霧化焰色反應(yīng)示范裝置

黃德忠

研究背景

在各種節(jié)日中，我們經(jīng)常見(jiàn)到煙花表演，其原理是焰色反應(yīng)原理。日前，焰色反應(yīng)由以往的高中課程調(diào)整至現(xiàn)在的初中課程，由此可見(jiàn)其重要性。香港中學(xué)文憑考試的焰色考試范圍包括鉀、鈉、鈣、銅4種金屬化合物，并需使用鉑絲、濃鹽酸及本生燈進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)焰色測(cè)試是把鉑絲浸于濃鹽酸中徹底清洗，再蘸上金屬鹽，金屬鹽放置在本生燈的火焰中吸收能量后激發(fā)出獨(dú)特光譜。但此法需使用昂貴的鉑絲，濃鹽酸會(huì)揮發(fā)刺鼻氣體，焰色光芒瞬間即逝，鈉與鈣的焰色較難分辨。雖然有人嘗試改良示范方法，但都需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的前處理才能進(jìn)行。

隨著科技的發(fā)展，超聲波霧化器的體積大大縮小，令我產(chǎn)生了以超聲波霧化器霧化金屬鹽溶液于本生燈內(nèi)燃燒這一想法，此方法既便宜環(huán)保又簡(jiǎn)單安全。

焰色反應(yīng)原理

許多金屬或它們的化合物在火焰上灼燒時(shí)都會(huì)使火焰呈現(xiàn)不同的顏色，這稱為焰色反應(yīng)，焰色反應(yīng)是檢驗(yàn)金屬元素或金屬陽(yáng)離子最簡(jiǎn)單的一種方法。當(dāng)燃燒時(shí)，不同金屬原子會(huì)釋放波長(zhǎng)不同的光，產(chǎn)生不同的光譜。利用不同元素的光譜，我們不僅可以鑒別元素，還可以發(fā)現(xiàn)新的元素。根據(jù)這個(gè)原理，現(xiàn)代化學(xué)分析測(cè)試中用原子吸收光譜確定物質(zhì)中含有的金屬元素。

制作過(guò)程

簡(jiǎn)單的霧化裝置做焰色反應(yīng)的可行性測(cè)試

超聲波霧化焰色測(cè)試原理：利用電子高頻振蕩（振蕩頻率為1.7 MHz或 2.4 MHz）令陶瓷霧化片產(chǎn)生高頻振蕩，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生自然飄逸的水霧。金屬鹽溶液經(jīng)霧化后，水滴體積變得非常細(xì)小，在本生燈火焰中吸收能量分解為金屬原子并被激發(fā)，最后放出其特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光輻射，出現(xiàn)不同的火焰顏色。

制作材料：超聲波振蕩片、超聲波振蕩模塊、塑料藥瓶及開(kāi)孔的膠蓋。

制作過(guò)程：在膠蓋上開(kāi)1個(gè)直徑約5 mm的小孔，用熱熔膠把超聲波振蕩片粘貼于開(kāi)孔的膠蓋上，把振蕩片接線連接于超聲波振蕩模塊上。

測(cè)試：①把0.1 mol/L鉀鹽溶液加到塑料瓶?jī)?nèi)，接上霧化器電源，把噴霧對(duì)準(zhǔn)本生燈火焰上端，則霧化器的噴霧令本生燈出現(xiàn)紫色火焰。②把硫酸銅溶液加到塑料藥瓶?jī)?nèi)，接上霧化器電源，把噴霧對(duì)準(zhǔn)酒精燈火焰上端，則霧化器的噴霧令酒精燈出現(xiàn)綠色火焰。

結(jié)論：結(jié)果顯示了鉀元素的紫色火焰和銅元素的綠色火焰，霧化令整個(gè)過(guò)程十分有效率，所以也能用較低溫的酒精燈測(cè)試焰色反應(yīng)。

制作適合示范焰色反應(yīng)的霧化裝置

裝置由液體儲(chǔ)存裝置、霧化片及無(wú)線電源感應(yīng)線圈模塊組成。

液體儲(chǔ)存霧化裝置由亞克力膠盒、亞克力膠片、超聲波霧化片制作而成。制作過(guò)程為：先在膠盒及膠片的相應(yīng)位置鉆孔，把霧化片夾于膠片與膠盒間并用螺絲收緊。

無(wú)線電源感應(yīng)模塊由無(wú)線電源電感發(fā)射線圈與模塊、無(wú)線電源電感接收線圈與模塊、超聲波振蕩模塊組成。制作過(guò)程為：把電感接收線圈貼于膠盒底部并與超聲波振蕩模塊連接；把霧化片連接到超聲波振蕩模塊上；把霧化器膠盒與電源電感裝置膠盒用膠紙粘在一起成為一個(gè)電感霧化器。

無(wú)線電源電感發(fā)射制作過(guò)程：把電源感應(yīng)發(fā)射線圈安裝于塑料瓶瓶蓋里，把電池及電源模塊安裝于塑料瓶?jī)?nèi)并連接至發(fā)射線圈。

