概念辨析及趣味焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

束婷婷 丁偉

摘要：針對學(xué)生通常易將焰色反應(yīng)與燃燒分屬物理變化和化學(xué)變化的概念混淆，從化學(xué)反應(yīng)原理、反應(yīng)現(xiàn)象等方面闡述了二者的本質(zhì)區(qū)別。同時(shí)，設(shè)計(jì)了焰色反應(yīng)的“魔燈”實(shí)驗(yàn)，探討了焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：焰色反應(yīng)；燃燒；概念辨析；趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號：1005–6629（2016）6–0057–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

人們利用焰色反應(yīng)有意識地在煙花、禮花中加入特定的金屬元素使焰火更加絢麗多彩，也讓我們的生活更加豐富多彩。西方化學(xué)史記載了德國化學(xué)家馬格拉夫在一次實(shí)驗(yàn)中將碳酸鈉和碳酸鉀粉末分別撒在酒精燈火焰上，火焰迅速染成了黃色和紫色。而我國藥學(xué)家陶弘景早在1400多年前就明確指出：“以火燒之紫青煙起，云是真消石也。”其中消石的主要成分是硝酸鉀。后來人們逐漸將某金屬或其化合物在無色火焰中燃燒時(shí)呈現(xiàn)特征焰色的反應(yīng)稱為“焰色反應(yīng)”、“焰色測試”或“焰色試驗(yàn)”。

焰色反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，其原理是某些金屬在火焰中灼燒時(shí)能使火焰呈現(xiàn)特征顏色。在教學(xué)中，教師常通過演示焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解檢驗(yàn)金屬元素的特殊方法，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中新奇的現(xiàn)象也激發(fā)了學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。值得思考的是：焰色反應(yīng)為什么會帶來如此美妙的焰火？其生色原理是什么？與一般的燃燒有怎樣的不同？是否有簡便而有趣的實(shí)驗(yàn)來展示焰色反應(yīng)？本文將帶著這些問題進(jìn)行細(xì)致的探討。

1 焰色反應(yīng)與燃燒的概念辨析

由于焰色反應(yīng)和燃燒均與火有關(guān)，因此學(xué)生極易將這兩個(gè)概念混淆，其原因在于不能從本質(zhì)上認(rèn)識到焰色反應(yīng)屬于物理變化。因此，有必要對焰色反應(yīng)和燃燒作一個(gè)較為詳細(xì)的區(qū)分，具體如表1所示[1]。

從上表可以看出，無論是反應(yīng)物、反應(yīng)條件，反應(yīng)原理和反應(yīng)現(xiàn)象等，焰色反應(yīng)均與一般燃燒都有著顯著的區(qū)別。因此在課堂教學(xué)中，教師可以基于學(xué)生不同的認(rèn)知水平從不同的角度引導(dǎo)學(xué)生將二者予以區(qū)分，以避免對其錯(cuò)誤的認(rèn)識。

2 焰色反應(yīng)的原理闡釋

樣品物質(zhì)在火焰中加熱形成氣態(tài)金屬原子，各種原子間運(yùn)動速度加快，發(fā)生非彈性碰撞，外層電子獲得能量從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，也有可能獲得能量先失去最外層電子變成離子，離子再從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子又躍遷回基態(tài)或低能態(tài)，多余的能量以光的形式釋放出來。焰色反應(yīng)中發(fā)生電子躍遷的主要是金屬原子還是金屬離子呢？

由于氣態(tài)金屬原子從基態(tài)躍遷至第一激發(fā)態(tài)所需的能量（可近似用軌道能級差估算）要比金屬原子失去一個(gè)電子成+1價(jià)陽離子所需的能量（第一電離能）要低，火焰加熱又為熱激發(fā)，能量不是很高，因而處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)目要比處于激發(fā)態(tài)的離子多。這一點(diǎn)可從熱力學(xué)角度進(jìn)行分析證明。

以堿金屬鹵化物為例，從基態(tài)氣態(tài)原子到基態(tài)氣態(tài)離子過程的吉布斯自由能變ΔG可以通過如下公式得到：

ΔG=ΔH-TΔS=[I1+（-EA）]-T[S（M+，g，基態(tài)）+ S（X-，g，基態(tài)）-S（M，g，基態(tài)）-S（X，g，基態(tài)）]

式中I1為堿金屬第一電離能，EA為鹵素電子親和能；S（M，g，基態(tài)）、S（M+，g，基態(tài)）、S（X，g，基態(tài)）和S（X-，g，基態(tài)）分別為基態(tài)氣態(tài)金屬原子和金屬離子以及基態(tài)氣態(tài)鹵素原子和鹵素離子的熵。由于氣態(tài)金屬原子失去一個(gè)電子成為氣態(tài)金屬離子是混亂度增加過程，而氣態(tài)鹵素原子得到一個(gè)電子變?yōu)闅鈶B(tài)鹵素離子是混亂度減小過程，兩個(gè)過程熵變可以大致相互抵消。因此，總熵變ΔS很小，在吉布斯自由能變ΔG中起主要作用的應(yīng)該是焓變ΔH。理論計(jì)算得，ΔH>0，則ΔG>0，說明氣態(tài)原子較氣態(tài)離子穩(wěn)定，堿金屬鹵化物主要分解為氣態(tài)原子。

