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摘要：基于綠色化學理念對焰色實驗進行改進，以期能夠克服以往實驗現(xiàn)象不明顯、操作煩瑣等不足。以消除干擾實驗現(xiàn)象的雜色為出發(fā)點，探究以不同濃度的乙醇溶液作為燃燒劑，以鋁屑、沸石等作為載體灼燒金屬鹽粉末，結果表明，實驗持續(xù)時間更長，效果更明顯，且能節(jié)約資源，避免污染。對教材內容進行二次開發(fā)，方便學生實驗的開展，并在實驗教學中培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：綠色化學；焰色實驗；實驗改進

綠色化學，又稱環(huán)境友好化學，其理念的核心內涵是在反應過程和化工生產(chǎn)中盡量減少或徹底消除使用和產(chǎn)生有害物質[1]。在化學實驗教學中，從節(jié)約資源和避免污染兩個方面改革以往化學實驗是其根本目標[2]。焰色實驗是人教版《高中化學(必修1)》第2章第1節(jié)《鈉及其化合物》中的教學內容，是學生認識和完善這部分知識結構的重要手段，同時，教師還可根據(jù)物質灼燒時呈現(xiàn)的焰色特征引導學生鑒別常見物質，進一步拓展物質鑒別體系。因此本實驗在高中化學教學中占有重要的地位。教材中使用鉑絲或者干凈的鐵絲蘸取飽和金屬鹽溶液在酒精燈外焰上灼燒，經(jīng)過“洗→燒→蘸→燒→洗”五個步驟進行焰色實驗，除存在鉑絲昂貴、操作煩瑣、實驗效果不明顯等不足以外，還有兩個重要的缺陷。第一，在探究鉀離子的焰色時，需透過藍色鈷玻璃過濾黃光，但在實驗操作過程中，透過藍色鈷玻璃觀察其他離子的焰色時會發(fā)現(xiàn)均呈淡紫色[3]，這無疑會引發(fā)學生的認知沖突。第二，在使用鹽酸溶液清洗鉑絲或者鐵絲時，由于鹽酸具有揮發(fā)性，會危害師生身體健康。本文基于綠色化學理念，對焰色實驗的燃燒劑、燃燒方式進行改進，優(yōu)化實驗效果，為廣大教師的實驗開展提供了參考。

一、焰色實驗的改進方法

1.實驗的前期準備

(1)實驗儀器與藥品易拉罐、鋁屑(或沸石等)、50%的乙醇溶液、藥匙、長柄打火機、待測試樣(如氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、氯化鋇、硫酸銅等固體)。(2)探究不同濃度的乙醇溶液對火焰顏色的影響在20℃的環(huán)境溫度下分別配制濃度為40%，50%，60%，70%，80%，90%，95%的乙醇溶液，各取5ml置于倒扣的易拉罐中，分別在光亮條件和黑暗環(huán)境中點燃，點燃之后觀察焰色，并記錄火焰高度與燃燒時間。(3)探究不同金屬鹽載體對乙醇燃燒火焰顏色的影響在2個倒扣的易拉罐底部分別加入一藥匙鋁屑和一團鋼絲球，然后分別加入50%的乙醇溶液5mL，點燃，觀察乙醇燃燒的火焰顏色。

2.焰色實驗的步驟

第一步，取5個干凈的易拉罐倒扣于桌面上，每兩個易拉罐間隔10cm。第二步，在每個倒扣的易拉罐底部各加一勺鋁屑，以鋪滿易拉罐底部為宜。第三步，在易拉罐底部各加入50%的乙醇溶液5mL。第四步，分別加入一藥匙待測金屬鹽固體，并用長柄打火機點燃，觀察現(xiàn)象。

二、實驗結果與討論

1.探究不同濃度的乙醇溶液對火焰顏色和高度的影響

在20℃的環(huán)境溫度下點燃不同濃度的乙醇溶液(從左至右分別為40%，50%，60%，70%，80%，90%，95%)，其火焰效果見圖1、圖2。根據(jù)實驗可知，40%和50%的乙醇溶液在黑暗條件下燃燒火焰呈藍色，在光亮條件下接近無色；60%的乙醇溶液有少許黃光；70%及以上濃度的乙醇溶液點燃時成黃色，且火焰顏色隨著濃度的增大而越發(fā)明顯。不同濃度乙醇溶液的燃燒時間和火焰高度見表1。由表1可知，隨著乙醇濃度的增大，燃燒時間逐漸增長，火焰高度也隨之增高。此外，筆者發(fā)現(xiàn)40%及以下濃度的乙醇溶液點燃困難，點燃之后火焰高度低且跳動明顯，容易熄滅，不利于觀察現(xiàn)象。綜合以上分析來看，50%左右的乙醇溶液燃燒時間約為2min，能夠留給學生充足的時間觀察實驗現(xiàn)象，且火焰高度為7cm，無黃色火焰的干擾，適合用于焰色實驗的開展。本實驗對乙醇溶液濃度進行探究，確定了進行焰色實驗最優(yōu)的濃度。教師在實驗開始前只需對無水乙醇進行稀釋，操作簡單，但需注意環(huán)境溫度對乙醇溶液燃燒焰色的影響[4]，依據(jù)季節(jié)溫度變化對乙醇濃度進行適當調整，例如環(huán)境溫度越高，則需降低乙醇溶液的濃度。

