焰色反应演示器、手持分光镜的设计

摘"要："针对焰色反应实验存在的不足，设计纳米喷雾器进行焰色反应实验改进。改进实验用自制手持分光镜观察焰色反应形成的原子光谱，将焰色反应与原子结构建立联系，从宏微结合视角认识焰色反应。验证了钾的焰色呈紫红色，改进装置同时兼有操作简单、焰色稳定、功能多样等优点，有助于提高实验教学效果，促进学生深度学习。关键词："焰色反应；光谱；分光镜；实验改进1"问题的提出焰色反应是某些金属或其化合物在灼烧时使火焰呈现特殊颜色的反应［1］。焰色反应在现行三个版本教材中的实验步骤为“洗、烧、蘸、烧”。实践中发现：该实验步骤繁琐，铂丝蘸取溶液量少，焰色持续时间短，现象很不明显；钾的焰色受干扰因素多，虽借助蓝色钴玻璃依然难以观察。人教版［2］选择性必修二原子结构章节中指出“在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析”。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》建议“利用自制分光镜或者光谱仪查看不同元素的光谱”，光谱仪在中学暂时还难以推广，仅用图片展示又缺乏体验感，自制分光镜可以为原子结构和原子光谱的教学提供有效支撑。2"相关文献评述文献中有关焰色反应的实验改进主要有两个方向：一是改变燃料，利用氢气或甲醇替代酒精，能摒除酒精燃烧所产生黄色火焰的影响。如氢气燃烧法［3］，锌与稀硫酸制取氢气，利用氢气燃烧的外焰灼烧待测溶液。该法实验步骤更为繁琐，氢气点燃前需验纯，否则容易发生爆炸；甲醇燃烧法［4］，在小玻璃瓶中分别加入体积比为1∶2的金属盐饱和溶液与甲醇，盖上带灯芯的灯头，制成焰色灯，该法中甲醇易挥发、有毒。二是改变金属盐聚集形式，如撒粉法［5］，向火焰上方喷洒金属盐的粉末，该法固体颗粒中离子含量高，焰色现象明显，不足在于焰色持续时间短，较费试剂；固体酒精燃烧法［6］，以饱和醋酸钙溶液为固化剂与95%酒精按体积比1∶5混合制成固体酒精，上层覆盖金属盐粉末，该法焰色持续时间长，但固体酒精含有钙元素，会干扰其他金属焰色。此外，钾的焰色实验改进也并不理想，大多需要透过蓝色钴玻璃观察。高应奇［7］认为蓝色钴玻璃通常略带紫色，透过钴玻璃观察焰色肯定和原来焰色不同，一般都略带钴玻璃的紫色；叶永谦［8］用彩色蜡烛燃烧实验，证实了不同颜色的火焰透过蓝色钴玻璃并无大的区别，均呈淡紫色。因此透过蓝色钴玻璃观察钾的焰色为紫色，并不能说明钾焰色的本来“面目”就是紫色。2017年高考新课标Ⅰ卷化学试题（35题），描述元素钾的焰色为紫红色，一字之差，让师生心生困惑。现有焰色反应的实验改进局限于单一金属离子的检验，少有探究焰色反应的原理，焰色反应和分光镜的一体化综合实验尚未出现在课堂实践中。结合中学化学教学实际，为发挥实验的最大效能，笔者自制焰色反应演示器和手持分光镜，观察焰色反应及其所形成的光谱，以期实现操作简单、现象直观、功能多样，并依托光谱实验，实证钾的焰色。3"实验改进设计3.1"焰色反应演示器3.1.1"实验仪器和药品仪器：纳米喷雾器（w-718B型，30mL，电动款）、本生灯、升降台（10cm×10cm）、长方形亚克力板（38cm×6cm、16cm×11cm、5.5cm×11cm）、圆形亚克力板（内径为12cm）、塑料圆柱体药品：K2CO3溶液、Na2CO3溶液、CuCl2溶液、SrCl2溶液3.1.2"制作过程（1）制作转盘：将圆形（内径为12cm）和长方形（38cm×6cm）的亚克力板粘在一起，做为转盘。（2）制作开关：因市售喷雾器开关多在喷口下方，在转盘上操作不便，因此为喷雾器增设外置独立开关，在圆形转盘上开孔，将开关嵌在转盘上，方便操作。