乙醇燃燒火焰顏色變化的實驗探究

葉永謙 葉一勤 葉燕珠 嚴業(yè)安

摘要： 針對室溫下53%白酒燃燒火焰無色而無水乙醇燃燒火焰呈黃色的問題進行了探究，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度是影響乙醇燃燒火焰顏色變化的主要因素之一，提出乙醇燃燒火焰顏色變化與產(chǎn)物中水分子處于不同激發(fā)態(tài)有關(guān)的理論解釋，并作實驗驗證。設(shè)計環(huán)境溫度對乙醇燃燒火焰顏色影響的演示實驗裝置以及常見金屬元素焰色反應(yīng)新方案。針對教材中鉀元素焰色反應(yīng)的不足，設(shè)計使用氫氧化鉀乙醇水溶液進行演示的新方案，肉眼可觀察到明顯紫色。探究過程將生活問題與化學(xué)學(xué)習(xí)相聯(lián)系，充分挖掘其價值和意義，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神。

關(guān)鍵詞： 乙醇燃燒; 火焰顏色; 演示裝置; 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）06007704? 中圖分類號： G633.8? 文獻標(biāo)識碼： B

在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》課程目標(biāo)中，“能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題，能依據(jù)探究目的設(shè)計并優(yōu)化實驗方案”是對學(xué)生發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的重要要求[1]。生活中的經(jīng)歷是發(fā)現(xiàn)和提出問題的最直接來源，通過對生活中發(fā)現(xiàn)的有價值問題的探究，可以在實踐活動中完成知識的建構(gòu)、能力的培養(yǎng)，形成良好的科學(xué)素養(yǎng)[2]。通常情況下，一定濃度的白酒可以燃燒是常見的事實，但能發(fā)現(xiàn)白酒燃燒起來火焰接近無色并對其進行探究則是更有價值的化學(xué)問題。

1 問題的提出

將53%的白酒放在瓷勺中，在白天室內(nèi)環(huán)境下點燃，在白酒上方放一張紙，發(fā)現(xiàn)紙張燃燒起來，但瓷勺上方并未見到有明顯火焰。53%的白酒燃燒火焰接近無色，濃度更高的乙醇燃燒火焰有沒有顏色？為了探究該問題，將等體積的53%白酒和無水乙醇在相同條件下點燃，發(fā)現(xiàn)53%白酒燃燒時火焰在光亮條件下無明顯顏色，在黑暗環(huán)境下為藍色;無水乙醇燃燒，不論在光亮條件還是黑暗環(huán)境下，火焰均為明顯的黃色。為什么上述中等濃度乙醇（白酒）燃燒呈現(xiàn)微弱的藍色火焰（光亮條件下接近無色），高濃度的乙醇燃燒卻呈現(xiàn)黃色火焰？

上述白酒燃燒的火焰在光亮條件下只有微弱的藍色（幾乎看不到顏色），只有在黑暗條件下可以看到明顯的藍色。如果將便攜式丁烷噴槍點燃，其火焰在光亮條件下則呈現(xiàn)明顯的藍色。都是藍色火焰，為什么一種在黑暗條件下才能明顯觀察到，而另一種在光亮條件下就可以觀察到？

2 乙醇燃燒火焰顏色變化的理論解釋及驗證

關(guān)于不同光線條件下呈現(xiàn)兩種藍色火焰的問題，經(jīng)過文獻查閱，發(fā)現(xiàn)這兩種火焰有聯(lián)系又有區(qū)別： 相似之處在于，乙醇、丁烷等可燃液體，都有一定的揮發(fā)性，當(dāng)這些可燃液體揮發(fā)出的蒸氣和空氣混合并與火源接觸就可能發(fā)生瞬間燃燒即“閃燃”，閃燃時通常都呈藍色火焰[3]。不同之處在于，上述酒精在瓷勺中的燃燒屬于“蒸發(fā)燃燒”，純氫氣在導(dǎo)管口引燃屬于“擴散燃燒”，而酒精噴燈、丁烷噴槍中的燃燒屬于“預(yù)混（混合）燃燒”[4]。

