黃德忠

研究背景

在各種節(jié)日中，我們經(jīng)常見到煙花表演，其原理是焰色反應(yīng)原理。日前，焰色反應(yīng)由以往的高中課程調(diào)整至現(xiàn)在的初中課程，由此可見其重要性。香港中學(xué)文憑考試的焰色考試范圍包括鉀、鈉、鈣、銅4種金屬化合物，并需使用鉑絲、濃鹽酸及本生燈進行測試。傳統(tǒng)焰色測試是把鉑絲浸于濃鹽酸中徹底清洗，再蘸上金屬鹽，金屬鹽放置在本生燈的火焰中吸收能量后激發(fā)出獨特光譜。但此法需使用昂貴的鉑絲，濃鹽酸會揮發(fā)刺鼻氣體，焰色光芒瞬間即逝，鈉與鈣的焰色較難分辨。雖然有人嘗試改良示范方法，但都需要經(jīng)過復(fù)雜的前處理才能進行。

隨著科技的發(fā)展，超聲波霧化器的體積大大縮小，令我產(chǎn)生了以超聲波霧化器霧化金屬鹽溶液于本生燈內(nèi)燃燒這一想法，此方法既便宜環(huán)保又簡單安全。

焰色反應(yīng)原理

許多金屬或它們的化合物在火焰上灼燒時都會使火焰呈現(xiàn)不同的顏色，這稱為焰色反應(yīng)，焰色反應(yīng)是檢驗金屬元素或金屬陽離子最簡單的一種方法。當(dāng)燃燒時，不同金屬原子會釋放波長不同的光，產(chǎn)生不同的光譜。利用不同元素的光譜，我們不僅可以鑒別元素，還可以發(fā)現(xiàn)新的元素。根據(jù)這個原理，現(xiàn)代化學(xué)分析測試中用原子吸收光譜確定物質(zhì)中含有的金屬元素。

制作過程

簡單的霧化裝置做焰色反應(yīng)的可行性測試

超聲波霧化焰色測試原理：利用電子高頻振蕩（振蕩頻率為1.7 MHz或 2.4 MHz）令陶瓷霧化片產(chǎn)生高頻振蕩，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生自然飄逸的水霧。金屬鹽溶液經(jīng)霧化后，水滴體積變得非常細小，在本生燈火焰中吸收能量分解為金屬原子并被激發(fā)，最后放出其特定波長的可見光輻射，出現(xiàn)不同的火焰顏色。

制作材料：超聲波振蕩片、超聲波振蕩模塊、塑料藥瓶及開孔的膠蓋。

制作過程：在膠蓋上開1個直徑約5 mm的小孔，用熱熔膠把超聲波振蕩片粘貼于開孔的膠蓋上，把振蕩片接線連接于超聲波振蕩模塊上。

測試：①把0.1 mol/L鉀鹽溶液加到塑料瓶內(nèi)，接上霧化器電源，把噴霧對準(zhǔn)本生燈火焰上端，則霧化器的噴霧令本生燈出現(xiàn)紫色火焰。②把硫酸銅溶液加到塑料藥瓶內(nèi)，接上霧化器電源，把噴霧對準(zhǔn)酒精燈火焰上端，則霧化器的噴霧令酒精燈出現(xiàn)綠色火焰。

結(jié)論：結(jié)果顯示了鉀元素的紫色火焰和銅元素的綠色火焰，霧化令整個過程十分有效率，所以也能用較低溫的酒精燈測試焰色反應(yīng)。

制作適合示范焰色反應(yīng)的霧化裝置

裝置由液體儲存裝置、霧化片及無線電源感應(yīng)線圈模塊組成。

液體儲存霧化裝置由亞克力膠盒、亞克力膠片、超聲波霧化片制作而成。制作過程為：先在膠盒及膠片的相應(yīng)位置鉆孔，把霧化片夾于膠片與膠盒間并用螺絲收緊。

無線電源感應(yīng)模塊由無線電源電感發(fā)射線圈與模塊、無線電源電感接收線圈與模塊、超聲波振蕩模塊組成。制作過程為：把電感接收線圈貼于膠盒底部并與超聲波振蕩模塊連接；把霧化片連接到超聲波振蕩模塊上；把霧化器膠盒與電源電感裝置膠盒用膠紙粘在一起成為一個電感霧化器。

無線電源電感發(fā)射制作過程：把電源感應(yīng)發(fā)射線圈安裝于塑料瓶瓶蓋里，把電池及電源模塊安裝于塑料瓶內(nèi)并連接至發(fā)射線圈。

測試電感霧化器：把電感霧化器放于塑料瓶上方，霧化器膠盒內(nèi)的線圈感應(yīng)到下方發(fā)射線圈的電磁場而產(chǎn)生電壓，提供給超聲波振蕩模塊；霧化片的高頻振蕩令鉀鹽溶液霧化，鉀離子的焰色不需要透過藍色鈷玻璃也可以看清楚。

