基于核心素養(yǎng)下焰色試驗(yàn)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

張 毅

(貴州省金沙縣實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué))

一、研究背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)中提出:“能依據(jù)探究的目的設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案,完成實(shí)驗(yàn)操作;養(yǎng)成獨(dú)立思考,敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神;具有安全意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;具有綠色化學(xué)觀念和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)”等課程目標(biāo)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)的有效手段,應(yīng)成為課堂教學(xué)的重點(diǎn)。然而由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)硬件和儀器、藥品等限制,再加上大多數(shù)實(shí)驗(yàn)在做的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體,導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能讓學(xué)生親自體會(huì),主要是以“看”“記”“理解”的形式完成教學(xué),沒(méi)有體現(xiàn)出化學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)要求。創(chuàng)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到安全、節(jié)約、污染小、現(xiàn)象明顯且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。因此,不斷對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn),不僅可提高學(xué)生在教學(xué)中的主體地位和參與度,還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的安全意識(shí)、資源意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)、環(huán)保意識(shí)等,發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力,提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、焰色試驗(yàn)的原理

焰色試驗(yàn)主要是根據(jù)某些金屬或者它們的化合物在無(wú)色火焰中灼燒時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出不同顏色的火焰,而對(duì)這些金屬離子進(jìn)行檢驗(yàn)的一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。

當(dāng)堿金屬及其鹽在火焰上灼燒時(shí),原子中的電子吸收了能量,從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道,但處于能量較高軌道上的電子是不穩(wěn)定的,很快躍遷回能量較低的軌道,這時(shí)就將多余的能量以光的形式放出。而放出的光的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(波長(zhǎng)為400 nm～760 nm),因而能使火焰呈現(xiàn)顏色,例如,當(dāng)Na2CO3在火焰中汽化時(shí),離子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)原子并被激發(fā),激發(fā)態(tài)鈉原子恢復(fù)到基態(tài)時(shí)發(fā)出波長(zhǎng)為589 nm(黃色)的光?；谕瑯釉?非金屬硼在高溫下發(fā)出波長(zhǎng)為492 nm、518 nm 和546 nm的光,火焰呈綠色。在焰色試驗(yàn)中,不同金屬或它們的化合物在灼燒時(shí)會(huì)放出多種不同波長(zhǎng)的光,在肉眼能感知的可見(jiàn)光范圍內(nèi),因光的波長(zhǎng)不同,呈現(xiàn)的顏色也就存在差異。但由于堿金屬的原子結(jié)構(gòu)不同,電子躍遷時(shí)能量的變化就不相同,就發(fā)出不同波長(zhǎng)的光,從焰色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)里所看到的特殊焰色就是光譜譜線(xiàn)的顏色。每種元素的光譜都有一些特征譜線(xiàn),發(fā)出特征的顏色而使火焰著色,根據(jù)焰色可以判斷某種元素的存在。如焰色洋紅色說(shuō)明含有鍶元素,焰色綠色說(shuō)明含有銅元素,焰色黃色說(shuō)明含有鈉元素,焰色紫色說(shuō)明含有鉀元素,焰色磚紅色則說(shuō)明含有鈣元素等。

三、教材中的焰色試驗(yàn)

焰色試驗(yàn)在人教版普通高中教科書(shū)化學(xué)(必修第一冊(cè))(2019版)P38實(shí)驗(yàn)2-6:

步驟一:把焊在玻璃棒上的鉑絲(或光潔無(wú)銹的鐵絲)放在酒精燈(最好用煤氣燈)外焰里灼燒,至與原來(lái)的火焰顏色相同時(shí)為止。用鉑絲(或鐵絲)蘸取碳酸鈉溶液,在外焰上灼燒,觀察火焰的顏色。

步驟二:將鉑絲(或鐵絲)用鹽酸洗凈后,在外焰上灼燒至與原來(lái)的火焰顏色相同時(shí),再蘸取碳酸鉀做同樣的實(shí)驗(yàn),此時(shí)要透過(guò)藍(lán)色鈷玻璃觀察火焰的顏色。

