概念辨析及趣味焰色反应实验的设计

束婷婷 丁伟

摘要：针对学生通常易将焰色反应与燃烧分属物理变化和化学变化的概念混淆，从化学反应原理、反应现象等方面阐述了二者的本质区别。同时，设计了焰色反应的“魔灯”实验，探讨了焰色反应实验的相关特点。

关键词：焰色反应；燃烧；概念辨析；趣味实验设计

文章编号：1005–6629（2016）6–0057–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

人们利用焰色反应有意识地在烟花、礼花中加入特定的金属元素使焰火更加绚丽多彩，也让我们的生活更加丰富多彩。西方化学史记载了德国化学家马格拉夫在一次实验中将碳酸钠和碳酸钾粉末分别撒在酒精灯火焰上，火焰迅速染成了黄色和紫色。而我国药学家陶弘景早在1400多年前就明确指出：“以火烧之紫青烟起，云是真消石也。”其中消石的主要成分是硝酸钾。后来人们逐渐将某金属或其化合物在无色火焰中燃烧时呈现特征焰色的反应称为“焰色反应”、“焰色测试”或“焰色试验”。

焰色反应是中学化学中的一个重要实验，其原理是某些金属在火焰中灼烧时能使火焰呈现特征颜色。在教学中，教师常通过演示焰色反应实验帮助学生理解检验金属元素的特殊方法，同时实验中新奇的现象也激发了学生对化学学习的兴趣。值得思考的是：焰色反应为什么会带来如此美妙的焰火？其生色原理是什么？与一般的燃烧有怎样的不同？是否有简便而有趣的实验来展示焰色反应？本文将带着这些问题进行细致的探讨。

1 焰色反应与燃烧的概念辨析

由于焰色反应和燃烧均与火有关，因此学生极易将这两个概念混淆，其原因在于不能从本质上认识到焰色反应属于物理变化。因此，有必要对焰色反应和燃烧作一个较为详细的区分，具体如表1所示[1]。

从上表可以看出，无论是反应物、反应条件，反应原理和反应现象等，焰色反应均与一般燃烧都有着显著的区别。因此在课堂教学中，教师可以基于学生不同的认知水平从不同的角度引导学生将二者予以区分，以避免对其错误的认识。

2 焰色反应的原理阐释

样品物质在火焰中加热形成气态金属原子，各种原子间运动速度加快，发生非弹性碰撞，外层电子获得能量从基态跃迁至激发态，也有可能获得能量先失去最外层电子变成离子，离子再从基态跃迁至激发态。激发态不稳定，电子又跃迁回基态或低能态，多余的能量以光的形式释放出来。焰色反应中发生电子跃迁的主要是金属原子还是金属离子呢？

由于气态金属原子从基态跃迁至第一激发态所需的能量（可近似用轨道能级差估算）要比金属原子失去一个电子成+1价阳离子所需的能量（第一电离能）要低，火焰加热又为热激发，能量不是很高，因而处于激发态的原子数目要比处于激发态的离子多。这一点可从热力学角度进行分析证明。

以碱金属卤化物为例，从基态气态原子到基态气态离子过程的吉布斯自由能变ΔG可以通过如下公式得到：

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

式中I1为碱金属第一电离能，EA为卤素电子亲和能；S（M，g，基态）、S（M+，g，基态）、S（X，g，基态）和S（X-，g，基态）分别为基态气态金属原子和金属离子以及基态气态卤素原子和卤素离子的熵。由于气态金属原子失去一个电子成为气态金属离子是混乱度增加过程，而气态卤素原子得到一个电子变为气态卤素离子是混乱度减小过程，两个过程熵变可以大致相互抵消。因此，总熵变ΔS很小，在吉布斯自由能变ΔG中起主要作用的应该是焓变ΔH。理论计算得，ΔH>0，则ΔG>0，说明气态原子较气态离子稳定，碱金属卤化物主要分解为气态原子。

由于金属的原子结构不同，电子跃迁时能量的变化就不相同，从而发出不同波长的光。事实上，肉眼所观察到的焰色是可见光范围内不同波长的光的综合结果。在光谱学上，不同波长的光表现出一系列的谱线，每种元素都有其特殊的谱线，而与原子的化合状态及物质的聚集状态无关。像镁、铝和银等元素因在可见光区没有谱线而展现出无特征的焰色[2]。不同焰色对应波长可根据λ=hc/ΔE（其中h为普朗克常数，c为光速，λ为光的波长）计算而得。我们可以据此计算出常见金属原子对应的可见光区谱线波长及所呈焰色，如表2所示。

