做实验就像做菜一样，
在结果端上来之前，
你永远不知道厨子会给你做什么。
蒋一儒（16岁）北京市海淀区教师进修学校附属实验学校未来少年 第5期 | 2024年12月27日 北京大家好，我是蒋一儒，来自北京市海淀区教师进修学校附属实验学校。今天演讲的题目是《从厨房到化学》。
我认识化学算是比较早的，因为我的父亲是化学老师。在我小的时候，我经常能从他嘴里听到一些稀奇古怪的名词，什么官能团、化学键，经常把我搞得一头雾水。
而我第一次认识到化学的魅力，就从我手中这一片紫甘蓝开始。今天我也要在现场给大家做一下这个小实验。
大家看我手上的这片叶子，这就是咱们平时做饭用的紫甘蓝。我现在要往这片紫甘蓝上加一点碱面，然后不断去揉搓它。还有更神奇的一步。我换一片紫甘蓝，然后给它淋上白醋使劲揉搓。大家看，我的手上这一块原本紫色的紫甘蓝，又变成红色。那这是什么原理呢？相信在场的很多人应该都知道，紫甘蓝中有一种花青素，它可以起到类似酸碱指示剂的效果。在我们生活中也有很多类似这样的现象。比如说这个就是我在家里煮出来的绿豆汤，是夏天的必备饮品。它在我们家煮出来是红色的，但是我们在网上经常能看到一些绿色的绿豆汤。那这又是什么原因呢？可能就是由于水质的酸碱不同。我们家的水偏碱，所以煮出来的就是这种红色绿豆汤。那我就在想，如果我往这里面加点酸，它能不能变成绿色呢？于是我就在家里拿出我的老朋友白醋，向里面倒了一点，它就变成了这样的绿色，也就是我们在网上看到的那种绿油油的样子。▲小苏打和明矾
其实做实验就像做菜一样，在结果端上来之前，你永远不知道厨子会给你做什么。比如现在我手上的两个烧杯，一个装的是小苏打溶液，一个是明矾溶液。我把明矾溶液倒到试管中去，再加入小苏打，大家看，一瞬间就会产生大量的白色气泡。当时我在厨房做出来的时候，它的效果还要好。我当时拿了一个特别小的碗，只放了一点明矾，泡沫就从我的碗里溢了出来。我当时就想，哇，这么剧烈的反应，诺贝尔化学奖应该正在向我招手。但是上网一查资料我发现，这个反应其实很早以前就被应用过了，用来干什么呢？炸油条。明矾和小苏打反应时生成的大量气泡，就是让油条变得蓬松多孔的秘诀。其实咱们身边的泡沫灭火器也是这个原理，只不过它把明矾换成了硫酸铝而已。在厨房做了这些简单的小实验以后，我逐渐不满足了，又把主意打到了电的身上。于是我拿了我家的万用表，想测一测我家的插座到底是不是220伏的。我就把万用表的两个表笔插到那个插孔里面，但是我不小心把电压档接成了电流档。结果可想而知，随着一阵刺鼻的白烟升起，一连串噼里啪啦的声音之后。我家除了灯，所有电器能灭的就全灭了。于是从此之后，家里厨房的门就对我关上了，我爸妈就再也不允许我在家里做实验了。但是老天爷在给你关了一扇门的同时，也会给你打开一扇新的。我上中学以后发现，我们的实验室是可以对学生开放使用的。所以，实验室的大门就对我打开了。于是我立刻就开始着手设计实验报告，申请使用实验室。我还记得我设计的第一个实验是用植物油来提取甘油，这个实验主要的材料和原理就是上图那样。我的第一步就是要把甲醇和氢氧化钠混到一起，倒到植物油里面加热，然后就是漫长的等待时间。等待什么呢？就是要等甲醇在氢氧化钠的催化下，把甘油从植物油的长链中“拽”出来。但是这个反应非常缓慢，所以我一有自习课就去，一去就做40分钟，然后这么断断续续做了大概一个学期。功夫不负有心人，我最后提取到了大概10毫升的甘油。也就是玻璃棒附近这些奇怪的液体。但是为什么它和书上写的不一样呢？是因为它没有除杂，所以有颜色。我后续把它放到活性炭里面过滤，就得到了比较纯的甘油。我想做甘油不是打算做什么护肤品，而是我在网上查到，甘油的硝化物是治心脏病的特效药。所以我就想，能不能在实验室把这东西制出来，然后再转手，这不就有经济来源了嘛？于是我就把这个想法跟负责实验室的老师说了，但老师这次却没同意。为什么呢？因为硝化甘油虽然能治疗心脏病，但它同时也是一种烈性炸药，老师怕我把实验室炸了，所以我这实验还没开始就被扼杀掉了。然后我就想，那我就做一些更安全、同时也能出产品的实验吧。看资料的时候我发现，同等质量的茶叶和咖啡相比，茶叶中的咖啡因比咖啡还多。但是，为什么泡出来茶水里的咖啡因含量，要比一杯咖啡中的少呢？