“化学印章”与“化学打印机”趣味化学实验的设计

雷以柱 王倩 万亚荔 李志 陈定梅 卢香宇

摘要： 基于化学变色反应，递进式地设计“化学印章”与“化学打印机”系列化学变色反应趣味实验。介绍了实验的设计思路、实验过程、实验现象及影响因素。该实验具有创新性强、趣味性浓、视觉体验效果好、贴近生活等特点，可以应用于中学化学实验教学、儿童化学启蒙教育及化学科普教育等方面。

关键词： 趣味化学实验; 显色反应; 化学印章; 化学打印机; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2019）2-0066-04            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

推进创新型国家建设，关键在于培养创新型人才。中学生正处于创新素养培养的基础期和关键期，创新型人才的培养必须从中学生抓起[1， 2]。化学作为重要的基础科学之一，其以实验为基础、以创造新物质为核心任务的学科内涵，使其在学生创新思维和创造意识的培养上较其他基础学科具有内在优势。设计与开展富有创新性、探究性和趣味性的化学实验项目，对于培养中学生的科学探究能力和创新思维具有重要意义[3～7]。鉴于此，本文着眼于酸碱与指示剂之间的显色反应，采用递进的方式设计了富有趣味性和视觉体验效果的“化学印章”与“化学打印机”系列化学显色反应趣味实验。

1  设计思路

显色反应是化学教学中的一类重要反应。其中，酸碱指示剂显色是最为常见的一类显色反应[8， 9]，具有显色种类多、色彩可调变性强等特点。时下，儿童小印章、教师奖励小印章等趣味性印章，因极具趣味性而深受儿童和教师喜爱;成为了当下流行的儿童益智玩具和教师教具。但是，同公文印章一样，这些印章都是通过先沾上颜料然后再印上。我们预想，利用化学显色反应，采用无色的碱或酸溶液作为“化学印泥”，通过印章将“化学印泥”印制在含有指示剂的纸片上，可以实现化学印制。而且，基于酸碱在不同指示剂中显示颜色不同，采用同一碱式或酸式印泥，印在含不同指示剂的纸片上，可以显现出不同的颜色，使得实验更具趣味性和观赏性。另外，印章印制的图案受印章本身图形的限制，但是打印机却不受图文大小和形状的限制，可以对任意图文进行打印。因此，在“化学印章”基础上，我们进一步预想，将酸碱或者指示剂配制成溶液作为打印机的“油墨”，将这种“油墨”应用于油墨打印机，通过与酸碱指示剂间的顯色反应，便可以实现化学打印。

2  实验药品及仪器

药品： 酚酞、百里酚酞、邻甲酚酞、氢氧化钠、乙醇、聚乙烯醇（3.2～3.6mPa·S）

仪器： 佳能MG2580喷墨打印机、DK-98-Ⅱ型加热电炉、AL204型分析天平、烧杯、玻璃棒、容量瓶、喷雾瓶（15mL）

教具： 教师奖励小印章

3  实验步骤及现象

3.1  “化学印章”

3.1.1  “化学印泥”的配制

称取1.5g的聚乙烯醇加入10.0mL去离子水中，在电炉上搅拌加热至聚乙烯醇完全溶解，冷却至室温后，向聚乙烯醇溶液加入10.0mL 0.50mol/L的NaOH水溶液并混合均匀。取一部分配制的混合溶液装入干净的海绵印盒中，制得碱性“化学印泥”。

3.1.2  指示剂纸片的制作

采用无水乙醇为溶剂，分别配制250mL浓度均为5.0g/L的酚酞、百里酚酞、邻甲酚酞指示剂溶液。将A4打印纸裁剪成小纸片，将小纸片浸入所配制的5.0g/L的指示剂溶液中，5秒后取出，自然条件下风干，即得指示剂纸片。采用不同的指示剂溶液浸泡，可制作出含不同指示剂的纸片。

