再談鈉鉀元素的焰色反應(yīng)

李俊生

焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)之一，2017年高考理綜（全國(guó)Ⅰ卷）35題更是出現(xiàn)了考核鉀元素焰色反應(yīng)的理論問題。近年來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，很多人對(duì)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理解存在一定的偏差，焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)成功的操作要點(diǎn)還不明晰，特別是鈉元素或鉀元素焰色反應(yīng)的機(jī)理還有很多使學(xué)生迷惑的問題，因此有必要對(duì)焰色反應(yīng)的機(jī)理以及實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)做進(jìn)一步的分析。

1焰色反應(yīng)的機(jī)理

火焰中金屬元素的物理化學(xué)歷程是很復(fù)雜的，一般認(rèn)為，試液霧粒在火焰中有如圖1所示的復(fù)雜的反應(yīng)歷程。

對(duì)于蘸在鉑絲表面的NaCl（aq）而言，圖1表明NaCl（aq）經(jīng)過脫水、蒸發(fā)、分解等物理化學(xué)變化形成基態(tài)Na原子，基態(tài)Na原子再被熱能激發(fā)。激發(fā)的結(jié)果使Na原子的最外層電子吸收一定的能量而離開原來的能級(jí)，跳躍到較高的能級(jí)，處于較高能級(jí)的電子是不穩(wěn)定的，躍遷回基態(tài)或低能態(tài)，產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的輻射，從而得到不同的焰色。其中輻射光的頻率滿足如下公式：

E₁、E₂表示電子在低能級(jí)或高能級(jí)時(shí)的能量，h為普朗克常數(shù)。鈉光譜的一個(gè)光譜系和鈉原子的簡(jiǎn)單能級(jí)圖如圖2所示。

圖2表明了鈉原子[Na]3s¹中3s¹電子在不同能級(jí)的躍遷情況。在這些光譜線中，最強(qiáng)的是3s→3p的躍遷，波長(zhǎng)分別是589.0～589.6nm雙線，它是鈉的特征雙線，稱作D線（黃色），而事實(shí)上人眼感知的可見光的波長(zhǎng)范圍見表1。

由表1可以看到，鈉元素的3s一3p躍遷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處于可見光黃色區(qū)域，因此鈉元素的焰色反應(yīng)為黃色。對(duì)鉀元素的焰色反應(yīng)原理也進(jìn)行了類似鈉元素焰色反應(yīng)的研究，具體情況見表2。

通過表2，可以進(jìn)一步理解鈉元素電子躍遷的情況，同時(shí)也可以清晰地看到鉀元素的焰色反應(yīng)機(jī)理和鈉元素有一定的區(qū)別。這個(gè)區(qū)別就是鉀元素的電子躍遷存在于4s→4p（可見光紅色區(qū)域）或4s→5p（可見光紫色區(qū)域），其對(duì)應(yīng)輻射光波長(zhǎng)都處于可見光波長(zhǎng)范圍，因此鉀元素的焰色反應(yīng)才會(huì)呈現(xiàn)為紫紅色。

2焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作關(guān)鍵

焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確與否決定了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成敗，因此明確焰色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作關(guān)鍵，是做好課堂教學(xué)以及指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的重中之重，具體分析如下。

2.1實(shí)驗(yàn)步驟

（1）把裝在玻璃棒上的鉑絲（或鐵、鎳、鉻、鎢絲）在酒精燈的火焰里灼燒，直至與原來火焰的顏色相同。

（2）用鉑絲蘸取金屬的鹽溶液，放在火焰上灼燒，觀察火焰所呈現(xiàn)的顏色。每次實(shí)驗(yàn)完畢，都要用稀鹽酸洗凈鉑絲，再用蒸餾水清洗，然后在火焰上灼燒到無色，才能進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

（3）在觀察鉀的焰色時(shí)，若有鈉的干擾，最好透過藍(lán)色的鈷玻璃觀察，這樣就可以濾去黃色的光，讓紫色的光通過。

2.2實(shí)驗(yàn)時(shí)注意的問題

每次實(shí)驗(yàn)，火焰如果都呈現(xiàn)明顯的特征顏色，鈉——黃色、鉀——紫色（透過藍(lán)色鈷玻璃），這就是實(shí)驗(yàn)成功的表征。而實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)火焰所呈現(xiàn)的顏色不明顯，且一閃即逝的現(xiàn)象，要保證實(shí)驗(yàn)成功，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題。

