焰色反應的趣味化演示裝置的研制

李明立 曹廣雪

摘要：將化學上的焰色反應、電子的躍遷，地理中的龍卷風以及物理中的伯努利原理有機結合起來，用化學藥品和生活中常見物質，通過一系列模型展示，讓枯燥的原理和知識清晰可見。

關鍵詞：固體酒精;焰色反應;電子躍遷;龍卷風;伯努利原理

文章編號：1008-0546（2019）09-0080-02

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.09.025

焰色反應是物質原子內部電子能級的改變即電子的躍遷，當從激發態回到基態時釋放能量，從而以光的形式顯現出來。主要是某些金屬或它們的揮發性化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現特征顏色的反應。是高中化學必修教材中的一個重要實驗，電子的躍遷則是化學選修3《物質結構與性質》中一個重要知識點。

龍卷風、空氣渦旋是地理學中的一種相當猛烈的天氣現象，它的形成與低氣壓和旋轉之風向有關，溫度差和強對流是形成龍卷風的主要原因。

伯努利原理即流體流速越大的地方壓強越小，龍卷風是內部空氣流速遠大于外部空氣流速，此壓力差即為外界提供物體做圓周運動的向心力，從而形成了圓周運動的離心運動。

本實驗的系列改進能夠直觀地同時展示上述實驗現象。

一、簡易組合演示器

器材：旋轉臺、圓柱形鐵絲網垃圾桶、焊接好的酒精盛放容器、點火器、固定鐵釘。 試劑：95%酒精、飽和醋酸鈣、碳酸鋰粉末、硫酸銅粉末、食鹽粉末等。

實驗步驟：（1）將95%酒精和飽和醋酸鈣溶液按照5：1混合，倒入四個容器中，并分別快速在生成的固體酒精中分別加入碳酸鋰粉末、硫酸銅粉末、食鹽粉末。

（2）用點火器點燃固體酒精，將旋轉臺快速旋轉，可以看到龍卷風的形成。

實驗結果：

優點：固體酒精的使用，便于旋轉而不發生火災，彩色的火焰宛如麻花纏繞，形象地展示了不同金屬的焰色反應。

缺點：轉速慢，火焰火苗不旺，形成的龍卷風不劇烈。

同時實驗證明：第一次焊接的四個容器不實用。

二、透明圓柱體對刨演示器

器材：透明圓柱亞克力管對刨、蒸發皿（或者坩堝）、點火器。

試劑：95%酒精、飽和醋酸鈣、碳酸鋰粉末、硫酸銅粉末、食鹽粉末等。

實驗步驟：（1）將95%酒精，分次倒入蒸發皿中，分別加入碳酸鋰粉末、硫酸銅粉末、食鹽粉末。

（2）用點火器點燃固體酒精，將對刨的圓柱體離開一點縫隙，可以看到龍卷風的形成。

（3）改變蒸發皿的個數，從四個到三個，到兩個再到一個，都可以觀察到火焰龍卷風的形成，而實驗證明，兩個的效果最快，最好。

（4）調節縫隙的位置，可以看到順時針和逆時針兩個不同方向的龍卷風。

實驗結果：

優點：便于改變盛放酒精容器的數量，便于彩色的火焰宛如麻花纏繞，形象地展示了不同金屬的焰色反應。

缺點：這種狀態下形成的龍卷風，需要通過改變有機玻璃板的大小才能改變其劇烈程度;小型的對刨容器容易受到火焰的燒烤而變形。

三、迷你發生器

器材：軸承、圓柱形鐵絲網筆筒、蒸發皿、點火器、圓形固定底座。

試劑：95%酒精、飽和醋酸鈣、碳酸鋰粉末、硫酸銅粉末、食鹽粉末等。

實驗步驟：（1）將筆桶固定在圓形固定底座上。

（2）將固體酒精盛放容器放入圓柱形鐵絲網筆筒中。

（3）取上述配制好的固體酒精（含不同金屬離子的鹽）分別放入容器內，并點燃。

（4）快速旋轉，可以觀察到快速旋轉的火焰龍卷風。

實驗結果：

優點：彩色的火焰宛如麻花纏繞，形象地展示了不同金屬的焰色反應，裝置小，便于推廣和使用。

缺點：由于是微型化的裝置，不夠劇烈。

四、進一步改進設想

變手動為電動，電動變成可調速度的轉動，在某一固定轉速下，達到現象的完美。

參考文獻

[1] 宋心琦，普通高中課程標準實驗教科書化學（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2012

[2]宋心琦，普通高中課程標準實驗教科書化學（選修3）[M].北京：人民教育出版社，2012

[3]曹廣雪，神奇的催化劑[J].化學教育，2014（1）：70-71