对于一些非金属元素如F、Cl、Br、I、C、N、O等，由于核外电子跃迁需要吸收较高的能量，在火焰中不易被激发，且非金属元素激发态原子的电子跃迁所产生的波长大多在200nm以下，位于远紫外区。因此，进行焰色反应实验时，F、Cl、Br、I、C、N、O等非金属元素不会对金属元素的鉴别产生干扰[3]。

3 趣味性焰色反应实验的设计

焰色反应中产生的多种焰色给化学实验带来了一抹清新的色彩。多年来，教师按照教科书中“铂丝蘸液酒精灯法”进行演示实验操作，但实验现象并不明显，效果不甚理想。对此，不少研究者从反应仪器、加热装置或实验操作上作相应改进，提出氢火焰喷壶法[4]、金属离子酒精灯法[5]等十几种方法，起到了一定的效果，但这些方法不是操作繁琐就是设备要求高。本研究采用常见的低成本的生活用品代替铂丝和酒精灯，制作燃烧装置来进行焰色反应，称之为“魔灯”实验。通过简单的实验装置进行焰色反应不仅现象明显、操作简便，而且安全高效，还能将各类金属燃烧时的焰色形成鲜明对比。

3.1 实验药品和仪器

药品：无水乙醇、蒸馏水、五水合硫酸铜晶体、氯化钠固体、氯化锶固体、硝酸钙粉末、八水合氢氧化钡晶体、硝酸钾固体、六水合氯化钴晶体

仪器：易拉罐（铝制的汽水瓶）、棉签（或化妆棉棒）

3.2 实验内容

（1）制作燃烧器。准备两个空的易拉罐，分别用剪刀沿横截面剪开，弃去上半部分，将易拉罐下半部分修剪成高约2.5cm的圆盘。将其中一个圆盘底部挖一个直径约4厘米的圆孔，且沿外边缘用剪刀刺穿一排孔洞（大约11个，如图1所示），然后将两圆盘对合扣压在一起，组装成简易的燃烧器。

图2为制作燃烧器过程的简笔图。

（2）配制乙醇溶液。用量筒量取化学纯的95%乙醇75mL，倒入洁净的250mL烧杯中，加水稀释至100mL（体积分数约为70%）备用。

（3）配制盐溶液。取上述新配制的体积分数为70%乙醇溶液10mL倒入50mL烧杯中，在玻璃棒搅拌下不断加入五水合硫酸铜晶体，直至晶体不再溶解，配制成饱和溶液（其他金属离子盐溶液配制方法同上）。

（4）实验环节。向图1所示的燃烧器中加入30mL 70%乙醇溶液，火柴伸入圆孔点燃。用干净棉签蘸取饱和CuSO4乙醇溶液后，放置火焰中部灼烧，观察现象。

点燃装置后，燃烧器中乙醇溶液的火焰近乎无色透明，当用蘸有饱和CuSO4乙醇溶液的棉签放入火焰中部时，火焰立刻呈现出一片蓝绿色火焰，持续时间约30秒。同法，收集的所有金属离子的焰色如图3所示。

3.3 实验分析讨论

（1）从焰色反应的原理看，热源的温度无需太高，本实验使用70%乙醇溶液作燃料燃烧时提供的能量完全能满足灼烧供给的需要。

（2）本装置中乙醇溶液燃烧火焰颜色极浅，可以排除酒精灯中钠等元素和杂质焰色的干扰。实验过程中火焰持续时间长（30秒以上），可见度大，并且可以进行对比及反复实验。

（3）铝制易拉罐燃烧器耐高温，火焰覆盖面大，确保金属原子被充分灼烧。棉签蘸取盐溶液时，吸附量比玻璃棒大得多，实验现象非常明显。

（4）实验燃烧装置是生活中废弃的易拉罐，成本低，清洗时能直接用水冲洗，操作简便安全，绿色环保，且可进行家庭实验。

参考文献：

[1]赵志国.燃烧本质、燃烧条件与火灾危险隐患的辨识[J].教育技术，2011，（5）：12～13.

[2]陈晓峰.浅析焰色反应[J].大学化学，2013，（10）：77～79.

[3]陆燕海，林肃浩.对焰色反应认识的补正[J].中学化学教学参考，2013，（5）：46～48.

[4]王美志.焰色反应的趣味性实验设计[J].化学教育，2013，（7）：80～83.

[5]李明立，曹广雪.利用固体酒精进行的焰色反应[J].教学仪器与实验，2013，（12）：28～29.

[6]王仪辉.焰色反应演示实验的改进[J].化学教与学，2014，（6）：96.

[7]李嘉.利用无纺布巧做焰色反应实验[J].化学教学，2013，（11）：71～72.

[8]陈军.焰色反应实验的改进[J].实验教学与仪器，2013，（6）：26.

[9]罗鹏，谢巧兵，顾绪平.针尖上的焰色反应[J].化学教育，2015，（9）：61～62.