超聲波納米霧化技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中的應(yīng)用與探索

文章編號(hào)： 1005-6629（2025）06-0066-05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題的提出

當(dāng)前，科技的發(fā)展速度已遠(yuǎn)超中小學(xué)校教育教學(xué)變革的節(jié)奏，實(shí)驗(yàn)教學(xué)乃至科學(xué)教育的滯后效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，如何將科技前沿知識(shí)和最新技術(shù)成果有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是新時(shí)代基礎(chǔ)教育拔尖創(chuàng)新人才早期培育的迫切要求[12]。近年來，項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)開展了創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]，不斷探索將各類教育技術(shù)裝備、前沿科技知識(shí)與成果等有機(jī)融人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)的路徑及方式方法[4-7]，提升各種層次學(xué)生實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）的興趣與參與度，為新時(shí)代基礎(chǔ)教育拔尖創(chuàng)新人才早期培育提供思路。近期，圍繞傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，就如何巧妙引入和靈活利用超聲波納米霧化技術(shù)展開了探索與實(shí)踐。

超聲波納米霧化技術(shù)，作為一種先進(jìn)的物理處理技術(shù)，近年來在醫(yī)療、化妝品、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，逐漸滲透到人們的日常生活中，如空氣加濕與凈化、藥物霧化治療、蔬菜水果保鮮、植物灌溉、農(nóng)藥噴灑、創(chuàng)意霧化景觀營造等。而作為實(shí)現(xiàn)超聲波納米霧化技術(shù)的核心部件一—超聲波納米霧化片，主要是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，結(jié)合高頻電子振蕩技術(shù)，將液體霧化，形成10～100nm 范圍內(nèi)的霧氣。鑒于超聲波納米霧化片具有能將液體霧化形成氣溶膠，增大接觸面積，且能使接觸更為均勻、用量也較為節(jié)約等優(yōu)勢(shì)，本研究基于超聲波納米霧化片（ [1.7MHz ， φ20mm ，網(wǎng)上有售），設(shè)計(jì)制作了若干實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)中學(xué)化學(xué)教材涉及的部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)客式設(shè)計(jì)與改進(jìn)，以期為科技成果科學(xué)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐提供范例參考。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)象

2.1基于超聲波納米霧化片的膠體相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

膠體是學(xué)生進(jìn)入高中學(xué)習(xí)后新接觸的一種分散系，也是高中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容之一，通過實(shí)驗(yàn)探究膠體的性質(zhì)及其應(yīng)用有助于學(xué)生理解分散系的基本概念，掌握物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。在對(duì)以往教學(xué)實(shí)施效果的分析與反思中發(fā)現(xiàn)：膠體丁達(dá)爾現(xiàn)象的教學(xué)中雖嘗試引入生活常見現(xiàn)象，例如樹林中的光束（因氣溶膠對(duì)光線散射作用產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象）等實(shí)例，但部分學(xué)生卻并不能很好地將氫氧化鐵膠體中產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象的課堂實(shí)驗(yàn)與生活實(shí)際相關(guān)聯(lián)；膠體聚沉實(shí)驗(yàn)則因?qū)嶒?yàn)準(zhǔn)備用時(shí)較長，且受試劑用量的影響，有時(shí)難以觀察到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；膠體電泳實(shí)驗(yàn)也往往需要較長時(shí)間才能觀察到明顯的現(xiàn)象等。能否通過易操作又兼具趣味性的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親身體驗(yàn)和經(jīng)歷這一過程，加深對(duì)丁達(dá)爾現(xiàn)象、膠體性質(zhì)的理解以及建構(gòu)學(xué)科知識(shí)與生活實(shí)際的關(guān)聯(lián)？基于超聲波納米霧化片及其霧化技術(shù)，本研究對(duì)教材中膠體相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)客式設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

超聲波納米霧化片（ .1.7MHz ， Φ20mm ）、支架、細(xì)棉棒（長 5cm ， φ6mm ）5VUSB電源、靜電感應(yīng)起電機(jī)、帶蓋塑料罐（ 200mL ）、長銅片、帶鱷魚夾的導(dǎo)線、激光筆、藥匙、試管、熱風(fēng)槍（ 2000AA ）、自來水、豆?jié){、牛奶、氯化鈉固體（氯化鈉懸濁液）。

2.1.2實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)膠體丁達(dá)爾現(xiàn)象、膠體聚沉實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的裝置如圖1所示。制作實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，先將超聲波納米霧化片與支架、試管相連接，然后將超聲波納米霧化片外端與一根蘸有自來水（或豆?jié){、牛奶等）的細(xì)棉棒相連，并接通電源。

