祝保林，呂 爭(zhēng)

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714099)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)新課程改革的重要內(nèi)容。［1］這就需要在學(xué)校教育中大力推行創(chuàng)新型教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維［2－3］?；瘜W(xué)是以實(shí)驗(yàn)為主體的學(xué)科，特別是中學(xué)階段，實(shí)驗(yàn)往往能吸引學(xué)生的注意力，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手及創(chuàng)新思維的能力。因此，通過實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題及創(chuàng)新思維能力［4－5］。

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容當(dāng)中，焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)對(duì)于理解并掌握堿金屬及堿土金屬的理化性質(zhì)具有相當(dāng)重要的意義［6］。但現(xiàn)行教材對(duì)于焰色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置并不理想，存在缺陷。

1 焰色反應(yīng)的意義與實(shí)質(zhì)

焰色反應(yīng)在高一化學(xué)中是非常重要的一個(gè)章節(jié)，通過焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生對(duì)堿土金屬和堿金屬的理化性質(zhì)掌握。從本質(zhì)上講，焰色反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是:金屬離子從外界獲得能量(酒精燈提供的熱能)，外層價(jià)電子被激發(fā)，產(chǎn)生躍遷生成激發(fā)態(tài)的離子。激發(fā)態(tài)離子不穩(wěn)定，在10－8s時(shí)間內(nèi)，又會(huì)以光子的形式失去能量。返回較低能態(tài)，從而產(chǎn)生波長(zhǎng)不一樣的輻射(若波長(zhǎng)在可見光區(qū)400～800 nm之間)，就能夠使火焰附著上這種離子所產(chǎn)生的特定顏色。而每一種離子都具有特定的顏色，所以根據(jù)焰色具有特殊顏色的性質(zhì)，進(jìn)行焰色反應(yīng)來檢測(cè)化合物中所含有的離子［7］。

但現(xiàn)有教材在實(shí)驗(yàn)裝置、步驟及觀察的現(xiàn)象上存在諸多不足之處，本文對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。

1.1 經(jīng)典焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)裝置采用前端固定有一根螺旋形金屬鉑(Pt)絲的玻璃棒作為試劑盛裝器皿。試驗(yàn)時(shí)，將潔凈的Pt絲蘸取鹽酸(鹽酸一方面起到光譜載體作用，另一方面起洗滌劑的作用，去除Pt絲上雜質(zhì)的作用)后，首先在熱源(酒精燈、煤氣燈、乙醇、甲醇等)上灼燒至無色，再蘸取待測(cè)離子的鹽類溶液，再次在熱源上加熱，通過觀察火焰特征顏色，對(duì)待測(cè)定離子實(shí)現(xiàn)定性鑒定。

1.2 經(jīng)典焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作步驟

第一步:配制相應(yīng)的待測(cè)離子溶液備用。［8］

第二步:把連接在玻璃棒上經(jīng)打磨干凈并經(jīng)鹽酸洗滌后，沒有雜質(zhì)的Pt絲放在熱源上灼燒，燒到?jīng)]有顏色時(shí)停止，也就是和熱源的火焰的顏色相同時(shí)停止。［8］

圖1 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置圖

第三步:用充分灼燒過且用砂紙打磨干凈過的Pt絲來蘸取含有相應(yīng)金屬離子的待檢測(cè)溶液，將蘸取到含有金屬離子溶液的Pt絲轉(zhuǎn)至熱源進(jìn)行灼燒，觀察含有該金屬離子溶液所產(chǎn)生的特定的火焰顏色。［8］

第四步:將使用過的Pt絲放在鹽酸溶液里進(jìn)行清洗，然后繼續(xù)放在火焰上進(jìn)行灼燒，一直燒到Pt絲紅熱且沒有顏色時(shí)停止，然后再蘸取另一種含金屬離子的化合物的溶液同理做第三步，觀察火焰特征顏色。例如，土硝(KNO3)火焰的顏色比較淡而且有鈉離子產(chǎn)生的黃顏色的干擾，需要透過可以隔絕黃光的藍(lán)色鈷玻璃片來觀察它的顏色［8］。

