雾化焰色反应示范装置

黄德忠

研究背景

在各种节日中，我们经常见到烟花表演，其原理是焰色反应原理。日前，焰色反应由以往的高中课程调整至现在的初中课程，由此可见其重要性。香港中学文凭考试的焰色考试范围包括钾、钠、钙、铜4种金属化合物，并需使用铂丝、浓盐酸及本生灯进行测试。传统焰色测试是把铂丝浸于浓盐酸中彻底清洗，再蘸上金属盐，金属盐放置在本生灯的火焰中吸收能量后激发出独特光谱。但此法需使用昂贵的铂丝，浓盐酸会挥发刺鼻气体，焰色光芒瞬间即逝，钠与钙的焰色较难分辨。虽然有人尝试改良示范方法，但都需要经过复杂的前处理才能进行。

随着科技的发展，超声波雾化器的体积大大缩小，令我产生了以超声波雾化器雾化金属盐溶液于本生灯内燃烧这一想法，此方法既便宜环保又简单安全。

焰色反应原理

许多金属或它们的化合物在火焰上灼烧时都会使火焰呈现不同的颜色，这称为焰色反应，焰色反应是检验金属元素或金属阳离子最简单的一种方法。当燃烧时，不同金属原子会释放波长不同的光，产生不同的光谱。利用不同元素的光谱，我们不仅可以鉴别元素，还可以发现新的元素。根据这个原理，现代化学分析测试中用原子吸收光谱确定物质中含有的金属元素。

制作过程

简单的雾化装置做焰色反应的可行性测试

超声波雾化焰色测试原理：利用电子高频振荡（振荡频率为1.7 MHz或 2.4 MHz）令陶瓷雾化片产生高频振荡，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾。金属盐溶液经雾化后，水滴体积变得非常细小，在本生灯火焰中吸收能量分解为金属原子并被激发，最后放出其特定波长的可见光辐射，出现不同的火焰颜色。

制作材料：超声波振荡片、超声波振荡模块、塑料药瓶及开孔的胶盖。

制作过程：在胶盖上开1个直径约5 mm的小孔，用热熔胶把超声波振荡片粘贴于开孔的胶盖上，把振荡片接线连接于超声波振荡模块上。

测试：①把0.1 mol/L钾盐溶液加到塑料瓶内，接上雾化器电源，把喷雾对准本生灯火焰上端，则雾化器的喷雾令本生灯出现紫色火焰。②把硫酸铜溶液加到塑料药瓶内，接上雾化器电源，把喷雾对准酒精灯火焰上端，则雾化器的喷雾令酒精灯出现绿色火焰。

结论：结果显示了钾元素的紫色火焰和铜元素的绿色火焰，雾化令整个过程十分有效率，所以也能用较低温的酒精灯测试焰色反应。

制作适合示范焰色反应的雾化装置

装置由液体储存装置、雾化片及无线电源感应线圈模块组成。

液体储存雾化装置由亚克力胶盒、亚克力胶片、超声波雾化片制作而成。制作过程为：先在胶盒及胶片的相应位置钻孔，把雾化片夹于胶片与胶盒间并用螺丝收紧。

无线电源感应模块由无线电源电感发射线圈与模块、无线电源电感接收线圈与模块、超声波振荡模块组成。制作过程为：把电感接收线圈贴于胶盒底部并与超声波振荡模块连接；把雾化片连接到超声波振荡模块上；把雾化器胶盒与电源电感装置胶盒用胶纸粘在一起成为一个电感雾化器。

无线电源电感发射制作过程：把电源感应发射线圈安装于塑料瓶瓶盖里，把电池及电源模块安装于塑料瓶内并连接至发射线圈。

测试电感雾化器：把电感雾化器放于塑料瓶上方，雾化器胶盒内的线圈感应到下方发射线圈的电磁场而产生电压，提供给超声波振荡模块；雾化片的高频振荡令钾盐溶液雾化，钾离子的焰色不需要透过蓝色钴玻璃也可以看清楚。

结论：电感雾化器只使用数毫升盐溶液也能运作；喷雾可直接导送至本生灯的进气口，减低被吸入的風险。

制作能自动重复示范6种金属化合物的焰色反应装置

装置分旋转装置、超声波电感雾化装置、电源感应供电装置、显示装置4部分。

旋转装置由亚克力胶盒、亚克力胶板、太阳能板、转台、可变电阻组成。制作过程为：胶盒钻孔后安装连接太阳能板、可变电阻及转台机芯，用激光切割机把亚克力胶板切割成六角形的转台面板。

雾化器：依照前述雾化装置做成的成品，重复制作6个雾化器。

电源感应供电装置：可使用雾化装置中塑料瓶电感电源发射装置。

显示装置由液晶显示屏、振荡模块、太阳能板构成。制作过程为：把太阳能板、振荡模块及液晶屏焊接，加入金属化合物化学公式纸条，用螺丝安装于塑料盒盖内；重复制作6个液晶显示盒盖。

使用方法：把六角形胶片放到转台上，把6个载有不同盐溶液的喷雾器分别放置到六角胶片6个位置上，并把电感发射装置放到六角胶片的适当位置下；开启转台开关并调节转速；预备本生灯；开启电感电源发射装置开关。

结论：转台自动旋转，当各喷雾器转至电感发射器上方时，喷雾器被启动，并把雾化的金属盐溶液喷雾喷于本生灯火焰上产生焰色；当雾化片模块的蓝光指示灯发亮时，运作中的金属盐喷雾器透明胶盒会转蓝色，光线照射显示器的太阳能板令显示屏闪烁，因此化学公式会于胶盒面盖上闪烁。

适用范围

个别示范：可分别示范钾、钠、钙、铜4种金属化合物焰色。

比较示范：因钠与钙的焰色比较接近，使用2个雾化装置可于同一时间显示钠与钙的焰色反应，方便学生比较。

引证示范：可用于比较氯化钠与碳酸钠，氯化钾与碳酸钾，氯化钙与硝酸钙的焰色是否分别一致，以证明焰色是出自金属元素的阳离子。

焰色竞猜或考核：喷雾器换上数字盒盖，学生通过观看焰色写出对应的金属元素，用以检验对所学知识的掌握程度。

自动化操作展览示范：装置可全自动化操作，旋转雾化焰色反应装置适合用于科学展览。

此装置除了可以让学生学习化学知识外，也可借此机会让他们观察装置的结构，进而学习到太阳能转化成转台旋转的动能，观察电能可经过电感线圈无线传输给另一装置。

创新点

喷雾器可用作个别示范或用2个喷雾器组合做焰色比较示范；用6个喷雾器与自动转台配合，可用作焰色引证示范、焰色考核、焰色竞猜游戏；自动化操作非常适用于科学推广展览活动；雾化焰色反应不需使用昂贵的铂丝、浓硫酸，化学品消耗也较少，较传统方法便宜、环保；雾化后的焰色容易观察，比传统方法更适合教学用途及展览示范，且更有效率。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该装置针对现有中学化学教学实验手段的缺陷，利用感应电能传输、超声雾化、持续喷雾燃烧等技术，将过去转瞬即逝的金属离子焰色现象持久、稳定、清晰地呈现出来，显著提升了教学效果。建议进一步扩大作品对金属离子的适用范围，使作品功能更加完善。■