尚昊

摘要： 借助蓝瓶子实验，室温下利用蓝牙音箱，探究声音（波形为正弦波）对化学反应液图案的影响。实验发现，因声音产生的波腹处氧气溶解多于波节处，导致氧化还原反应的程度不同，进而在溶液表面出现有序的波纹。声音的介入，改变了原实验条件以及反应液的图案，有助于学生增强外界条件可能影响化学反应的意识和激发学习化学的兴趣。

关键词： 蓝瓶子实验； 氧化还原反应； 声音； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2022）11-0075-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中提出开展以化学实验为主的多种探究活动，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变。在化学反应条件控制的学习中，蓝瓶子实验因使用的化学物质相对安全，现象明显、有趣，并且易于实施，在中学学习中受到广泛应用。如果无色亚甲基蓝（亚甲基白）被氧气氧化的程度大于亚甲基蓝被葡萄糖还原的程度，溶液呈现蓝色，反之，则呈现无色。由于溶液中化学反应物的无序扩散行为，导致蓝瓶子实验产生的蓝色图案是随机的。而声音可以使溶液产生有序振动，改变溶液表面与氧气的接触情况，进而控制此反应在溶液表面不同位置的氧化还原程度，最终出现有序图案。这里通过介绍一种声音控制化学反应产生图案的实验，可以帮助学生理解氧化还原反应以及改变条件对化学反应的影响。

1 实验原理

图1中A图展示的是无声音影响的蓝瓶子实验颜色变化（图案的产生是随机的），B图展示的是有声音影响的蓝瓶子实验颜色变化（图案的产生是有序的，该培养皿下方为音箱）。

声音是可以通过介质传播的波。可听见的声音（频率通常在20～2000Hz）能量较低，通常难以直接引发化学反应。然而，声音可以影响液体表面的振动和液体内部的流动，类似于法拉第波［1，2］。法拉第波最早是由法拉第在1831年提出，当低频垂直振动作用于碟子中的液体时，波就会发生在空气和液体的界面。当碟子放在可以产生声音的扬声器上时便可以产生同样的现象。声音产生的液体表面波导致在波腹和波节处气体的溶解程度不同。相比于波节，波腹处溶液会更加频繁与空气中的氧气接触［3］，如图2所示。基于此，氧化还原反应可以实现一定程度上的区域控制。对于蓝瓶子实验，波腹位置相比于波节位置就更容易被氧气氧化，更容易呈现蓝色，而波节位置颜色相对更容易褪去。通过有色图案的形成，化学反应过程实现了良好的可视化效果，对学生氧化还原反应和化学反应条件控制的学习有一定的帮助。日常学习中，学生对实验条件的改变局限于温度、压强和催化剂等的改变，通过探究声音对蓝瓶子实验的影响，可以有效拓展学生的思维，培养学生多向思考的能力。蓝瓶子实验从1960年至今经过多年改进［4～9］，已经发展成一个简易且有趣的实验，下述实验采用典型方法进行，二甲基亚砜是选用溶剂，能加强各化合物的溶解能力，不使用该溶剂对实验效果不会产生显著影响。实验使用常见的智能手机、免费的音频调节软件和蓝牙音箱，令实验操作相对容易实现。