这就是由于茶叶和咖啡不同的冲泡方式决定的。那我就想，能不能直接拿茶叶，来提取出咖啡因呢？首先，我要用酒精把茶叶中固体的咖啡因溶解到酒精里。然后就是最关键的两步，焙炒和升华。焙炒的时候要把刚才获得的提取液放到生石灰里，拿那个小勺子搅啊搅，就能闻到一股特别的香气，就是茶香和酒香混合在一块儿的味道。这一步大概就做到图上这样，能形成这种粉状的化合物。之后就可以开始升华了，升华的目的是让混在里面的咖啡因变成气体。然后我们在用滤纸接住，咖啡因就会凝结在滤纸上，变成针状的白色结晶，也就是提纯。以往的师兄师姐们做到这步的时候，会发现他们的产物不是黄的就是黑的，不是纯的咖啡因。这为什么呢？我想这可能是温度的原因，于是我没用酒精灯加热，而是用了恒温加热炉，把升华的温度控制在了一个比他们更低的区间。这就是当时实验的样子，一个大大的恒温加热炉上边架着一个滤纸。看起来很乱对不对？但是没有关系，做出来结果就好。掀开滤纸以后，我看到了美丽的纯白针状结晶，看着就像书上咖啡因的样子。那我尝上一口，是不是就能见到凌晨四点的北京？但最后关头我一想，不行，这里面还是有可能混了杂质。要是我尝一口，直接在实验室倒下了，那多不好。那怎么再能知道这里面有没有杂质呢？实验室的设备已经没法告诉我了。然后我就在想，如果我一直在实验室这么玩下去的话，可能进展也很有限，只是重复一些别人已经做过的事儿。那真正科学一线的实验室在做些什么事呢？科学家们是不是也都是像我一样，是在实验室玩过来的呢？我想去看一看。在2023年的暑假，有了这么一个偶然的机会，我去了中国科学院大气物理研究所的铁塔分部。左边这张就是我和塔的合照，这个塔大概有300多米，都快和埃菲尔铁塔一样高了。这么高的塔是干啥用的？总不可能是用来收信号、发射信号的基站吧？然后我就去问了指导老师，他说这个塔是用来给大气采样的，上面不同高度的三角形平台，就是为了采集不同高度的大气样本。然后我就想，那我是不是也能上塔呢？他说，没这个必要，你们做的小实验在楼顶采样就够了。我当时还挺失落的，但是作为实验室“小白”，我只能先将这些压在心底。因为我的科研之旅，要从扛罐子开始了。当然，这个罐子可不是一般的罐子，它叫苏玛罐，是用来采集大气样品的。采样的讲究也可多了，在一天之内有两个采样时段，分别是早晨和中午。这是因为早晨人类活动少，大气相对洁净。而中午随着人类活动量的积累，大气的成分逐渐变得复杂。所以在这两个时段采样，可以获得有效的对比，方便后续的研究。采样完了以后要做清洗。这个罐子其实很金贵，在采之前、采之后都要做清洗。而且这个清洗还很神奇，怎么说呢？它清洗不是用水，而是用气体。要把这个罐子的阀门接到一个充满氮气的气阀上，然后向里面充入氮气，再排出来。这个过程要重复3遍，让内部形成一个干燥、洁净且负压的环境，便于后续的采样和使用。采完样品之后，我们就需要分析了。我终于用上了之前只能在课本里见到的气相色谱-质谱仪（GC-MS）。它的作用就是把我们采集到的样本中的一些成分标出来，标出来它们的含量有多少，浓度是多少。我们最重要的实验目的，是通过研究空气中的成分和臭氧之间的关系，看看能否控制臭氧的生成。当大气里面可挥发有机物和氮氧化物比较多的时候，它俩和氧气在光照的条件下就能够生成臭氧。经过我大概三个月的分析研究，得到了以下两张图表。▲北京臭氧（O3）最大体积分数
与可挥发有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）
体积分数的非线性关系
这两张图就是氮氧化物和可挥发有机物与臭氧的关系。我们得到的结论是什么呢？就是控制这两个东西中的任何一个，都能使臭氧得到有效地控制。最近几年，北京的天越来越蓝，PM2.5越来越少，而臭氧就逐渐成为大气里比较重要的污染物。我们做这个研究，也是希望在未来有可能为空气的净化贡献自己的力量。从厨房到中学实验室再到中国科学院，我每走一步，都认识到了新的化学，把世界看得更清楚。我也希望在未来能够不断地再往前、再往前一步，不断与新的化学说你好。谢谢大家！
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