“喷水显字”实验在中学化学教学中的应用

摘要

“喷水显字”是一种趣味化学实验，其原理是让预先处理过的化学试剂相互接触发生颜色变化，从而在白纸上显现字迹。基于实验原理、用品、步骤、教学应用等因素，“喷水显字”实验主要可分为两类代表性方法：一是利用酚酞与碱性溶液的反应，二是利用铁离子与特征显色剂的反应。这一实验巧妙地将化学反应可视化，为探索化学与书法的学科融合育人提供了生动载体。

Graphical abstract

关键词

喷水显字 / 学科融合 / 趣味实验 / 纸上化学 / 酚酞 / 碱 / 铁离子

把一种试剂溶液当作墨水，用毛笔蘸“墨水”在纸上写字，用装有另外一种试剂溶液的喷壶，向纸上字迹表面喷液，试剂间发生化学反应出现颜色的改变，从而造成凭空显字或字迹颜色改变的趣味现象，笔者称之为“喷水显字”实验。文字承载的内容、汉字特有的书法表现形式和不同化学反应显色变化，都让“喷水显字”实验更具有开放性和拓展性，该实验操作简单，凭空显字现象趣味性强，可以广泛应用于科普和中学化学教学中。笔者把“喷水显字”实验尝试应用在初、高中化学教学中，取得了良好的教学效果，现将部分实践经验与同仁分享。

1 酚酞和碱的“喷水显字”实验

1.1 实验原理

酚酞是一种中学常见的酸碱指示剂，遇酸不变色，遇碱变红色，利用这一显示原理可以设计初中版的“喷水显字”实验。

1.2 实验用品

（1） 药品：酚酞溶液、氢氧化钠溶液。

（2） 仪器：烧杯、毛笔、白色宣纸、毛毡、镇尺、喷壶。

1.3 实验步骤

（1） 裁剪大小合适的宣纸，放在毛毡上，用镇尺固定。

（2） 取20 mL左右用酒精配制的酚酞溶液，将其放入烧杯中；用洁净的毛笔蘸取此溶液在宣纸上写字，然后晾干。

（3） 用装有氢氧化钠溶液的喷壶向晾干后的宣纸上喷“水”，就能看到原来写的字迹逐渐变红。

1.4 教学应用

（1） 科普课或绪言课。科普课或初中化学绪言课，作为化学启蒙的第一课，重在激发学生对化学的兴趣。“喷水显字”实验，不仅能激发学生的好奇心，而且基于“首因效应”可以让化学在学生心中留下美好的第一印象。根据笔者的教学经验，“喷水显字”实验在初中绪言课上成功率很高，效果显著，是拉近学生与化学距离的一个好方法。具体做法：课前，在宣纸上写好“我爱化学”条幅；课上，演示实验——随着喷壶喷“水”，白纸上逐渐显示红色的“我爱化学”，学生在好奇和震撼中不由自主地念出“我爱化学”。这一教学模式，能够潜移默化地培养学生对化学的好感，让学生感受化学和汉字结合带来的视觉美。

（2） 复习课或探究课。以复习课的教学为例，可以抓住酚酞遇碱溶液变红，但碱溶液浓度大时红色反而会褪去的异常现象，创造真实的问题情境进行教学。问题情境：当用装有氢氧化钠溶液的喷壶，向用酚酞写过字的宣纸上喷“水”时，会迅速显示红色的字迹。但很快红色的字迹又褪色了，这是什么原因导致的呢？笔者鼓励学生大胆提出猜想：①碱被空气中的二氧化碳反应了；②酚酞被空气中的氧气氧化了；③碱溶液浓度太高。那到底是哪种原因呢，你能设计实验方案进行证明吗？

