超声波纳米雾化技术在化学实验改进中的应用与探索

1问题的提出当前，科技的发展速度已远超中小学校教育教学变革的节奏，实验教学乃至科学教育的滞后效应逐渐显现，如何将科技前沿知识和最新技术成果有机融入实验教学，是新时代基础教育拔尖创新人才早期培育的迫切要求[12]。近年来，项目研究团队开展了创客式实验教学[3]，不断探索将各类教育技术装备、前沿科技知识与成果等有机融人实验设计与改进的路径及方式方法[4-7]，提升各种层次学生实验（实践）的兴趣与参与度，为新时代基础教育拔尖创新人才早期培育提供思路。近期，围绕传统化学实验，就如何巧妙引入和灵活利用超声波纳米雾化技术展开了探索与实践。超声波纳米雾化技术，作为一种先进的物理处理技术，近年来在医疗、化妆品、工业、农业等多个领域展现出了独特的优势和广泛的应用价值，逐渐渗透到人们的日常生活中，如空气加湿与净化、药物雾化治疗、蔬菜水果保鲜、植物灌溉、农药喷洒、创意雾化景观营造等。而作为实现超声波纳米雾化技术的核心部件一—超声波纳米雾化片，主要是利用压电陶瓷的逆压电效应，结合高频电子振荡技术，将液体雾化，形成10～100nm范围内的雾气。鉴于超声波纳米雾化片具有能将液体雾化形成气溶胶，增大接触面积，且能使接触更为均匀、用量也较为节约等优势，本研究基于超声波纳米雾化片（[1.7MHz，φ20mm，网上有售），设计制作了若干实验装置，并对中学化学教材涉及的部分实验进行创客式设计与改进，以期为科技成果科学融入实验教学的实践提供范例参考。2实验设计与现象2.1基于超声波纳米雾化片的胶体相关实验设计与改进胶体是学生进入高中学习后新接触的一种分散系，也是高中化学教学的重要内容之一，通过实验探究胶体的性质及其应用有助于学生理解分散系的基本概念，掌握物质的微观结构和宏观性质之间的关系。在对以往教学实施效果的分析与反思中发现：胶体丁达尔现象的教学中虽尝试引入生活常见现象，例如树林中的光束（因气溶胶对光线散射作用产生丁达尔现象）等实例，但部分学生却并不能很好地将氢氧化铁胶体中产生丁达尔现象的课堂实验与生活实际相关联；胶体聚沉实验则因实验准备用时较长，且受试剂用量的影响，有时难以观察到清晰的实验现象；胶体电泳实验也往往需要较长时间才能观察到明显的现象等。能否通过易操作又兼具趣味性的实验让学生亲身体验和经历这一过程，加深对丁达尔现象、胶体性质的理解以及建构学科知识与生活实际的关联？基于超声波纳米雾化片及其雾化技术，本研究对教材中胶体相关实验进行了创客式设计与改进。2.1.1实验用品超声波纳米雾化片（.1.7MHz，Φ20mm）、支架、细棉棒（长5cm，φ6mm）5VUSB电源、静电感应起电机、带盖塑料罐（200mL）、长铜片、带鳄鱼夹的导线、激光笔、药匙、试管、热风枪（2000AA）、自来水、豆浆、牛奶、氯化钠固体（氯化钠悬浊液）。2.1.2实验装置针对胶体丁达尔现象、胶体聚沉实验，设计的装置如图1所示。制作实验装置时，先将超声波纳米雾化片与支架、试管相连接，然后将超声波纳米雾化片外端与一根蘸有自来水（或豆浆、牛奶等）的细棉棒相连，并接通电源。图1胶体丁达尔现象及胶体聚沉实验装置示意图针对胶体电泳实验，结合中学物理实验室常用的静电感应起电机，设计的装置如图2所示。制作实验装置：第一步，在塑料罐（200mL）底部中心位置打孔，使支架的下端恰好可以嵌人此塑料罐。第二步，对塑料罐上盖靠近边缘处打两个孔，要注意这两个孔要尽可能远离，且要保证孔的尺寸与插入铜片的大小相符；为使实验现象更加清晰明显，所使用的铜片尺寸不宜过小。第三步，将两片长铜片分别插入上述两孔中，并用带鳄鱼夹的导线将铜片分别与静电感应起电机的两个放电叉杆相连接。图2胶体电泳实验装置示意图2.1.3实验步骤及现象2.1.3.1胶体丁达尔现象的实验步骤及现象（1）实验装置如图1所示。