微量化學實驗:製作五彩焰色試驗棒 / 賴亭伶、陳斾玎

星期二 , 28, 六月 2016 Leave a comment

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
*jamielai@mail.chsh.ntct.edu.tw

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25123)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11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

焰色成分

藍綠

含有成份

氯化鈉4

氯化銅4

氯化鍶4

硫酸銅4

氯化鋇4

基底重量

硝酸鉀2.5克、氯酸鉀1.2克、鎂粉0.3克(總重4克)

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)

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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。

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圖六:五彩焰色試驗棒的焰色(由上而下,由左而右):色(含氯化鈉)紅色(含氯化鍶)綠色(含氯化銅)藍綠色(含硫酸銅)(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-c-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」。

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