学生讨论得出：不需要经过实验就可以排除猜想①，因为氢氧化钠溶液与二氧化碳反应生成碳酸钠溶液，依然显碱性。为验证猜想②，往褪色的宣纸上接着喷氢氧化钠溶液，红色的字又显现了。为验证猜想③，取5个小烧杯依次配制质量分数为10％、20％、30％、40％、50％的氢氧化钠溶液，各取2 mL于试管中，然后向试管中各滴2滴酚酞溶液。5支试管中碱溶液都变红，但碱浓度越高，变红后越快褪色。因此，得出实验结论：酚酞遇碱溶液变红色，遇酸不变色，但碱浓度过高时红色越快褪去。通俗地讲，酚酞指示剂是有适应范围的，pH要求在0~12时适用。具体是：当0<pH<8.2时，呈无色；当8.2<pH<12.0时，呈红色。笔者引导学生思考——如何更好地演示“喷水显字”实验。

教学反思：围绕实验上一节初中公开课，通过“喷水显字”实验先变红又褪色这一异常现象的发现，引发学生按照科学探究的一般思路，猜想褪色原因，并以小组为单位讨论设计方案，最终得出结论，从而培养并发展学生的化学核心素养。在配制一定质量分数的氢氧化钠溶液时，采用分组合作探究教学模式^［1］，全班分成5个小组，按照课本配制一定质量分数的氯化钠溶液步骤配制特定浓度的碱溶液，配制好的溶液全班共享，能够培养学生合作探究的集体意识。该课从“喷水显字”的生活情境出发，让学生感知化学与生活的联系。学生通过科学探究深化理解，并活学活用，最终较好地完成了实验，整个过程充分体现了化学的学科价值。

1.5 异常现象分析

酚酞遇浓度较高的强碱为什么会褪色，或遇浓度较低的强酸为什么会变红？结合问题查阅资料可知：酚酞是一种有机弱酸分子，在不同的酸碱溶液中存在不同的结构形态，见图1。结构Ⅰ为酚酞的内酯式分子结构，两个苯酚基团连接在异苯并呋喃酮上，分子中包含3个共轭小体系，中心碳原子为sp³杂化，连接中心碳原子的4条共价键非共平面，无法吸收可见光，因此在0<pH<8.2的溶液中呈无色。结构Ⅱ、Ⅲ是酚酞分子电离1个氢离子后形成的互变异构体。结构Ⅱ、Ⅲ具有醌式结构，中心碳原子为sp²杂化，连接中心碳原子的3条共价键共平面，形成大共轭体系，容易吸收可见光，因此呈红色。结构Ⅳ是酚酞在强碱溶液中，氢氧根离子进一步结合酚酞中心碳原子，醌式结构被破坏，中心碳原子为sp³杂化，连接中心碳原子的四条共价键非共平面，无法吸收可见光，因此在pH>13的强碱性溶液中红色反而褪去^［2］。

1.6 拓展升华

除了将“喷水显字”实验用于酚酞与碱溶液的显色反应外，也可以将其用于实验拓展。例如：利用浓硫酸的脱水性创作“烘干显字”实验，利用硝酸钾受热分解创作“火龙显字”实验、利用米汤中的淀粉和碘显蓝色的原理制作“米汤显字”，介绍英雄事迹，进行思政教育。

（1） “烘干显字”实验。

实验原理：用毛笔蘸稀硫酸在宣纸上写字，当稀硫酸中的水蒸发时，稀硫酸变成了浓硫酸，浓硫酸具有脱水性和强腐蚀性，可以把纸中的有机物中氢、氧元素按水的组成比脱去（脱水作用），造成纸炭化变黑，显现黑色字迹。

具体操作：用毛笔蘸无色稀硫酸在宣纸上写字，然后用吹风机向写字的部位吹风，热风效果更佳，一会儿后，观察到用稀硫酸写的字迹变黑，见图2。在教学时用该实验讲述浓硫酸的脱水性和强腐蚀性，更加生动有趣，且显现“炭”字有利于学生辨别“炭”和“碳”的书写。