1.3 經(jīng)典焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的問題

(1)材料昂貴。以Pt絲作為溶液載體，由于Pt絲是貴金屬，售價(jià)高昂，一些條件較差的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室可能不會(huì)購(gòu)買，而且實(shí)驗(yàn)室使用的Pt絲都比較細(xì)短，再繞成螺旋狀后就更加細(xì)小，使用幾次后容易折斷丟失。如果采用便宜的細(xì)鐵絲(一般細(xì)鐵絲純度較低，含有雜質(zhì))，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生一定的干擾，很難實(shí)現(xiàn)理想效果。

(2)現(xiàn)象不明顯。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，采用的是以Pt絲蘸取含待測(cè)離子的溶液進(jìn)行灼燒，產(chǎn)生的特征火焰顏色時(shí)間短，學(xué)生來不及細(xì)致觀察就會(huì)消失，而且這種特征顏色也很微弱，存在熱源火焰自身顏色的干擾，學(xué)生不容易觀察到待測(cè)金屬離子所產(chǎn)生特征顏色。所以，如果教師在講臺(tái)上用這種經(jīng)典方法演示焰色反應(yīng)的話，很難達(dá)到理想效果，只有前排學(xué)生和教師才能觀察到現(xiàn)象。

(3)實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)試劑的利用率低。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)需配置相應(yīng)含待測(cè)金屬離子的溶液，但能夠有效利用的只是在Pt絲上蘸取到的少量金屬離子溶液，造成了很大浪費(fèi)。

(4)演示實(shí)驗(yàn)過程中步驟過多。進(jìn)行每一種金屬離子的焰色反應(yīng)時(shí)，都必須經(jīng)過“鹽酸洗滌→熱源灼燒→蘸取待測(cè)金屬離子溶液→再次熱源灼燒→鹽酸洗滌”等多個(gè)步驟，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且準(zhǔn)備時(shí)間過長(zhǎng)，這樣就會(huì)在一定程度上削弱學(xué)生的耐性和好奇心。

2 既有研究中對(duì)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的改進(jìn)及不足

2.1 粉筆代替Pt絲的相應(yīng)改進(jìn)及不足

燕翔［9］、薛桂鳳等［10］提出以吸水性較強(qiáng)的粉筆作為載體，代替Pt絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以特定濃度的酒精為溶劑(酒精中水含量影響熱源溫度的穩(wěn)定性)，溶解待測(cè)離子的無機(jī)鹽，配制成濃度適當(dāng)?shù)娜芤?，利用粉筆的強(qiáng)吸水性將溶液吸進(jìn)粉筆后，在熱源上加熱。該方法可以改善實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，且實(shí)驗(yàn)材料也非常廉價(jià)、易得。但以粉筆代替Pt絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又會(huì)引入新的干擾。首先，粉筆中存在大量的鈣離子，鈣離子自身的特征焰色會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象造成很大干擾，鈣離子所產(chǎn)生的特征火焰顏色是磚紅色，且該磚紅色火焰顏色較深，會(huì)對(duì)待測(cè)金屬離子的特征火焰顏色產(chǎn)生干擾，難以觀察到待測(cè)離子的特征焰色。其次，酒精濃度不好控制，酒精濃度小，水含量過高，粉筆中待測(cè)試樣在熱源上無法實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)、解離、原子化和激發(fā)過程，并且特征焰色持續(xù)時(shí)間短，不足以使待測(cè)離子被激發(fā)產(chǎn)生特征焰色或焰色不明顯。酒精濃度過大，一方面待測(cè)無機(jī)鹽在溶液中溶解度過小，火焰中待測(cè)離子濃度過低，特征焰色不明顯;另一方面，又會(huì)使粉筆的火焰過大，火焰溫度過高，鈣離子干擾色加重，待測(cè)離子的特征焰色不明顯。

