基于核心素养下焰色试验的创新实验

张 毅

(贵州省金沙县实验高级中学)

一、研究背景

《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)中提出:“能依据探究的目的设计并优化实验方案,完成实验操作;养成独立思考,敢于质疑和勇于创新的精神;具有安全意识和严谨的科学态度;具有绿色化学观念和可持续发展意识”等课程目标。化学实验作为培养学生实验探究能力和创新意识的有效手段,应成为课堂教学的重点。然而由于学校实验硬件和仪器、药品等限制,再加上大多数实验在做的过程中会产生有毒气体,导致很多实验教学不能让学生亲自体会,主要是以“看”“记”“理解”的形式完成教学,没有体现出化学核心素养的目标要求。创新改进实验能达到安全、节约、污染小、现象明显且持续时间长、操作简便等优点。因此,不断对教材中的实验进行创新改进,不仅可提高学生在教学中的主体地位和参与度,还可以通过实验创新培养学生在实验中的安全意识、资源意识、创新意识、环保意识等,发展学生的实验探究能力,提升学生的化学学科核心素养。

二、焰色试验的原理

焰色试验主要是根据某些金属或者它们的化合物在无色火焰中灼烧时会呈现出不同颜色的火焰,而对这些金属离子进行检验的一种化学实验方法。

当碱金属及其盐在火焰上灼烧时,原子中的电子吸收了能量,从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道,但处于能量较高轨道上的电子是不稳定的,很快跃迁回能量较低的轨道,这时就将多余的能量以光的形式放出。而放出的光的波长在可见光范围内(波长为400 nm～760 nm),因而能使火焰呈现颜色,例如,当Na2CO3在火焰中汽化时,离子转化为气态原子并被激发,激发态钠原子恢复到基态时发出波长为589 nm(黄色)的光。基于同样原理,非金属硼在高温下发出波长为492 nm、518 nm 和546 nm的光,火焰呈绿色。在焰色试验中,不同金属或它们的化合物在灼烧时会放出多种不同波长的光,在肉眼能感知的可见光范围内,因光的波长不同,呈现的颜色也就存在差异。但由于碱金属的原子结构不同,电子跃迁时能量的变化就不相同,就发出不同波长的光,从焰色反应的实验里所看到的特殊焰色就是光谱谱线的颜色。每种元素的光谱都有一些特征谱线,发出特征的颜色而使火焰着色,根据焰色可以判断某种元素的存在。如焰色洋红色说明含有锶元素,焰色绿色说明含有铜元素,焰色黄色说明含有钠元素,焰色紫色说明含有钾元素,焰色砖红色则说明含有钙元素等。

三、教材中的焰色试验

焰色试验在人教版普通高中教科书化学(必修第一册)(2019版)P38实验2-6:

步骤一:把焊在玻璃棒上的铂丝(或光洁无锈的铁丝)放在酒精灯(最好用煤气灯)外焰里灼烧,至与原来的火焰颜色相同时为止。用铂丝(或铁丝)蘸取碳酸钠溶液,在外焰上灼烧,观察火焰的颜色。

步骤二:将铂丝(或铁丝)用盐酸洗净后,在外焰上灼烧至与原来的火焰颜色相同时,再蘸取碳酸钾做同样的实验,此时要透过蓝色钴玻璃观察火焰的颜色。

四、教材实验的不足

1.仪器损坏率大,污染严重:焰色试验的主要仪器是铂丝(或铁丝),在检定某种元素前,均需将铂丝(或铁丝)蘸浓盐酸在火焰中反复灼烧至与原来的火焰颜色相同时,方可进行实验。一方面操作繁琐,不适用于课堂演示;另一方面由于铂丝(或铁丝)在火焰中反复灼烧,易从镶结的棒上脱落或折断。操作中由于浓盐酸的高挥发性,加之在火焰中反复灼烧,空气污染严重,对学生的身体危害亦很大。

2.铂丝价格昂贵,一般普通中学根本没有,给资源较为匮乏的学校增加了实验的负担。因此,常用无锈铁丝代替,但铁丝蘸取溶液很少,在酒精灯火焰上瞬间汽化,焰色强度低、持续时间短,学生不易看清,课堂演示效果差,且不能同时观察几种不同物质的焰色。

3.钾元素的紫色焰色现象不明显,观察时要透过蓝色钴玻璃,以消除钠的干扰。由于钴玻璃是深蓝色,无法判断观察到的是蓝色还是紫色。

4.此实验还存在酒精灯火焰颜色的干扰、光线的干扰等。

由于传统实验方法存在的诸多问题,许多教师都放弃演示该实验。因此,探寻焰色试验的新方法成了当务之急。

五、实验的改进

(一)实验仪器及用品

1.废弃的铝制易拉罐、玻璃棒、三脚架、坩埚钳、石棉网、火柴、废弃调料瓶。

2.无水乙醇,双氧水,无水氯化钙粉末、无水硫酸铜粉末、氯化钾粉末、碳酸钠粉末、氯化钡粉末。

(二)实验装置图

(三)实验操作

先分别向废弃调料瓶中加固体盐粉末;取6个三脚架放在实验台上有序排成一排,分别放上石棉网,再取6个废弃铝制易拉罐瓶底放在三脚架上,再分别注入无水乙醇和双氧水(按5∶2.3的比例加入),用火柴点燃,然后用废弃调料瓶向火焰上洒入固体盐粉末并不断用玻璃棒搅拌,立即观察到各种盐的特征焰色,实验结束,用石棉网盖灭未燃尽的酒精。

(四)实验说明

1.通过实验研究,向无水乙醇里加一定量的过氧化氢使乙醇燃烧更充分,让火焰效果更淡,实验效果更好。

2.用以上改进装置观察钾的焰色不需要蓝色钴玻璃就可以看到明显的紫色。

六、总结与反思

(一)优点

1.在铝制易拉罐中加入酒精产生较大的火焰,增大了各种盐与火焰的接触面,焰色明显,非常壮观,增强了实验效果;

2.在酒精中加入过氧化氢提供氧气使酒精充分燃烧,削弱了火焰的黄色,增强了实验效果;

3.步骤较少,操作简单;焰色持续时间长;

4.实验现象明显,可见度高,课堂演示效果好;

5.可以同时观察多种不同待测物的焰色,便于对比记忆,提高课堂上学生兴趣。

(二)实验不足

1.酒精火焰的黄色未完全消除,对实验还有一定的干扰;

2.药品用量较大。