2.探究不同金屬鹽載體對乙醇燃燒火焰顏色的影響

在倒扣的2個易拉罐底部分別放入鋁屑和鋼絲球，然后各加入50%的乙醇溶液5mL。點燃后，其火焰顏色見圖3、圖4。由實驗可知：使用鋁屑作為金屬鹽載體時，火焰顏色呈藍色，而使用鋼絲球[5]時則出現(xiàn)較多的紅黃色。家用鋼絲球的主要成分為不銹鋼，不銹鋼中含有C，Cr，Ni等元素，會對實驗造成干擾。另外，鋁屑可增大金屬鹽試劑與氧氣的接觸面積，并且清洗干凈之后可以重復使用，因此可充分滲透環(huán)保理念。教材中的焰色實驗采用鉑絲或者干凈的鐵絲蘸取試樣溶液，置于酒精燈外焰上灼燒來觀察焰色，以避免噴灑使試劑飄散在空氣中對師生身體健康造成危害[6-7]。但在實際實驗中，為了能得到明顯的實驗現(xiàn)象，通常需要配制高濃度的試樣，但蘸取試樣時又往往只需要很少的量，且液體試劑相較于固體試劑而言不便于保存，因此會造成實驗藥品的浪費。此外，鉑絲屬于貴金屬，多次使用對鉑絲也有損傷，這使得實驗成本較高。在本實驗中，直接采用金屬鹽固體(一般只需一藥匙的量)，利用鋁屑的形態(tài)增大了與氧氣的接觸面積，且實驗中只需將其置于50%的乙醇溶液中點燃，省去了配制飽和溶液的麻煩，也減少了實驗藥品的浪費，有效簡化了實驗準備工作。此外，鉀元素的焰色更加直觀，無需透過藍色鈷玻璃即可觀察到，有效避免了透過藍色鈷玻璃看鈉、鈣等元素均呈淡紫色火焰而影響分辨的問題。考慮到有的學校較難找到鋁屑，也可使用其他物品代替，替代物需滿足如下條件：加入乙醇點燃后無焰色、相對表面積大、只起到增大與氧氣接觸面積的作用，例如沸石、活性炭等都可以。沸石、活性炭均為高中化學實驗室中的常見物品，沸石使用后清洗干凈不影響后續(xù)使用；活性炭價格低廉，便于日常實驗教學，經(jīng)過實驗驗證后符合實驗要求，能得到明顯的實驗現(xiàn)象。

3.焰色實驗的改進實驗結果

使用本方法進行實驗，各種試樣的焰色實驗結果(從左至右分別是氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、氯化鋇、硫酸銅)見圖5、圖6。圖5光亮條件下不同試樣在50%的乙醇溶液中燃燒圖6黑暗條件下不同試樣在50%的乙醇溶液中燃燒由實驗可知，氯化鈉焰色為黃色；相比于氯化鈉的焰色，可清晰看到氯化鈣焰色偏紅，呈磚紅色；直接使用氯化鉀固體，火焰接近藍色，無黃色火焰干擾，因此無須透過藍色鈷玻璃也可觀察到氯化鉀的焰色；氯化鋇和硫酸銅的火焰均為綠色，且氯化鋇焰色明顯偏黃，呈黃綠色?？傮w來說，本實驗燃燒時間大約為2min，學生有充足的時間觀察實驗現(xiàn)象，克服了以往實驗操作煩瑣、現(xiàn)象不明顯等不足。

三、結語

本實驗主要從消除干擾實驗現(xiàn)象雜色的角度出發(fā)，對燃燒劑、燃燒方式進行改進，大大簡化了實驗準備工作，降低了實驗成本，同時所選用的實驗用品均易獲得，并能實現(xiàn)循環(huán)利用，使焰色實驗簡便化、直觀化、綠色化，從而將綠色化學理念切實貫徹于實驗教學中，增強了學生的創(chuàng)新意識與社會責任意識，充分發(fā)揮了化學實驗的教學功能。

參考文獻

[1]朱清時.綠色化學與可持續(xù)發(fā)展[J].中國科學院院刊,1997(6):415-420.

[2]周建國.綠色化學與化學實驗綠色化的研究[J].實驗室科學,2006(4):56-57.

[3]高應奇.對觀察鉀的焰色反應方法的質疑與建議[J].化學教育,2000(5):37.

[4]葉永謙,葉一勤,葉燕珠,等.乙醇燃燒火焰顏色變化的實驗探究[J].化學教學,2020(6):77-80.

[5]陶慧玲.焰色反應實驗的新設計[J].化學教學,2018(3):64-66.

[6]汪斌權.“焰色反應”研究性學習探討[J].化學教學,2004(Z2):30-31.

[7]姚志江,豐憶貧.“焰色反應”的實驗改進[J].新課程學習(綜合),2010(10):106.

作者:杜蕊 岳莎莎 劉海英 葉發(fā)兵 單位:黃岡師范學院化學化工學院