鐵絲上的劇烈焰色反應(yīng)

祝保林，呂 爭

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714099)

創(chuàng)新實驗教學(xué)是化學(xué)新課程改革的重要內(nèi)容。［1］這就需要在學(xué)校教育中大力推行創(chuàng)新型教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維［2－3］。化學(xué)是以實驗為主體的學(xué)科，特別是中學(xué)階段，實驗往往能吸引學(xué)生的注意力，培養(yǎng)學(xué)生動手及創(chuàng)新思維的能力。因此，通過實驗的改進，可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題及創(chuàng)新思維能力［4－5］。

中學(xué)化學(xué)實驗內(nèi)容當中，焰色反應(yīng)實驗是重要的實驗內(nèi)容。該實驗對于理解并掌握堿金屬及堿土金屬的理化性質(zhì)具有相當重要的意義［6］。但現(xiàn)行教材對于焰色反應(yīng)的實驗裝置并不理想，存在缺陷。

1 焰色反應(yīng)的意義與實質(zhì)

焰色反應(yīng)在高一化學(xué)中是非常重要的一個章節(jié)，通過焰色反應(yīng)實驗有助于學(xué)生對堿土金屬和堿金屬的理化性質(zhì)掌握。從本質(zhì)上講，焰色反應(yīng)的實質(zhì)是:金屬離子從外界獲得能量(酒精燈提供的熱能)，外層價電子被激發(fā)，產(chǎn)生躍遷生成激發(fā)態(tài)的離子。激發(fā)態(tài)離子不穩(wěn)定，在10－8s時間內(nèi)，又會以光子的形式失去能量。返回較低能態(tài)，從而產(chǎn)生波長不一樣的輻射(若波長在可見光區(qū)400～800 nm之間)，就能夠使火焰附著上這種離子所產(chǎn)生的特定顏色。而每一種離子都具有特定的顏色，所以根據(jù)焰色具有特殊顏色的性質(zhì)，進行焰色反應(yīng)來檢測化合物中所含有的離子［7］。

但現(xiàn)有教材在實驗裝置、步驟及觀察的現(xiàn)象上存在諸多不足之處，本文對此進行了相應(yīng)的改進。

1.1 經(jīng)典焰色反應(yīng)實驗裝置

如圖1所示，經(jīng)典的實驗裝置采用前端固定有一根螺旋形金屬鉑(Pt)絲的玻璃棒作為試劑盛裝器皿。試驗時，將潔凈的Pt絲蘸取鹽酸(鹽酸一方面起到光譜載體作用，另一方面起洗滌劑的作用，去除Pt絲上雜質(zhì)的作用)后，首先在熱源(酒精燈、煤氣燈、乙醇、甲醇等)上灼燒至無色，再蘸取待測離子的鹽類溶液，再次在熱源上加熱，通過觀察火焰特征顏色，對待測定離子實現(xiàn)定性鑒定。

1.2 經(jīng)典焰色反應(yīng)實驗操作步驟

第一步:配制相應(yīng)的待測離子溶液備用。［8］

第二步:把連接在玻璃棒上經(jīng)打磨干凈并經(jīng)鹽酸洗滌后，沒有雜質(zhì)的Pt絲放在熱源上灼燒，燒到?jīng)]有顏色時停止，也就是和熱源的火焰的顏色相同時停止。［8］

圖1 經(jīng)典實驗裝置圖

第三步:用充分灼燒過且用砂紙打磨干凈過的Pt絲來蘸取含有相應(yīng)金屬離子的待檢測溶液，將蘸取到含有金屬離子溶液的Pt絲轉(zhuǎn)至熱源進行灼燒，觀察含有該金屬離子溶液所產(chǎn)生的特定的火焰顏色。［8］

第四步:將使用過的Pt絲放在鹽酸溶液里進行清洗，然后繼續(xù)放在火焰上進行灼燒，一直燒到Pt絲紅熱且沒有顏色時停止，然后再蘸取另一種含金屬離子的化合物的溶液同理做第三步，觀察火焰特征顏色。例如，土硝(KNO3)火焰的顏色比較淡而且有鈉離子產(chǎn)生的黃顏色的干擾，需要透過可以隔絕黃光的藍色鈷玻璃片來觀察它的顏色［8］。

1.3 經(jīng)典焰色反應(yīng)實驗存在的問題

(1)材料昂貴。以Pt絲作為溶液載體，由于Pt絲是貴金屬，售價高昂，一些條件較差的中學(xué)化學(xué)實驗室可能不會購買，而且實驗室使用的Pt絲都比較細短，再繞成螺旋狀后就更加細小，使用幾次后容易折斷丟失。如果采用便宜的細鐵絲(一般細鐵絲純度較低，含有雜質(zhì))，會對實驗現(xiàn)象產(chǎn)生一定的干擾，很難實現(xiàn)理想效果。

