發現身邊的化學，激發實驗的樂趣
——巧用微型霧化消毒機改進焰色試驗

張海霞 任雪明

（南潯高級中學 浙江 湖州 313000）

一、研究背景

教材中演示的常規焰色試驗的實驗操作方法效果不好的主要原因有以下幾方面：①酒精燈的火焰溫度偏低，外焰最高僅達500 ℃，使Ca2+、Ba2+等需要較高溫度才能激發的離子的焰色無法呈現；②酒精燈的火焰因燃燒不充分會產生明顯黃色，會干擾一些金屬離子的焰色，不利于學生鑒別金屬離子，實際只能較明顯地觀察到銅元素的焰色；③實驗采用的鉑絲蘸取的金屬離子的鹽溶液量極少，金屬離子的焰色呈現的時間較短，進而增加現象觀察的難度。

三年抗疫，各種消毒產品層出不窮，其中一種手持霧化消毒機引起了我的注意，其原理很簡單，就是將酒精、次氯酸等消毒液加在微型霧化器中，通過“聚噴大霧”的方式進行精準、大范圍消毒。這令我們產生了以微型超聲波霧化器霧化金屬鹽溶液去改進焰色試驗這一想法。

二、焰色試驗改進方案

1.改進方向

（1）選擇合適燃料

由于酒精燈火焰存在諸多弊端，尋找新的燃燒方式是實驗成功的關鍵。19世紀中葉，德國著名化學家本生設計制造了本生燈，它使煤氣燃燒時產生幾乎無色的火焰，溫度高達1 000多攝氏度。顯然，這是焰色試驗的理想火焰，但是本生燈和煤氣的燃燒方式存在一定的危險性，且不適合學生分組實驗。

除此之外，甲醇燃燒火焰為淡藍色，但甲醇揮發對人體有害，而酒精因為濃度大，含碳量更高而不能充分燃燒導致火焰呈黃色。若降低酒精的濃度，則能改變火焰的顏色。通過實驗得到：不同濃度的酒精燃燒時火焰顏色、高度的確有所不同。

表1 不同濃度的酒精燃燒現象一覽表

綜合考量后，我們認為濃度在70%左右的酒精做實驗最為合適。那么75%左右的消毒酒精就是現成的優良選擇，可以省去復雜的前處理。但消毒酒精溶液火焰大，易打翻、濺出引起火災，且揮發快，燃燒不持久。于是另一種消毒產品——酒精凝膠型免洗洗手液成了新的選擇。酒精凝膠型免洗洗手液的主要成分除了酒精以外，還有卡波姆、蘆薈提取物、三乙醇胺等增稠劑、凝膠劑。燃燒時火焰大小適中，在自然光下接近無色，且燃燒時間較為持久。測試了多個不同品牌的酒精凝膠型免洗洗手液后發現：①富含蘆薈提取物的酒精凝膠很難燃燒；②成分越復雜，火焰越小，燃燒時間越短。

（2）改進加料方式

已有的采用噴霧瓶對著火焰噴灑的改進方式，雖然現象明顯，但因為出料量太大，火焰很容易被噴滅，酒精凝膠中也會因為殘留大量金屬鹽溶液而出現彩色火焰的現象，無法多次重復使用，造成藥品浪費。且在反復實驗中發現，噴灑方式會瞬間降低火焰的溫度，并不利于呈現Ca2+、Ba2+的焰色。于是我們從減少加料量、減小液滴體積兩個角度出發去改進加料方式。幾番探尋后，我們發現了家用手持霧化消毒機，納米出霧，出霧速度平緩，可以有效解決我們的困擾。但新的問題又出現了，若直接使用手持霧化消毒機，一部機器只能裝一種金屬鹽溶液，若每檢測一種元素就對機器進行清洗則使實驗復雜化，且需要大量溶液，實驗成本太大，于是我們又將重點突破方向聚焦霧化裝置的改造。

