氢气火焰着色方案的设计、改进及思考

摘要

在跨学科项目式学习“校运会火炬设计”中，针对如何给氢气火焰着色模拟火炬燃烧这一真实问题，师生查阅资料后确定选择焰色反应进行着色的设计思路，据此设计实验方案并不断改进。对氢气火焰着色方案进行思考，总结跨学科实践活动中的化学实验具有实践性、挑战性、创新性和综合性等特征，能够凸显实验的育人功能，同时在教学中须注重全程评价学生。

Graphical abstract

关键词

跨学科实践活动 / 氢气 / 火焰 / 着色

2022年，冬奥火炬“飞扬”一经亮相便惊艳了全世界，完美诠释了绿色奥运、科技奥运的理念。根据《义务教育化学课程标准（2022年版）》学习活动建议^［1］，以及《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》中“不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学”的要求^［2］，笔者在初三中考总复习阶段尝试引入跨学科项目式学习“校运会火炬设计”，以提高复习的趣味性和效率。

在项目式学习的燃料选择环节，学生会选择氢气或丙烷，选择氢气是因为清洁环保，选择丙烷是因为对环境相对友好且火焰鲜艳醒目。

“飞扬”中的燃料即为氢气，学生随之产生疑问：教材表述纯净的氢气在空气中燃烧呈淡蓝色，那为什么冬奥火炬颜色却很鲜艳明亮？针对学生的疑问，如何给氢气火焰着色模拟火炬燃烧，就成为师生面临的问题。以下是笔者对上述问题的解答，希望对同仁有所帮助。

1 氢气火焰着色方案的设计思路

在笔者指导下，小组学生查阅了相关资料。因实际操作氢气燃烧的火焰常为黄色而非淡蓝色，已有研究成果多为针对氢焰颜色影响因素的探讨以及还原其本真淡蓝色的改进实验^［3-6］，鲜有对氢焰人为着色并应用到跨学科实践活动的研究成果。受张军^［4］提出的玻璃中钠元素导致氢焰黄色这一观点的启发，笔者组织学生展开讨论，初步形成利用焰色反应给氢气火焰着色的设计思路。

2 氢气火焰着色方案的设计与改进

2.1 方案初设计及改进1

【方案初设计】利用反应玻璃容器中的钠元素给氢气火焰着色，实验装置如图1所示。

【实验用品】稀盐酸（浓盐酸与蒸馏水按体积比1∶2~1∶3配制）、镁条一根（长13~15 cm、宽4 mm、0.22 g左右）、100 mL锥形瓶一只、火柴或打火机。

【实验操作】

（1） 向锥形瓶中倒入约2/3体积的稀盐酸，再将镁条卷曲后放入锥形瓶中。

（2） 待锥形瓶中冒出大量白雾后，点燃气体，观察到火焰呈现非常微弱的淡黄色，这说明仅利用反应容器中的钠元素给氢焰着色，效果不佳。

【方案改进1】向反应体系中另加入5 mL饱和氯化钠溶液，其他实验用品及操作步骤与初设计相同，装置如图2所示。对比初设计与改进1的实验现象发现：图2锥形瓶口的黄色火焰非常明显^［7］，说明向反应体系中加入钠盐溶液给氢焰着色，效果较好。

【师生很快发现以下问题】

（1） 因气体出口口径较大，火焰常在液体上方的瓶内空间出现，不够集中。

（2） 锥形瓶是不能用来直接加热的容器，氢气在瓶口燃烧，可能导致锥形瓶的玻璃受热不均而爆裂。

（3） 氢气燃烧后期，随着产生气体的逐渐减少，空气会回流至锥形瓶中，可能引发爆鸣声。

2.2 方案改进2

针对以上问题，同时为寻找更多的着色剂，实验方案再次改进如下。

【实验用品】稀盐酸（浓盐酸与蒸馏水按体积比1∶2~1∶3配制）、饱和氯化钠溶液、饱和氯化钙溶液、饱和硫酸铜溶液、饱和氯化钾溶液、镁条4根（长13~15 cm、宽4 mm、重0.22 g左右）、100 mL锥形瓶4只、酒精灯的陶瓷灯芯管4支（大小须同100 mL锥形瓶瓶口匹配）、塞满湿棉花的酒精灯灯帽一个、火柴或打火机。