选用蘸有自来水的细棉棒，然后打开超声波纳米雾化片开关，可立即观察到试管内部产生大量水雾，约3秒后关闭开关。（2）用激光笔从垂直方向照射试管内部水雾，即可观察到清晰的丁达尔现象一一条明亮的光路，且可视效果明显。2.1.3.2胶体聚沉的实验步骤及现象使用图1装置探究电解质促使胶体聚沉实验的具体步骤及现象如下：（1）取一支试管，选用蘸有自来水的细棉棒，然后打开超声波纳米雾化片对其进行喷雾操作，约1秒后停止。接下来用药匙直接从试管口部向竖置的试管中添加少量氯化钠固体。由于实验开始时对该试管进行过喷雾操作，且使用药匙加入氯化钠固体时并未将药匙伸人试管内部，故部分氯化钠固体易附着在试管壁上。此时可通过选用氯化钠悬浊液润洗试管壁以达到清洗效果。（2）另取一支同规格干燥洁净的试管，与前述（1）中试管进行对照实验。由于豆浆（牛奶等）胶粒通常带电，故选用蘸有豆浆（牛奶等）的细棉棒，然后分别用超声波纳米雾化片同时对上述两支试管进行喷雾操作，约3秒后同时停止，可清晰观察到原先干燥洁净的试管中豆浆雾气溶胶的量明显多于另一支加入少量氯化钠固体（或氯化钠悬浊液润洗）的试管，由此可以推断豆浆等雾气溶胶的带电胶粒遇电解质会发生聚沉。使用图1装置探究加热条件导致胶体聚沉实验的具体步骤及现象如下：（1）使用2片超声波纳米雾化片分别同时对两支同规格、洁净的试管进行喷雾操作，约3秒后停止。（2）使用热风枪（2000W）对其中一支试管进行加热操作，约3秒钟后停止加热，并与未进行过加热的试管进行对比，可观察到加热后的试管中雾气溶胶的量明显更少，可以推断气溶胶粒加热后会发生聚沉2.1.3.3胶体电泳的实验步骤及现象使用图2装置探究胶体电泳实验。首先选择合适的液体试剂（如牛奶、豆浆等），用细棉棒蘸取后并用超声波纳米雾化片进行喷雾操作，然后转动静电感应起电机驱动轮（提供高压直流电环境），可以观察到产生的气溶胶会明显偏向其中一侧的铜片（如牛奶、豆浆胶粒带负电，可观察到产生的气溶胶明显偏向阳极），由此可以证明和推断该气溶胶胶粒带电，在高压直流电环境下会产生电泳现象。此外，通过本实验装置还可以拓展探索不同气溶胶胶粒所带电荷的情况等。2.1.4实验优点基于超声波纳米雾化片，利用超声波纳米雾化技术探究胶体相关实验，改进后的实验设计有对比、有进阶，实验现象清晰明显、实验试剂用量较少、实验操作安全简单，实验耗时较短，实验中产生的是学生生活中常见的气溶胶，能让学生通过亲身经历完整的探究过程，加深了对丁达尔现象及胶体性质的认识与理解，提升了趣味性和参与性；将学科知识与生活实际紧密相联，有益于提高学生对学科知识的实践应用与迁移能力；由于实验装置密封性好，用量也较少，产生的雾气溶胶不会逸出到外界环境。2.2基于超声波纳米雾化片增大反应物接触面积的相关实验设计与改进中学化学涉及的一些化学反应因受反应物接触面积等因素的影响，导致反应所需时间相对较长，如模拟工业制碱中生成碳酸氢钠的实验，要观察到有明显的实验现象一般需要等待30＼～40分钟时间；又如二氧化硫使品红溶液退色一般需要至少4＼～5分钟时间等。为此，本研究充分利用超声波纳米雾化技术产生纳米级的具有巨大表面积的气溶胶这一特性，从增大反应物的接触面积以加快反应速率的视角出发，模拟工业制碱，基于超声波纳米雾化技术进行了如下探索。2.2.1实验用品超声波纳米雾化片（1.7MHz，Φ20mm）、支架、细棉棒（长10cm，φ6mm）⋅5VUSB电源、双具支试管、橡胶管、玻璃导管、二氧化碳气体小钢瓶、氨盐水、饱和食盐水。2.2.2实验装置设计制作的实验装置如图3所示。第一步，将超声波纳米雾化片、支架与双具支试管的下部支管相连接，双具支试管的上部支管与橡胶管、玻璃导管一端相连接，玻璃导管另一端则通入装有饱和食盐水的烧杯中。第二步，将双具支试管管口与带玻璃导管的橡胶塞相连接，确保橡胶塞塞紧后玻璃导管一端伸入至试管中下部位置（见图3），玻璃导管另一端则通过橡胶管与二氧化碳小钢瓶相连接。