（2） “点火显字”实验。

实验原理：用毛笔蘸硝酸钾溶液在宣纸上写字后晾干，当带火星的木条接触硝酸钾时，硝酸钾受热分解释放出助燃的氧气，纸被烧焦变黑，显现黑色字迹。

具体操作：用干净的毛笔蘸饱和硝酸钾溶液在白色的宣纸上写字（注意笔画要连续不断，且在起笔处做个标记），晾干后放在地上；然后，用点燃的香或带火星的木条接触字迹标记处，硝酸钾受热分解放出助燃的氧气，此时宣纸上有硝酸钾的部位即有火花出现，并缓慢地沿着字的笔迹蔓延，好像用火写字一般，最终呈现出用毛笔所写的字——龙，见图3。在讲述燃烧的条件时，因为放在地板上没写字部位的温度达不到纸的着火点，所以不能燃烧。此实验也可以作为趣味实验，引导学生用手机延时拍摄技术把显现字迹的过程录下来，并配以恰当的背景音乐，能有效激发学生的参与兴趣，增强科学探究的体验感与表现力。

（3） “米汤显字”实验。

实验原理：淀粉遇碘变蓝。利用这一原理，米汤（含淀粉）书写的内容经碘酒涂抹后可显现蓝色字迹，这在历史上曾被用于情报传递，包括中共地下组织在某些情况下也曾使用类似方法。例如，教师可以结合无产阶级革命家方志敏同志的英雄事迹进行教学：方志敏同志身陷囹圄后，曾用米汤在纸上密写书信向监狱外传递信息。收信人收到“白纸”后，用碘酒擦拭即可显现字迹。在狱中，方志敏同志身受残酷折磨，但他始终坚守对党的忠诚和对革命的信念，以惊人的革命乐观主义精神和坚不可摧的意志，在极端恶劣的条件下留下了《可爱的中国》等约13万字的光辉文稿，展现了一名共产党人的赤子之心和崇高气节。他的事迹也被央视等媒体改编成多种文艺形式，广为传播。该案例能够自然衔接化学知识与革命传统教育，培养学生的科学素养与家国情怀。

2 铁离子的“喷水显字”实验

2.1 实验原理

铁离子和不同试剂反应分别生成不同颜色的物质，可以创作各种有趣的“喷水显字”实验。

①Fe³⁺+3SCN^-=Fe（SCN）₃（血红色）；

②Fe³⁺+6C₆H₅OH→3H⁺+H₃［Fe（C₆H₅O）₆］（紫色）；

③Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓（红褐色）；

④4Fe³⁺+3［Fe（CN）₆］^4-→Fe₄［Fe（CN）₆］₃（蓝色）；

⑤2Fe³⁺+3S^2-=Fe₂S₃↓（黑色）；2Fe³⁺+3S^2-=S↓+2FeS↓（黑色）。

2.2 实验用品

（1） 药品：氯化铁溶液、硫氰化钾溶液、氢氧化钠溶液、淀粉碘化钾溶液、硫化钠溶液。

（2） 仪器：烧杯、毛笔、白色宣纸、毛毡、镇尺、喷壶。

2.3 实验步骤

（1） 裁剪大小合适的宣纸，放在毛毡上，用镇尺固定。

（2） 取20 mL左右的试剂溶液放入烧杯中，并在烧杯上贴上标签，用洁净的毛笔分别蘸“墨水”在宣纸上写字，然后晾干。

（3） 用装有氯化铁溶液的喷壶向晾干后的宣纸上喷“水”，就能看到原来写的字迹逐渐显现出来。

2.4 教学应用

（1） 铁离子检验，趣味课堂导入。

实验原理：硫氰化钾遇Fe³⁺会立即生成一种血红色的络合物Fe（SCN）₃，离子方程式为：Fe³⁺+3SCN^-=Fe（SCN）₃。该方法灵敏度高，故常用于检验溶液中是否存在Fe³⁺。

具体操作：①用干净的毛笔蘸氯化铁溶液在宣纸上写字“色变”，然后晾干；②用装有无色透明的硫氰化钾溶液的喷壶向晾干后的宣纸上喷“水”，就能看到淡黄色字迹立即变为血红色，见图4。

（2） 复习课或活动课。以复习课的教学为例，在高一学生复习铁及其化合物知识时，该实验就可以作为魔术进行情境导入，让学生尝试用已学知识来解密背后的化学原理。教师在课堂上表演“喷水显字”实验，用装有氯化铁溶液的喷壶向一张“白纸”上喷洒“水”，纸上依次显现出血红色的“铁红”、蓝色的“碘蓝”、黄褐色的“碱褐”、黑色的“硫黑”字迹，并出示写字的毛笔和所蘸的“墨水”，让学生尝试揭开谜底，完成表1。