2.制作實驗裝置

超聲波霧化焰色測試原理：利用電子高頻振蕩（振蕩頻率為1.7 MHz 或2.4 MHz）令霧化片產生高頻振蕩，將液態水打散而產生自然飄逸的水霧。金屬鹽溶液經霧化后，水滴體積變得非常細小，在火焰中吸收能量分解為金屬原子并被激發，最后放出其特定波長的可見光輻射，出現不同的火焰顏色。［2］

（1）制作材料

簡易霧化裝置由無線電源模塊和霧化模塊組成。

無線電源模塊有：移動電源通用主板、5號鎳氫充電電池、導線、安卓充電線、透明熱縮管、塑料扎帶。

霧化模塊有：霧化驅動板、超聲波微孔霧化片、吸水棉棒，以上零部件均可以通過網上購買，主要零部件的單價如下表所示。

表2 簡易霧化裝置主要零部件單價

（2）制作過程

①用透明熱縮管將移動電源通用主板保護起來，露出USB輸出口和安卓充電口，其中安卓充電口是給移動電源充電用的，USB輸出口是放電用的；將5號鎳氫充電電池按照正負極方向放主板上，用塑料扎帶固定??；再用導線焊接充電電池和移動電源主板的正負極。②將霧化驅動板和超聲波微孔霧化片連接在一起（一般是一套組合出售的），霧化片可以多準備幾個替換使用。③用安卓充電線連接無線電源模塊和霧化模塊。④準備多個吸水棉棒，寫上元素符號備用。

圖1 無線電源模塊

圖2 霧化模塊

圖3 吸水棉棒

3.實驗藥品

70%酒精凝膠型洗手液、表面皿、氯化鉀、氯化鈉、氯化鋇、硫酸銅、氯化鈣等物質。

4.實驗步驟

（1）配制氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化銅、氯化鋇的濃溶液，裝瓶貼好標簽備用。

（2）取適量酒精凝膠于表面皿中，用火柴點燃。

（3）打開霧化裝置，用吸水棉棒吸取不同的溶液抵住超聲波微孔霧化片，即觸發霧化裝置。

（4）觀察焰色，記錄現象。

5.改進優點

（1）火焰明亮多彩，實驗現象非常明顯，且檢驗鉀元素時不需要使用藍色鈷玻璃片，焰色持續時間長，便于學生觀察。

（2）裝置簡便易攜帶，成本低，可重復使用；可以同時檢驗多種不同金屬鹽溶液。

（3）節約藥品，配制的濃溶液可以反復完成多次試驗。

圖4 操作演示

（4）貼近生活，趣味性強；適合開展學生實驗，培養學生的綜合實驗能力。

6.成果展示

7.總結說明

（1）若現象不明顯，可增大溶液濃度。例如為了區分鈉元素的黃色和鈣元素的磚紅色，氯化鈣可使用懸濁液。

（2）為了減少干擾，蘸取不同的溶液時使用不同的吸水棉棒，檢驗順序以K元素、Ba元素、Na元素、Cu元素、Ca元素為最佳。

（3）產生顏色干擾時可用清水擦拭微孔霧化片，并用蘸取清水的吸水棉棒反復測試直至火焰無色的方式處理，必要時可以更換微孔霧化片。

（4）出霧口不要對著人，降低被吸入的風險。

（5）若多次實驗后酒精凝膠因吸收了金屬鹽溶液后出現彩色火焰現象，及時更換酒精凝膠。

（6）選擇成分簡單的酒精凝膠，避免火焰太小影響實驗效果及燃燒時可能產生有毒有害物質。

圖5 幾種元素（K、Ba、Na、Cu、Ca）焰色效果圖

三、反思與啟示

化學老師要做實驗教學的有心人，勤于觀察，善于思考，發現關鍵，大膽創新，在不斷的嘗試改進中激發新的靈感。實驗創新改進可以是換一種思路、改一種試劑、設計一種儀器等，用學生熟悉的生活化材料代替實驗室用品。這樣做的效果，不僅僅是實驗改進本身，更重要的是能讓學生感受化學就在身邊，同時讓課堂教學變得明朗鮮活起來，學科知識和素養就會在潛移默化中內化和拓展，師生的積極性和創造性也會在這樣一種隨處可見可用的實驗探究中被激活。