四、教材實(shí)驗(yàn)的不足

1.儀器損壞率大,污染嚴(yán)重:焰色試驗(yàn)的主要儀器是鉑絲(或鐵絲),在檢定某種元素前,均需將鉑絲(或鐵絲)蘸濃鹽酸在火焰中反復(fù)灼燒至與原來(lái)的火焰顏色相同時(shí),方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一方面操作繁瑣,不適用于課堂演示;另一方面由于鉑絲(或鐵絲)在火焰中反復(fù)灼燒,易從鑲結(jié)的棒上脫落或折斷。操作中由于濃鹽酸的高揮發(fā)性,加之在火焰中反復(fù)灼燒,空氣污染嚴(yán)重,對(duì)學(xué)生的身體危害亦很大。

2.鉑絲價(jià)格昂貴,一般普通中學(xué)根本沒(méi)有,給資源較為匱乏的學(xué)校增加了實(shí)驗(yàn)的負(fù)擔(dān)。因此,常用無(wú)銹鐵絲代替,但鐵絲蘸取溶液很少,在酒精燈火焰上瞬間汽化,焰色強(qiáng)度低、持續(xù)時(shí)間短,學(xué)生不易看清,課堂演示效果差,且不能同時(shí)觀察幾種不同物質(zhì)的焰色。

3.鉀元素的紫色焰色現(xiàn)象不明顯,觀察時(shí)要透過(guò)藍(lán)色鈷玻璃,以消除鈉的干擾。由于鈷玻璃是深藍(lán)色,無(wú)法判斷觀察到的是藍(lán)色還是紫色。

4.此實(shí)驗(yàn)還存在酒精燈火焰顏色的干擾、光線(xiàn)的干擾等。

由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法存在的諸多問(wèn)題,許多教師都放棄演示該實(shí)驗(yàn)。因此,探尋焰色試驗(yàn)的新方法成了當(dāng)務(wù)之急。

五、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

(一)實(shí)驗(yàn)儀器及用品

1.廢棄的鋁制易拉罐、玻璃棒、三腳架、坩堝鉗、石棉網(wǎng)、火柴、廢棄調(diào)料瓶。

2.無(wú)水乙醇,雙氧水,無(wú)水氯化鈣粉末、無(wú)水硫酸銅粉末、氯化鉀粉末、碳酸鈉粉末、氯化鋇粉末。

(二)實(shí)驗(yàn)裝置圖

(三)實(shí)驗(yàn)操作

先分別向廢棄調(diào)料瓶中加固體鹽粉末;取6個(gè)三腳架放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上有序排成一排,分別放上石棉網(wǎng),再取6個(gè)廢棄鋁制易拉罐瓶底放在三腳架上,再分別注入無(wú)水乙醇和雙氧水(按5∶2.3的比例加入),用火柴點(diǎn)燃,然后用廢棄調(diào)料瓶向火焰上灑入固體鹽粉末并不斷用玻璃棒攪拌,立即觀察到各種鹽的特征焰色,實(shí)驗(yàn)結(jié)束,用石棉網(wǎng)蓋滅未燃盡的酒精。

(四)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,向無(wú)水乙醇里加一定量的過(guò)氧化氫使乙醇燃燒更充分,讓火焰效果更淡,實(shí)驗(yàn)效果更好。

2.用以上改進(jìn)裝置觀察鉀的焰色不需要藍(lán)色鈷玻璃就可以看到明顯的紫色。

六、總結(jié)與反思

(一)優(yōu)點(diǎn)

1.在鋁制易拉罐中加入酒精產(chǎn)生較大的火焰,增大了各種鹽與火焰的接觸面,焰色明顯,非常壯觀,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果;

2.在酒精中加入過(guò)氧化氫提供氧氣使酒精充分燃燒,削弱了火焰的黃色,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果;

3.步驟較少,操作簡(jiǎn)單;焰色持續(xù)時(shí)間長(zhǎng);

4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,可見(jiàn)度高,課堂演示效果好;

5.可以同時(shí)觀察多種不同待測(cè)物的焰色,便于對(duì)比記憶,提高課堂上學(xué)生興趣。

(二)實(shí)驗(yàn)不足

1.酒精火焰的黃色未完全消除,對(duì)實(shí)驗(yàn)還有一定的干擾;

2.藥品用量較大。