当采用指示剂溶液制作“化学印泥”时，还需向上述指示剂溶液中加入25g的聚乙烯醇。

3.1.3  化学印制

取印章在“化学印泥”盒中蘸取碱性液体，印在含指示剂的小纸片上，从而实现“化学印章”的印制功能。印章的图案如图1所示，无色的碱性“印泥”印在含不同指示剂的白色纸片上显示出不同的颜色。其中印制在含酚酞的纸片上显示红色，印制在含邻甲酚酞的纸片上显示出紫红色，印制在含百里酚酞的纸片上显示出蓝色。实现了一种无色“化学印泥”印制出不同颜色图形的目的，较传统的印章更具趣味性。

3.2  “化学打印机”

3.2.1  “化学油墨”的配制

以无水乙醇为溶剂，配制50mL的酚酞浓度为5.0g/L的酚酞指示剂溶液。向该溶液中加入5g聚乙烯醇，配制成一定黏度的无色酚酞指示剂溶液，作为“化学油墨”备用。

3.2.2  碱性纸片制作

配制0.50mol/L的NaOH水溶液，将A4纸浸入碱性溶液中，5秒后取出，室温下自然风干。

3.2.3  打印

取出打印机的墨盒，用注射器将墨盒中的原装墨水取出，并用无水乙醇清洗墨盒直至洗液无色透明。再将所配制的“化学油墨”装入墨盒中，将墨盒装回打印机并连接电源。以制作的碱性A4纸为打印纸。在Word中任意画一种图案，点击打印，即打印出了红色的图像。另外，也可以采取先打印再向纸片上喷涂碱性溶液的方式实现“化学打印”。即先在空白的A4纸上打印出含有指示剂无色图形，然后再用装有碱性溶液的喷雾瓶向打印出的白色纸片喷碱性液体，使图案显示出来。两种情况打印效果图如图2所示，采用先打印再喷涂碱性溶液的方式获得的图形色彩更加均匀、鲜艳。

4  实验说明

（1） “化学印章”趣味化学实验，既可以采用碱性溶液作为“化学印泥”，将图案印制在指示剂纸片上实现化学印制，也可以采用指示剂溶液作为“化学印泥”，在碱性纸片上实现化学印制。

（2） 本文详细探讨了碱、指示剂以及印制方式对“化学印章”印制效果的影响，结果如表1～6所示，可以看出溶液浓度和印制方式均对印制图案颜色效果有一定影响。

（3） 做“化学印章”实验时，印泥的黏度对印制图案的清晰程度有较大影响。本文采用3.1中碱性“化学印泥”的配制步骤，配制了含不同浓度的聚乙烯醇NaOH溶液，考察了其对印制图案清晰度的影响。结果如表7所示，每20mL溶液中加入1.0～1.5g聚乙烯醇，印制的图案更清晰。

（4） 为保证“化学印章”的印制质量，印泥盒中的海绵空隙越小越好，这样可以保证溶液在印章表面均匀分布，不出现液滴悬挂现象，从而获得清晰的印章图案。

（5） 为了提高“化学打印机”的寿命，打印机的“化学油墨”最好用指示剂来配制，碱或酸配制的“化学油墨”对墨盒喷头有较大的腐蚀性，使得喷头容易因腐蚀而损坏。

5  结语

本文基于化学酸碱指示剂变色反应，开发了“化学印章”和“化学打印机”系列趣味化学实验。系统探究了碱和指示剂的浓度、印泥溶液的黏性等因素对印制效果的影响。结果表明碱浓度、指示剂浓度及印制方式对印制颜色的深浅有较大影响，而印泥的黏性及印制力度对印制图案的清晰性有较大影響。本系列实验具有创新性强、趣味性浓、视觉体验效果好、贴近生活等特点;另外，由于变色反应的广泛性，本实验还可以采用络合反应、氧化还原反应等常见变色类反应来进行设计，具有极强的可设计性、可变性和探究性。因而，本实验应用于中学化学课堂及实验教学，不仅能有效地激发学生学习化学学科的兴趣，而且能培养学生探究思维和创新意识。

参考文献：

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[3]张栋， 陈永平. 设计趣味实验解密气体反应的奇妙现象[J]. 化学教学， 2017， （1）： 68～71.

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[9]黄海燕. 激发学生学习兴趣的探究性化学实验教学设计思路——以“化学反应速率”为例[J]. 广西教育， 2015， （34）： 63～64.