2.2 焰色反應(yīng)指示燈的相應(yīng)改進(jìn)及不足

王儀輝［11］等提出了焰色反應(yīng)指示燈的概念。即將待測(cè)金屬離子無機(jī)鹽溶解到酒精中，直接將該酒精加入酒精燈，作為該離子的特征焰色指示燈(每一種加入不同酒精溶液的酒精燈便是一盞焰色指示燈)。分別點(diǎn)燃不同的酒精燈，就可以觀察到不同的特征焰色，達(dá)到區(qū)別不同離子的目的。但此實(shí)驗(yàn)涉及大量的實(shí)驗(yàn)儀器，消耗的實(shí)驗(yàn)藥品多，而且每一種金屬離子無機(jī)鹽在酒精中的溶解度并不相同，有些金屬離子無機(jī)鹽和酒精溶液互不相溶，沒有辦法做成焰色反應(yīng)指示燈，限制了該方法的推廣。

2.3 噴射法、噴灑法的相應(yīng)改進(jìn)及不足

蘇艾琴［12］將含有待測(cè)無機(jī)離子的固體粉末無機(jī)鹽直接裝進(jìn)膠頭滴管中吹向熱源，利用熱源火焰將離子點(diǎn)燃，呈現(xiàn)待測(cè)離子的特征焰色，將其稱之為“噴射法”。同樣，該方法對(duì)焰色反應(yīng)有所改善，但依舊存在缺陷。

首先，以酒精燈或酒精噴燈作為熱源，熱源火焰溫度較低。而無機(jī)金屬鹽類的蒸發(fā)、解離、原子化、激發(fā)溫度一般都較大，沒有辦法達(dá)到指定的溫度。其次，以膠頭滴管“噴射”過程中，飛過熱源的金屬離子無機(jī)鹽粉末速度過快，在熱源中停留的時(shí)間短，來不及解離及原子化，金屬離子無機(jī)鹽粉末就已經(jīng)飛出熱源，無法有效提高特征焰色現(xiàn)象。最后，完成實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上會(huì)有大量的無機(jī)鹽粉末，且無法回收再次利用，造成實(shí)驗(yàn)藥劑的嚴(yán)重浪費(fèi)。

與此方法相似，武學(xué)波［13］提出了“噴灑式焰色反應(yīng)”方法。該方法是將待測(cè)離子的水溶液裝進(jìn)噴壺中向熱源進(jìn)行噴灑。利用熱源提供高溫，將待測(cè)金屬離子溶液進(jìn)行蒸發(fā)、解離、原子化并激發(fā)，產(chǎn)生待測(cè)離子的特征焰色。但與“噴射法”存在的缺陷相似，熱源能夠達(dá)到的溫度較低，很難瞬間實(shí)現(xiàn)待測(cè)離子的激發(fā)。同時(shí)，配制適當(dāng)?shù)娜芤簼舛纫彩窃摲椒ǖ囊粋€(gè)難題，容易造成實(shí)驗(yàn)藥劑的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外，在實(shí)驗(yàn)室這樣的密閉空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，溶液容易四處飛濺，噴灑的距離不好控制，飛濺的溶液易噴灑到前排學(xué)生的臉上和衣服上，造成諸多安全隱患，難以達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。

2.4 其他改進(jìn)方法及不足

張蕾［14］等又提出了“焰色試紙法”。該方法是將含待測(cè)離子的無機(jī)鹽首先配制成特定濃度的溶液，再以濾紙蘸取該溶液后烘干，制成“焰色試紙”。實(shí)驗(yàn)時(shí)在熱源上直接點(diǎn)燃該濾紙，觀察待測(cè)離子的特征焰色。該方法中，由于試紙僅是蘸取待測(cè)離子溶液后烘干，所以“焰色試紙”中待測(cè)離子濃度較低，決定了該方法改進(jìn)現(xiàn)象不明顯，難以達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。

張岑珍［15］提出了“脫脂棉”法。該方法與“粉筆”改進(jìn)法類似，先以特定濃度的酒精溶解含待測(cè)離子的無機(jī)鹽，利用脫脂棉作為待測(cè)離子酒精溶液的載體。將脫脂棉在該溶液中浸濕后，直接在熱源上加熱，觀察待測(cè)離子的特征焰色。該方法缺點(diǎn)在于酒精濃度及待測(cè)離子濃度難以控制(類似于“噴灑法”中存在的缺點(diǎn))，且脫脂棉吸收了大量水后，直接引入熱源，使熱源溫度產(chǎn)生較大波動(dòng)，火焰溫度不穩(wěn)定，現(xiàn)象改進(jìn)并不明顯。

