乙醇燃烧火焰颜色变化的实验探究

叶永谦 叶一勤 叶燕珠 严业安

摘要： 针对室温下53%白酒燃烧火焰无色而无水乙醇燃烧火焰呈黄色的问题进行了探究，发现环境温度是影响乙醇燃烧火焰颜色变化的主要因素之一，提出乙醇燃烧火焰颜色变化与产物中水分子处于不同激发态有关的理论解释，并作实验验证。设计环境温度对乙醇燃烧火焰颜色影响的演示实验装置以及常见金属元素焰色反应新方案。针对教材中钾元素焰色反应的不足，设计使用氢氧化钾乙醇水溶液进行演示的新方案，肉眼可观察到明显紫色。探究过程将生活问题与化学学习相联系，充分挖掘其价值和意义，有利于培养学生独立思考、敢于质疑和勇于创新的精神。

关键词： 乙醇燃烧; 火焰颜色; 演示装置; 实验探究

文章编号： 10056629（2020）06007704  中图分类号： G633.8  文献标识码： B

在《普通高中化学课程标准（2017版）》课程目标中，“能发现和提出有探究价值的化学问题，能依据探究目的设计并优化实验方案”是对学生发展学科核心素养的重要要求[1]。生活中的经历是发现和提出问题的最直接来源，通过对生活中发现的有价值问题的探究，可以在实践活动中完成知识的建构、能力的培养，形成良好的科学素养[2]。通常情况下，一定浓度的白酒可以燃烧是常见的事实，但能发现白酒燃烧起来火焰接近无色并对其进行探究则是更有价值的化学问题。

1 问题的提出

将53%的白酒放在瓷勺中，在白天室内环境下点燃，在白酒上方放一张纸，发现纸张燃烧起来，但瓷勺上方并未见到有明显火焰。53%的白酒燃烧火焰接近无色，浓度更高的乙醇燃烧火焰有没有颜色？为了探究该问题，将等体积的53%白酒和无水乙醇在相同条件下点燃，发现53%白酒燃烧时火焰在光亮条件下无明显颜色，在黑暗环境下为蓝色;无水乙醇燃烧，不论在光亮条件还是黑暗环境下，火焰均为明显的黄色。为什么上述中等浓度乙醇（白酒）燃烧呈现微弱的蓝色火焰（光亮条件下接近无色），高浓度的乙醇燃烧却呈现黄色火焰？

上述白酒燃烧的火焰在光亮条件下只有微弱的蓝色（几乎看不到颜色），只有在黑暗条件下可以看到明显的蓝色。如果将便携式丁烷喷枪点燃，其火焰在光亮条件下则呈现明显的蓝色。都是蓝色火焰，为什么一种在黑暗条件下才能明显观察到，而另一种在光亮条件下就可以观察到？

2 乙醇燃烧火焰颜色变化的理论解释及验证

关于不同光线条件下呈现两种蓝色火焰的问题，经过文献查阅，发现这两种火焰有联系又有区别： 相似之处在于，乙醇、丁烷等可燃液体，都有一定的挥发性，当这些可燃液体挥发出的蒸气和空气混合并与火源接触就可能发生瞬间燃烧即“闪燃”，闪燃时通常都呈蓝色火焰[3]。不同之处在于，上述酒精在瓷勺中的燃烧属于“蒸发燃烧”，纯氢气在导管口引燃属于“扩散燃烧”，而酒精喷灯、丁烷喷枪中的燃烧属于“预混（混合）燃烧”[4]。

关于不同浓度乙醇溶液燃烧出现不同火焰颜色的问题，李成国[5]认为： 光线波长、能量和火焰的颜色关系如图1所示，能量越高，光线的波长越短，火焰的颜色呈现从红色到紫色的变化规律。陈云生等[6]在“氢气燃烧火焰颜色的探讨”一文中认为，氢气燃烧外焰呈黄色与生成的水分子有关。温度越高，处于激发态的水分子越多，由辐射产生的光谱越强，红色带越明显，与氢焰中的蓝色带谱互补成橙黄色。由于乙醇燃烧也有水分子生成，可以推测其燃烧火焰颜色的变化原因与氢气相似。

基于以上解释，可以推测不同浓度乙醇燃烧火焰出现颜色变化可能的原因如下： 中等濃度乙醇燃烧火焰呈蓝色，随着乙醇浓度的增大，燃烧后环境温度升高，导致处于激发态的水分子越多，由辐射产生的光谱越强，红色带越明显，与蓝色带谱互补成黄色。为了验证以上推论，从火焰颜色的重叠、环境温度的改变等对火焰颜色的影响进行验证。

