以泡沫镍作为载体的焰色反应

摘要

焰色反应在高中化学教学中是一个必做实验。在课堂中，焰色反应多以演示实验的方式出现。倘若按照教材中的传统方法操作，则存在步骤烦琐、现象昙花一现等问题，同时某些金属的焰色容易被酒精灯灯芯中的杂质颜色所遮盖。为解决问题，使用疏松多孔结构的泡沫镍吸取酒精作为燃烧载体，可以避免杂质燃烧的颜色干扰，其产生的火焰为浅蓝色。另外，用钢丝球蘸取金属盐并置于火焰之上，其焰色非常明显，能让学生有直观感受，效果颇佳。

关键词

焰色反应 / 泡沫镍 / 钢丝球 / 载体

焰色反应是人教版高中化学必修第一册第二章中的一个必做实验，该实验可以定性检测某些金属或金属离子的存在，现象直观有趣。教材采用铂丝或铁丝蘸取不同金属盐溶液置于酒精灯外焰上灼烧的方法来观察颜色，要经历“洗—烧—蘸—烧—看”的过程。由于金属丝表面积较小，即使绕成线圈，其能蘸取的金属盐溶液总量依然有限，而且酒精灯灯芯燃烧容易产生碳粒，碳粒燃烧的黄色火焰会影响学生对Na和K两种元素焰色的观察。尤其是K元素需要经过蓝色钴玻璃滤除黄光之后再观察时，后排学生难以看清。而恰恰K与Na的焰色是众多金属中在高考中出现频率最高的两种。上述演示方法在课堂教学中的实际效果并不理想。

为促进课堂教学方式的多样化，众多一线教师在焰色反应的改进方面做了持续的努力和创新。早在1996年，陈定国^［1］用向蘸有酒精的棉花球上撒金属盐，随后点燃的方法观察焰色，用镊子拨动棉球，可以看到更为明显的焰色。白洪海^［2］配制金属盐-水-乙醇溶液，并将混合物装在喷瓶中，喷向酒精灯外焰，从而形成不同颜色的火焰，现象明显，能极大地调动学生的积极性。高凤梅等^［3］向坩埚中加入少量盐和水，充分溶解后再加入甲醇，混合均匀后点燃，成功观察到焰色，使用玻璃棒搅拌后，火苗变大，便于后排学生观看。林绮玲^［4］对火源进行了改进，将传统的酒精灯火焰改为氢气火焰，利用启普发生器作为反应容器，以一定浓度的硫酸和锌粒为反应物，并用不锈钢管作为火焰载体得到无色火焰。燕翔等^［5］用“粉笔法”演示了焰色反应，很多金属盐的焰色都很明显，材料简单易得。窦金雨^［6］利用口服液瓶、棉线和易拉罐外壳作为原料自制焰色酒精灯，将按照一定比例混合的金属盐-水-乙醇溶液注入其中，点燃后可得到不同颜色的火焰。林丽璇等^［7］采用氯糖法演示了焰色反应，尽管反应中产生大量的烟，不适合用于课堂演示，但瑕不掩瑜，该反应现象非常明显，且使用开放式实验教学能让学生身临其境，体验科学探究的乐趣。万香琴等^［8］设计了“自动烟花实验装置”，将铁粉与金属盐的混合物通过风扇并经塑料管吹向燃着的蒸发皿，可以观察到不同的焰色。一线教师的创意和创新实验为高中化学教学注入了源源不断的活力，各自展现出独特的长处，对教学质量的提升发挥了积极的推动作用。

受以上成果启发，也为了清晰、安全地在课堂上演示焰色反应，笔者从火焰来源和加料方式两个方面进行了改进。经多次尝试，最终确定以泡沫镍蘸取60%酒精作为燃烧载体，以钢丝球蘸取金属盐作为加料方式进行焰色反应。同时，为减少对火焰颜色的干扰并增强实验的趣味性，我们采用“魔棒点灯”的方式点燃火焰。

1 实验用品的选择

1.1 泡沫金属的选择

近年来，不少科研工作者对泡沫金属这种新型材料进行了研究，从中发现：泡沫金属具有质轻、孔隙率高的特点，在热学、电学和力学等方面表现优异，被广泛应用于航天、电池、催化以及建筑等领域。泡沫金属结构疏松多孔，自身吸附性强，可以作为存储燃料的容器，若吸附上一些可燃物，便可作为稳定的火源进行燃烧。

市售易得的泡沫金属有泡沫铁、泡沫镍和泡沫铜。以焰色反应的火源为标准，可首先排除泡沫铜，其绿色干扰过于明显。焰色反应结束之后，为防止残留金属对下次实验的影响，泡沫金属需要经过水洗、晾干的过程才可以继续使用。

