基于核心素養下焰色試驗的創新實驗

張 毅

(貴州省金沙縣實驗高級中學)

一、研究背景

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)中提出:“能依據探究的目的設計并優化實驗方案,完成實驗操作;養成獨立思考,敢于質疑和勇于創新的精神;具有安全意識和嚴謹的科學態度;具有綠色化學觀念和可持續發展意識”等課程目標。化學實驗作為培養學生實驗探究能力和創新意識的有效手段,應成為課堂教學的重點。然而由于學校實驗硬件和儀器、藥品等限制,再加上大多數實驗在做的過程中會產生有毒氣體,導致很多實驗教學不能讓學生親自體會,主要是以“看”“記”“理解”的形式完成教學,沒有體現出化學核心素養的目標要求。創新改進實驗能達到安全、節約、污染小、現象明顯且持續時間長、操作簡便等優點。因此,不斷對教材中的實驗進行創新改進,不僅可提高學生在教學中的主體地位和參與度,還可以通過實驗創新培養學生在實驗中的安全意識、資源意識、創新意識、環保意識等,發展學生的實驗探究能力,提升學生的化學學科核心素養。

二、焰色試驗的原理

焰色試驗主要是根據某些金屬或者它們的化合物在無色火焰中灼燒時會呈現出不同顏色的火焰,而對這些金屬離子進行檢驗的一種化學實驗方法。

當堿金屬及其鹽在火焰上灼燒時,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定的,很快躍遷回能量較低的軌道,這時就將多余的能量以光的形式放出。而放出的光的波長在可見光范圍內(波長為400 nm～760 nm),因而能使火焰呈現顏色,例如,當Na2CO3在火焰中汽化時,離子轉化為氣態原子并被激發,激發態鈉原子恢復到基態時發出波長為589 nm(黃色)的光。基于同樣原理,非金屬硼在高溫下發出波長為492 nm、518 nm 和546 nm的光,火焰呈綠色。在焰色試驗中,不同金屬或它們的化合物在灼燒時會放出多種不同波長的光,在肉眼能感知的可見光范圍內,因光的波長不同,呈現的顏色也就存在差異。但由于堿金屬的原子結構不同,電子躍遷時能量的變化就不相同,就發出不同波長的光,從焰色反應的實驗里所看到的特殊焰色就是光譜譜線的顏色。每種元素的光譜都有一些特征譜線,發出特征的顏色而使火焰著色,根據焰色可以判斷某種元素的存在。如焰色洋紅色說明含有鍶元素,焰色綠色說明含有銅元素,焰色黃色說明含有鈉元素,焰色紫色說明含有鉀元素,焰色磚紅色則說明含有鈣元素等。

三、教材中的焰色試驗

焰色試驗在人教版普通高中教科書化學(必修第一冊)(2019版)P38實驗2-6:

步驟一:把焊在玻璃棒上的鉑絲(或光潔無銹的鐵絲)放在酒精燈(最好用煤氣燈)外焰里灼燒,至與原來的火焰顏色相同時為止。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的火焰顏色相同時,再蘸取碳酸鉀做同樣的實驗,此時要透過藍色鈷玻璃觀察火焰的顏色。

四、教材實驗的不足

1.儀器損壞率大,污染嚴重:焰色試驗的主要儀器是鉑絲(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灼燒至與原來的火焰顏色相同時,方可進行實驗。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)在火焰中反復灼燒,易從鑲結的棒上脫落或折斷。操作中由于濃鹽酸的高揮發性,加之在火焰中反復灼燒,空氣污染嚴重,對學生的身體危害亦很大。

2.鉑絲價格昂貴,一般普通中學根本沒有,給資源較為匱乏的學校增加了實驗的負擔。因此,常用無銹鐵絲代替,但鐵絲蘸取溶液很少,在酒精燈火焰上瞬間汽化,焰色強度低、持續時間短,學生不易看清,課堂演示效果差,且不能同時觀察幾種不同物質的焰色。

3.鉀元素的紫色焰色現象不明顯,觀察時要透過藍色鈷玻璃,以消除鈉的干擾。由于鈷玻璃是深藍色,無法判斷觀察到的是藍色還是紫色。

4.此實驗還存在酒精燈火焰顏色的干擾、光線的干擾等。

由于傳統實驗方法存在的諸多問題,許多教師都放棄演示該實驗。因此,探尋焰色試驗的新方法成了當務之急。

五、實驗的改進

(一)實驗儀器及用品

1.廢棄的鋁制易拉罐、玻璃棒、三腳架、坩堝鉗、石棉網、火柴、廢棄調料瓶。

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

(二)實驗裝置圖

(三)實驗操作

先分別向廢棄調料瓶中加固體鹽粉末;取6個三腳架放在實驗臺上有序排成一排,分別放上石棉網,再取6個廢棄鋁制易拉罐瓶底放在三腳架上,再分別注入無水乙醇和雙氧水(按5∶2.3的比例加入),用火柴點燃,然后用廢棄調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,實驗結束,用石棉網蓋滅未燃盡的酒精。

(四)實驗說明

1.通過實驗研究,向無水乙醇里加一定量的過氧化氫使乙醇燃燒更充分,讓火焰效果更淡,實驗效果更好。

2.用以上改進裝置觀察鉀的焰色不需要藍色鈷玻璃就可以看到明顯的紫色。

六、總結與反思

(一)優點

1.在鋁制易拉罐中加入酒精產生較大的火焰,增大了各種鹽與火焰的接觸面,焰色明顯,非常壯觀,增強了實驗效果;

2.在酒精中加入過氧化氫提供氧氣使酒精充分燃燒,削弱了火焰的黃色,增強了實驗效果;

3.步驟較少,操作簡單;焰色持續時間長;

4.實驗現象明顯,可見度高,課堂演示效果好;

5.可以同時觀察多種不同待測物的焰色,便于對比記憶,提高課堂上學生興趣。

(二)實驗不足

1.酒精火焰的黃色未完全消除,對實驗還有一定的干擾;

2.藥品用量較大。