劉廣斌

摘要： 鐵片、真空包裝袋等器材可使鐵片在2分鐘左右出現(xiàn)銹斑，利用LED燈條等器材將普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行簡單的改裝，可以清晰地觀察到鐵銹的圖像及其特征。利用顯微鏡還可獲得有關(guān)晶體的析出、金屬與鹽溶液反應(yīng)等實驗圖像，甚至是反應(yīng)的動態(tài)圖像，并顯著縮短實驗時間、提高實驗效率。

關(guān)鍵詞： 實驗教學(xué); 光學(xué)顯微鏡; 金屬的腐蝕與防護(hù)

文章編號： 1005-6629（2021）12-0078-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往建立在對肉眼看不見的微觀世界進(jìn)行成功顯像的基礎(chǔ)上[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，顯微技術(shù)也在不斷地發(fā)展，從可以放大到幾十、幾百、上千倍的光學(xué)顯微鏡、光學(xué)數(shù)碼顯微鏡，再到放大倍率達(dá)數(shù)百萬倍的電子顯微鏡，無一不是先進(jìn)生產(chǎn)力的代名詞。借助于顯微技術(shù)，人類解決了許多生化領(lǐng)域的重大難題，從人類新起源到精確的基因編輯，再到新冠疫苗的誕生。

“金屬的腐蝕與防護(hù)”是九年級化學(xué)“金屬與金屬礦物”這一主題的教學(xué)內(nèi)容[2]。該主題涉及不同金屬材料物理性質(zhì)的比較、常見金屬的化學(xué)性質(zhì)、一氧化碳還原氧化鐵、鐵制品銹蝕的條件等四個方面的實驗內(nèi)容[3]。其中前三個實驗不管是實驗藥品，還是實驗裝置、實驗操作、安全環(huán)保等方面都比較成熟，并且實驗中都能快速產(chǎn)生預(yù)期的且相當(dāng)明顯的現(xiàn)象。但“金屬的腐蝕與防護(hù)”這一課題所涉及的“鐵制品銹蝕的條件”實驗，由于緩慢氧化本身速率較慢，為了真實體現(xiàn)鐵制品在自然界條件下的銹蝕，并且得出銹蝕的條件，所以教材設(shè)計的實驗方案均有一周左右的提前量，這就無形中拉長了此實驗的周期。但如果使用鐵粉[4]或鐵片，則可初步解決金屬銹蝕耗時過長的問題;而借助于光學(xué)顯微鏡技術(shù)，則可進(jìn)一步克服這一缺陷，可快速、清晰地觀察到棕黃色的鐵銹。

2 實驗設(shè)計

2.1 樣品的準(zhǔn)備

在人教版或國內(nèi)其他版本的教材中，“鐵制品銹蝕的條件”實驗的鐵制品樣品一般選擇學(xué)生熟悉的鐵釘。當(dāng)使用顯微鏡觀察時，由于鐵釘平放時易滾動，難以穩(wěn)定地平放在顯微鏡下觀察，即使可觀察，聚焦后得到的也是一個傾斜的、部分清晰部分模糊的圖像，所以建議采用鐵粉或鐵片為宜。

為了達(dá)到防銹的目的，日常生活中的鐵制品表面一般會鍍有一層其他的金屬或涂油，有的表面還會有些許銹跡。為了確保實驗的成功，找來的鐵片首先需要用砂紙打磨，以去除表面的金屬涂層或銹跡，再用堿液洗去表面的油污，最后將鐵片在無氧環(huán)境（可在當(dāng)?shù)靥胤N氣站購得“氬弧焊”所用的氬氣，利用氬氣流吹干鐵片）中快速干燥，以防止其再次氧化，將處理好的鐵片放在真空包裝袋中備用。

2.2 顯微鏡的選擇

義務(wù)教育階段的化學(xué)教育，其主要目的是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識物質(zhì)世界的變化規(guī)律，形成化學(xué)觀念;在體驗科學(xué)探究的過程中啟迪學(xué)生的思維;在認(rèn)識化學(xué)、科技、社會、環(huán)境的過程中引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)[5]。所以義務(wù)教育階段的化學(xué)探究性實驗，不同于科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng)造，它是一個培養(yǎng)興趣、提高科學(xué)素養(yǎng)、揭秘物質(zhì)間變化規(guī)律、領(lǐng)悟科學(xué)探究方法的教學(xué)載體。

