铁丝上的剧烈焰色反应

2018-03-10祝保林

渭南师范学院学报 2018年4期

祝保林，吕争

(渭南师范学院化学与材料科学学院，陕西渭南714099)

创新实验教学是化学新课程改革的重要内容。［1］这就需要在学校教育中大力推行创新型教育，培养学生的创新思维［2－3］。化学是以实验为主体的学科，特别是中学阶段，实验往往能吸引学生的注意力，培养学生动手及创新思维的能力。因此，通过实验的改进，可以培养学生的分析问题、解决问题及创新思维能力［4－5］。

中学化学实验内容当中，焰色反应实验是重要的实验内容。该实验对于理解并掌握碱金属及碱土金属的理化性质具有相当重要的意义［6］。但现行教材对于焰色反应的实验装置并不理想，存在缺陷。

1 焰色反应的意义与实质

焰色反应在高一化学中是非常重要的一个章节，通过焰色反应实验有助于学生对碱土金属和碱金属的理化性质掌握。从本质上讲，焰色反应的实质是:金属离子从外界获得能量(酒精灯提供的热能)，外层价电子被激发，产生跃迁生成激发态的离子。激发态离子不稳定，在10－8s时间内，又会以光子的形式失去能量。返回较低能态，从而产生波长不一样的辐射(若波长在可见光区400～800 nm之间)，就能够使火焰附着上这种离子所产生的特定颜色。而每一种离子都具有特定的颜色，所以根据焰色具有特殊颜色的性质，进行焰色反应来检测化合物中所含有的离子［7］。

但现有教材在实验装置、步骤及观察的现象上存在诸多不足之处，本文对此进行了相应的改进。

1.1 经典焰色反应实验装置

如图1所示，经典的实验装置采用前端固定有一根螺旋形金属铂(Pt)丝的玻璃棒作为试剂盛装器皿。试验时，将洁净的Pt丝蘸取盐酸(盐酸一方面起到光谱载体作用，另一方面起洗涤剂的作用，去除Pt丝上杂质的作用)后，首先在热源(酒精灯、煤气灯、乙醇、甲醇等)上灼烧至无色，再蘸取待测离子的盐类溶液，再次在热源上加热，通过观察火焰特征颜色，对待测定离子实现定性鉴定。

1.2 经典焰色反应实验操作步骤

第一步:配制相应的待测离子溶液备用。［8］

第二步:把连接在玻璃棒上经打磨干净并经盐酸洗涤后，没有杂质的Pt丝放在热源上灼烧，烧到没有颜色时停止，也就是和热源的火焰的颜色相同时停止。［8］

图1 经典实验装置图

第三步:用充分灼烧过且用砂纸打磨干净过的Pt丝来蘸取含有相应金属离子的待检测溶液，将蘸取到含有金属离子溶液的Pt丝转至热源进行灼烧，观察含有该金属离子溶液所产生的特定的火焰颜色。［8］

第四步:将使用过的Pt丝放在盐酸溶液里进行清洗，然后继续放在火焰上进行灼烧，一直烧到Pt丝红热且没有颜色时停止，然后再蘸取另一种含金属离子的化合物的溶液同理做第三步，观察火焰特征颜色。例如，土硝(KNO3)火焰的颜色比较淡而且有钠离子产生的黄颜色的干扰，需要透过可以隔绝黄光的蓝色钴玻璃片来观察它的颜色［8］。

1.3 经典焰色反应实验存在的问题

(1)材料昂贵。以Pt丝作为溶液载体，由于Pt丝是贵金属，售价高昂，一些条件较差的中学化学实验室可能不会购买，而且实验室使用的Pt丝都比较细短，再绕成螺旋状后就更加细小，使用几次后容易折断丢失。如果采用便宜的细铁丝(一般细铁丝纯度较低，含有杂质)，会对实验现象产生一定的干扰，很难实现理想效果。