由于金屬的原子結(jié)構(gòu)不同，電子躍遷時(shí)能量的變化就不相同，從而發(fā)出不同波長的光。事實(shí)上，肉眼所觀察到的焰色是可見光范圍內(nèi)不同波長的光的綜合結(jié)果。在光譜學(xué)上，不同波長的光表現(xiàn)出一系列的譜線，每種元素都有其特殊的譜線，而與原子的化合狀態(tài)及物質(zhì)的聚集狀態(tài)無關(guān)。像鎂、鋁和銀等元素因在可見光區(qū)沒有譜線而展現(xiàn)出無特征的焰色[2]。不同焰色對應(yīng)波長可根據(jù)λ=hc/ΔE（其中h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為光的波長）計(jì)算而得。我們可以據(jù)此計(jì)算出常見金屬原子對應(yīng)的可見光區(qū)譜線波長及所呈焰色，如表2所示。

對于一些非金屬元素如F、Cl、Br、I、C、N、O等，由于核外電子躍遷需要吸收較高的能量，在火焰中不易被激發(fā)，且非金屬元素激發(fā)態(tài)原子的電子躍遷所產(chǎn)生的波長大多在200nm以下，位于遠(yuǎn)紫外區(qū)。因此，進(jìn)行焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，F(xiàn)、Cl、Br、I、C、N、O等非金屬元素不會對金屬元素的鑒別產(chǎn)生干擾[3]。

3 趣味性焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

焰色反應(yīng)中產(chǎn)生的多種焰色給化學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來了一抹清新的色彩。多年來，教師按照教科書中“鉑絲蘸液酒精燈法”進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)操作，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯，效果不甚理想。對此，不少研究者從反應(yīng)儀器、加熱裝置或?qū)嶒?yàn)操作上作相應(yīng)改進(jìn)，提出氫火焰噴壺法[4]、金屬離子酒精燈法[5]等十幾種方法，起到了一定的效果，但這些方法不是操作繁瑣就是設(shè)備要求高。本研究采用常見的低成本的生活用品代替鉑絲和酒精燈，制作燃燒裝置來進(jìn)行焰色反應(yīng)，稱之為“魔燈”實(shí)驗(yàn)。通過簡單的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行焰色反應(yīng)不僅現(xiàn)象明顯、操作簡便，而且安全高效，還能將各類金屬燃燒時(shí)的焰色形成鮮明對比。

3.1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

藥品：無水乙醇、蒸餾水、五水合硫酸銅晶體、氯化鈉固體、氯化鍶固體、硝酸鈣粉末、八水合氫氧化鋇晶體、硝酸鉀固體、六水合氯化鈷晶體

儀器：易拉罐（鋁制的汽水瓶）、棉簽（或化妝棉棒）

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）制作燃燒器。準(zhǔn)備兩個(gè)空的易拉罐，分別用剪刀沿橫截面剪開，棄去上半部分，將易拉罐下半部分修剪成高約2.5cm的圓盤。將其中一個(gè)圓盤底部挖一個(gè)直徑約4厘米的圓孔，且沿外邊緣用剪刀刺穿一排孔洞（大約11個(gè)，如圖1所示），然后將兩圓盤對合扣壓在一起，組裝成簡易的燃燒器。

圖2為制作燃燒器過程的簡筆圖。

（2）配制乙醇溶液。用量筒量取化學(xué)純的95%乙醇75mL，倒入潔凈的250mL燒杯中，加水稀釋至100mL（體積分?jǐn)?shù)約為70%）備用。

（3）配制鹽溶液。取上述新配制的體積分?jǐn)?shù)為70%乙醇溶液10mL倒入50mL燒杯中，在玻璃棒攪拌下不斷加入五水合硫酸銅晶體，直至晶體不再溶解，配制成飽和溶液（其他金屬離子鹽溶液配制方法同上）。

（4）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。向圖1所示的燃燒器中加入30mL 70%乙醇溶液，火柴伸入圓孔點(diǎn)燃。用干凈棉簽蘸取飽和CuSO4乙醇溶液后，放置火焰中部灼燒，觀察現(xiàn)象。

點(diǎn)燃裝置后，燃燒器中乙醇溶液的火焰近乎無色透明，當(dāng)用蘸有飽和CuSO4乙醇溶液的棉簽放入火焰中部時(shí)，火焰立刻呈現(xiàn)出一片藍(lán)綠色火焰，持續(xù)時(shí)間約30秒。同法，收集的所有金屬離子的焰色如圖3所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析討論

（1）從焰色反應(yīng)的原理看，熱源的溫度無需太高，本實(shí)驗(yàn)使用70%乙醇溶液作燃料燃燒時(shí)提供的能量完全能滿足灼燒供給的需要。

（2）本裝置中乙醇溶液燃燒火焰顏色極淺，可以排除酒精燈中鈉等元素和雜質(zhì)焰色的干擾。實(shí)驗(yàn)過程中火焰持續(xù)時(shí)間長（30秒以上），可見度大，并且可以進(jìn)行對比及反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

（3）鋁制易拉罐燃燒器耐高溫，火焰覆蓋面大，確保金屬原子被充分灼燒。棉簽蘸取鹽溶液時(shí)，吸附量比玻璃棒大得多，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯。

（4）實(shí)驗(yàn)燃燒裝置是生活中廢棄的易拉罐，成本低，清洗時(shí)能直接用水沖洗，操作簡便安全，綠色環(huán)保，且可進(jìn)行家庭實(shí)驗(yàn)。

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