基于以上認(rèn)識，顯微鏡一般不需要選擇價格高昂的掃描隧道顯微鏡、電子顯微鏡等，可直接使用各學(xué)校實驗室都具有的普通光學(xué)顯微鏡（如圖1所示），使用可見光作為光源。雖然理論上可見光的波長為390到760納米之間，而顯微鏡的分辨率最大可達(dá)其所用光源波長的一半，所以光學(xué)顯微鏡的理論極限分辨率也就在200納米左右。然而對于啟蒙的初中化學(xué)教學(xué)，對于樣本的放大倍率一般不需要達(dá)到這個層級，選擇放大倍數(shù)在1000倍以內(nèi)的光學(xué)顯微鏡即可[6]。當(dāng)然如果使用可連接各種多媒體的數(shù)碼顯微鏡（光學(xué)顯微鏡與光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)的結(jié)合體），則教學(xué)效果將會更佳。

2.3 顯微鏡的改裝

普通光學(xué)顯微鏡對于樣本的基本要求是其要有一定的透光性，當(dāng)光透過樣品到達(dá)物鏡，樣品經(jīng)物鏡和管鏡放大后，會形成倒立放大的實像，實像經(jīng)目鏡再次放大形成放大的虛像。

鐵制樣品的不透光性決定了使用普通光學(xué)顯微鏡時，可見光不可能從下面經(jīng)反光鏡反射，再透過樣品進(jìn)入物鏡。那么光只能從樣品側(cè)面或正上方入射，此時就有兩種方案可以實現(xiàn)此要求： 一是購買鏡頭帶有補光設(shè)備的顯微鏡;二是對學(xué)?，F(xiàn)有普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行改裝。但前者成本相對較高，動輒數(shù)萬，從充分利用現(xiàn)有資源、節(jié)約成本的角度出發(fā)，可以選擇對現(xiàn)有光學(xué)顯微鏡進(jìn)行簡單改裝。

方案一 將光源固定在物鏡上，光線由樣品的正上方射入。

改裝措施： 利用紐扣電池供電，使用發(fā)光二極管，將二極管用雙面膠固定在物鏡前端。

優(yōu)勢： （1）補光充足。（2）觀察放大倍數(shù)要求較低的樣品時，能得到較清晰的圖像。

不足： （1）二極管本身占據(jù)一定的體積，對于放大倍數(shù)要求較高的實驗，物鏡與樣品的距離本就需要十分接近，而此時二極管的存在限制了物鏡向下的行程距離，難以對焦形成更清晰的圖像。（2）對樣品觀察時一般先選擇低倍率的物鏡，當(dāng)觀察區(qū)的圖像相對清晰后，再選用高倍率的物鏡或目鏡。此時由于頻繁轉(zhuǎn)換鏡頭，就需要在不同的物鏡鏡頭前端均粘上二極管，并且由于接線較多，轉(zhuǎn)換鏡頭相對麻煩。

方案二 將光源固定在載物臺上，光線由樣品四周射入。

改裝措施： （1）選擇LED燈條作為光源，同時選擇與LED燈條相適應(yīng)的鎮(zhèn)流器與燈條連接。（2）將LED燈條用雙面膠盤旋固定在培養(yǎng)皿的外側(cè)（如圖2所示）。

優(yōu)勢： （1）選擇LED燈條作為光源的優(yōu)勢有三： 一是燈條較軟，便于盤旋固定。二是亮度可調(diào)，當(dāng)亮度過高時，可以在培養(yǎng)皿四周盤旋1～2圈;當(dāng)亮度不夠時，可以盤旋2～3圈。三是燈條色溫可選、亮度較高，觀察者長期觀察后不容易視覺疲勞。（2）利用培養(yǎng)皿作為載物盤盛放樣品的優(yōu)勢有： 一是便于固定鐵片等實驗樣品;二是保證了光線的充足，由于培養(yǎng)皿邊沿有一定的高度，LED燈條盤旋固定在培養(yǎng)皿外側(cè)，可以保證樣品四周360°的光線照射;三是在保證樣品有充足光線照射的條件下，不影響物鏡的上下行程，即使在高倍鏡下觀察，物鏡與樣品的距離較近時，也能得到較清晰的彩色圖像。

2.4 利用改裝的顯微鏡觀察鐵制品的銹蝕

為了探究鐵制品銹蝕的基本條件，并縮短實驗耗時，提高課堂教學(xué)效率，本實驗除選用鐵片外，還需經(jīng)煮沸并迅速冷卻的蒸餾水和純氧氣，在真空包裝袋內(nèi)（如圖3所示）進(jìn)行對比實驗。

實驗步驟： （1）取第1片鐵片沾水放入真空包裝袋，并充入氧氣，將袋口密封條抹平壓實。（2）取第2片鐵片僅沾水（需煮沸并冷卻的蒸餾水）放入真空包裝袋中，先將袋口密封條抹平壓實，再用抽氣泵抽去袋內(nèi)空氣。（3）取第3片鐵片不沾水，直接放入真空包裝袋中，僅充入氧氣，將袋口密封條抹平壓實。