铁自身性质比较活泼，在水洗、晾干的过程中，泡沫铁巨大的表面积暴露在水、氧气同时存在的环境中，极易生锈，不可以反复使用，若作为焰色反应使用会造成资源浪费。与铁相比，镍的性质没有那么活泼，而且会形成氧化膜阻止锈蚀，尽管在实验过后经水洗晾干后外观会有所变化，但不影响实验效果。从无火焰颜色干扰以及绿色化学的角度来看，泡沫镍适合作为燃料载体。

1.2 燃料及浓度的选择

固、液、气三态燃料燃烧均可产生火焰，固态燃料虽然取料简单且控制方便，但易于因不完全燃烧而产生碳，致使火焰呈黄色；尽管气态燃料燃烧的火焰颜色为非常理想的浅色，但不易存储和控制，有一定的隐患，用于课堂演示稍有不便；液态燃料易得且携带方便，燃烧相对充分，若控制得当，则可以得到浅色火焰。基于以上几点因素，笔者决定选择液态燃料。

醇类燃料较为易得，考虑到甲醇的毒性，选择乙醇作为燃料。泡沫镍在无水乙醇（体积分数≥99.97%）中浸没之后最易点燃，火苗高且火焰明亮，但火焰尖端伴有明显黄色且占比较大，不适合用于焰色反应。将无水乙醇稀释成75.00%的乙醇溶液之后点燃，火焰中黄色部分占比下降，但黄色依旧明显，效果不尽如人意。再次将无水乙醇稀释成60.00%的乙醇溶液之后，点燃稍显困难，但火焰黄色几乎不见，最适合用于演示实验。

1.3 引燃方式的选择

最简单的点燃方式是用火柴点燃。在尝试用火柴引燃时笔者发现，引燃部位火苗呈现明显黄色。究其原因，是火柴木条容易不完全燃烧，造成火苗外围尤其是外焰分散很多小碳粒，当火柴靠近泡沫镍时，这些小颗粒黏附在泡沫镍上使火焰变黄。

激光点燃是一种简单方便的操作，且不担心引入新的杂质颜色，只是可用于点燃的激光能量过高，存在一定的安全风险，尤其是在课堂环境中使用时需要格外谨慎，全班学生均要佩戴护目镜，增加了一些不可控因素。

笔者最终选择“魔棒点灯”的方式点燃，由于KMnO₄中K的焰色较浅，少量K的焰色在火焰中很难被发现，因而不影响各种元素的焰色反应。当然，“魔棒点灯”的方式具有一定的趣味性，可以活跃课堂气氛，从而激起学生的求知欲。

1.4 加料方式的选择

为了简化实验步骤，笔者尝试省略溶液配制的过程，直接添加固体。然而，用药匙添加固体，不易控制药品掉落的节奏，易造成大面积固体集中掉落，非但浪费药品，而且实验效果不好。因而，具有较大表面积的钢丝球成了选择目标，利用其内部卷曲的表面携带待测样品固体，将其置于火焰之上，即可看到焰色，且将盐轻轻抖落的现象更明显。

2 实验器材及药品

烧杯、带铁圈的铁架台、镊子、钢丝球（剪成小块）、陶土网、坩埚、玻璃棒、胶头滴管、湿抹布；泡沫镍、KNO₃、NaCl、SrCl₂·6H₂O、CuSO₄·5H₂O、LiCl、CaCl₂、BaCl₂·2H₂O、浓H₂SO₄、KMnO₄、60%乙醇。

3 实验过程

3.1 引燃剂的准备

向一个干燥的瓷坩埚里加入约0.2 g KMnO₄，随后向其中滴入10滴浓H₂SO₄，可以观察到瓷坩埚里有墨绿色油状物生成，盖上盖子备用。

3.2 燃烧载体的准备

将泡沫镍剪成5.0 cm×5.0 cm×0.1 cm大小，将其置于250 mL烧杯中，再加入60%酒精溶液至刚好浸没，备用。用一把干净的镊子取出一片浸在60%乙醇中的泡沫镍，略微停顿至无大量乙醇滴下后，将其放于铁圈上。

3.3 点火观色

选一根干净的玻璃棒，将其一端蘸取少量KMnO₄和浓H₂SO₄反应后的混合物；用这一端触碰泡沫镍上吸附了乙醇的部分，强氧化剂Mn₂O₇接触到乙醇后发生氧化还原反应，放出大量的热并引燃乙醇。此时，观察到浅蓝色火焰之后，用镊子取出一个蘸有金属盐的钢丝球并置于火焰上方观察颜色变化，轻轻抖动，焰色更明显。

4 实验说明

（1） 将泡沫镍蘸取酒精之后点燃，火焰颜色非常浅，不易观察，最好关灯进行。由于酒精体积分数为60%，实验中可能会出现点燃失败的情况，这时需要用湿抹布将玻璃棒蘸有混合物的一端擦干净再蘸取引燃剂，或者用玻璃棒的另一端蘸取引燃剂重新点燃，切忌用引燃失败的一端不经处理后直接蘸取引燃剂。