(2)現(xiàn)象不明顯。經(jīng)典實驗中，采用的是以Pt絲蘸取含待測離子的溶液進行灼燒，產(chǎn)生的特征火焰顏色時間短，學(xué)生來不及細致觀察就會消失，而且這種特征顏色也很微弱，存在熱源火焰自身顏色的干擾，學(xué)生不容易觀察到待測金屬離子所產(chǎn)生特征顏色。所以，如果教師在講臺上用這種經(jīng)典方法演示焰色反應(yīng)的話，很難達到理想效果，只有前排學(xué)生和教師才能觀察到現(xiàn)象。

(3)實驗過程中對試劑的利用率低。每次實驗時需配置相應(yīng)含待測金屬離子的溶液，但能夠有效利用的只是在Pt絲上蘸取到的少量金屬離子溶液，造成了很大浪費。

(4)演示實驗過程中步驟過多。進行每一種金屬離子的焰色反應(yīng)時，都必須經(jīng)過“鹽酸洗滌→熱源灼燒→蘸取待測金屬離子溶液→再次熱源灼燒→鹽酸洗滌”等多個步驟，費時費力，且準備時間過長，這樣就會在一定程度上削弱學(xué)生的耐性和好奇心。

2 既有研究中對焰色反應(yīng)實驗進行的改進及不足

2.1 粉筆代替Pt絲的相應(yīng)改進及不足

燕翔［9］、薛桂鳳等［10］提出以吸水性較強的粉筆作為載體，代替Pt絲進行實驗。以特定濃度的酒精為溶劑(酒精中水含量影響熱源溫度的穩(wěn)定性)，溶解待測離子的無機鹽，配制成濃度適當?shù)娜芤?，利用粉筆的強吸水性將溶液吸進粉筆后，在熱源上加熱。該方法可以改善實驗現(xiàn)象，且實驗材料也非常廉價、易得。但以粉筆代替Pt絲進行實驗，又會引入新的干擾。首先，粉筆中存在大量的鈣離子，鈣離子自身的特征焰色會對實驗現(xiàn)象造成很大干擾，鈣離子所產(chǎn)生的特征火焰顏色是磚紅色，且該磚紅色火焰顏色較深，會對待測金屬離子的特征火焰顏色產(chǎn)生干擾，難以觀察到待測離子的特征焰色。其次，酒精濃度不好控制，酒精濃度小，水含量過高，粉筆中待測試樣在熱源上無法實現(xiàn)蒸發(fā)、解離、原子化和激發(fā)過程，并且特征焰色持續(xù)時間短，不足以使待測離子被激發(fā)產(chǎn)生特征焰色或焰色不明顯。酒精濃度過大，一方面待測無機鹽在溶液中溶解度過小，火焰中待測離子濃度過低，特征焰色不明顯;另一方面，又會使粉筆的火焰過大，火焰溫度過高，鈣離子干擾色加重，待測離子的特征焰色不明顯。

2.2 焰色反應(yīng)指示燈的相應(yīng)改進及不足

王儀輝［11］等提出了焰色反應(yīng)指示燈的概念。即將待測金屬離子無機鹽溶解到酒精中，直接將該酒精加入酒精燈，作為該離子的特征焰色指示燈(每一種加入不同酒精溶液的酒精燈便是一盞焰色指示燈)。分別點燃不同的酒精燈，就可以觀察到不同的特征焰色，達到區(qū)別不同離子的目的。但此實驗涉及大量的實驗儀器，消耗的實驗藥品多，而且每一種金屬離子無機鹽在酒精中的溶解度并不相同，有些金屬離子無機鹽和酒精溶液互不相溶，沒有辦法做成焰色反應(yīng)指示燈，限制了該方法的推廣。

2.3 噴射法、噴灑法的相應(yīng)改進及不足

蘇艾琴［12］將含有待測無機離子的固體粉末無機鹽直接裝進膠頭滴管中吹向熱源，利用熱源火焰將離子點燃，呈現(xiàn)待測離子的特征焰色，將其稱之為“噴射法”。同樣，該方法對焰色反應(yīng)有所改善，但依舊存在缺陷。

首先，以酒精燈或酒精噴燈作為熱源，熱源火焰溫度較低。而無機金屬鹽類的蒸發(fā)、解離、原子化、激發(fā)溫度一般都較大，沒有辦法達到指定的溫度。其次，以膠頭滴管“噴射”過程中，飛過熱源的金屬離子無機鹽粉末速度過快，在熱源中停留的時間短，來不及解離及原子化，金屬離子無機鹽粉末就已經(jīng)飛出熱源，無法有效提高特征焰色現(xiàn)象。最后，完成實驗后，實驗臺上會有大量的無機鹽粉末，且無法回收再次利用，造成實驗藥劑的嚴重浪費。

與此方法相似，武學(xué)波［13］提出了“噴灑式焰色反應(yīng)”方法。該方法是將待測離子的水溶液裝進噴壺中向熱源進行噴灑。利用熱源提供高溫，將待測金屬離子溶液進行蒸發(fā)、解離、原子化并激發(fā)，產(chǎn)生待測離子的特征焰色。但與“噴射法”存在的缺陷相似，熱源能夠達到的溫度較低，很難瞬間實現(xiàn)待測離子的激發(fā)。同時，配制適當?shù)娜芤簼舛纫彩窃摲椒ǖ囊粋€難題，容易造成實驗藥劑的嚴重浪費。另外，在實驗室這樣的密閉空間進行實驗，溶液容易四處飛濺，噴灑的距離不好控制，飛濺的溶液易噴灑到前排學(xué)生的臉上和衣服上，造成諸多安全隱患，難以達到預(yù)期實驗效果。