2.1 重叠两种颜色的火焰进行验证

按照陈云生等老师的解释，是蓝色的火焰和红色的火焰重叠在一起才看到黄色的火焰。因乙醇燃烧有蓝色火焰却无法观察到红色火焰，基于蜡烛和乙醇都是含氢燃料，燃烧后均有水蒸气生成，为了验证这个解释，选择彩焰蜡烛进行验证。点燃蓝色、红色两支彩焰蜡烛（可网购），燃烧后将两种火焰混在一起，在光亮条件下看到的火焰中确实有黄色的成分。在黑暗环境下，黄色更加明显。

2.2 改变环境温度进行验证

由于水分子存在多种振动高激发态[7]，温度升高，水分子处于更高的激发态。按照以上推测，无水乙醇蒸发燃烧火焰为黄色，丁烷喷枪预混燃烧火焰在黑色背景下蓝色外围出现明显紫色，说明两种燃烧状态导致水分子处于不同的激发态，后者的激发态更高。当环境温度降低时，水分子从较高的激发态变为较低的激发态，火焰的颜色将发生改变。为了验证该推论，将丁烷喷枪点火后罩上双层玻璃杯（夹层中装水，温度为20℃），火焰出现黄色。紫色火焰在环境温度降低时可以变为黄色火焰，黄色火焰遇到更低的温度会转化为蓝色火焰吗？为了验证以上推测，往双层平底烧瓶的外夹层中注入水，放入冰箱冷冻结冰（温度为0℃），然后将丁烷打火枪点火后伸入该烧瓶内。打火枪点燃后火焰在空气中呈黄色，当移入到夹层结冰的烧瓶内部时，火焰迅速由黄色变成蓝色（黑暗条件下）。

以上实验，不断降低环境温度，燃烧火焰颜色从明亮的蓝色变为黄色，再由黄色变为微弱的蓝色。可以推断，包括氢气、乙醇、丁烷等燃烧的产物中有水分子生成，其燃烧火焰颜色的变化均与环境温度有关。环境温度高，水分子处于高激发态，火焰呈现蓝色与紫色的混合颜色，由于紫色在光亮条件下较难观察到，肉眼观察到的主要为蓝色（如丁烷喷枪的预混燃烧）;环境温度降低到一定程度，水分子处于较低的激发态，火焰呈现蓝色和红色的混合颜色，肉眼观察到主要为黄色（如无水乙醇的蒸发燃烧）;环境温度再降低，水分子未能出现激发态，此时火焰呈现出本来的颜色即微弱的蓝色（如中等浓度乙醇水溶液的蒸发燃烧）。

3 环境温度对乙醇燃烧火焰颜色影响的演示装置的设计

利用以上环境温度对乙醇火焰颜色影响的结论，通过控制燃烧的环境温度，使水分子尽量少转变为激发态，可以设计出环境温度影响乙醇燃烧火焰颜色的演示装置。

3.1 装置的组成及设计意图

演示装置由双层三口平底烧瓶（玻璃仪器，可网购）、温度传感器等组成，其中双层烧瓶的外筒装室温下的水，用于吸收乙醇燃烧时产生的部分热量，达到降低环境温度、减少激发态水分子的目的。使用三口烧瓶的原因在于保证乙醇可以接触到足够的空气顺利燃烧，但又不是完全露置在空气中，通过控制其与氧气的接触空间防止燃烧太剧烈，导致环境温度过高。温度传感器放入外筒，用于显示乙醇燃烧导致的温度变化。作为对照，另使用铁盒盛装少量无水乙醇露置在空气中燃烧。具体装置如图2所示。

3.2 实验步骤及现象

使用该装置时，先往双层烧瓶的外筒中加满常温下的水，将温度传感器插入外筒的水中。往双层烧瓶的内筒及铁盒中均添加5毫升无水乙醇，并将两处乙醇点燃。观察现象，发现铁盒中无水乙醇燃烧火焰为黄色，而双层烧瓶中的无水乙醇燃烧火焰基本无色（光亮环境下）或蓝色（黑暗环境中），可以直观对比环境温度对乙醇燃烧火焰颜色的影响。随着内筒乙醇燃烧的进行，温度传感器显示的温度不断升高（从室温至100℃），外筒的水逐渐沸腾起来，在光亮条件下无水乙醇在内筒燃烧时火焰接近无色不方便观察，通过温度的显示和水的沸腾，可以感受到乙醇在燃烧。

4 焰色反应演示实验新方案的设计

关于焰色反应，教材中的演示因直接使用酒精灯中的高浓度乙醇，灯焰的黄色对焰色反应的演示产生较大的干扰[8]。为了得到更明显的焰色效果，一般要满足三个条件： 一是热源火焰尽量接近无色;二是火焰温度要足够高，使金属离子受热熔融、气化、离解、激发，才能产生焰色;三是参与焰色反应的金属元素要达到一定量。对于焰色反应实验的改进已有较多研究[9～12]，不过大部分都是从仪器的改进入手。基于以上研究结果，可以从药品的角度，设计出更加简便的焰色反应演示新方案。