結(jié)論：電感霧化器只使用數(shù)毫升鹽溶液也能運作；噴霧可直接導(dǎo)送至本生燈的進氣口，減低被吸入的風(fēng)險。

制作能自動重復(fù)示范6種金屬化合物的焰色反應(yīng)裝置

裝置分旋轉(zhuǎn)裝置、超聲波電感霧化裝置、電源感應(yīng)供電裝置、顯示裝置4部分。

旋轉(zhuǎn)裝置由亞克力膠盒、亞克力膠板、太陽能板、轉(zhuǎn)臺、可變電阻組成。制作過程為：膠盒鉆孔后安裝連接太陽能板、可變電阻及轉(zhuǎn)臺機芯，用激光切割機把亞克力膠板切割成六角形的轉(zhuǎn)臺面板。

霧化器：依照前述霧化裝置做成的成品，重復(fù)制作6個霧化器。

電源感應(yīng)供電裝置：可使用霧化裝置中塑料瓶電感電源發(fā)射裝置。

顯示裝置由液晶顯示屏、振蕩模塊、太陽能板構(gòu)成。制作過程為：把太陽能板、振蕩模塊及液晶屏焊接，加入金屬化合物化學(xué)公式紙條，用螺絲安裝于塑料盒蓋內(nèi)；重復(fù)制作6個液晶顯示盒蓋。

使用方法：把六角形膠片放到轉(zhuǎn)臺上，把6個載有不同鹽溶液的噴霧器分別放置到六角膠片6個位置上，并把電感發(fā)射裝置放到六角膠片的適當(dāng)位置下；開啟轉(zhuǎn)臺開關(guān)并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；預(yù)備本生燈；開啟電感電源發(fā)射裝置開關(guān)。

結(jié)論：轉(zhuǎn)臺自動旋轉(zhuǎn)，當(dāng)各噴霧器轉(zhuǎn)至電感發(fā)射器上方時，噴霧器被啟動，并把霧化的金屬鹽溶液噴霧噴于本生燈火焰上產(chǎn)生焰色；當(dāng)霧化片模塊的藍光指示燈發(fā)亮?xí)r，運作中的金屬鹽噴霧器透明膠盒會轉(zhuǎn)藍色，光線照射顯示器的太陽能板令顯示屏閃爍，因此化學(xué)公式會于膠盒面蓋上閃爍。

適用范圍

個別示范：可分別示范鉀、鈉、鈣、銅4種金屬化合物焰色。

比較示范：因鈉與鈣的焰色比較接近，使用2個霧化裝置可于同一時間顯示鈉與鈣的焰色反應(yīng)，方便學(xué)生比較。

引證示范：可用于比較氯化鈉與碳酸鈉，氯化鉀與碳酸鉀，氯化鈣與硝酸鈣的焰色是否分別一致，以證明焰色是出自金屬元素的陽離子。

焰色競猜或考核：噴霧器換上數(shù)字盒蓋，學(xué)生通過觀看焰色寫出對應(yīng)的金屬元素，用以檢驗對所學(xué)知識的掌握程度。

自動化操作展覽示范：裝置可全自動化操作，旋轉(zhuǎn)霧化焰色反應(yīng)裝置適合用于科學(xué)展覽。

此裝置除了可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識外，也可借此機會讓他們觀察裝置的結(jié)構(gòu)，進而學(xué)習(xí)到太陽能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的動能，觀察電能可經(jīng)過電感線圈無線傳輸給另一裝置。

創(chuàng)新點

噴霧器可用作個別示范或用2個噴霧器組合做焰色比較示范；用6個噴霧器與自動轉(zhuǎn)臺配合，可用作焰色引證示范、焰色考核、焰色競猜游戲；自動化操作非常適用于科學(xué)推廣展覽活動；霧化焰色反應(yīng)不需使用昂貴的鉑絲、濃硫酸，化學(xué)品消耗也較少，較傳統(tǒng)方法便宜、環(huán)保；霧化后的焰色容易觀察，比傳統(tǒng)方法更適合教學(xué)用途及展覽示范，且更有效率。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該裝置針對現(xiàn)有中學(xué)化學(xué)教學(xué)實驗手段的缺陷，利用感應(yīng)電能傳輸、超聲霧化、持續(xù)噴霧燃燒等技術(shù)，將過去轉(zhuǎn)瞬即逝的金屬離子焰色現(xiàn)象持久、穩(wěn)定、清晰地呈現(xiàn)出來，顯著提升了教學(xué)效果。建議進一步擴大作品對金屬離子的適用范圍，使作品功能更加完善?！?/p>