大約2～3分鐘后分別將3片鐵片取出，首先用肉眼對比觀察，可以看到鐵片在沾水并充氧氣的情況下其表面發(fā)黃（銹斑），在圖4所示顯微鏡（目鏡10×、物鏡40×）下觀察，可以清晰地看到其表面黃色、疏松的鐵銹;而其他兩片鐵片的表面沒有明顯的變化（如表1所示）。

觀察步驟： （1）拆去顯微鏡載物臺上的壓片夾。（2）將裝有補光設(shè)備的培養(yǎng)皿放在顯微鏡的載物臺上。（3）將樣品放在培養(yǎng)皿中合適的位置。（4）將補光設(shè)備接通220V電源。（5）先用低倍率鏡頭觀察并調(diào)好焦距，再用高倍率鏡頭觀察并微調(diào)，直至在目鏡中觀察到清晰的圖像為止。

2.5 顯微技術(shù)的應(yīng)用評價

（1） 實驗樣品、藥品以及實驗儀器的重新選擇使鐵制品的銹蝕實驗從大約一個禮拜縮短為2～3分鐘;借助顯微技術(shù)，還可以得到清晰的鐵銹圖像。這在節(jié)約實驗時間、提高實驗效率的同時，為學(xué)生快捷地分析鐵生銹的條件提供了明確的佐證，有助于學(xué)生證據(jù)意識的培養(yǎng)。

（2） 借助顯微技術(shù)，通過在顯微鏡下對鐵銹甚至是鐵銹生成過程的觀察，可以清晰地看到鐵銹呈“疏松”狀，它不能對里面的鐵起到保護(hù)作用。如果再對比觀察鋁表面的氧化物，學(xué)生可以清晰地看到什么是“致密層”，這對學(xué)生辯證地認(rèn)識金屬表面的氧化物有極其重要的作用。

（3） 顯微技術(shù)的應(yīng)用，雖說是一種創(chuàng)新，其實也并不復(fù)雜，只要師生一起在充分理解原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，本著某種特殊的需求，對實驗的原有設(shè)計稍加“改動”，就可以達(dá)到不一樣的效果，從而提高實驗教學(xué)的深度。這種“思考與改動”有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新能力。借助這種“改動”，還可以進(jìn)一步加深學(xué)生對學(xué)科知識的理解。

3 顯微技術(shù)的應(yīng)用拓展

顯微技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中有著廣泛的適用性。它不僅可以應(yīng)用于觀察金屬的銹蝕，還可應(yīng)用在其他實驗的觀測中，如晶體的析出、有氣體或沉淀生成的反應(yīng)、金屬與鹽溶液的反應(yīng)等[7]。凌一洲等老師也曾利用光學(xué)顯微鏡觀察到了銀樹、銅樹、鉛樹的生成，但由于沒有采用補光技術(shù)，所以沒有很好地觀察到金屬樹原本的顏色[8]（如圖5①）。借助加裝有補光設(shè)備的光學(xué)顯微鏡，不僅可以獲得更清晰的實驗圖像（如圖5②或③），而且充分激發(fā)了學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣;借助加裝有補光設(shè)備的光學(xué)顯微鏡，學(xué)生更清晰地觀察到了化學(xué)反應(yīng)之美[9]。

觀察步驟： （以Fe與CuSO4溶液的反應(yīng)、Cu與AgNO3溶液的反應(yīng)為例）

（1）拆去顯微鏡載物臺上的壓片夾。（2）將裝有補光設(shè)備的培養(yǎng)皿放在顯微鏡的載物臺上，并接通電源。（3）取2只直徑45mm表面皿，分別滴上少許CuSO4溶液、AgNO3溶液，再將兩根約0.5cm長的細(xì)鐵絲、細(xì)銅絲分別放入CuSO4溶液和AgNO3溶液中。（4）將兩只表面皿分別放在顯微鏡下（培養(yǎng)皿內(nèi)），先用低倍率鏡頭觀察并調(diào)好焦距，再用高倍率鏡頭觀察并微調(diào)，直至在目鏡中觀察到清晰的圖像為止。

借助顯微鏡技術(shù)，不僅可以得到有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的靜態(tài)圖像，如果將目鏡換成電子目鏡，還可與電腦、投影儀相連，學(xué)生就可以在大屏幕上看到物質(zhì)間反應(yīng)的動態(tài)圖像。由于在顯微鏡下進(jìn)行實驗，藥品需求量極少，這使得化學(xué)實驗真正實現(xiàn)了試劑微量化[10]。

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