请按此连结,参阅「用固态燃料锭演示焰色试验〔I〕」

原理和概念

● 焰色试验(Flame test)係利用不同的元素受热产生不同波长的放射光谱(emission spectra),化学上用于检测某些金属离子存在的方法。测试样品以不发光的火焰对元素或化合物加 热,并观察颜色的效果。通常,样品固定在用盐清洗多次的铂丝上,有时也用镍铬合金丝。有人建议使用棉花棒(cotton swab)或三聚氰胺泡棉(melamine foam)(可用橡皮擦取代泡棉)作为支撑物。本示範实验有别于上述方法,採用固态燃料锭作为支撑物和加热源。钠是在许多化合物中常见的成分或污染物,其 焰色试验往往支配其他元素,通常用钴蓝色玻璃过滤掉黄色的钠焰色,而更容易观看到其他金属离子。

● 一些常见的金属及其相应的焰色试验的颜色,如表一所示:

表一  常见的金属的焰色试验颜色
化学示範实验:用固态燃料锭演示焰色试验(Flame Test资料来源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test

● 焰色试验係利用化学元素或化合物的发射光谱,是藉由元素的原子或化合物的分子,当不同的化学元素或化合物受热从较高的能量状态返回到较低的能量状态,而放射不同的电磁辐射波长的光谱。以下是本示範实验使用的三种盐类之放射光谱,钙盐(如氯化钙)呈橘色,铜盐(如氯化铜)呈绿色,锶盐(如氯化锶)呈红色,如图八所示。

化学示範实验:用固态燃料锭演示焰色试验(Flame Test

图八 钙盐(上)、铜盐(中)和锶盐(下)的放射光谱 图片来源:Flame Coloration by Element, http://webmineral.com/help/FlameTest.shtml

● 烟火的颜色是由加热的金属盐类,如氯化钙或硝酸钠,发出特殊的颜色。当每个元素的原子吸收能量后,会释放能量以特定颜色光的形式呈现。吸收能量的原子重新 排列其电子从基态上升到激发态。较高能量的激发态电子以光的形式释放到较低的能态,最后回到基态。释放的能量决定光放射的颜色。例如:当硝酸钠被加热时, 钠原子的电子吸收热能并成为激发态,这种高能量的激发态持续时间不长,并迅速地释放出能量,约200 kJ/mol,这能量是黄色光。不同元素的激发态会释放出不同的能量,亦即会放射不同的特定波长的光。高的能量相当于较短波长的光,其颜色位于紫/蓝色区 域的可见光谱。低能量相当于较长波长的光,其颜色位于在橙/红区域的光谱。烟火的颜色和使用的金属盐类以及其相应的波长,如表二所示:

表二  烟火的颜色和金属盐类以及其相应的波长

化学示範实验:用固态燃料锭演示焰色试验(Flame Test注:中刮号内的波长係引用资料来源(2)。
资料来源:(1) Fireworks! http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/fireworks/fireworks.htm and (2) What salts change the colour of flames? http://stason.org/TULARC/science … lour-of-flames.html

● 德国Esbit公司的固体燃料锭,是露营、军事专用的加热源之一,外观是白色的固体,其中主要的成分为六亚甲基四胺 (hexamethylenetetramine)和1,3,5-三聚甲醛(1,3,5-trioxane),燃烧时不产生黑烟,高能量密度,而且燃烧时 几乎没有味道。

六亚甲基四胺的分子结构式是对称的四面体形,四个顶点为四个氮原子,是一个与金刚烷结构类似的多环杂环化合物,分子式为C6H12N4。六亚甲基四胺与金刚烷(adamantane)的结构,如图九所示:

化学示範实验:用固态燃料锭演示焰色试验(Flame Test

图九 六亚甲基四胺(左)和金刚烷(右)的结构式

1,3,5-三聚甲醛(1,3,5-Trioxane)是一种白色的结晶体,分子式为C3H6O3,味道类似氯仿,可用来当作在实验室中的甲醛稳定来源,在酸中会水解成甲醛,它可为聚醛树脂的原料,其结构式,如图十所示:

化学示範实验:用固态燃料锭演示焰色试验(Flame Test

图十 1,3,5-三聚甲醛的2D和3D结构式

教学提示

● 若自製焰色用固态燃料锭,则1,3,5-三聚甲醛的比例不宜太高。这是因为1,3,5-三聚甲醛的熔点较低,受热会融化,致使燃料锭在燃烧过程中容易崩解、散开。

● 使用塑胶针筒当作简易的压锭器,施力不易,以致燃料锭不够紧实。改善之道为于研钵中用喷雾罐喷入少量的酒精,以帮助燃料锭更紧密,或利用槓桿原理自製压锭器(可仿造钉书机原理)。

● 1,3,5-三聚甲醛有轻微的刺激臭味,对呼吸道有刺激性(燃烧时,因燃烧完全,气味很淡),示範实验宜在通风处或排烟柜内进行。

● 提醒示範者:现场演示示範实验所展现的变化现象的临场感,以及激发互动讨论的教学效果,比单纯的播放影片好很多。

● 这个示範实验所使用的器材有些可重複使用,清洗乾净后,装在一个标示「用固态燃料锭演示焰色试验」或放在相似主题的置物箱中备用。

问题与参考答案

1. 若固体燃料不加入任何盐类,燃烧时的颜色为何?

答:固体燃料火力强大,几乎完全燃烧,焰色呈现淡蓝色。

2. 在盐类受热的过程中,发生剧烈的反应,其间涉及什幺化学反应和原理?

答:以氯化锶为例,当固体的氯化锶受热时,首先失去结晶水。继续加热时,固体的无水氯化锶会熔化成为液体,接着气化成为气体。然后气体的氯化锶分解成为气体的锶和氯气,锶原子的电子受热由基态变成激发态,激发态再回到基态并辐射发光。涉及的反应简述如下:
(1) 失去结晶水:SrCl2•6H2O(s) + heat → SrCl2(s) + 6H2O(g)
(2) 固体变成液体再变成气体:SrCl2(s) + heat → SrCl2(l) → SrCl2(g)
(3) 分解反应:SrCl2(g) + heat → Sr(g) + 2Cl(g)
(4) 电子基态变成激发态:Sr(g) + heat → Sr*(g)
(5) 电子激发态变成基态:Sr*(g) → Sr(g) + light

3、钙原子的放射光谱线在560 nm和640 nm附近有较强的放射谱线,试问两条谱线的能量比约为多少?

化学示範实验:用固态燃料锭演示焰色试验(Flame Test

安全

● 製作及演示时,最好戴手套和安全眼镜。
● 焰色实验燃料锭的製作过程有高度的危险性,适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

● 演示后的残渣,可加入少量水溶解,不可直接沖洗,倒入水槽而污染环境,应该倒入「无机物」废弃桶中回收处理。

参考资料

1. Flame test, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test.
2. Emission Spectra of the Elements, http://jersey.uoregon.edu/vlab/elements/Elements.html.
3. http://webmineral.com/help/FlameTest.shtml.
4. Fireworks! http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/fireworks/fireworks.htm.
5. What salts change the colour of flames? http://stason.org/TULARC/science … lour-of-flames.html.
6. Hexamine fuel tablet, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Hexamine_fuel_tablet.
7. Hexamethylenetetramine, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Hexamethylenetetramine.
8. 1,3,5-Trioxane, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/1,3,5-Trioxane.
9. 焰色试验法,高瞻计画资源平台,http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=3504。
10. VARGO Triad Alcohol Stove酒精炉(含Esbit固体燃料),朱雀的鸟窝,http://rvcamp.biz/428。

你会喜欢下面的文章? You'll like the following article.