測(cè)試電感霧化器：把電感霧化器放于塑料瓶上方，霧化器膠盒內(nèi)的線圈感應(yīng)到下方發(fā)射線圈的電磁場(chǎng)而產(chǎn)生電壓，提供給超聲波振蕩模塊；霧化片的高頻振蕩令鉀鹽溶液霧化，鉀離子的焰色不需要透過(guò)藍(lán)色鈷玻璃也可以看清楚。

結(jié)論：電感霧化器只使用數(shù)毫升鹽溶液也能運(yùn)作；噴霧可直接導(dǎo)送至本生燈的進(jìn)氣口，減低被吸入的風(fēng)險(xiǎn)。

制作能自動(dòng)重復(fù)示范6種金屬化合物的焰色反應(yīng)裝置

裝置分旋轉(zhuǎn)裝置、超聲波電感霧化裝置、電源感應(yīng)供電裝置、顯示裝置4部分。

旋轉(zhuǎn)裝置由亞克力膠盒、亞克力膠板、太陽(yáng)能板、轉(zhuǎn)臺(tái)、可變電阻組成。制作過(guò)程為：膠盒鉆孔后安裝連接太陽(yáng)能板、可變電阻及轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)芯，用激光切割機(jī)把亞克力膠板切割成六角形的轉(zhuǎn)臺(tái)面板。

霧化器：依照前述霧化裝置做成的成品，重復(fù)制作6個(gè)霧化器。

電源感應(yīng)供電裝置：可使用霧化裝置中塑料瓶電感電源發(fā)射裝置。

顯示裝置由液晶顯示屏、振蕩模塊、太陽(yáng)能板構(gòu)成。制作過(guò)程為：把太陽(yáng)能板、振蕩模塊及液晶屏焊接，加入金屬化合物化學(xué)公式紙條，用螺絲安裝于塑料盒蓋內(nèi)；重復(fù)制作6個(gè)液晶顯示盒蓋。

使用方法：把六角形膠片放到轉(zhuǎn)臺(tái)上，把6個(gè)載有不同鹽溶液的噴霧器分別放置到六角膠片6個(gè)位置上，并把電感發(fā)射裝置放到六角膠片的適當(dāng)位置下；開(kāi)啟轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)關(guān)并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；預(yù)備本生燈；開(kāi)啟電感電源發(fā)射裝置開(kāi)關(guān)。

結(jié)論：轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)各噴霧器轉(zhuǎn)至電感發(fā)射器上方時(shí)，噴霧器被啟動(dòng)，并把霧化的金屬鹽溶液噴霧噴于本生燈火焰上產(chǎn)生焰色；當(dāng)霧化片模塊的藍(lán)光指示燈發(fā)亮?xí)r，運(yùn)作中的金屬鹽噴霧器透明膠盒會(huì)轉(zhuǎn)藍(lán)色，光線照射顯示器的太陽(yáng)能板令顯示屏閃爍，因此化學(xué)公式會(huì)于膠盒面蓋上閃爍。

適用范圍

個(gè)別示范：可分別示范鉀、鈉、鈣、銅4種金屬化合物焰色。

比較示范：因鈉與鈣的焰色比較接近，使用2個(gè)霧化裝置可于同一時(shí)間顯示鈉與鈣的焰色反應(yīng)，方便學(xué)生比較。

引證示范：可用于比較氯化鈉與碳酸鈉，氯化鉀與碳酸鉀，氯化鈣與硝酸鈣的焰色是否分別一致，以證明焰色是出自金屬元素的陽(yáng)離子。

焰色競(jìng)猜或考核：噴霧器換上數(shù)字盒蓋，學(xué)生通過(guò)觀看焰色寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的金屬元素，用以檢驗(yàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度。

自動(dòng)化操作展覽示范：裝置可全自動(dòng)化操作，旋轉(zhuǎn)霧化焰色反應(yīng)裝置適合用于科學(xué)展覽。

此裝置除了可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)外，也可借此機(jī)會(huì)讓他們觀察裝置的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而學(xué)習(xí)到太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，觀察電能可經(jīng)過(guò)電感線圈無(wú)線傳輸給另一裝置。

創(chuàng)新點(diǎn)

噴霧器可用作個(gè)別示范或用2個(gè)噴霧器組合做焰色比較示范；用6個(gè)噴霧器與自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)配合，可用作焰色引證示范、焰色考核、焰色競(jìng)猜游戲；自動(dòng)化操作非常適用于科學(xué)推廣展覽活動(dòng)；霧化焰色反應(yīng)不需使用昂貴的鉑絲、濃硫酸，化學(xué)品消耗也較少，較傳統(tǒng)方法便宜、環(huán)保；霧化后的焰色容易觀察，比傳統(tǒng)方法更適合教學(xué)用途及展覽示范，且更有效率。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該裝置針對(duì)現(xiàn)有中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)手段的缺陷，利用感應(yīng)電能傳輸、超聲霧化、持續(xù)噴霧燃燒等技術(shù)，將過(guò)去轉(zhuǎn)瞬即逝的金屬離子焰色現(xiàn)象持久、穩(wěn)定、清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，顯著提升了教學(xué)效果。建議進(jìn)一步擴(kuò)大作品對(duì)金屬離子的適用范圍，使作品功能更加完善?！?/p>