2 实验部分

2.1 实验材料

无色透明塑料瓶、培养皿、智能手机、蓝牙音箱、白色亚克力板

纯水、亚甲基蓝溶液（1mg/mL）、葡萄糖溶液（1mol/L）

氢氧化钠溶液（5mol/L）、二甲基亚砜（DMSO，选用溶剂）

2.2 實验过程

2.2.1 蓝瓶子实验及现象

（1） 依次将38.5mL纯水、2.5mL亚甲基蓝溶液、5.5mL葡萄糖溶液、

2.5mL DMSO、1mL氢氧化钠溶液注入1个透明的塑料瓶。

（2） 轻轻摇动塑料瓶，静置10分钟，可以观察到下部溶液褪色。

（3） 用移液管取瓶中下部溶液15mL于培养皿中，轻轻摇动。

（4） 盖上培养皿盖，静置。

2.2.2 声音干扰的蓝瓶子实验及现象

（1） 将蓝牙音箱、白色亚克力板、培养皿（直径10cm），由下至上放置，

打开音箱。

（2） 通过手机蓝牙连接音箱，打开智能手机上预先下载的免费音频软件，设置音频为60Hz，音量为60分贝，因正弦波是单一频率的波形，故选择正弦波波形。

（3） 依次将38.5mL纯水、2.5mL亚甲基蓝溶液、5.5mL葡萄糖溶液、

2.5mL DMSO、1mL氢氧化钠溶液注入1个透明的塑料瓶。

（4） 轻轻摇动塑料瓶，静置10分钟。

（5） 用移液管取瓶中下部溶液15mL于培养皿中，轻轻摇动。

（6） 盖上培养皿盖，将培养皿放在音箱上方的亚克力板上。

3 结果与讨论

图3是在音频60Hz、系统音量60分贝条件下，混合溶液置于培养皿3分钟后呈现的波纹状颜色变化。为方便观察颜色变化，采用白色亚克力板放置于培养皿下进行颜色对比。由图2可知，因声音产生的液体表面垂直振动，导致波腹位置更加频繁地与空气中的氧气接触，氧气更多地溶解在波腹位置，使得波腹位置长时间保持蓝色。而波节位置溶液处于相对平静的状态，氧气较少地溶解在波节位置，导致波节位置出现先褪色的情况。波节处褪色说明波节位置亚甲基蓝被葡萄糖还原的程度，大于无色亚甲基蓝被氧气氧化的程度（如图3所示）。此实验可视化地说明了氧气浓度的不同对于化学反应结果的影响。而溶液中波纹图案的产生，不仅和溶液的垂直振动有关，还和溶液内部的液体流动有关，可以进一步引导学生对于实验现象中流体力学的思考，如图4所示。

在思考波纹图案产生的原因时，学生可以了解其中氧化还原反应发生的过程，进而可以引导学生思索波纹产生的合适条件。如果降低声音频率，波节和波节之间的距离会增大；提高声音频率，波节和波节之间的距离会减小；如果距离过小，区分度降低，则不利于观察波纹的形成。此外，音量大小也会影响波纹的形成，音量过大会破坏波纹图案，如图5所示。

实验时需用洁净的培养皿，否则可能会对反应产生的波纹图案产生影响。

由于使用的设备或环境会有差异，调试合适的音频和音量成为形成波纹状图案的关键，因此可以通过侧面观察是否形成相对均匀的水波来确定需要的音频和音量，如图6所示。

4 结语

教师可以设置一些问题来测试或评估学生的学习

情况。比如，图1中B图产生有序波纹的原因是什么？为什么波纹的颜色呈现蓝白相间（采用白色衬底）？波腹和波节处氧气溶解的情况有什么不同？改变频率或音量是否会对波纹产生影响？

通过为高中学生创建的这一在声音影响下的实验学习项目，使学生从一个全新的角度来认识蓝瓶子实验，有助于更好地理解氧化还原反应，以及条件的改变对化学反应的影响。因声音产生的溶液表面垂直振动导致氧气的不均匀溶解，波腹位置与氧气接触更频繁，溶解较多；相反，波节位置氧气溶解较少，进而出现有序的蓝色波纹。引导学生思考这一全新现象背后的原因，有利于培养学生发现问题、解决问题的能力，奇妙实验现象的展示也能提高学生学习化学的兴趣。

参考文献：

［1］ Faraday M.. On a peculiar class of acoustical figures; and on certain forms assumed by groups of particles upon vibrating elastic surfaces ［J］. Phil. Trans. R. Soc.， 1831， （121）： 299～340.

［2］ Douady S.. Experimental study of the Faraday instability ［J］. J. Fluid Mech.， 1990， （221）： 383～409.

［3］ Hwang I.， Mukhopadhyay R. D.， Dhasaiyan P.， Choi S.， Kim S. -Y.， Ko Y. H.， Baek K.， Kim K.. Audible sound-controlled spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium systems ［J］. Nature Chemistry， 2020， 12（9）： 808～813.

［4］ Dutton F. B.. Methylene blue-Reduction and oxidation ［J］. J. Chem. Educ.， 1960， 37（12）： A799.

［5］ Campbell J. A.. Kinetics — Early and often ［J］. J. Chem. Educ.， 1963， 40（11）： 578.

［6］ Limpanuparb T.， Areekul C.， Montriwat P.， Rajchakit U.. Blue Bottle Experiment： Learning Chemistry without Knowing the Chemicals ［J］. J. Chem. Educ.， 2017， 94（6）： 730～737.

［7］ 陳学民. “蓝瓶子”实验及其扩展［J］. 化学教学， 2001， （5）： 47～48.

［8］ 张守林， 马宏佳. 围绕“蓝瓶子”实验的探究活动设计［J］. 化学教学， 2003， （4）： 24～25.

［9］ 熊言林， 王闯. 蓝瓶子实验最佳反应条件的探究［J］. 化学教学， 2010， （10）： 16～18.