關(guān)于不同濃度乙醇溶液燃燒出現(xiàn)不同火焰顏色的問題，李成國[5]認為： 光線波長、能量和火焰的顏色關(guān)系如圖1所示，能量越高，光線的波長越短，火焰的顏色呈現(xiàn)從紅色到紫色的變化規(guī)律。陳云生等[6]在“氫氣燃燒火焰顏色的探討”一文中認為，氫氣燃燒外焰呈黃色與生成的水分子有關(guān)。溫度越高，處于激發(fā)態(tài)的水分子越多，由輻射產(chǎn)生的光譜越強，紅色帶越明顯，與氫焰中的藍色帶譜互補成橙黃色。由于乙醇燃燒也有水分子生成，可以推測其燃燒火焰顏色的變化原因與氫氣相似。

基于以上解釋，可以推測不同濃度乙醇燃燒火焰出現(xiàn)顏色變化可能的原因如下： 中等濃度乙醇燃燒火焰呈藍色，隨著乙醇濃度的增大，燃燒后環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致處于激發(fā)態(tài)的水分子越多，由輻射產(chǎn)生的光譜越強，紅色帶越明顯，與藍色帶譜互補成黃色。為了驗證以上推論，從火焰顏色的重疊、環(huán)境溫度的改變等對火焰顏色的影響進行驗證。

2.1 重疊兩種顏色的火焰進行驗證

按照陳云生等老師的解釋，是藍色的火焰和紅色的火焰重疊在一起才看到黃色的火焰。因乙醇燃燒有藍色火焰卻無法觀察到紅色火焰，基于蠟燭和乙醇都是含氫燃料，燃燒后均有水蒸氣生成，為了驗證這個解釋，選擇彩焰蠟燭進行驗證。點燃藍色、紅色兩支彩焰蠟燭（可網(wǎng)購），燃燒后將兩種火焰混在一起，在光亮條件下看到的火焰中確實有黃色的成分。在黑暗環(huán)境下，黃色更加明顯。

2.2 改變環(huán)境溫度進行驗證

由于水分子存在多種振動高激發(fā)態(tài)[7]，溫度升高，水分子處于更高的激發(fā)態(tài)。按照以上推測，無水乙醇蒸發(fā)燃燒火焰為黃色，丁烷噴槍預(yù)混燃燒火焰在黑色背景下藍色外圍出現(xiàn)明顯紫色，說明兩種燃燒狀態(tài)導(dǎo)致水分子處于不同的激發(fā)態(tài)，后者的激發(fā)態(tài)更高。當(dāng)環(huán)境溫度降低時，水分子從較高的激發(fā)態(tài)變?yōu)檩^低的激發(fā)態(tài)，火焰的顏色將發(fā)生改變。為了驗證該推論，將丁烷噴槍點火后罩上雙層玻璃杯（夾層中裝水，溫度為20℃），火焰出現(xiàn)黃色。紫色火焰在環(huán)境溫度降低時可以變?yōu)辄S色火焰，黃色火焰遇到更低的溫度會轉(zhuǎn)化為藍色火焰嗎？為了驗證以上推測，往雙層平底燒瓶的外夾層中注入水，放入冰箱冷凍結(jié)冰（溫度為0℃），然后將丁烷打火槍點火后伸入該燒瓶內(nèi)。打火槍點燃后火焰在空氣中呈黃色，當(dāng)移入到夾層結(jié)冰的燒瓶內(nèi)部時，火焰迅速由黃色變成藍色（黑暗條件下）。

