“焰色反应”研究性学习探讨

“焰色反应”研究性学习探讨

汪斌权

（余姚市第八中学，浙江余姚315430）

摘要：研究性学习既是一门课程，也是一种学习方法。焰色反应实验是高中化学第一册（必修）《碱金属》一章中的重要实验。本文对焰色反应的原理、实验改进及局限性进行研究性学习。

关键词：焰色反应研究性学习

1.课题提出

焰色反应实验是高中第一册（必修）第二章第三节《碱金属元素》中的重要实验。本人根据多年的教学及学生的反馈，确立该实验就以下几个方面为焰色反应研究性学习的子课题，值得学生进行研究性学习。第一：课本中没有涉及焰色反应实验的原理，学生理所当然地把焰色反应看作化学反应，所以焰色反应是一个物理现象还是化学变化值得探讨。第二：如果按照课本中实验4-7的步骤来做这一实验存在实验操作不便、耗时比较长、实验现象不明显（特别是钾的焰色反应现象很不明显，须透过蓝色钴玻璃观察）等缺点，所以怎样提高焰色反应的可见效果、观赏性值得探讨。第三：焰色反应的局限性在于以肉眼观察颜色只是粗略的，许多物质像锂盐与锶盐焰色非常相近都为红色就无法判别，这样焰色反应的应用就受到极大限制，所以怎样从根本上排除其它物质焰色的干扰值得探讨。

2.课题前导

金属或金属离子在火焰中灼烧会发出特有的颜色，这在化学上叫做焰色反应。其实验原理是：在温度极高的情况下，金属原子或金属离子中的电子吸收一定能量而被激发，跃迁到外层轨道上运动，当激发的电子重新回到原有轨道上时，就会释放出一定能量、一定波长的光谱线。每一种元素的光谱都有一些特有谱线。如果在光谱中出现某一种元素的特征谱线，就可以断定该元素的存在。

要出色完成本研究性课题除了要理解焰色反应原理之外，还须理解波尔模型、光的一些性质、光谱等相关物理学科知识。所以本课题是一个跨学科、综合性课题。

3.课题实施

要研究“焰色反应”，摆在学生面前的首要问题就是要搞清焰色反应的实质是物理现象还是化学变化。

3.1焰色反应是物理现象还是化学变化的研究性学习过程

要搞清楚这一问题可以从以下几个方面进行探讨：第一：查找资料，得出结论，第二：设计实验，得出结论。

3.1.1查找资料，得出结论

由于高中阶段并没有学习焰色反应的实验原理，因此，研究本课题的首要任务就是要搞清焰色反应的实验原理。为此，教师提出学习任务，即让学生自己查阅资料寻找焰色反应的理论依据。高中学生已经具有一定的获取信息的能力，在教师的指导、启发下，学生作出努力下，学生自主得出焰色反应的实验原理——金属离子或原子的外围电子受热时获得能量，使电子从低能量级轨道被激发跃迁到高能量轨道，处于高能量轨道的这些电子极不稳定，瞬间又回到低能量轨道。在这一“回落”过程中电子要释放能量，通常以光能形式放出，从而显示出不同

的焰色。在得出实验原理之后，组织学生讨论、分析。最后通过讨论、交流，学生自主得出结论：显然在焰色反应过程中仅是电子的跃迁和“回落”，并没有电子的得失，即没有新物质的生成，所以焰色反应不是化学变化，是物理现象。3.1.2设计实验，得出结论

既然焰色反应焰色是金属离子或原子的外围电子受热吸收能量激发跃迁到高能量轨道后瞬间又回到低能量轨道时发出来的光，那么同一元素不管处于何种化合物中、何种形态、外界条件如何、只要吸收一定能量就必然会发生焰色反应。故我们学生设计了这样的实验：改变元素的存在形态、火焰类型、火焰温度，观察某一元素的特征焰色。下表是钠元素在不同火焰中的焰色反应现象。

