焰色反應實驗的新設計

陶慧玲

摘要： 許多文獻介紹了焰色反應實驗的改進方法，但仍有三個不足，即焰色持續時間短、酒精燈火焰通常有黃色出現而干擾觀察焰色、裝置較復雜且不能同時對比多個焰色反應實驗。新設計的焰色反應實驗用倒扣的鋁制易拉罐外底作酒精燈，一小團鋼絲球作藥品載體，能持續觀察到焰色反應半分鐘。鋁和鋼絲沒有焰色不干擾實驗;較大的穩定的火焰能產生高達600℃的溫度;鋁制易拉罐和廚房清潔用的鋼絲球常見易得;裝置簡單，能同時對比多個實驗。新設計的實驗現象明顯，操作方便安全，學生容易理解，能激發學生的學習興趣。

關鍵詞： 焰色反應;實驗改進;噴霧法;對比實驗

文章編號： 10056629（2018）3006403 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

焰色反應是檢驗某些金屬元素的重要方法，是中學化學中的重要實驗之一。按教材的實驗方法操作很難得到明顯的實驗效果。通常有以下幾點不足： 焰色持續時間太短;酒精燈火焰通常有黃色出現而干擾實驗;觀察鉀的焰色反應時一手拿藍色的鈷玻璃觀察，另一只手拿鉑絲灼燒操作不方便。

針對以上不足，近年來許多文獻介紹了焰色反應實驗的改進方法。

1.1 從加料的角度改進

馬宏佳進行了噴灑鹽粉末式焰色反應，得到了直徑在10cm高約10～15cm的美麗火焰，這是具有觀賞性的焰色反應演示實驗 [1]。但噴灑法中藥品用量較大，且焰色只在鹽粉末撒落火焰的瞬間可見，焰色持續時間太短，不便于觀察。

李鶯等的噴霧法，即將金屬鹽配成溶液用噴壺直接噴射到火焰上方，可得到頗為壯觀的焰色 [2]。張幫程用“噴霧法”在“廢舊石棉網”上演示焰色反應的實驗 [3]。優點是火焰大且明顯，操作也很方便，但焰色持續時間太短，只在噴灑瞬間可見，且藥品用量也較大，藥品污染周圍環境，較多的金屬鹽霧彌漫在空氣中，被師生吸入肺內，可能影響師生健康。

李生英等提出脫脂棉法，得到的焰色效果與鉑絲做的焰色完全一致，并且具有成本低、操作方法簡便、省時等優點。對于鉀的焰色反應采用此方法，不用藍色鈷玻璃也能清楚地觀察到其焰色 [4]。但是燃燒溫度不高，鹽氣化比較慢。

詹漢英采用石棉繩法進行焰色反應，得到了比較理想的焰色效果 [5]，但同樣存在燃燒溫度不高，鹽氣化比較慢的問題。

Barnes提出焰色試紙法。該方法是將濾紙條通過特殊的處理制成焰色反應的試紙，實驗時直接取用該試紙點燃即可得到相應的金屬焰色，非常方便。也有人嘗試用濕濾紙卷住糊狀金屬鹽放在燈焰中灼燒的方法，效果雖好，但不適宜學生使用 [6]。

1.2 從燃料或火焰溫度的角度改進

林綺玲提出使用氫氣作為火源進行焰色反應實驗。優點是火焰為淡藍色，對金屬元素的焰色干擾較少 [7]。缺點是氫氣的制備和存儲都較難，且有一定的危險性。

高鳳梅等提出使用甲醇作為火源 [8]。優點是火焰為淡藍色，對金屬元素的焰色干擾較少。但是甲醇易揮發且有毒，實驗時會影響師生身體健康。

張喜恒將金屬鹽加入乙醇中作為酒精燈的燃料，焰色持續的時間長，但是溫度低，酒精燈中乙醇的火焰帶有黃色干擾其他金屬元素的焰色反應 [9]。

李健榮將酒精改成瓊脂固體酒精，瓊脂很難燃燒，一般不會干擾焰色反應 [10]，且火焰面積大，便于觀察焰色反應 [11]。但瓊脂固體酒精放在表面皿內的金屬鹽粉末上面，使金屬鹽粉末的受熱溫度很低，需要較長時間才能升高到一定溫度觀察到實驗現象。且該瓊脂固體酒精如沾染了一種藥品后，便不能再用作其他金屬的焰色反應實驗。

1.3 對燃燒器進行改進

周永文對酒精燈進行改進，制成“雙焰酒精燈，可得到35mm高的火焰，焰色反應時間可持續20s，現象很明顯，適用于演示實驗 [12]。但雙焰酒精燈并不常見，操作也不便。

朱兵設計一種輕便的“焰色反應器”，用來代替金屬絲做焰色反應，可以克服金屬絲圈做實驗的缺點，效果很好 [13]，但制作較難。

楊玉峰等用“焰色反應源”做實驗，得到的相應的焰色火焰顏色鮮艷穩定 [14]。但焰色反應器在快速灼燒操作時要避免阱口的玻璃接觸煤氣燈的燈焰，以免產生鈉的黃光等，操作不便。