(2)现象不明显。经典实验中，采用的是以Pt丝蘸取含待测离子的溶液进行灼烧，产生的特征火焰颜色时间短，学生来不及细致观察就会消失，而且这种特征颜色也很微弱，存在热源火焰自身颜色的干扰，学生不容易观察到待测金属离子所产生特征颜色。所以，如果教师在讲台上用这种经典方法演示焰色反应的话，很难达到理想效果，只有前排学生和教师才能观察到现象。

(3)实验过程中对试剂的利用率低。每次实验时需配置相应含待测金属离子的溶液，但能够有效利用的只是在Pt丝上蘸取到的少量金属离子溶液，造成了很大浪费。

(4)演示实验过程中步骤过多。进行每一种金属离子的焰色反应时，都必须经过“盐酸洗涤→热源灼烧→蘸取待测金属离子溶液→再次热源灼烧→盐酸洗涤”等多个步骤，费时费力，且准备时间过长，这样就会在一定程度上削弱学生的耐性和好奇心。

2 既有研究中对焰色反应实验进行的改进及不足

2.1 粉笔代替Pt丝的相应改进及不足

燕翔［9］、薛桂凤等［10］提出以吸水性较强的粉笔作为载体，代替Pt丝进行实验。以特定浓度的酒精为溶剂(酒精中水含量影响热源温度的稳定性)，溶解待测离子的无机盐，配制成浓度适当的溶液，利用粉笔的强吸水性将溶液吸进粉笔后，在热源上加热。该方法可以改善实验现象，且实验材料也非常廉价、易得。但以粉笔代替Pt丝进行实验，又会引入新的干扰。首先，粉笔中存在大量的钙离子，钙离子自身的特征焰色会对实验现象造成很大干扰，钙离子所产生的特征火焰颜色是砖红色，且该砖红色火焰颜色较深，会对待测金属离子的特征火焰颜色产生干扰，难以观察到待测离子的特征焰色。其次，酒精浓度不好控制，酒精浓度小，水含量过高，粉笔中待测试样在热源上无法实现蒸发、解离、原子化和激发过程，并且特征焰色持续时间短，不足以使待测离子被激发产生特征焰色或焰色不明显。酒精浓度过大，一方面待测无机盐在溶液中溶解度过小，火焰中待测离子浓度过低，特征焰色不明显;另一方面，又会使粉笔的火焰过大，火焰温度过高，钙离子干扰色加重，待测离子的特征焰色不明显。

2.2 焰色反应指示灯的相应改进及不足

王仪辉［11］等提出了焰色反应指示灯的概念。即将待测金属离子无机盐溶解到酒精中，直接将该酒精加入酒精灯，作为该离子的特征焰色指示灯(每一种加入不同酒精溶液的酒精灯便是一盏焰色指示灯)。分别点燃不同的酒精灯，就可以观察到不同的特征焰色，达到区别不同离子的目的。但此实验涉及大量的实验仪器，消耗的实验药品多，而且每一种金属离子无机盐在酒精中的溶解度并不相同，有些金属离子无机盐和酒精溶液互不相溶，没有办法做成焰色反应指示灯，限制了该方法的推广。

2.3 喷射法、喷洒法的相应改进及不足

苏艾琴［12］将含有待测无机离子的固体粉末无机盐直接装进胶头滴管中吹向热源，利用热源火焰将离子点燃，呈现待测离子的特征焰色，将其称之为“喷射法”。同样，该方法对焰色反应有所改善，但依旧存在缺陷。

首先，以酒精灯或酒精喷灯作为热源，热源火焰温度较低。而无机金属盐类的蒸发、解离、原子化、激发温度一般都较大，没有办法达到指定的温度。其次，以胶头滴管“喷射”过程中，飞过热源的金属离子无机盐粉末速度过快，在热源中停留的时间短，来不及解离及原子化，金属离子无机盐粉末就已经飞出热源，无法有效提高特征焰色现象。最后，完成实验后，实验台上会有大量的无机盐粉末，且无法回收再次利用，造成实验药剂的严重浪费。