（1）酒精燈芯不能被污染，應(yīng)盡量采用未被污染的酒精燈芯，使酒精燈火焰趨近無色。

（2）應(yīng)用酒精燈外焰灼燒蘸取金屬鹽的鉑絲時(shí)，呈現(xiàn)明顯特征顏色后，再移至內(nèi)焰下部，使整個(gè)火焰均呈現(xiàn)特征顏色。

（3）鉑絲一定要洗滌干凈，避免沾有較多的其他金屬陽(yáng)離子而影響實(shí)驗(yàn)效果。

3焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法

焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)有很多改進(jìn)方法，而作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、現(xiàn)象明顯便于觀察及具有一定的趣味性等特點(diǎn)。

3.1改進(jìn)方法一

先將粉筆的一端小心地打出一個(gè)2cm深的小孔，在小孔中放入一定量的鉀鹽或鈉鹽并壓實(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將粉筆中有鉀鹽或鈉鹽的一端浸泡在酒精中，一定時(shí)間后點(diǎn)燃粉筆上的酒精，這時(shí)可以拿著粉筆繞教室一周，使每位學(xué)生都能近距離觀察到鉀鹽或鈉鹽的焰色，現(xiàn)象十分明顯。實(shí)驗(yàn)完畢后，可以把粉筆保存好待下次實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是，觀察鉀或鉀的化合物的焰色根本無需使用藍(lán)色鈷玻璃，實(shí)驗(yàn)操作方便簡(jiǎn)單，焰色反應(yīng)的時(shí)間較長(zhǎng)，便于觀察清楚，在酒精中浸泡過的粉筆可長(zhǎng)期使用。

3.2改進(jìn)方法二

準(zhǔn)備一個(gè)玻璃片，在玻璃片上放適量的要進(jìn)行焰色反應(yīng)的物質(zhì)的固體粉末，用浸泡有酒精的醫(yī)用棉球蘸少許粉末，用酒精燈點(diǎn)燃酒精棉球，然后把燃著的醫(yī)用棉球迅速?gòu)木凭珶艋鹧嫔弦崎_，這時(shí)可以非常明顯地觀察到粘有固體粉末的酒精燃燒時(shí)的火焰顏色。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)是，觀察鉀的化合物根本無需用藍(lán)色鈷玻璃，就可以清楚地看見紫紅色的火焰。

3.2改進(jìn)方法三

將鈉、鉀金屬的鹽研碎，然后將研碎的鈉鹽或鉀鹽放入蒸發(fā)皿或坩堝中，再加入少量酒精后點(diǎn)燃。開始時(shí)火焰顏色為酒精燃燒的顏色，隨后立即出現(xiàn)金屬的焰色。該方法操作簡(jiǎn)單，可見度大，現(xiàn)象明顯，效果很好。

4對(duì)一個(gè)問題的思考

中學(xué)教學(xué)中關(guān)于鈉、鉀元素的焰色反應(yīng)通常描述為“鈉呈黃色、鉀呈紫色”。這種描述和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及一些化學(xué)論著是一致的。而2017年高考理綜（全國(guó)工卷）35題認(rèn)為“鉀呈紫紅色”；這種“鉀呈紫紅色”的描述使學(xué)生感到迷惑，是不是以前的描述不準(zhǔn)確呢？對(duì)這一問題有必要結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)加以分析。

（1）雖然高考題給出了鉀元素的焰色反應(yīng)呈“紫紅色”的描述，這種描述也符合理論上的研究結(jié)果，但是很多的實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)中很難觀察到明顯的“紅色”出現(xiàn)，而“紫色”的出現(xiàn)倒是常態(tài)，這說明紅色輻射很微弱。

（2）中學(xué)教學(xué)中關(guān)于金屬鉀的焰色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)一般強(qiáng)調(diào)使用藍(lán)色的鈷玻璃，目的是消除鈉對(duì)鉀焰色的干擾，但是很少有人注意到藍(lán)色的鈷玻璃雖然消除了“鈉的黃色”，但是對(duì)金屬鉀焰色反應(yīng)中呈現(xiàn)的微弱的紅色也吸收了。因此，中學(xué)實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)調(diào)使用“藍(lán)色的鈷玻璃”，必然使學(xué)生難以觀察到高考試題中所描述的金屬鉀的焰色反應(yīng)所出現(xiàn)的結(jié)果。

綜上所述，高考試題中關(guān)于金屬鉀焰色反應(yīng)的焰色和中學(xué)現(xiàn)階段的關(guān)于金屬鉀焰色反應(yīng)的焰色的描述沒有矛盾，可以認(rèn)為紅色可見光的輻射很微弱，難以觀察到，同時(shí)也說明藍(lán)色的鈷玻璃在金屬鉀的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中不是必備的。