針對(duì)膠體電泳實(shí)驗(yàn)，結(jié)合中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室常用的靜電感應(yīng)起電機(jī)，設(shè)計(jì)的裝置如圖2所示。制作實(shí)驗(yàn)裝置：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，對(duì)塑料罐上蓋靠近邊緣處打兩個(gè)孔，要注意這兩個(gè)孔要盡可能遠(yuǎn)離，且要保證孔的尺寸與插入銅片的大小相符；為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加清晰明顯，所使用的銅片尺寸不宜過小。第三步，將兩片長銅片分別插入上述兩孔中，并用帶鱷魚夾的導(dǎo)線將銅片分別與靜電感應(yīng)起電機(jī)的兩個(gè)放電叉桿相連接。

2.1.3實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

2.1.3.1 膠體丁達(dá)爾現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1）實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。選用蘸有自來水的細(xì)棉棒，然后打開超聲波納米霧化片開關(guān)，可立即觀察到試管內(nèi)部產(chǎn)生大量水霧，約3秒后關(guān)閉開關(guān)。

（2）用激光筆從垂直方向照射試管內(nèi)部水霧，即可觀察到清晰的丁達(dá)爾現(xiàn)象一一條明亮的光路，且可視效果明顯。

2.1.3.2膠體聚沉的實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

使用圖1裝置探究電解質(zhì)促使膠體聚沉實(shí)驗(yàn)的具體步驟及現(xiàn)象如下：

（1）取一支試管，選用蘸有自來水的細(xì)棉棒，然后打開超聲波納米霧化片對(duì)其進(jìn)行噴霧操作，約1秒后停止。接下來用藥匙直接從試管口部向豎置的試管中添加少量氯化鈉固體。由于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)對(duì)該試管進(jìn)行過噴霧操作，且使用藥匙加入氯化鈉固體時(shí)并未將藥匙伸人試管內(nèi)部，故部分氯化鈉固體易附著在試管壁上。此時(shí)可通過選用氯化鈉懸濁液潤洗試管壁以達(dá)到清洗效果。

（2）另取一支同規(guī)格干燥潔凈的試管，與前述（1）中試管進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。由于豆?jié){（牛奶等）膠粒通常帶電，故選用蘸有豆?jié){（牛奶等）的細(xì)棉棒，然后分別用超聲波納米霧化片同時(shí)對(duì)上述兩支試管進(jìn)行噴霧操作，約3秒后同時(shí)停止，可清晰觀察到原先干燥潔凈的試管中豆?jié){霧氣溶膠的量明顯多于另一支加入少量氯化鈉固體（或氯化鈉懸濁液潤洗）的試管，由此可以推斷豆?jié){等霧氣溶膠的帶電膠粒遇電解質(zhì)會(huì)發(fā)生聚沉。

使用圖1裝置探究加熱條件導(dǎo)致膠體聚沉實(shí)驗(yàn)的具體步驟及現(xiàn)象如下：

（1）使用2片超聲波納米霧化片分別同時(shí)對(duì)兩支同規(guī)格、潔凈的試管進(jìn)行噴霧操作，約3秒后停止。

（2）使用熱風(fēng)槍（ 2000W ）對(duì)其中一支試管進(jìn)行加熱操作，約3秒鐘后停止加熱，并與未進(jìn)行過加熱的試管進(jìn)行對(duì)比，可觀察到加熱后的試管中霧氣溶膠的量明顯更少，可以推斷氣溶膠粒加熱后會(huì)發(fā)生聚沉

2.1.3.3膠體電泳的實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

使用圖2裝置探究膠體電泳實(shí)驗(yàn)。首先選擇合適的液體試劑（如牛奶、豆?jié){等），用細(xì)棉棒蘸取后并用超聲波納米霧化片進(jìn)行噴霧操作，然后轉(zhuǎn)動(dòng)靜電感應(yīng)起電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪（提供高壓直流電環(huán)境），可以觀察到產(chǎn)生的氣溶膠會(huì)明顯偏向其中一側(cè)的銅片（如牛奶、豆?jié){膠粒帶負(fù)電，可觀察到產(chǎn)生的氣溶膠明顯偏向陽極），由此可以證明和推斷該氣溶膠膠粒帶電，在高壓直流電環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生電泳現(xiàn)象。此外，通過本實(shí)驗(yàn)裝置還可以拓展探索不同氣溶膠膠粒所帶電荷的情況等。

