臺灣化學教育

微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒

賴亭伶^1, *、陳斾玎²

¹國立中興高級中學

²國立花蓮女子高級中學
*[email protected]

n  前言

介紹高中基礎化學（一）第2章原子中電子的排列（依據102微調版課程綱要基礎化學（一）第2章原子中電子的排列；107新課程綱要高中化學必修內容）時，總是會提到能階與電子躍遷，並討論這個過程中不同元素會放出不同色的光，即為絢爛煙火的發光原理。單純口頭講解對學生而言依然抽象，本文想以仙女棒的概念出發，透過在線香上附著不同成分金屬鹽類，製造彩色焰色棒，讓學生可透過肉眼看到顏色，進而理解煙火的發光原理。

n  焰色的原理

原子中的電子會存在於原子核外不同能階，最穩定時的狀態稱為基態（ground state），當原子吸收能量後，其電子會被激發至更高能階，稱為激發態（excited state），此時的電子處於不穩定狀態，會以電磁波之形式釋放能量，最後回到基態，整個過程稱為電子躍遷（electronic transitions）。

透過儀器測量出電子躍遷的電磁波波長(或頻率)並依照大小順序排列，可以繪製出光譜，並以波長大小區分為紫外光譜、可見光譜、紅外光譜。當躍遷過程的波長處於可見光範圍時，就變成我們肉眼看到的顏色。不同原子（或離子）其原子核外能階間能量差不同，發生電子躍遷時放出的可見光顏色亦不同，因此可以藉此顏色判別所含有元素種類，即為焰色試驗（flame test），這也是煙火具有不同顏色火花的原理。

一般的焰色試驗會將待檢測樣品放在惰性金屬絲（例如金）上，以本生燈（藍色火焰）加熱，由於樣品中雜質常含有鈉元素（其焰色為黃色），會干擾觀察，因此焰色試驗會使用鈷藍色玻璃來過濾掉黃光，使樣品的焰色能清晰地呈現。

本實驗結合煙火的構想，從仙女棒出發，摻入不同鹽類或離子，製作可放出不同色光的五彩焰色試驗棒。為減低黃光的干擾，本實驗的部分照片會以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝。

n  藥品與材料

1.        藥品：硝酸鉀（KNO₃）、鎂粉（Mg powder）、氯酸鉀（KClO₃）、氯化銅（CuCl₂）、氯化鈉（NaCl）、氯化鍶（SrCl₂）、硫酸銅（CuSO₄）、氯化鋇（BaCl₂）

2.        材料：線香、糯米漿糊

3.        器材：刮勺、硏缽、攪拌棒、手套、打火機

n  設計構想

參考市面上仙女棒中含有的成分（硝酸鉀、氯酸鉀、硝酸鋇、鎂粉、鐵粉、鋁粉、碳粉），我們想設計出簡易且微量的彩色仙女棒。經過測試，發現除了主要燃料硝酸鉀和氯酸鉀外，金屬粉末鎂粉、鋁粉及鐵粉，燃燒時可以產生火花和白光等效果，由於本實驗不需火花效果，且鋁粉和鐵粉燃燒緩慢，對彩色仙女棒燃燒幫助不大，因此將兩粉末刪除；雖然鎂粉可以幫助燃燒，但是劇烈的白光會干擾焰色的呈現，因此在本實驗中刪減鎂的用量。而一般仙女棒還會添加硝酸鋇、碳粉，由於此兩項成分燃燒時放出綠色和橘光亦會干擾焰色觀察，因此予以刪除。

在使粉末附著的黏著劑採用糯米糨糊，乃因其燃燒時不會如一般膠水產生難聞氣味，且較一般黏著劑使用澱粉加水配置來得方便許多。

n  製作過程

經過實驗測試，我們以硝酸鉀、氯酸鉀、鎂粉三種成份（取用的重量比為25：12：3）配製出作為焰色試驗棒燃燒基底之混合物質（底下簡稱為基底），並且呈現焰色的鹽類與此基底，以重量比1：1混合。表一為各種焰色燃燒物含有之成分整理，表一內的藥品量約可製作3~5枝五彩焰色試驗棒。

表一：焰色試驗棒的成分含量比例

微量的五彩焰色試驗棒的製作步驟如下：

1.        基底部分：秤量基底的藥品並均勻混合，如圖一所示。（注意：混合成分含有硝酸鉀，故製作步驟中所有混合過程盡量以攪拌代替研磨）

圖一：基底的藥品(從左至右分別為硝酸鉀、氯酸鉀及鎂粉，硏缽內為三者粉末混合)

2.        摻入各種焰色之成分：準備五杯不同的焰色鹽類粉末4克，並與4克的基底混合（見圖二），小心將各杯拌勻。

圖二：五種不同成份焰色粉末與基底

3.        目測線香將長度大致分為五個等分，每次只用糯米糨糊塗在一等分的線香上。輕灑第一成份（如氯化鈉）的粉末使其附著於線香上，稍微用刮勺壓實粉末，如圖三所示。本實驗可以使用一般長度線香，亦可選用市售較短、較小之線香，減少藥品用量。

