不同视角下的焰色试验.pdf

2023 年第7期实验改进与创新不同视角下的焰色试验李芳芳（上海外国语大学附属宏达高级中学，上海 304400）摘要：基于高中化学物质检验实验中焰色试验在课堂教学过程中的不足，提出了制作便携式焰色蜡烛、甲醇助燃的焰色试验和电火花助力下的焰色试验等3个改进焰色试验的方法，并对实验过程中的注意事项进行分析。改进后的焰色试验操作便捷、效果明显，给学生留下了深刻的印象。关键词：焰色试验；物质检验；蜡烛；甲醇；电火花DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.0232019年人教版高中化学教材必修1第38页的焰色试验是高中教材中最基本的检验金属元素的定性实验，其原理与2019年人教版高中化学选择性必修2“物质的结构和性质”中提到的原子光谱如出一辙。焰色试验是物质原子内部电子在靠近火焰、火花或低电势下，部分电子吸收能量跃迁至较高能级，从而变得不稳定。当电子再从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时，释放出的能量以光辐射形式出现。大多数金属原子或离子发出不同波长的光正好在肉眼可见的范围内，不同光其波长不同，就呈现出不同的焰色 1。1教材实验存在的问题教材中焰色试验是把熔嵌在玻璃棒上的铂丝（或用光洁无锈的铁丝）放在酒精灯（最好用煤气灯）外焰上灼烧，待其与原来的火焰颜色相同时，再蘸取待测液并置于外焰上灼烧。将铂丝（或铁丝）用盐酸洗净后，在外焰上灼烧至与原来火焰颜色相同时，再蘸取一下样品重复前面的操作2。该实验有以下不足：有些学校没有煤气灯，只能采用酒精灯，但是酒精灯火焰的黄色比较明显，因此在检验钠离子的焰色时现象不明显。铂丝比较昂贵，反复灼烧容易在玻璃棒镶嵌处断裂，铁丝在蘸取盐酸的时候会因反应而逐渐损坏。检验钾元素的时候要透过蓝色钴玻璃，现象不是很明显。2改进实验药品与仪器（1）实验药品：精炼石蜡、稀盐酸、甲醇、氯化钠、氯化铜、硫酸铜、硝酸锶、氯化钾、氯化钙、碳酸锂、氯化钡、蒸馏水。（2）实验仪器：DIY蜡烛硅胶模具、棉质烛芯、熔蜡铁锅、酒精灯、火柴、研钵、50 mL烧杯、蒸发皿、表面皿、喷雾瓶、滤纸、药匙、胶头滴管、静电感应起电机。3改进实验过程与现象3.1便携式焰色蜡烛的制备（1）准备发色烛芯：将棉质烛芯在稀盐酸中浸泡10 s后马上取出晾至半干，再裹上研成粉末状的待测固体（氯化钠、硫酸铜等）。（2）将精炼石蜡放在熔蜡铁锅（也可用蒸发皿替代）中加热熔化，先将烛芯裹上一层精炼石蜡固定粘在上面的粉末，冷却后将烛芯放入蜡烛模具的小孔内，再将模具置于冷水浴中（水面不能没过上表面），以少量多次方式灌入液态石蜡。若一次性灌入的话，由于石蜡热胀冷缩，冷却固化后就会在蜡烛中间出现小孔。（3）冷却固化成型后脱模取出蜡烛，点燃即可观察金属元素的焰色。3.2甲醇助燃的焰色试验（1）在表面皿或蒸发皿或铁制容器内加入少量甲醇，再加入待测固体，点燃甲醇，观察火焰的颜色（图1）3。氯化钡（黄绿）氯化钠（黄）氯化铜（绿）硝酸锶（洋红）碳酸锂（紫红）硫酸铜（绿）图1各种待测物在甲醇助燃下的焰色效果 63SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验改进与创新（2）在演示过程中也可将一些配好的待测溶液装入喷雾瓶中，直接往甲醇火焰上喷射，火焰颜色会更明显。3.3电火花助力下的焰色试验文献显示物质原子内部电子在靠近火焰、火花或低电势时，均会出现电子跃迁而产生光辐射现象，焰色反应和原子光谱这块内容也是属于化学和物理的边缘知识，可以利用物理实验中的静电感应起电机产生的静电火花使原子核外电子发生跃迁而产生不同颜色的光辐射4。（1）制作溶液浸润的滤纸片：将待测溶液配成较浓的溶液，把圆形的滤纸浸没在溶液中至1/3，取出晾干，再重复几次，使之蘸上足够多的待测溶液（图2）。图2滤纸处理（2）将蘸有待测液的滤纸部分放到静电感应起电机的两个金属小球中间，启动静电感应起电机，使之产生静电火花，观察滤纸上的现象，如图3所示。abc图3电火花下的钠、钾、铜的“原子发射光谱”4改进实验意义及思考3个焰色试验的改进方法所需的仪器药品均简单易得，在演示时实验操作便捷、效果明显，给学生留下了深刻的印象。（1）在便携式焰色蜡烛制备过程中，发色烛芯的准备非常重要，棉芯在盐酸中浸泡10 s是为了使之粘上少量氯离子，若不用稀盐酸浸泡，则用硫酸铜做的焰色蜡烛所产生的焰色没有用氯化铜做的明显，可能是因为氯化物（卤化物）加热时更易挥发。实验时也可将待测液配成浓溶液，用其浸泡棉芯，晾干，重复几次后再制取焰色蜡烛。（2）甲醇燃烧时自身火焰的颜色很淡，可以很清晰地观察到金属元素呈现的焰色，效果明显比乙醇好。容器的材质不同，效果也不同，在铁质容器中效果比蒸发皿和表面皿中好。在课堂上还可以做“五光十色之彩焰”的趣味性焰色试验，将固体药品全部混合后用甲醇助燃。在用氯化铜固体做完焰色试验后容器底部留下了深褐色的固体（原来取用的是绿色的氯化铜晶体），学生猜测可能是燃烧后氯化铜晶体失去结晶水后的颜色，也有学生猜测可能是高温下带结晶水的氯化铜晶体水解产生了铜的氧化物。为了验证是哪种猜想，往固体中加水后完全溶解，产生天蓝色溶液，没有残留任何不溶物，由此推测是失去结晶水得到了无水氯化铜。经查阅资料得知，无水氯化铜是棕黄色晶体或粉末，故证实是前一种推测。（3）静电感应起电机助力下的“原子吸收光谱”在无火焰的情况下，直接观察到简易的“原子吸收光谱”，将宏观的颜色变化与微观的原子结构联系起来，让学生初步接触原子发射光谱的简易原型，为后面“物质的结构与性质”的学习打下了基础，同时也让学生意识到焰色试验不是化学反应，而是原子内部的电子发生跃迁引起的一种现象。参考文献1 林惠梅，钱扬义，吴宝珠，等.利用手持技术数字化实验促进学生对焰色反应概念的认知 J.化学教育，2021，42（15）：79-83.2 王晶，郑长龙.普通高中教科书化学必修第一册 M.北京：人民教育出版社，2019.3 窦金雨.“焰色酒精灯”：焰色反应的实验改进 J.化学教与学，2019（9）：78-79.4 陆燕海，林肃浩.对“焰色反应”认识的补正 J.中学化学教学参考，2013（5）：46-48.64