2.1.4實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

基于超聲波納米霧化片，利用超聲波納米霧化技術(shù)探究膠體相關(guān)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有對(duì)比、有進(jìn)階，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰明顯、實(shí)驗(yàn)試劑用量較少、實(shí)驗(yàn)操作安全簡單，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較短，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的是學(xué)生生活中常見的氣溶膠，能讓學(xué)生通過親身經(jīng)歷完整的探究過程，加深了對(duì)丁達(dá)爾現(xiàn)象及膠體性質(zhì)的認(rèn)識(shí)與理解，提升了趣味性和參與性；將學(xué)科知識(shí)與生活實(shí)際緊密相聯(lián)，有益于提高學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用與遷移能力；由于實(shí)驗(yàn)裝置密封性好，用量也較少，產(chǎn)生的霧氣溶膠不會(huì)逸出到外界環(huán)境。

2.2基于超聲波納米霧化片增大反應(yīng)物接觸面積的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

中學(xué)化學(xué)涉及的一些化學(xué)反應(yīng)因受反應(yīng)物接觸面積等因素的影響，導(dǎo)致反應(yīng)所需時(shí)間相對(duì)較長，如模擬工業(yè)制堿中生成碳酸氫鈉的實(shí)驗(yàn)，要觀察到有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一般需要等待30＼～40分鐘時(shí)間；又如二氧化硫使品紅溶液退色一般需要至少4＼～5分鐘時(shí)間等。為此，本研究充分利用超聲波納米霧化技術(shù)產(chǎn)生納米級(jí)的具有巨大表面積的氣溶膠這一特性，從增大反應(yīng)物的接觸面積以加快反應(yīng)速率的視角出發(fā)，模擬工業(yè)制堿，基于超聲波納米霧化技術(shù)進(jìn)行了如下探索。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

超聲波納米霧化片（ 1.7MHz ， Φ20mm ）、支架、細(xì)棉棒（長 10cm ， φ6mm ） ?5V USB電源、雙具支試管、橡膠管、玻璃導(dǎo)管、二氧化碳?xì)怏w小鋼瓶、氨鹽水、飽和食鹽水。

2.2.2實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)制作的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。第一步，將超聲波納米霧化片、支架與雙具支試管的下部支管相連接，雙具支試管的上部支管與橡膠管、玻璃導(dǎo)管一端相連接，玻璃導(dǎo)管另一端則通入裝有飽和食鹽水的燒杯中。第二步，將雙具支試管管口與帶玻璃導(dǎo)管的橡膠塞相連接，確保橡膠塞塞緊后玻璃導(dǎo)管一端伸入至試管中下部位置（見圖3），玻璃導(dǎo)管另一端則通過橡膠管與二氧化碳小鋼瓶相連接。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1）實(shí)驗(yàn)開始前，先在濃氨水中加入氯化鈉固體直至不再溶解，完成氨鹽水的配制。

（2）如圖3所示，取少量（1）中配制好的氨鹽水加入一支小試管中，并通過一支棉棒與超聲波納米霧化片相連通。

（3）待小試管中的棉棒充分吸收氨鹽水后，打開二氧化碳小鋼瓶并調(diào)節(jié)流速，同時(shí)打開超聲波納米霧化片的開關(guān)，使二氧化碳?xì)怏w與氨鹽水水霧在雙具支試管中充分接觸，約4分鐘后可觀察到試管壁出現(xiàn)較多渾濁的液滴，由此可以推斷反應(yīng)生成了碳酸氫鈉。

2.2.4實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

利用該裝置大大提高了反應(yīng)的速率，有效解決了當(dāng)前教學(xué)中因課堂時(shí)間限制而無法實(shí)施工業(yè)制堿實(shí)驗(yàn)的困難和不足，師生都能夠根據(jù)需要在課堂上開展此實(shí)驗(yàn)，有效促進(jìn)了課堂效率的提升。利用本裝置還可以提升二氧化碳與碳酸鈉溶液的反應(yīng)速率、二氧化硫使品紅溶液退色的反應(yīng)速率等。在實(shí)驗(yàn)中，只需將上述反應(yīng)裝置中的液體藥品氨鹽水替換成碳酸鈉溶液或品紅溶液，二氧化碳小鋼瓶替換為所需通入氣體的種類即可。

此外，本裝置還可以用于吸收處理一些容易導(dǎo)致溶液倒吸情況的氣體，如氯化氫氣體、氨氣等。吸收處理時(shí)，只需要將上述反應(yīng)裝置中的液體藥品氨鹽水更換為水進(jìn)行噴霧操作，約10s后，開始從試管頂部所連接橡膠塞上的玻璃導(dǎo)管中通入要吸收處理的氣體即可，不僅不會(huì)倒吸，而且吸收效率很高。針對(duì)不同的氣體、不同的液體，均可采用這套裝置完成吸收處理并防止液體藥品的倒吸。

2.3基于超聲波納米霧化片降低反應(yīng)劇烈程度的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