圖三：粉末用糯米糨糊塗抹在線香上

4.        重複步驟3，繼續均勻地塗抹其他四種焰色粉末在其他四等分線香上。（注意：在塗抹過程中，兩成份間不可留有空隙，以免燃燒不連續。）

5.        放置塗抹完成之焰色試驗棒，小心擺放使其乾燥。乾燥後的五彩焰色試驗棒成品，如圖四所示。

圖四：五彩焰色試驗棒成品

6.        用打火機點燃焰色試驗棒，觀察其焰色。若焰色與理論不一致，則用藍色玻璃紙貼在眼鏡的鏡片上，隔著一層濾光紙，再觀察其焰色；或用藍色玻璃紙包覆相機的鏡頭，再拍攝其焰色，如圖五所示。

圖五：用藍色玻璃紙包覆相機的鏡頭拍攝焰色

n  結果與討論

等待焰色試驗棒完全乾燥後，在暗室中用打火機點燃。由於氯化銅、硫酸銅及氯化鍶的焰色不如預期，這三者的焰色都受到干擾，因此使用藍色玻璃紙作為濾光工具觀察。五彩焰色試驗棒的焰色如圖六所示。

  

  

圖六：五彩焰色試驗棒的焰色（由上而下，由左而右）：黃色（含氯化鈉）、紅色（含氯化鍶）、青綠色（含氯化銅）、藍綠色（含硫酸銅）、綠色（含氯化鋇），其中後三者（氯化銅、硫酸銅及氯化鋇）以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝到的焰色。

一般試驗拍到或看到硫酸銅的焰色為藍綠色，這可能是硫酸銅的成分不純含有鈉離子，以致拍到或看到為藍綠色的焰色。本實驗使用藍色玻璃紙作為濾光工具，拍到為純藍色，而不是藍綠色，這可能是鈉離子的黃光被藍色玻璃紙吸收，而拍攝到為純藍色的焰色。

n  廢棄物處理和安全注意事項

l  因為實驗藥品中含有硝酸鉀粉末，有燃燒之危險，所以實驗過程中如需將藥品混合，則盡量以攪拌代替研磨。

l  為防止吸入粉末狀藥品，製作過程應全程配戴口罩。

l  完成之焰色試驗棒成品要以自然方式風乾、曬乾，使糨糊乾燥後才可點火燃燒，避免焰色試驗棒中含有水分造成燃燒不易。

l  為防止火花危險，點燃焰色試驗棒時，應戴麻布手套。

n  焰色試驗棒之特點

l  準備器材簡單，操作容易。

l  藥品只需少量，即可做出多支仙女棒。

l  用線香取代金屬支架可減少燃燒後金屬的殘留，減少環境污染。

l  仙女棒輕便又方便攜帶，可在實驗室內、教室內或戶外操作。

l  點燃仙女棒時會發出不同的焰色，可加深學生對於不同物質進行電子躍遷放出不同顏色可見光之概念。

n  教學提示

l   上課時間：教師展示實驗：約5分鐘；學生觀察與討論結果：約10分鐘；實驗解說與概念統整：約15分鐘；電子排列觀念延伸講解：約20分鐘。

l   本實驗可配合基礎化學（一）第2章原子中電子的排列單元實施。本實驗亦可提供107課程綱要（草案）中的學習內容「CAa-Ⅴc-3元素依原子序大小順序，有規律的排列在週期表上」，教師可以演示本實驗說明。

l   本實驗可配合教師講解能階的概念後實施，透過學生討論加深對能階與能量不連續等抽象概念之理解，並引導其思考電子排列的觀念。

l   此實驗由於藥品種類較多、操作偏重複，且完成之焰色棒需要放置於通風處一段時間使其完全乾燥才可點燃，因使適合作為課堂演示而非學生操作。若要讓學生動手製作，應於實驗室中進行，且應該穿實驗衣並做好適當防護措施。

n  結語

化學是一門探究物質的實驗科學，而化學實驗在化學學習中相當重要，藉由簡易的生活化實驗活動能有效增進學生學習動力。目前實驗課在高中實施的情形並不理想，其主要原因不外乎課堂時間不夠、實驗設備不足、課程繁重、升學的壓力等因素。因此，縮短實驗所需時間、節省藥品消耗、給學生親自動手做實驗的機會，引起學生學習興趣並增進對化學原理、現象之了解，進而提高學生學習化學之動機與對科學之興趣。

期望透過本實驗簡單動手製作簡易的仙女棒，並與日常生活現象做連結，讓學生實際印證課堂學習到的知識，進而讓新舊知識產生連結以增進其對科學的興趣。

n  學生實驗手冊

下載本微量實驗的學生實驗手冊—「製作五彩焰色試驗棒」。