（2） “魔棒点灯”的过程，涉及比较剧烈的氧化还原反应。然而，由于泡沫镍具有疏松多孔的结构，这使得附着在玻璃棒上的混合物与乙醇的接触面积相对较小。因此，尽管反应本身是剧烈的，但实际过程中并不会产生较大的危险，确保了实验的安全性。

（3） 泡沫镍作为一种多孔材料，可以吸附足够多的乙醇。一块5.0 cm×5.0 cm×0.1 cm的泡沫镍浸没在酒精溶液中取出直至无明显液体滴落时，可以燃烧20 s以上，保证了燃烧的时长和其他操作的顺利进行。平面燃烧的优点是，面积大、火苗高、现象明显，从而保证了全班学生观察时的效果。待燃烧结束后，为防止泡沫镍烫坏桌面，应将其取下放于陶土网上，直至冷却后再清洗。

（4） 用上述方法可以轻易观察到教材中提及的7种金属元素的焰色（Li—紫红色、Na—黄色、K—紫色、Ca—砖红色、Sr—洋红色、Ba—黄绿色、Cu—绿色），且不需要通过蓝色钴玻璃就可以观察到钾元素的紫色焰色。

5 结语

从火源的选取和加料方式的改变两个角度，笔者对传统焰色实验进行了有针对性的改进。利用泡沫镍蘸取60%乙醇溶液代替酒精灯作为浅色火源，减少了酒精灯黄色火焰对K和Na两种元素焰色的影响，能够让学生清晰地看到各种金属元素的焰色，在初次接触时就有较深刻的印象；改变了传统的铂丝或铁丝蘸取待测液灼烧的加料方式，使原本转瞬即逝的现象变得持久，延长了颜色出现的时间，更易于观察；直接使用固体药品，省去了配制溶液和反复洗涤、灼烧金属丝的过程，简化了实验步骤。更重要的是，“魔棒点灯”凸显了趣味性强的特点，既可以活跃课堂气氛，也可以引发学生思考，最终提高了学生的自主性，体现了化学教学实验性强的特点。

参考文献

[1] 陈定国.棉花在化学实验中的作用［J］.实验教学与仪器，1996（11）：38.

[2] 白洪海.“焰色反应”实验的改进［J］.中小学实验与装备，2005（03）：43.

[3] 高凤梅，于清江，武剑.钾元素焰色反应的新方法［J］.中学化学教学参考，2007（Z1）：65.

[4] 林绮玲.“焰色反应”的创新实验研究［J］.中学化学教学参考，2010（06）：47-49.

[5] 燕翔，王都留，张少飞，等.利用粉笔开展绿色化学实验的探究［J］.实验室研究与探索，2016，35（11）：224-226，268.

[6] 窦金雨.“焰色酒精灯”：焰色反应的实验改进［J］.化学教与学，2019（09）：78-79.

[7] 林丽璇，蒋小钢.项目式学习与“开放式”实验融合的探索与实践：以“利用氯糖反应改进焰色反应的实验效果”为例［J］.实验教学与仪器，2021，38（7/8）：30-33.

[8] 万香琴，杨宇，高和军，等.“自动化烟花”科普实验装置的制作［J］.化学教与学，2022（08）：92-93. （上接第94页）

[9] 5.2　实用且易推广

[10] 该教具具有显著的实用性和推广优势。制作材料易获取，结构设计精巧合理，操作简便易行。无论是教师自制还是学生参与制作，都无须复杂的工具和技能，使更多的学生能够参与到教具的制作和使用中来。因此，该教具非常便于在各类学校中推广应用，能够满足不同教学环境下的物理教学需求，具有广泛的适用性和推广价值。

[11] 5.3　提升多种能力

[12] 从制作到教学应用，该教具始终备受师生的关注和喜爱。其独特的设计和丰富的实践环节成功吸引了学生的兴趣，激发了他们的好奇心和求知欲，使他们乐于参与其中，积极探索和学习。例如：在教具制作过程中，学生通过观察材料与工具，锻炼了细节观察力；通过动手组装与调试，提升了实践操作能力；通过思考性能优化方案，培养了创新思维；通过小组协作，增强了团队合作精神。更重要的是，在全球倡导可持续发展的背景下，这一实践活动使学生对风能、水能发电原理有了直观认识，从而深刻理解清洁能源的价值与优势。这不仅有效提升了他们的环保与可持续发展意识，更是引导其成为具有社会责任感的未来公民的重要一环。

基金资助

河北省教育科学研究“十四五”规划“双减专项”课题“‘双减’视域下初中物理实验生活化的策略研究”(2104037)