張海霞 任雪明

（南潯高級(jí)中學(xué) 浙江 湖州 313000）

一、研究背景

教材中演示的常規(guī)焰色試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作方法效果不好的主要原因有以下幾方面：①酒精燈的火焰溫度偏低，外焰最高僅達(dá)500 ℃，使Ca2+、Ba2+等需要較高溫度才能激發(fā)的離子的焰色無法呈現(xiàn)；②酒精燈的火焰因燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生明顯黃色，會(huì)干擾一些金屬離子的焰色，不利于學(xué)生鑒別金屬離子，實(shí)際只能較明顯地觀察到銅元素的焰色；③實(shí)驗(yàn)采用的鉑絲蘸取的金屬離子的鹽溶液量極少，金屬離子的焰色呈現(xiàn)的時(shí)間較短，進(jìn)而增加現(xiàn)象觀察的難度。

三年抗疫，各種消毒產(chǎn)品層出不窮，其中一種手持霧化消毒機(jī)引起了我的注意，其原理很簡(jiǎn)單，就是將酒精、次氯酸等消毒液加在微型霧化器中，通過“聚噴大霧”的方式進(jìn)行精準(zhǔn)、大范圍消毒。這令我們產(chǎn)生了以微型超聲波霧化器霧化金屬鹽溶液去改進(jìn)焰色試驗(yàn)這一想法。

二、焰色試驗(yàn)改進(jìn)方案

1.改進(jìn)方向

（1）選擇合適燃料

由于酒精燈火焰存在諸多弊端，尋找新的燃燒方式是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。19世紀(jì)中葉，德國(guó)著名化學(xué)家本生設(shè)計(jì)制造了本生燈，它使煤氣燃燒時(shí)產(chǎn)生幾乎無色的火焰，溫度高達(dá)1 000多攝氏度。顯然，這是焰色試驗(yàn)的理想火焰，但是本生燈和煤氣的燃燒方式存在一定的危險(xiǎn)性，且不適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

除此之外，甲醇燃燒火焰為淡藍(lán)色，但甲醇揮發(fā)對(duì)人體有害，而酒精因?yàn)闈舛却螅剂扛叨荒艹浞秩紵龑?dǎo)致火焰呈黃色。若降低酒精的濃度，則能改變火焰的顏色。通過實(shí)驗(yàn)得到：不同濃度的酒精燃燒時(shí)火焰顏色、高度的確有所不同。

表1 不同濃度的酒精燃燒現(xiàn)象一覽表

綜合考量后，我們認(rèn)為濃度在70%左右的酒精做實(shí)驗(yàn)最為合適。那么75%左右的消毒酒精就是現(xiàn)成的優(yōu)良選擇，可以省去復(fù)雜的前處理。但消毒酒精溶液火焰大，易打翻、濺出引起火災(zāi)，且揮發(fā)快，燃燒不持久。于是另一種消毒產(chǎn)品——酒精凝膠型免洗洗手液成了新的選擇。酒精凝膠型免洗洗手液的主要成分除了酒精以外，還有卡波姆、蘆薈提取物、三乙醇胺等增稠劑、凝膠劑。燃燒時(shí)火焰大小適中，在自然光下接近無色，且燃燒時(shí)間較為持久。測(cè)試了多個(gè)不同品牌的酒精凝膠型免洗洗手液后發(fā)現(xiàn)：①富含蘆薈提取物的酒精凝膠很難燃燒；②成分越復(fù)雜，火焰越小，燃燒時(shí)間越短。

（2）改進(jìn)加料方式

已有的采用噴霧瓶對(duì)著火焰噴灑的改進(jìn)方式，雖然現(xiàn)象明顯，但因?yàn)槌隽狭刻螅鹧婧苋菀妆粐姕?，酒精凝膠中也會(huì)因?yàn)闅埩舸罅拷饘冫}溶液而出現(xiàn)彩色火焰的現(xiàn)象，無法多次重復(fù)使用，造成藥品浪費(fèi)。且在反復(fù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，噴灑方式會(huì)瞬間降低火焰的溫度，并不利于呈現(xiàn)Ca2+、Ba2+的焰色。于是我們從減少加料量、減小液滴體積兩個(gè)角度出發(fā)去改進(jìn)加料方式。幾番探尋后，我們發(fā)現(xiàn)了家用手持霧化消毒機(jī)，納米出霧，出霧速度平緩，可以有效解決我們的困擾。但新的問題又出現(xiàn)了，若直接使用手持霧化消毒機(jī)，一部機(jī)器只能裝一種金屬鹽溶液，若每檢測(cè)一種元素就對(duì)機(jī)器進(jìn)行清洗則使實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化，且需要大量溶液，實(shí)驗(yàn)成本太大，于是我們又將重點(diǎn)突破方向聚焦霧化裝置的改造。

