刻理解和掌握。但是，在创新性上却乏善可陈，我们并没有看到挑战当今科学发展中与有关化学的社会、生活问题的作品，全部60个获奖作品中，能够体现化学科技动态和特点的作品寥寥，这是我们值得思索的。
“化学能让生活中很不起眼的东西展现出令人震撼的一面。”相信这是很多像赵志恒一样的参赛选手热爱化学的原因。的确，化学的诱人之处在于它的复杂多变和贴近生活，而化学实验的神奇之处在于它弥合了我们对于微观世界和宏观世界认识上的鸿沟。如果化学教育、化学实验只局限于验证教材对某个问题的解释，忽视对于化学体系的全面观察和深入分析，或可使学生萌生兴趣，但是，在启迪学生的创新欲望方面的作用恐怕就很微薄了。
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