（3）制作转轮：在圆形转盘和升降台上分别粘上塑料圆柱体（3个圆柱体套在一起）作为转轮，实现转盘手动旋转。（4）制作遮板：将3块（16cm×11cm）和1块（5.5cm×11cm）亚克力板粘在一起，作为升降台的遮板。装置示意图见图1。3.1.3"实验步骤及现象（1）旋开喷雾器，分别加入K2CO3溶液、Na2CO3溶液、CuCl2溶液、SrCl2溶液。（2）点燃本生灯，打开喷雾器开关，调整升降台高度，使喷雾对准本生灯外焰。（3）转动转盘，依次观察到钾的焰色为紫红色，透过蓝色钴玻璃为紫色；钠的焰色为黄色；铜的焰色为绿色；锶的焰色为红色。（4）实验结束，关闭喷雾器开关，熄灭本生灯。3.1.4"实验改进的优点本生灯（燃料为丙烷等）替代酒精灯，火焰温度高，外焰呈淡蓝色，色浅，干扰小，能直接观察到钾的焰色；普通喷雾瓶或喷壶喷雾不连续，喷水量大易浇灭火焰，若喷酒精溶液则会干扰钾的焰色观察。纳米喷雾器（内装盐的水溶液）雾化后药品变得更加细小、接触面积更大，焰色更明显；实践中发现分光镜的使用需要有特定的入射光角度和稳定光源，展台和开关的设计给分光镜的使用提供了便利条件，使焰色展示更加稳定，对比效果好。3.2"手持分光镜3.2.1"制作材料黑色硬纸板、美工刀、剪刀、尺子、铅笔、橡皮、光盘、摄像头、胶水、热熔胶3.2.2"制作过程及说明选用黑色硬纸板，设计图（单位为cm）见图2。按图中所示位置，用美工刀割开狭缝和视窗，狭缝为入光口，视窗位置安装摄像头；粘牢光盘；沿虚线裁剪，沿实线折叠成盒状，四边粘牢。透视图见图3。说明：选材上黑色比其他颜色吸光效果好，摄像头也可用手机替代，为使分光镜更加牢固，卡纸可以用木板或塑料板等替代。外界光线对原子光谱有干扰，因此，原子光谱需在避光下观察。视窗应保证被摄像头盖住不漏光，开口大小无严格要求。使用时需调整角度，使光进入狭缝，狭缝不宜过粗。3.2.3"实验原理光谱是光学频谱的简称，是复色光通过色散系统（棱镜、光栅）进行分光后，依照光的波长（或频率）大小排列形成的图案。手持分光镜中光盘（DVD或CD）的记录层具有一系列细密的刻痕，相当于光谱仪中的光栅，起到分解复色光的作用。使用时将狭缝对准光源，光从狭缝进入，照射到光盘的刻痕上，反射并发生干涉，按波长排列展成光谱，被摄像头拍摄下来。电脑安装摄像头软件后，便能将分光后的光谱图像展示在教室希沃白板上。3.2.4"实验步骤及现象（1）打开摄像头，将狭缝朝向窗外较亮的地方，观察到太阳光的光谱为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫依次排开。（2）关闭教室的日光灯和窗帘，点燃本生灯，打开喷雾器开关，调整高度，喷雾对准本生灯外焰，狭缝对准灯焰，转动转盘。依次观察到锶的光谱是多条红线；钠的光谱是一条黄线；钾的光谱是多条亮紫线和多条亮红线；铜的光谱主要是一条橙线和多条绿线。3.2.5"实验结果太阳光光谱为连续光谱，焰色反应形成的光谱为多条分立的彩色亮线，即原子的发射光谱。本实验中使用光栅分光，在观察钾的光谱时，红光和紫光会处在相反的位置。钾的光谱主要由多条亮紫线和亮红线构成，钾的焰色为色谱强度大的紫色和红色的复合色，可见钾的焰色表述为紫红色更准确。3.2.6"实验改进的优点改进实验装置制作简单、材料易得，成本低，增加了实验的趣味性，能提升学生的动手操作能力和创新意识；创造了原子光谱观察的实验条件，看得见“轨道”，帮助学生打开认识微观世界的窗户。对于钠原子双黄线的精细结构，这里仅看到一条黄线，分辨率需求高的光谱观测，需要精密度更高的分光镜。4"结语自制的教具可用于化学必修阶段焰色反应的观察实验，选择性必修阶段依托光谱实验的原子结构模型演变教学，本实验设计也