以上實驗，不斷降低環(huán)境溫度，燃燒火焰顏色從明亮的藍色變?yōu)辄S色，再由黃色變?yōu)槲⑷醯乃{色。可以推斷，包括氫氣、乙醇、丁烷等燃燒的產(chǎn)物中有水分子生成，其燃燒火焰顏色的變化均與環(huán)境溫度有關(guān)。環(huán)境溫度高，水分子處于高激發(fā)態(tài)，火焰呈現(xiàn)藍色與紫色的混合顏色，由于紫色在光亮條件下較難觀察到，肉眼觀察到的主要為藍色（如丁烷噴槍的預(yù)混燃燒）;環(huán)境溫度降低到一定程度，水分子處于較低的激發(fā)態(tài)，火焰呈現(xiàn)藍色和紅色的混合顏色，肉眼觀察到主要為黃色（如無水乙醇的蒸發(fā)燃燒）;環(huán)境溫度再降低，水分子未能出現(xiàn)激發(fā)態(tài)，此時火焰呈現(xiàn)出本來的顏色即微弱的藍色（如中等濃度乙醇水溶液的蒸發(fā)燃燒）。

3 環(huán)境溫度對乙醇燃燒火焰顏色影響的演示裝置的設(shè)計

利用以上環(huán)境溫度對乙醇火焰顏色影響的結(jié)論，通過控制燃燒的環(huán)境溫度，使水分子盡量少轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，可以設(shè)計出環(huán)境溫度影響乙醇燃燒火焰顏色的演示裝置。

3.1 裝置的組成及設(shè)計意圖

演示裝置由雙層三口平底燒瓶（玻璃儀器，可網(wǎng)購）、溫度傳感器等組成，其中雙層燒瓶的外筒裝室溫下的水，用于吸收乙醇燃燒時產(chǎn)生的部分熱量，達到降低環(huán)境溫度、減少激發(fā)態(tài)水分子的目的。使用三口燒瓶的原因在于保證乙醇可以接觸到足夠的空氣順利燃燒，但又不是完全露置在空氣中，通過控制其與氧氣的接觸空間防止燃燒太劇烈，導(dǎo)致環(huán)境溫度過高。溫度傳感器放入外筒，用于顯示乙醇燃燒導(dǎo)致的溫度變化。作為對照，另使用鐵盒盛裝少量無水乙醇露置在空氣中燃燒。具體裝置如圖2所示。

3.2 實驗步驟及現(xiàn)象

使用該裝置時，先往雙層燒瓶的外筒中加滿常溫下的水，將溫度傳感器插入外筒的水中。往雙層燒瓶的內(nèi)筒及鐵盒中均添加5毫升無水乙醇，并將兩處乙醇點燃。觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)鐵盒中無水乙醇燃燒火焰為黃色，而雙層燒瓶中的無水乙醇燃燒火焰基本無色（光亮環(huán)境下）或藍色（黑暗環(huán)境中），可以直觀對比環(huán)境溫度對乙醇燃燒火焰顏色的影響。隨著內(nèi)筒乙醇燃燒的進行，溫度傳感器顯示的溫度不斷升高（從室溫至100℃），外筒的水逐漸沸騰起來，在光亮條件下無水乙醇在內(nèi)筒燃燒時火焰接近無色不方便觀察，通過溫度的顯示和水的沸騰，可以感受到乙醇在燃燒。

4 焰色反應(yīng)演示實驗新方案的設(shè)計

關(guān)于焰色反應(yīng)，教材中的演示因直接使用酒精燈中的高濃度乙醇，燈焰的黃色對焰色反應(yīng)的演示產(chǎn)生較大的干擾[8]。為了得到更明顯的焰色效果，一般要滿足三個條件： 一是熱源火焰盡量接近無色;二是火焰溫度要足夠高，使金屬離子受熱熔融、氣化、離解、激發(fā)，才能產(chǎn)生焰色;三是參與焰色反應(yīng)的金屬元素要達到一定量。對于焰色反應(yīng)實驗的改進已有較多研究[9～12]，不過大部分都是從儀器的改進入手?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，可以從藥品的角度，設(shè)計出更加簡便的焰色反應(yīng)演示新方案。

