焰色反應的實驗改進

李健榮

摘要：中學化學教材中的焰色反應實驗存在操作繁瑣、鉀元素焰色不明顯等缺點。經實驗探究對該實驗作了改進，發現采用瓊脂制備的固體酒精作為火源直接灼燒金屬鹽的方法，可以排除酒精燈黃色外焰的影響；增大火焰與試樣的接觸面積，具有良好的焰色反應效果。

關鍵詞：焰色反應；瓊脂；固體酒精；接觸面積；實驗改進

文章編號：1005–6629（2016）12–0059–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

焰色反應是指某些金屬或它們的化合物在灼燒時使火焰呈現特殊顏色的反應，是檢驗金屬元素的重要方法。但是在實際操作中按照教材的實驗方法很難得到良好的演示效果，其主要原因有以下幾點：（1）使用酒精燈灼燒時，產生的火焰呈現黃色，在客觀上會對其他金屬離子的檢驗造成干擾；（2）觀察鉀元素焰色需要通過藍色鈷玻璃，而且觀察的視線需要一定的角度；（3）用鉑絲或鐵絲蘸取的金屬鹽溶液量少，金屬離子的焰色持續時間短；（4）該實驗操作復雜，實驗前后鉑絲都要進行清洗，而且鉑絲的價格相對昂貴[1]。

針對以上的不足，近年來許多文獻提出了焰色反應的實驗改進。通過對文獻資料進行篩選整合，選取其中幾種方法進行試驗，發現都取得較好的實驗效果，但是這些改進實驗仍或多或少存在一些不足，現將其整理如表1所示。

綜合教材的實驗和上述幾種改進實驗的分析，火源對于焰色反應的效果有很大的影響，因此，制備一種無毒、環保、易于保存且火焰顏色接近無色的火源對實驗十分重要。

2 無色火焰的制取

2.1 固體酒精的改進——瓊脂固體酒精

固體酒精是一種常見的燃料，由于其使用方便、無污染、無煙等優點，因此被廣泛用于餐飲業、旅游業和野外作業等場合。

固體酒精的種類和制作方法有很多種，但是不能直接選用市場上購買的固體酒精，因為市面上的固體酒精主要分為兩類：（1）以硬脂酸、氫氧化鈉和石蠟等物質為原材料進行制備。該固體酒精含有的鈉元素對火焰顏色造成干擾，無法使用。（2）以硝化纖維為原材料進行制備。由于硝化纖維具有一定的危險性，因此不推薦使用[6]。

實驗室常見制備固體酒精的方法是使用醋酸鈣作為固化劑，利用醋酸鈣在酒精和水中溶解度不同的原理進行制備，如李明立等[7]曾使用這種固體酒精，但是醋酸鈣制備的固體酒精中含有鈣元素，對其他元素的焰色造成一定的干擾。因此，我們應當選擇一種對火焰顏色無影響且綠色環保的固化劑來代替醋酸鈣。瓊脂就是一種很好的選擇。

瓊脂是一種常見的食品增加劑，由于其具有凝固性和穩定性，常被用作凝固劑、穩定劑和保鮮劑，因此，瓊脂可以代替醋酸鈣作為固化劑。由于瓊脂很難燃燒，制成的瓊脂固體酒精在燃燒時不會有顏色干擾[8]，并且瓊脂固體酒精在燃燒時不冒黑煙，沒有異味，是一種環保型的固體酒精。

綜合上述的分析，瓊脂固體酒精是作為焰色反應的一種理想火源。

2.2 固體酒精燃燒方式的改進

固體酒精在燃燒時需要放置在表面皿等儀器中。經文獻研究，一般盛放固體酒精的儀器分為三大類：（1）玻璃制品，如表面皿、玻璃片等。這些儀器含有鈉元素，對火焰顏色會造成干擾。（2）陶瓷制品，如蒸發皿、坩堝等。這些儀器同樣含有鈉元素。（3）石棉網。石棉網是由石棉纖維制作而成的，含有鈣元素，對火焰顏色也造成影響。為了排除這些載體對瓊脂固體酒精的干擾，在實驗操作過程中直接使用固體酒精灼燒金屬鹽粉末，如圖1所示。

金屬鹽粉末放置在下層，瓊脂固體酒精放置在金屬鹽表面進行燃燒。這樣操作有以下3個優點：（1）金屬鹽粉末將瓊脂固體酒精與表面皿進行隔離，可以排除載體儀器對火焰的影響。（2）固體酒精燃燒后是塊狀的，所以實驗結束后可以用鑷子將燃燒后的固體酒精取走，剩余的金屬鹽可以反復地進行實驗，體現綠色化學的思想。（3）由于是直接用火焰燃燒金屬鹽，所以金屬元素的焰色特別深，效果明顯。