实验发现一种元素即使处于不同的物质中，即使火焰中发生了化学变化，即使所使用的火焰不同，即使火焰的温度不同，但这些因素对某一元素的特征焰色都没有影响。实验进一步证实了焰色反应是物理现象，不是化学变化。

3.2怎样提高焰色反应的可见效果、观赏性的学习过程

课本上焰色反应实验操作复杂、焰色持续时间短、焰色现象不明显。为此，怎样提高焰色反应的可见效果、观赏性，应如何改进实验操作，可组织学生进行研究性学习。

3.2.1改进实验设计

从实验原理可以知道只要使离子或原子的外围电子获得一定能量，就会发生焰色反应，所以学生就怎样使得离子或原子的外围电子获得一定能量进行了研究性学习，得出了改进方案。有学生联想到节日里的烟火，认为烟火就是焰色反应的具体应用。也有学生认为把焰色反应的各种焰色移植到蜡烛的火焰中，使得点燃的蜡烛显现不同焰色，可以制得彩色火焰蜡烛。在改进实验中比较完善的是以下两个实验。

改进实验一：利用酒精溶液或60度白酒中的水溶解某盐得到混合溶液，把混合溶液倒入到坩埚中，再用镊子夹住坩埚，在酒精灯上灼烧并不断震荡，使盐随溶液上升到坩埚内壁的上端，经灼烧就能得到6至10厘米高有明显特征火焰，火焰的焰色保持时间可达10至20秒，具有很好的可见效果，是一个很好的演示实验。

改进实验二：将含所需检验离子的溶质固体溶于蒸馏水配制成一定浓度实验，然后按溶液体积比1:1与酒精混合配得所需溶液，并把所配得溶液逐一装入不同的小型家用喷雾器，然后点燃酒精灯待火焰稳定后，用装有所得溶液的喷雾器逐一将雾状液滴喷向火焰，即可看到明显、具有观赏性的特征焰色。

3.2.2改进实验评价

改进实验与传统的焰色反应相比，具有以下优点：

(1)实验现象明显、可见度高、观赏性强。

(2)实验操作简单、重复性好。

(3)实验耗时大大缩短。

(4)有利于激发学生兴趣、提高学习积极性等。

3.3怎样从根本上排除其它物质焰色干扰的研究性学习过程

在以上的改进实验中我们发现：各种盐类在火焰灼烧呈现不同的焰色。根据物质的特征焰色可以用于物质的鉴别、分析。这时，教师设计实验：把两种焰色反应的焰色相近的物质比如锂盐和锶盐分别做焰色反应，让学生鉴别；把几种常见的盐溶液混合在一起做焰色反应，让学生鉴定混合液的成分。这时，学生就遇到困难！没法得出正确结论。虽然凭肉眼观察焰色反应来鉴别元素受到了很大的限制，此时向学生提出这样一个课题：怎样从根本上排除其它物质焰色干扰？

这一问题使的学生们不知所措，但也极大的激发了学生的积极性、求知欲。这是一个跨学科、具有综合性、一定难度的课题。在学生做出努力但无结果的情况下，教师应正确引导学生：既然肉眼的分辨能力有限，那么能否不直接观察焰色而借助其它手段呢？在物理上，我们是怎样研究光的？能否得到一些启示？这样，学生的思维开阔了，学生通过讨论、交流，得出结论：既然不能直接分辨火焰焰色，那就应该去观察火焰的光谱，这样就可以把各种焰色清清楚楚的区分开了。这样从根本上排除其它物质焰色干扰的难题就迎刃而解了。

最后教师介绍焰色反应的有关史实及在焰色反应的基础上建立起来的发射光谱分析法；如果实验条件许可可以使灼烧试样的火焰发出的光通过三棱镜、放大镜，即可得到不同元素的线状光谱[1]；对学生的研究性学习作出积极评价；鼓励每一个学生积极参加研究性学习，从中培养各种能力。

参考文献：

[1]岳晓明焰色反应小史及其局限性[J] 化学教育2003(3)：48