4.1 常見金屬元素的焰色反應(yīng)演示新方案

由于中等濃度的酒精燃燒火焰是近于無色的，可以作為焰色反應(yīng)的熱源。但金屬氯化物一般難溶于無水乙醇，在中等濃度的乙醇水溶液中的溶解度也不大。為了使更多的金屬離子參與焰色反應(yīng)，可以先配制金屬氯化物的飽和水溶液，再加入等體積的乙醇，此時部分金屬氯化物以細小的顆粒析出。為了讓溫度迅速升高，選用鐵盒作為盛放液體的容器。由此，常見的金屬元素焰色反應(yīng)的演示實驗方案可以設(shè)計為： 取一定體積（一般選擇5毫升）蒸餾水，加入金屬氯化物溶解配成飽和溶液，再加入等體積無水乙醇，充分混合后立即倒入鐵盒中點燃，即可觀察到明顯的焰色。此方案與教材中使用紅熱鉑絲蘸取待測物在酒精燈火焰上灼燒的演示方案相比，儀器更簡單、步驟更簡潔、現(xiàn)象更明顯。

4.2 鉀元素焰色反應(yīng)演示新方案

教材中鉀的焰色要透過藍色鈷玻璃才能看到紫色[13]，高應(yīng)奇老師[14]認為： 透過鈷玻璃片觀察到的顏色不可能與本來顏色相同;實驗室的藍色鈷玻璃片肯定略帶淺紫色，所以透過它看到的許多金屬元素的顏色都略顯紫色。為了驗證高老師的觀點，點燃多種不同顏色的彩焰蠟燭，透過藍色鈷玻璃觀察火焰的顏色，結(jié)果發(fā)現(xiàn)透過藍色鈷玻璃看到的不同火焰的顏色并無大的差別，均顯示出淡淡的紫色。說明透過藍色鈷玻璃看到紫色火焰的真實性下降，使用這種方法檢驗鉀元素確有欠妥之處。

如果不用藍色鈷玻璃片，采用以上常見金屬焰色反應(yīng)新方案，效果還是不夠明顯。即配制氯化鉀飽和水溶液，再加入等體積的乙醇混合后點燃的方案還存在不足： 由于氯化鉀在該混合液中溶解度不大，容易沉淀下來，導(dǎo)致鉀的紫色在光亮條件下較難觀察到?；谝陨现械葷舛龋?0%～73%）乙醇燃燒火焰在光亮條件下無色，且氫氧化鉀在乙醇中的溶解度較大（28℃時溶解度為38.7g）的事實，可以設(shè)計出演示鉀元素焰色反應(yīng)的新方案： 將氫氧化鉀溶解在無水乙醇中達到飽和，再用等體積的蒸餾水稀釋，混合后置于試劑瓶中待用。使用時取10mL該溶液于鐵盒中（鐵盒中放一團脫脂棉花），點燃，無需藍色鈷玻璃片即可用肉眼觀察到明顯的紫色火焰。上述方案中之所以不配制氫氧化鉀飽和水溶液再加入等體積的無水乙醇混合，原因在于氫氧化鉀在水中溶解度太大，配成飽和水溶液再加入無水乙醇，溶液變?yōu)檎吵頎睿紵龝r間短，還浪費大量藥品。

以上探究是基于對生活中的白酒燃燒火焰顏色的觀察提出的有價值的問題，得出環(huán)境溫度是影響火焰顏色的主要因素之一，并提出理論解釋，運用探究的結(jié)果設(shè)計出環(huán)境溫度對乙醇燃燒火焰顏色影響的演示裝置、金屬元素焰色反應(yīng)的演示新方案。探究過程中，對文獻中關(guān)于乙醇類可燃液體燃燒火焰顏色的理論解釋、教材中鉀元素焰色反應(yīng)演示實驗進行實證研究，發(fā)現(xiàn)文獻及教材中確實存在可改進之處，并提出新的理論解釋和新的演示方案，充分體現(xiàn)了“獨立思考、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新”的核心素養(yǎng)，展示了化學(xué)學(xué)科的獨特價值和魅力。

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