2.制作實(shí)驗(yàn)裝置

超聲波霧化焰色測(cè)試原理：利用電子高頻振蕩（振蕩頻率為1.7 MHz 或2.4 MHz）令霧化片產(chǎn)生高頻振蕩，將液態(tài)水打散而產(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(xì)小，在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(zhǎng)的可見光輻射，出現(xiàn)不同的火焰顏色。［2］

（1）制作材料

簡(jiǎn)易霧化裝置由無線電源模塊和霧化模塊組成。

無線電源模塊有：移動(dòng)電源通用主板、5號(hào)鎳氫充電電池、導(dǎo)線、安卓充電線、透明熱縮管、塑料扎帶。

霧化模塊有：霧化驅(qū)動(dòng)板、超聲波微孔霧化片、吸水棉棒，以上零部件均可以通過網(wǎng)上購(gòu)買，主要零部件的單價(jià)如下表所示。

表2 簡(jiǎn)易霧化裝置主要零部件單價(jià)

（2）制作過程

①用透明熱縮管將移動(dòng)電源通用主板保護(hù)起來，露出USB輸出口和安卓充電口，其中安卓充電口是給移動(dòng)電源充電用的，USB輸出口是放電用的；將5號(hào)鎳氫充電電池按照正負(fù)極方向放主板上，用塑料扎帶固定住；再用導(dǎo)線焊接充電電池和移動(dòng)電源主板的正負(fù)極。②將霧化驅(qū)動(dòng)板和超聲波微孔霧化片連接在一起（一般是一套組合出售的），霧化片可以多準(zhǔn)備幾個(gè)替換使用。③用安卓充電線連接無線電源模塊和霧化模塊。④準(zhǔn)備多個(gè)吸水棉棒，寫上元素符號(hào)備用。

圖1 無線電源模塊

圖2 霧化模塊

圖3 吸水棉棒

3.實(shí)驗(yàn)藥品

70%酒精凝膠型洗手液、表面皿、氯化鉀、氯化鈉、氯化鋇、硫酸銅、氯化鈣等物質(zhì)。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）配制氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化銅、氯化鋇的濃溶液，裝瓶貼好標(biāo)簽備用。

（2）取適量酒精凝膠于表面皿中，用火柴點(diǎn)燃。

（3）打開霧化裝置，用吸水棉棒吸取不同的溶液抵住超聲波微孔霧化片，即觸發(fā)霧化裝置。

（4）觀察焰色，記錄現(xiàn)象。

5.改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

（1）火焰明亮多彩，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，且檢驗(yàn)鉀元素時(shí)不需要使用藍(lán)色鈷玻璃片，焰色持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，便于學(xué)生觀察。

（2）裝置簡(jiǎn)便易攜帶，成本低，可重復(fù)使用；可以同時(shí)檢驗(yàn)多種不同金屬鹽溶液。

（3）節(jié)約藥品，配制的濃溶液可以反復(fù)完成多次試驗(yàn)。

圖4 操作演示

（4）貼近生活，趣味性強(qiáng)；適合開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

6.成果展示

7.總結(jié)說明

（1）若現(xiàn)象不明顯，可增大溶液濃度。例如為了區(qū)分鈉元素的黃色和鈣元素的磚紅色，氯化鈣可使用懸濁液。

（2）為了減少干擾，蘸取不同的溶液時(shí)使用不同的吸水棉棒，檢驗(yàn)順序以K元素、Ba元素、Na元素、Cu元素、Ca元素為最佳。

（3）產(chǎn)生顏色干擾時(shí)可用清水擦拭微孔霧化片，并用蘸取清水的吸水棉棒反復(fù)測(cè)試直至火焰無色的方式處理，必要時(shí)可以更換微孔霧化片。

（4）出霧口不要對(duì)著人，降低被吸入的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）若多次實(shí)驗(yàn)后酒精凝膠因吸收了金屬鹽溶液后出現(xiàn)彩色火焰現(xiàn)象，及時(shí)更換酒精凝膠。

（6）選擇成分簡(jiǎn)單的酒精凝膠，避免火焰太小影響實(shí)驗(yàn)效果及燃燒時(shí)可能產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

圖5 幾種元素（K、Ba、Na、Cu、Ca）焰色效果圖

三、反思與啟示

化學(xué)老師要做實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有心人，勤于觀察，善于思考，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵，大膽創(chuàng)新，在不斷的嘗試改進(jìn)中激發(fā)新的靈感。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)可以是換一種思路、改一種試劑、設(shè)計(jì)一種儀器等，用學(xué)生熟悉的生活化材料代替實(shí)驗(yàn)室用品。這樣做的效果，不僅僅是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)本身，更重要的是能讓學(xué)生感受化學(xué)就在身邊，同時(shí)讓課堂教學(xué)變得明朗鮮活起來，學(xué)科知識(shí)和素養(yǎng)就會(huì)在潛移默化中內(nèi)化和拓展，師生的積極性和創(chuàng)造性也會(huì)在這樣一種隨處可見可用的實(shí)驗(yàn)探究中被激活。