4.1 常见金属元素的焰色反应演示新方案

由于中等浓度的酒精燃烧火焰是近于无色的，可以作为焰色反应的热源。但金属氯化物一般难溶于无水乙醇，在中等浓度的乙醇水溶液中的溶解度也不大。为了使更多的金属离子参与焰色反应，可以先配制金属氯化物的饱和水溶液，再加入等体积的乙醇，此时部分金属氯化物以细小的颗粒析出。为了让温度迅速升高，选用铁盒作为盛放液体的容器。由此，常见的金属元素焰色反应的演示实验方案可以设计为： 取一定体积（一般选择5毫升）蒸馏水，加入金属氯化物溶解配成饱和溶液，再加入等体积无水乙醇，充分混合后立即倒入铁盒中点燃，即可观察到明显的焰色。此方案与教材中使用红热铂丝蘸取待测物在酒精灯火焰上灼烧的演示方案相比，仪器更简单、步骤更简洁、现象更明显。

4.2 钾元素焰色反应演示新方案

教材中钾的焰色要透过蓝色钴玻璃才能看到紫色[13]，高应奇老师[14]认为： 透过钴玻璃片观察到的颜色不可能与本来颜色相同;实验室的蓝色钴玻璃片肯定略带浅紫色，所以透过它看到的许多金属元素的颜色都略显紫色。为了验证高老师的观点，点燃多种不同颜色的彩焰蜡烛，透过蓝色钴玻璃观察火焰的颜色，结果发现透过蓝色钴玻璃看到的不同火焰的颜色并无大的差别，均显示出淡淡的紫色。说明透过蓝色钴玻璃看到紫色火焰的真实性下降，使用这种方法检验钾元素确有欠妥之处。

如果不用蓝色钴玻璃片，采用以上常见金属焰色反应新方案，效果还是不够明显。即配制氯化钾饱和水溶液，再加入等体积的乙醇混合后点燃的方案还存在不足： 由于氯化钾在该混合液中溶解度不大，容易沉淀下来，导致钾的紫色在光亮条件下较难观察到。基于以上中等浓度（30%～73%）乙醇燃烧火焰在光亮条件下无色，且氢氧化钾在乙醇中的溶解度较大（28℃时溶解度为38.7g）的事实，可以设计出演示钾元素焰色反应的新方案： 将氢氧化钾溶解在无水乙醇中达到饱和，再用等体积的蒸馏水稀释，混合后置于试剂瓶中待用。使用时取10mL该溶液于铁盒中（鐵盒中放一团脱脂棉花），点燃，无需蓝色钴玻璃片即可用肉眼观察到明显的紫色火焰。上述方案中之所以不配制氢氧化钾饱和水溶液再加入等体积的无水乙醇混合，原因在于氢氧化钾在水中溶解度太大，配成饱和水溶液再加入无水乙醇，溶液变为粘稠状，燃烧时间短，还浪费大量药品。

以上探究是基于对生活中的白酒燃烧火焰颜色的观察提出的有价值的问题，得出环境温度是影响火焰颜色的主要因素之一，并提出理论解释，运用探究的结果设计出环境温度对乙醇燃烧火焰颜色影响的演示装置、金属元素焰色反应的演示新方案。探究过程中，对文献中关于乙醇类可燃液体燃烧火焰颜色的理论解释、教材中钾元素焰色反应演示实验进行实证研究，发现文献及教材中确实存在可改进之处，并提出新的理论解释和新的演示方案，充分体现了“独立思考、敢于质疑和勇于创新”的核心素养，展示了化学学科的独特价值和魅力。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 5～6.

[2] 吴晗清， 肖美超. 联系生活的化学教学研究[J]. 化学教学， 2016， （4）： 3～7.

[3][5] 李成国. 对几个化学教学实际问题的思考[J]. 中学化学教学参考， 2010， （9）： 38～40.

[4] 王程杰. 燃烧条件3+1 [J]. 化学教学， 2016， （1）： 49～54.

[6] 陈云生， 赖辉煌. 氢气燃烧火焰颜色的探讨[J]. 化学教育， 1987， （3）： 50～52.

[7] 李远军. 水分子的振动高激发态理论研究[J]. 四川师范大学学报（自然科学版）， 1996， （6）： 75～80.

[8][13] 王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书？化学1 [M]. 南京： 江苏教育出版社， 2009.

[9] 陶慧玲. 焰色反应实验的新设计[J]. 化学教学， 2018， （3）： 64～66.

[10] 林建芬， 陈秋伶， 刁卓， 钱扬义. 基于STEAM理念的焰色反应实验改进[J]. 化学教学， 2017， （8）： 65～67.

[11] 李健荣. 焰色反应的实验改进[J]. 化学教学， 2016， （12）： 59～60， 76.

[12] 束婷婷， 丁伟. 概念辨析及趣味焰色反应实验的设计[J]. 化学教学， 2016， （6）： 57～59.

[14] 高应奇. 对观察钾的焰色反应方法的质疑与建议[J]. 化学教育， 2000， （5）： 37.