教学反思：“喷水显字”魔术表演，不仅可以展现化学之美，而且可以快速吸引学生注意力，激发学生的好奇心和求知欲；展现汉字之美，同时汉字也给学生推测进行了提示，降低了难度，有利于学生的解密，并在解密过程中实现对铁及其化合物知识的复习。

2.5 异常现象分析

在“喷水显字”魔术表演中，使用硫化钠溶液书写并喷洒氯化铁溶液后，可以明显地显现出“硫黑”的字迹。但实践发现，必须现写现用，且在1 h内的效果较好。倘若书写后放置过久再喷洒氯化铁溶液，则会显现出和“碱褐”相同的颜色。为什么会出现这种异常现象呢？经过笔者多次重复验证后发现——当用毛笔蘸硫化钠溶液写字后，硫化钠溶液会逐渐水解，即有：{\mathrm{S}}^{\mathrm{2}-}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{}{\rightleftharpoons }\mathrm{H}{\mathrm{S}}^{-}+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}；\mathrm{H}{\mathrm{S}}^{-}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}\uparrow +\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}。同时，在实验室能闻到臭鸡蛋味的H₂S，所以必须现写现用。“硫黑”魔术离子方程式的推断涉及陌生反应，推断难度较大，铁离子与硫离子的反应比较复杂，生成Fe₂S₃的沉淀反应是动力学优势反应，生成Fe²⁺与Ｓ的氧化还原反应是热力学优势反应，此处基于学情和教学目标的考量，未做深入探究。

2.6 拓展升华

维生素C又称抗坏血酸，具有还原性，可以把Fe³⁺还原为Fe²⁺，利用这个原理也可以设计“喷水消字”实验。

具体操作：用装有维生素C溶液的喷雾瓶，向血红色的“铁红”、蓝色的“碘蓝”字迹上喷洒，则“铁红”和“碘蓝”字迹会快速褪色。通过“喷水显字”和“喷水消字”实验，学生能将化学知识与应用实践相联系。这一过程不仅能让学生直观感受化学的学科价值与社会价值，更能深刻理解化学在提升生活质量、创造美好生活中的关键作用。

3 “喷水显字”实验的教学思考与启示

“喷水显字”实验是利用化学反应变色的原理设计的趣味小实验，因其操作简单、现象明显等优势深受师生的喜爱。但围绕该实验开展的研究较少，实际教学中的应用频率也相对不高。究其原因，除了常规试管实验已足以完成同类显色内容的演示外，还有两个不容忽视的原因：其一，实验室往往缺乏专业的书写工具，实验材料存在明显局限。通常，实验者会直接选用实验室中的滤纸进行书写，但滤纸表面积小、书写空间有限、趣味性较弱；若改用普通打印纸，书写后容易起皱，纸张吸水性差，喷液时水珠易成股流下，造成字迹晕染模糊。其二，展示效果受书写能力制约。多数化学教师未接受过系统的书法训练，书写水平有限，导致最终呈现的字形不够美观，因此不少教师会选择回避此类实验。

若从学科融合的角度重新审视这一问题，将书法教室与化学实验室相结合，上述困难便可迎刃而解。书法教室笔墨纸砚一应俱全，其常用的宣纸吸水性好，纸张面积够大，可以按需裁剪，正是“喷水显字”的完美载体。书法教师可在书写技法上给予专业指导，从而提升字迹的美观度。化学实验室中丰富的试剂种类，为显色反应提供了多样的颜色变化与创作可能。书写内容不固定，也为我们创作“喷水显字”提供了更多灵感和创意。从学科融合的视角来看，“喷水显字”实验不仅开启了化学与书法学科的融合，更为弘扬优秀传统文化拓展了新途径。

参考文献

[1] 王振，魏斌，胡志刚.基于合作探究的理论性知识的教学：以“质量守恒定律”为例［J］.化学教学，2017（04）：52-54，76.

[2] 熊言林，崔洪珊，周利军，等.红色酚酞溶液逐渐褪色的原因探究［J］.化学教育，2006（11）：56-57.