【实验操作】

（1） 向锥形瓶中倒入约2/3体积的稀盐酸，再向其中加入5 mL饱和氯化钠溶液。

（2） 将一根镁条卷曲后放入锥形瓶中，迅速将一支陶瓷灯芯管放置于锥形瓶瓶口。

（3） 当有白雾从陶瓷灯芯管管口处冒出后，用火柴或打火机在陶瓷灯芯管管口处点燃气体，观察现象。

（4） 待镁条即将反应完全时，用塞满湿棉花的酒精灯灯帽盖住陶瓷灯芯管管口，即可熄灭火焰。

（5） 将5 mL饱和氯化钠溶液分别换成5 mL饱和氯化钙溶液、饱和硫酸铜溶液、饱和氯化钾溶液，依次重复上述实验操作步骤。

（6） 实验装置如图3所示。

上述实验分别以中学化学实验室常见的钠盐、钙盐、铜盐、钾盐为着色剂，能观察到黄色、砖红色、绿色和紫色火焰，火焰持续15 s左右，现象明显，操作安全，适合课堂演示，解决了实验室模拟火炬给氢焰着色这一问题。

3 氢气火焰着色方案的操作说明及原理分析

3.1 操作说明

方案改进2所有实验用品，均为中学化学实验室常见必备品。

（1） 向锥形瓶中倒入约2/3体积稀盐酸，目的是使锥形瓶上方形成相对较小的“气室”，易于排出瓶中原有的空气。

（2） 将着色剂配成室温下的饱和溶液，目的是增大金属离子浓度，使焰色更明显。

（3） 向100 mL锥形瓶瓶口放入一支大小匹配的陶瓷灯芯管，目的是解决氢气聚集于出口和锥形瓶的玻璃受热可能爆裂的问题，且气体被点燃后火焰集中，仿佛一盏“氢气灯”。

（4） 当镁条即将反应完全时，用塞满湿棉花的酒精灯灯帽盖灭火焰，目的在于主动灭火，避免空气回流可能引发的爆鸣声，确保安全。若直接用酒精灯灯帽盖灭，则灯帽内有空气，火焰较难熄灭；而塞满湿棉花后，就能在盖住陶瓷灯芯管的瞬间实现灭火。

3.2 原理分析

利用金属与酸反应产生氢气，快速涌出的氢气流携带着色剂溶液的细小液滴至瓶口，此时在瓶口点燃气体，就会观察到着色剂所含金属离子的焰色反应。

选用镁与酸反应生成氢气的原因有二：一是镁及其化合物无焰色反应，对着色剂的焰色反应不产生干扰；二是镁与酸反应产生氢气的速率比较恰当。着色剂不同，相应的焰色不同，说明实验设计对多种着色剂具有较好的适用性，同时增加了实验的观赏性和趣味性。

据报道，火炬“飞扬”即是工程师将金属盐涂装在火炬内部格栅上实现对氢焰的着色，笔者的实验方案设计与“飞扬”的设计有异曲同工之妙。

4 对氢气火焰着色方案的思考

4.1 跨学科实践中的化学实验特征

作为跨学科实践中的化学实验，氢气火焰着色实验涉及物质的制备、性质的探究类型实验^［8］，是学生必做实验或教材其他实验的拓展、提升与综合应用。除具有科学性、安全性、适切性外，跨学科实践中的化学实验还包含有以下特征。

（1） 实践性——学生全程参与。2022年版义务教育化学课标将“实践”在核心素养与学习主题层面予以显性化，充分凸显了实践的重要性。就该项目活动而言，氢焰着色方案是“校运会火炬设计”项目的重要环节，教师组织学生全程参与方案的设计与改进，体现了“做中学”。