2.4 其他改進方法及不足

張蕾［14］等又提出了“焰色試紙法”。該方法是將含待測離子的無機鹽首先配制成特定濃度的溶液，再以濾紙蘸取該溶液后烘干，制成“焰色試紙”。實驗時在熱源上直接點燃該濾紙，觀察待測離子的特征焰色。該方法中，由于試紙僅是蘸取待測離子溶液后烘干，所以“焰色試紙”中待測離子濃度較低，決定了該方法改進現(xiàn)象不明顯，難以達到預(yù)期實驗效果。

張岑珍［15］提出了“脫脂棉”法。該方法與“粉筆”改進法類似，先以特定濃度的酒精溶解含待測離子的無機鹽，利用脫脂棉作為待測離子酒精溶液的載體。將脫脂棉在該溶液中浸濕后，直接在熱源上加熱，觀察待測離子的特征焰色。該方法缺點在于酒精濃度及待測離子濃度難以控制(類似于“噴灑法”中存在的缺點)，且脫脂棉吸收了大量水后，直接引入熱源，使熱源溫度產(chǎn)生較大波動，火焰溫度不穩(wěn)定，現(xiàn)象改進并不明顯。

項云梅［16］還嘗試將酒精直接滴在固體藥品上進行點燃，試圖改進實驗現(xiàn)象，但改進后現(xiàn)象并不明顯，且整個實驗過程存在較大安全隱患，仍未被推廣。

3 改進后的焰色反應(yīng)實驗

3.1 實驗儀器和藥品

3．1．1 實驗儀器

熱源(酒精燈)、坩堝鉗、鉗子、高純鐵絲(直徑1 mm左右，不能過細，否則易氧化熔斷)、電子點火器、石棉網(wǎng)、小燒杯。

3．1．2 實驗藥品

土硝(KNO3)，AR;氯化鋇(BaCl2)，AR;精制鹽(NaCl)，AR;藍礬(CuSO4)，AR;二氯化鍶(SrCl2)，AR;氯化鈣(CaCl2)，AR。

3.2 實驗步驟

(1)將直徑為1 mm左右的高純度鐵絲用細砂紙打磨干凈，去除表面氧化層，用鉗子卷成中心凹陷的圓餅狀鐵絲圈作為受熱載體。

(2)點燃熱源，將制作好的受熱載體置于熱源上進行灼燒(從旁邊來觀察，火焰沒有明顯的變化，高純度的鐵絲不會對焰色反應(yīng)實驗造成干擾)，一直灼燒至火焰無色。

(3)利用制作好的受熱載體直接挖取無機鹽固體，置于熱源上灼燒。整個過程中可以明顯觀察到待測離子的特征焰色，并且持續(xù)時間比較長。利用同樣的方法對其他無機鹽固體進行平行實驗可達到同樣理想的效果。實驗過程中，觀察到的待測金屬離子特征焰色顏色明顯，且持續(xù)時間較長。

3.3 改進前后實驗現(xiàn)象對比

實驗裝置改進前后的實驗現(xiàn)象對比可知:特征焰色被明顯加強。由于采用新型受熱載體(中心凹陷的圓餅狀鐵絲圈)，每次實驗，固態(tài)無機鹽試劑取樣量充足，既增大了熱源中待測離子濃度，使特征焰色明顯，又延長了熱源中特征焰色的維持時間，便于學(xué)生觀察，如圖2所示。以廉價鐵絲代替昂貴的Pt絲，降低了實驗成本。實驗過程中，直接灼燒固體時，固態(tài)試劑需要多少就取多少，避免了不必要的浪費。針對鉀離子的檢驗，直接利用固體鹽進行焰色反應(yīng)，肉眼就可以觀察到很明顯的紫色火焰，省去了使用藍色鈷玻璃片的過程，簡化了實驗步驟。

圖2 改進前后實驗現(xiàn)象對比

4 實驗改進后的創(chuàng)新點

實驗證明，新方法切實可行，各種離子特征焰色現(xiàn)象明顯，持續(xù)時間長，可達到預(yù)期實驗改進效果。

(1)使用廉價鐵絲代替昂貴的Pt絲，降低了實驗成本，使新型受熱載體易于推廣。

(2)實驗過程中高純度的鐵絲不會對特征焰色造成背景干擾。

(3)直接利用待測金屬離子的固體鹽進行灼燒，既簡化了配制溶液的步驟，又可以提高熱源中待測離子濃度，避免了溶液中溶劑水的稀釋干擾。

(4)實驗過程中，直接灼燒固體時，固態(tài)試劑需要多少就取多少，避免了不必要的浪費。

(5)針對鉀離子的檢驗，直接利用固體鹽進行焰色反應(yīng)，肉眼就可以觀察到很明顯的紫色火焰，省去了使用藍色鈷玻璃片的過程，簡化了實驗步驟。

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