以上文獻中的改進方法都無法同時克服焰色持續時間短、酒精燈火焰通常有黃色出現而干擾實驗、裝置復雜制作不便以及不能做對比實驗等缺點。經分析后不難發現，比較理想的焰色反應必備的幾個要素是： 用燃料產生較高的溫度;需要待測金屬或其化合物或其溶液;接觸火焰和待測樣品的材料不能有焰色反應的干擾因素。

經過反復試驗和比較，最后設計了更為簡化的裝置——用倒扣的鋁制易拉罐外底作酒精燈，一小團鋼絲球作藥品載體，能持續觀察到焰色反應半分鐘。該實驗操作簡單、現象明顯、與教材中實驗操作和原理相似，學生容易理解、趣味性強且安全環保。

2 實驗器材和藥品

2.1 實驗器材

鋁底易拉罐、廚房清潔用的鋼絲球、藥匙（或膠頭滴管）、鑷子，剪刀、火柴

2.2 實驗藥品

95%酒精、氯化鈉（或其溶液）、氯化鉀（或其溶液）、其他待測金屬鹽固體或其溶液

3 實驗裝置及步驟

實驗裝置如圖1所示。

圖1 新設計的焰色反應對比實驗裝置

下面介紹新設計實驗，以僅燃燒酒精做空白對比、氯化鈉的焰色反應、氯化鉀的焰色反應實驗為例。

（1） 取三個相同的鋁底易拉罐，將易拉罐外底部洗凈，倒扣在桌面上間隔約10cm排成一排，從左到右分別編號為①、 ②、 ③。如圖1。

（2） 取一團廚房清潔用的潔凈無銹的鋼絲球，用剪刀剪下直徑約1cm大小的鋼絲球三團，分別放在倒扣在桌面上的易拉罐的底面中心位置。

（3） 分別在三個易拉罐底部加95%酒精或無水乙醇約3mL。

（4） 在②號易拉罐底部鋼絲球上加待測綠豆粒大小固體藥品或溶液（例如氯化鈉固體或氯化鈉溶液），在③號易拉罐底部鋼絲球上加待測綠豆粒大小固體藥品或溶液（例如氯化鉀固體或氯化鉀溶液）。

（5） 用一根火柴快速點燃三個罐底的酒精，約5秒鐘后就能觀察到明顯的焰色反應實驗現象。

觀察到①號易拉罐底部酒精燃燒火焰呈現很淺的淡藍色，不認真觀察則看不清火焰;②號易拉罐底面上方火焰呈現非常明顯的黃色;③號易拉罐底面上方火焰已經明顯呈現紫色。直接用肉眼便能觀察到三者火焰顏色的明顯區別。透過一塊藍色的鈷玻璃同時觀察三個火焰，能觀察到①號和②號火焰現象相同，③號有非常清楚的紫色火焰。通過觀察①號和②號的火焰，使學生真正理解藍色鈷玻璃的作用是過濾掉鈉的黃色光，以便觀察鉀元素的紫色火焰。

4 實驗總結

新設計的實驗具有以下優點：

（1） 整個實驗裝置的材料是鋁、鋼絲球，鋁、鋼都沒有焰色。使用這些材料實驗時對待測金屬元素的焰色反應沒有干擾。

（2） 火焰面積大，溫度高。小鋼絲球上方火焰溫度高達600℃，能氣化絕大多數待測金屬元素，焰色反應現象明顯。

（3） 焰色持續時間長達半分鐘，有足夠的時間對比觀察。

（4） 能同時對比多個焰色反應。透過一塊藍色的鈷玻璃同時觀察三個實驗（燃燒酒精的空白對比實驗、氯化鈉的焰色反應實驗、氯化鉀的焰色反應實驗），學生能真正理解藍色鈷玻璃的作用是過濾掉鈉的黃色光，理解觀察鉀元素焰色反應需要透過藍色鈷玻璃的原因。趣味性強，效果好，學生的印象深刻。

（5） 實驗材料為鋁制易拉罐和廚房用的鋼絲球，材料易得。可發動學生收集，增強學生的參與度，激發學生的學習興趣。操作簡單，安全環保。

參考文獻：

[1]馬宏佳.具有觀賞性的焰色反應演示實驗[J].中學化學教學參考，2004，（3）： 38.

[2]李鶯等.焰色反應實驗改進[J].衛生職業教育，2007，（4）： 112.

[3]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]李生英，白林.無機化學實驗[M].蘭州： 蘭州大學出版社，2000： 128.

[5]詹漢英.焰色反應的新方法[J].中學化學教學參考，2001，（8～9）： 75.

[6]Bamer Z.K. Alternative flametestprocedures [J]. J. Chem. Edu.， 1991，68（2）： 246.

[7]林綺玲.“焰色反應”的創新實驗研究[J].中學化學教學參考，2010，（06）： 47～49.

[8]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.

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

[10]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.

[11]李健榮﹒焰色反應的實驗改進[J]﹒化學教學，2016，（12）： 59.

[12]周永文.焰色反應實驗的改進[J].化學教學，2000，（1）： 6.

[13]朱兵.金屬焰色反應新技術[J].大學化學，1990，5（6）： 28～29.

[14]楊玉峰，白玫梅.焰色反應實驗的改進[J].化學教育，1998，（10）： 8.