与此方法相似，武学波［13］提出了“喷洒式焰色反应”方法。该方法是将待测离子的水溶液装进喷壶中向热源进行喷洒。利用热源提供高温，将待测金属离子溶液进行蒸发、解离、原子化并激发，产生待测离子的特征焰色。但与“喷射法”存在的缺陷相似，热源能够达到的温度较低，很难瞬间实现待测离子的激发。同时，配制适当的溶液浓度也是该方法的一个难题，容易造成实验药剂的严重浪费。另外，在实验室这样的密闭空间进行实验，溶液容易四处飞溅，喷洒的距离不好控制，飞溅的溶液易喷洒到前排学生的脸上和衣服上，造成诸多安全隐患，难以达到预期实验效果。

2.4 其他改进方法及不足

张蕾［14］等又提出了“焰色试纸法”。该方法是将含待测离子的无机盐首先配制成特定浓度的溶液，再以滤纸蘸取该溶液后烘干，制成“焰色试纸”。实验时在热源上直接点燃该滤纸，观察待测离子的特征焰色。该方法中，由于试纸仅是蘸取待测离子溶液后烘干，所以“焰色试纸”中待测离子浓度较低，决定了该方法改进现象不明显，难以达到预期实验效果。

张岑珍［15］提出了“脱脂棉”法。该方法与“粉笔”改进法类似，先以特定浓度的酒精溶解含待测离子的无机盐，利用脱脂棉作为待测离子酒精溶液的载体。将脱脂棉在该溶液中浸湿后，直接在热源上加热，观察待测离子的特征焰色。该方法缺点在于酒精浓度及待测离子浓度难以控制(类似于“喷洒法”中存在的缺点)，且脱脂棉吸收了大量水后，直接引入热源，使热源温度产生较大波动，火焰温度不稳定，现象改进并不明显。

项云梅［16］还尝试将酒精直接滴在固体药品上进行点燃，试图改进实验现象，但改进后现象并不明显，且整个实验过程存在较大安全隐患，仍未被推广。

3 改进后的焰色反应实验

3.1 实验仪器和药品

3．1．1 实验仪器

热源(酒精灯)、坩埚钳、钳子、高纯铁丝(直径1 mm左右，不能过细，否则易氧化熔断)、电子点火器、石棉网、小烧杯。

3．1．2 实验药品

土硝(KNO3)，AR;氯化钡(BaCl2)，AR;精制盐(NaCl)，AR;蓝矾(CuSO4)，AR;二氯化锶(SrCl2)，AR;氯化钙(CaCl2)，AR。

3.2 实验步骤

(1)将直径为1 mm左右的高纯度铁丝用细砂纸打磨干净，去除表面氧化层，用钳子卷成中心凹陷的圆饼状铁丝圈作为受热载体。

(2)点燃热源，将制作好的受热载体置于热源上进行灼烧(从旁边来观察，火焰没有明显的变化，高纯度的铁丝不会对焰色反应实验造成干扰)，一直灼烧至火焰无色。

(3)利用制作好的受热载体直接挖取无机盐固体，置于热源上灼烧。整个过程中可以明显观察到待测离子的特征焰色，并且持续时间比较长。利用同样的方法对其他无机盐固体进行平行实验可达到同样理想的效果。实验过程中，观察到的待测金属离子特征焰色颜色明显，且持续时间较长。

3.3 改进前后实验现象对比

实验装置改进前后的实验现象对比可知:特征焰色被明显加强。由于采用新型受热载体(中心凹陷的圆饼状铁丝圈)，每次实验，固态无机盐试剂取样量充足，既增大了热源中待测离子浓度，使特征焰色明显，又延长了热源中特征焰色的维持时间，便于学生观察，如图2所示。以廉价铁丝代替昂贵的Pt丝，降低了实验成本。实验过程中，直接灼烧固体时，固态试剂需要多少就取多少，避免了不必要的浪费。针对钾离子的检验，直接利用固体盐进行焰色反应，肉眼就可以观察到很明显的紫色火焰，省去了使用蓝色钴玻璃片的过程，简化了实验步骤。