（2） 挑战性——培养高阶思维。跨学科实践中的实验针对的是陌生且间接的真实问题，需要凭借复杂推理、系统探究等高阶思维才能解决。氢焰从“去色”到“着色”是一种逆向思维，需要学生自主调用认识角度和认识思路，体现了“用中学”。

（3） 创新性——打破“照方抓药”。跨学科实践中的实验创新主要体现在实验方案的设计上，包括原理创新、装置创新、应用创新等，而非“照方抓药”。在氢焰着色方案中，将锥形瓶与陶瓷灯芯管组合、湿棉花与灯帽组合是装置的创新，将焰色反应用于火炬氢焰着色是应用的创新，体现了“创中学”。

（4） 综合性——融合学科知识。跨学科实践常需突破复杂的技术与工程问题，知识在跨学段的“纵向进阶”与跨学科的“横向整合”中得以结构化。氢焰着色方案融合了初中气体制备及性质、燃烧与灭火、放热反应，以及高中焰色反应等实验内容，使初高中知识实现了有机衔接，体现了“悟中学”。

4.2 凸显实验的育人功能

跨学科实践能让学生像科学家那样在实验过程中发现知识，像工程师那样创造产品。毫无疑问，这是知识转化为素养的重要环节。氢焰方案设计将我国火炬最新技术成果融入教学之中，遂使学生的查阅信息能力、团队合作能力、创新能力、自信心、安全意识等在实践过程中均得以提升，凸显了实验的育人功能。

当学生获知冬奥火炬“飞扬”也是利用焰色反应原理给火焰着色、设计师也曾尝试过给火焰着绿色的事实后，其激动、兴奋之情溢于言表。爱上化学、立志将化学作为将来的专业方向，也许就在某一瞬间于孩子心中悄然萌生。

4.3 重视实验的全程评价

对实验的评价，是跨学科实践活动整体评价的重要组成部分。因此，教师应将过程性评价贯穿于实验设计、操作、优化的始终，设计系列问题让学生通过说明论证、分析解释等环节将思维外显，同时展开生评、师评，在反思中不断优化实验方案，直至解决问题。

在氢焰着色方案中，“解释瓶中冒出大量白雾时再点燃氢气的原因”“阐述在灯帽中塞满湿棉花的理由”等问题的设计，充分凸显了方案设计的针对性，借此能评判学生对金属与酸是放热反应、燃烧条件与灭火原理等核心知识的理解程度和实验的规范操作水平，以及是否具备一定的安全意识。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022．

[2] 中华人民共和国教育部.教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见［EB/OL］.（2019-11-20）［2023-05-12］.

[3] 叶永谦，叶一勤，叶燕珠，等.氢气燃烧火焰颜色影响因素的研究及演示方案再设计［J］.化学教育（中英文），2023，44（03）：100-103.

[4] 张军.钠对气体燃烧火焰颜色的影响［J］.化学教学，2001（05）：43-44.

[5] 陈云生，赖辉煌.氢气燃烧火焰颜色的探讨［J］.化学教育，1987（06）：50-52.

[6] 杨承印，李蕊.H₂、CH₄及CO气体燃烧火焰颜色的实证［J］.化学教学，2016（11）：57-59.

[7] 陈俏，王心怡，耿雁冰，等.初中跨学科项目式学习中融入化学系统性思维的探索：校运会火炬设计［J］.化学教育（中英文），2023，44（17）：72-78.

[8] 钱扬义.《义务教育化学课程标准（2022年版）》解读：科学探究与化学实验［J］.化学教育（中英文），2022，43（21）：13-20.

基金资助

江苏省中小学教学研究第十四期专项重点资助课题“基于数据监测的初中化学‘认识发展性教学’实践研究”(2021JY14-CSFX-ZA09)

无锡市教育科学“十四五”规划课题“素养目标引领下的初中化学微项目学习研究”(C/D/2021/03)

江苏省中小学教学研究第15期课题“深度实验培养拔尖创新人才的学科实践”(2023JY15-GL-L12)