图3基于超声波纳米雾化片增大反应物接触面积的实验装置示意图2.2.3实验步骤及现象（1）实验开始前，先在浓氨水中加入氯化钠固体直至不再溶解，完成氨盐水的配制。（2）如图3所示，取少量（1）中配制好的氨盐水加入一支小试管中，并通过一支棉棒与超声波纳米雾化片相连通。（3）待小试管中的棉棒充分吸收氨盐水后，打开二氧化碳小钢瓶并调节流速，同时打开超声波纳米雾化片的开关，使二氧化碳气体与氨盐水水雾在双具支试管中充分接触，约4分钟后可观察到试管壁出现较多浑浊的液滴，由此可以推断反应生成了碳酸氢钠。2.2.4实验优点利用该装置大大提高了反应的速率，有效解决了当前教学中因课堂时间限制而无法实施工业制碱实验的困难和不足，师生都能够根据需要在课堂上开展此实验，有效促进了课堂效率的提升。利用本装置还可以提升二氧化碳与碳酸钠溶液的反应速率、二氧化硫使品红溶液退色的反应速率等。在实验中，只需将上述反应装置中的液体药品氨盐水替换成碳酸钠溶液或品红溶液，二氧化碳小钢瓶替换为所需通入气体的种类即可。此外，本装置还可以用于吸收处理一些容易导致溶液倒吸情况的气体，如氯化氢气体、氨气等。吸收处理时，只需要将上述反应装置中的液体药品氨盐水更换为水进行喷雾操作，约10s后，开始从试管顶部所连接橡胶塞上的玻璃导管中通入要吸收处理的气体即可，不仅不会倒吸，而且吸收效率很高。针对不同的气体、不同的液体，均可采用这套装置完成吸收处理并防止液体药品的倒吸。2.3基于超声波纳米雾化片降低反应剧烈程度的相关实验设计与改进中学实验涉及的一些反应，有时因反应速率过快、反应过于剧烈，在短时间内放出大量的气体或热量，导致一系列的安全问题。为了实验安全，一般可通过控制反应温度、反应物浓度以及反应物用量等方法，使反应过程变得更为安全可靠。超声波纳米雾化片具有所需试剂用量相对较少的特点，可用来减小一些反应的剧烈程度，从而增加学生参与实验的机会。基于此，在前述2.2研究的基础上，借助超声波纳米雾化片进行如下探索。2.3.1实验用品超声波纳米雾化片（1.7MHz，Φ20mm）、支架、细棉棒（长5cm，φ6mm）⋅5VUSB电源、单边底部具支石英试管、玻璃导管、橡胶塞、气球（或多功能瓶），钠、钾等活泼金属，电石、酚酞试纸、蘸有酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉、饱和食盐水。2.3.2实验装置如图4所示，将超声波纳米雾化片、支架与单边底部具支石英试管的下支管相连接，单边底部具支试管管口与带有玻璃导管的橡胶塞相连接，玻璃导管在试管内只伸出橡胶塞少许，在试管外则与气球（或多功能瓶）相连，用于收集气体或防止装置内瞬间气压过大。图4基于超声波纳米雾化片降低反应剧烈程度的实验装置示意图2.3.3实验步骤及现象（1）实验开始前，在如图4所示的具支试管中部位置放人钠、钾等活泼金属（亦或是电石等物质），根据不同实验在靠近试管口位置放置对应的检验相关产物的“试纸”，如酚酞试纸、蘸有高锰酸钾酸性溶液的脱脂棉等。（2）打开超声波纳米雾化片的开关，使水雾逐渐与钠、钾等金属接触，然后可以观察到钠、钾等金属表面均会缓慢产生一些气泡，且在使用钾金属进行实验时，有时还会产生些许小火星，酚酞试纸则逐渐出现红色，观察发现反应总体较为平稳。（3）探究与电石反应时，在棉棒上吸入饱和食盐水，通过超声波纳米雾化片产生盐水雾。该反应总体也较平稳，观察到的实验现象也与前述类似，即电石表面会缓慢产生一些气泡，放置在试管口位置的蘸有酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉会逐渐退色。2.3.4实验优点除了上述提及的反应，在教学过程中，高锰酸钾与双氧水的反应、过氧化钠与乙醇的