項(xiàng)云梅［16］還嘗試將酒精直接滴在固體藥品上進(jìn)行點(diǎn)燃，試圖改進(jìn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但改進(jìn)后現(xiàn)象并不明顯，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程存在較大安全隱患，仍未被推廣。

3 改進(jìn)后的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

3．1．1 實(shí)驗(yàn)儀器

熱源(酒精燈)、坩堝鉗、鉗子、高純鐵絲(直徑1 mm左右，不能過細(xì)，否則易氧化熔斷)、電子點(diǎn)火器、石棉網(wǎng)、小燒杯。

3．1．2 實(shí)驗(yàn)藥品

土硝(KNO3)，AR;氯化鋇(BaCl2)，AR;精制鹽(NaCl)，AR;藍(lán)礬(CuSO4)，AR;二氯化鍶(SrCl2)，AR;氯化鈣(CaCl2)，AR。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將直徑為1 mm左右的高純度鐵絲用細(xì)砂紙打磨干凈，去除表面氧化層，用鉗子卷成中心凹陷的圓餅狀鐵絲圈作為受熱載體。

(2)點(diǎn)燃熱源，將制作好的受熱載體置于熱源上進(jìn)行灼燒(從旁邊來觀察，火焰沒有明顯的變化，高純度的鐵絲不會(huì)對(duì)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)造成干擾)，一直灼燒至火焰無色。

(3)利用制作好的受熱載體直接挖取無機(jī)鹽固體，置于熱源上灼燒。整個(gè)過程中可以明顯觀察到待測(cè)離子的特征焰色，并且持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)。利用同樣的方法對(duì)其他無機(jī)鹽固體進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)可達(dá)到同樣理想的效果。實(shí)驗(yàn)過程中，觀察到的待測(cè)金屬離子特征焰色顏色明顯，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

3.3 改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比

實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比可知:特征焰色被明顯加強(qiáng)。由于采用新型受熱載體(中心凹陷的圓餅狀鐵絲圈)，每次實(shí)驗(yàn)，固態(tài)無機(jī)鹽試劑取樣量充足，既增大了熱源中待測(cè)離子濃度，使特征焰色明顯，又延長(zhǎng)了熱源中特征焰色的維持時(shí)間，便于學(xué)生觀察，如圖2所示。以廉價(jià)鐵絲代替昂貴的Pt絲，降低了實(shí)驗(yàn)成本。實(shí)驗(yàn)過程中，直接灼燒固體時(shí)，固態(tài)試劑需要多少就取多少，避免了不必要的浪費(fèi)。針對(duì)鉀離子的檢驗(yàn)，直接利用固體鹽進(jìn)行焰色反應(yīng)，肉眼就可以觀察到很明顯的紫色火焰，省去了使用藍(lán)色鈷玻璃片的過程，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟。

圖2 改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的創(chuàng)新點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)證明，新方法切實(shí)可行，各種離子特征焰色現(xiàn)象明顯，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)改進(jìn)效果。

(1)使用廉價(jià)鐵絲代替昂貴的Pt絲，降低了實(shí)驗(yàn)成本，使新型受熱載體易于推廣。

(2)實(shí)驗(yàn)過程中高純度的鐵絲不會(huì)對(duì)特征焰色造成背景干擾。

(3)直接利用待測(cè)金屬離子的固體鹽進(jìn)行灼燒，既簡(jiǎn)化了配制溶液的步驟，又可以提高熱源中待測(cè)離子濃度，避免了溶液中溶劑水的稀釋干擾。

(4)實(shí)驗(yàn)過程中，直接灼燒固體時(shí)，固態(tài)試劑需要多少就取多少，避免了不必要的浪費(fèi)。

(5)針對(duì)鉀離子的檢驗(yàn)，直接利用固體鹽進(jìn)行焰色反應(yīng)，肉眼就可以觀察到很明顯的紫色火焰，省去了使用藍(lán)色鈷玻璃片的過程，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟。

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