3 焰色反應的改進實驗

3.1 實驗儀器與試劑

儀器：三角架、石棉網、酒精燈、火柴、表面皿、10mL量筒、鑷子、托盤天平、藥匙、玻璃棒、燒杯

試劑：蒸餾水、瓊脂、無水乙醇、碳酸鋰、氯化鈉、溴化鉀、氯化鈣、氯化鋇、氯化鍶、氯化銅

3.2 瓊脂固體酒精的制備

（1）用托盤天平稱量0.2g的瓊脂，并將稱量的瓊脂倒入燒杯中。

（2）用量筒量取10mL的蒸餾水，并倒入到裝有瓊脂的燒杯中。

（3）將裝有瓊脂和蒸餾水的燒杯置于石棉網上加熱，至瓊脂完全熔化。

（4）用量筒量取10mL無水乙醇，并倒入到熔化的瓊脂中。

（5）停止加熱，冷卻一段時間后，即可得到固體酒精。

乙醇的火焰理論上應當是淡藍色的，但是酒精燈的火焰卻是呈黃色的，其原因是由于碳粒子激發出黃色光。那么為了得到淡藍色的火焰，就要消除溫度較高的碳粒子所激發的黃光。因此，在制備瓊脂固體酒精時要加入一定量的蒸餾水來減少乙醇在單位時間內的燃燒量，從而避免碳粒子在高溫區出現[9]。

蒸餾水和乙醇的比例多少才適宜？如果當蒸餾水與乙醇的比例較高時固體酒精無法點燃，當比例較低時乙醇的火焰對金屬的焰色又造成干擾。為了達到最好的效果，通過制備不同體積比的瓊脂固體酒精進行比較，如表2所示。

從表2的數據可以看出，當蒸餾水與乙醇的體積比為1：1或1.25：1的時候，火焰的焰色為淡藍色。因此，本文在制備瓊脂固體酒精時分別加入10mL蒸餾水和10mL無水乙醇（水醇比為1：1）。

3.3 焰色反應的操作

（1）取適量的溴化鉀固體置于表面皿中，并在溴化鉀固體的表面加入適量的瓊脂固體酒精。

（2）點燃固體酒精。觀察到瓊脂固體酒精燃燒時，火焰與溴化鉀固體接觸面積較大，在不需要通過藍色鈷玻璃的情況下也能很清楚地觀察到火焰顏色為紫色。

（3）更換其他的金屬鹽，重復上述實驗，并記錄各種金屬元素的焰色。

4 總結與評價

瓊脂固體酒精是一種環保型的固體酒精，使用它進行焰色反應實驗具有以下幾點優點：（1）不需要昂貴的鉑絲，實驗成本較低；（2）瓊脂固體酒精燃燒時，火焰呈淡藍色，可見度高，焰色反應面積大；（3）不用透過藍色鈷玻璃片即可很好地觀察鉀元素的焰色反應；（4）教師可以提前制備好固體酒精（固體酒精在密封的條件下可以保存較長的時間），在做演示實驗時直接取出使用，簡化實驗操作；（5）固體酒精完全燃燒后，可用鑷子直接取出，剩余的金屬鹽可以直接回收重復利用（因為焰色反應是由于金屬元素的電子發生躍遷而產生的，是元素的物理性質，并非發生化學變化），體現出綠色化學的思想；（6）瓊脂是生活中常見的凝固劑，廣泛用于制造果凍、冰淇淋、糕點、軟糖、涼拌食品等食品。使用瓊脂作為實驗材料，體現了從生活中學習化學，用化學指導生活的思想；（7）瓊脂固體酒精的配方中，原料組分少，工藝制作簡單，原材料來源廣泛、造價低，而且一次性制取后，密封保存可以多次使用。

參考文獻：

[1][3]林綺玲.“焰色反應”的創新實驗研究[J].中學化學教學參考，2010，（6）：47～49.

[2][9]張幫程.用“噴霧法”在“廢舊石棉網”上演示焰色反應實驗[J].化學教學，2009，（6）：20～21.

[4]高鳳梅，于清江，武劍.鉀元素焰色反應的新方法[J].中學化學教學參考，2007，（1）：65.

[5]張喜恒.焰色反應實驗的改進[J].中學化學教學參考，2015，（6）：23.

[6]張忠誠.固體酒精制備工藝的研究[J].山東工業大學學報，2000，30（6）：263～268.

[7][8]李明立，曹廣雪.利用固體酒精進行的焰色反應[J].教學儀器與實驗，2013，（12）：29.

[10]項云梅.焰色反應實驗的改進[J].中學化學教學參考，2015，（8）：57.