中學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的一些反應(yīng)，有時(shí)因反應(yīng)速率過快、反應(yīng)過于劇烈，在短時(shí)間內(nèi)放出大量的氣體或熱量，導(dǎo)致一系列的安全問題。為了實(shí)驗(yàn)安全，一般可通過控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度以及反應(yīng)物用量等方法，使反應(yīng)過程變得更為安全可靠。超聲波納米霧化片具有所需試劑用量相對(duì)較少的特點(diǎn)，可用來減小一些反應(yīng)的劇烈程度，從而增加學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。基于此，在前述2.2研究的基礎(chǔ)上，借助超聲波納米霧化片進(jìn)行如下探索。

2.3.1實(shí)驗(yàn)用品

超聲波納米霧化片 （1.7MHz ， Φ20mm ）、支架、細(xì)棉棒（長 5cm ， φ6mm ） ?5V USB電源、單邊底部具支石英試管、玻璃導(dǎo)管、橡膠塞、氣球（或多功能瓶），鈉、鉀等活潑金屬，電石、酚酞試紙、蘸有酸性高錳酸鉀溶液的脫脂棉、飽和食鹽水。

2.3.2實(shí)驗(yàn)裝置

如圖4所示，將超聲波納米霧化片、支架與單邊底部具支石英試管的下支管相連接，單邊底部具支試管管口與帶有玻璃導(dǎo)管的橡膠塞相連接，玻璃導(dǎo)管在試管內(nèi)只伸出橡膠塞少許，在試管外則與氣球（或多功能瓶）相連，用于收集氣體或防止裝置內(nèi)瞬間氣壓過大。

2.3.3實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1）實(shí)驗(yàn)開始前，在如圖4所示的具支試管中部位置放人鈉、鉀等活潑金屬（亦或是電石等物質(zhì)），根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)在靠近試管口位置放置對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)相關(guān)產(chǎn)物的“試紙”，如酚酞試紙、蘸有高錳酸鉀酸性溶液的脫脂棉等。

（2）打開超聲波納米霧化片的開關(guān)，使水霧逐漸與鈉、鉀等金屬接觸，然后可以觀察到鈉、鉀等金屬表面均會(huì)緩慢產(chǎn)生一些氣泡，且在使用鉀金屬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生些許小火星，酚酞試紙則逐漸出現(xiàn)紅色，觀察發(fā)現(xiàn)反應(yīng)總體較為平穩(wěn)。

（3）探究與電石反應(yīng)時(shí)，在棉棒上吸入飽和食鹽水，通過超聲波納米霧化片產(chǎn)生鹽水霧。該反應(yīng)總體也較平穩(wěn)，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也與前述類似，即電石表面會(huì)緩慢產(chǎn)生一些氣泡，放置在試管口位置的蘸有酸性高錳酸鉀溶液的脫脂棉會(huì)逐漸退色。

2.3.4實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

除了上述提及的反應(yīng)，在教學(xué)過程中，高錳酸鉀與雙氧水的反應(yīng)、過氧化鈉與乙醇的反應(yīng)等均可以利用圖4實(shí)驗(yàn)裝置來完成，有效實(shí)現(xiàn)一“置”多用。利用本裝置可以有效降低中學(xué)階段某些化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度，使實(shí)驗(yàn)的安全性大大提升，適宜于安排學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。

3結(jié)語

本研究基于超聲波納米霧化片技術(shù)對(duì)教材中若干實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)客式設(shè)計(jì)與改進(jìn)。改進(jìn)后最突出的優(yōu)勢(shì)在于優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)探究過程，降低了實(shí)驗(yàn)成本及參與門檻，提高了實(shí)驗(yàn)效果，且設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)及裝置的制作適用于教師課堂演示和學(xué)生（分組）實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`性活動(dòng)、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)等多元化應(yīng)用場(chǎng)景，學(xué)生也可以在該裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展探索，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，開發(fā)更多的新實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1］懷進(jìn)鵬.深化教育綜合改革為加快建設(shè)教育強(qiáng)國提供強(qiáng)大動(dòng)力［N］．學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)， 2024-09-04（1） ：

［2］倪閩景.教育多樣化是培育拔尖創(chuàng)新人才的本質(zhì)和方法［N］2024，學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)，（8）：71～77.

[6］馬力.活塞可固定式注射器的制作及用于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的案例[J].化學(xué)教學(xué)，2024，（10）：68～72.

［7」趙雯，馬力.指向創(chuàng)新創(chuàng)造力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)育人變革探索——基于開源硬件的電子天平制作及應(yīng)用[J]．化學(xué)教學(xué)，2025，（1）：65～69.