发现身边的化学，激发实验的乐趣——巧用微型雾化消毒机改进焰色试验

张海霞 任雪明

（南浔高级中学 浙江 湖州 313000）

一、研究背景

教材中演示的常规焰色试验的实验操作方法效果不好的主要原因有以下几方面：①酒精灯的火焰温度偏低，外焰最高仅达500 ℃，使Ca2+、Ba2+等需要较高温度才能激发的离子的焰色无法呈现；②酒精灯的火焰因燃烧不充分会产生明显黄色，会干扰一些金属离子的焰色，不利于学生鉴别金属离子，实际只能较明显地观察到铜元素的焰色；③实验采用的铂丝蘸取的金属离子的盐溶液量极少，金属离子的焰色呈现的时间较短，进而增加现象观察的难度。

三年抗疫，各种消毒产品层出不穷，其中一种手持雾化消毒机引起了我的注意，其原理很简单，就是将酒精、次氯酸等消毒液加在微型雾化器中，通过“聚喷大雾”的方式进行精准、大范围消毒。这令我们产生了以微型超声波雾化器雾化金属盐溶液去改进焰色试验这一想法。

二、焰色试验改进方案

1.改进方向

（1）选择合适燃料

由于酒精灯火焰存在诸多弊端，寻找新的燃烧方式是实验成功的关键。19世纪中叶，德国著名化学家本生设计制造了本生灯，它使煤气燃烧时产生几乎无色的火焰，温度高达1 000多摄氏度。显然，这是焰色试验的理想火焰，但是本生灯和煤气的燃烧方式存在一定的危险性，且不适合学生分组实验。

除此之外，甲醇燃烧火焰为淡蓝色，但甲醇挥发对人体有害，而酒精因为浓度大，含碳量更高而不能充分燃烧导致火焰呈黄色。若降低酒精的浓度，则能改变火焰的颜色。通过实验得到：不同浓度的酒精燃烧时火焰颜色、高度的确有所不同。

表1 不同浓度的酒精燃烧现象一览表

综合考量后，我们认为浓度在70%左右的酒精做实验最为合适。那么75%左右的消毒酒精就是现成的优良选择，可以省去复杂的前处理。但消毒酒精溶液火焰大，易打翻、溅出引起火灾，且挥发快，燃烧不持久。于是另一种消毒产品——酒精凝胶型免洗洗手液成了新的选择。酒精凝胶型免洗洗手液的主要成分除了酒精以外，还有卡波姆、芦荟提取物、三乙醇胺等增稠剂、凝胶剂。燃烧时火焰大小适中，在自然光下接近无色，且燃烧时间较为持久。测试了多个不同品牌的酒精凝胶型免洗洗手液后发现：①富含芦荟提取物的酒精凝胶很难燃烧；②成分越复杂，火焰越小，燃烧时间越短。

（2）改进加料方式

已有的采用喷雾瓶对着火焰喷洒的改进方式，虽然现象明显，但因为出料量太大，火焰很容易被喷灭，酒精凝胶中也会因为残留大量金属盐溶液而出现彩色火焰的现象，无法多次重复使用，造成药品浪费。且在反复实验中发现，喷洒方式会瞬间降低火焰的温度，并不利于呈现Ca2+、Ba2+的焰色。于是我们从减少加料量、减小液滴体积两个角度出发去改进加料方式。几番探寻后，我们发现了家用手持雾化消毒机，纳米出雾，出雾速度平缓，可以有效解决我们的困扰。但新的问题又出现了，若直接使用手持雾化消毒机，一部机器只能装一种金属盐溶液，若每检测一种元素就对机器进行清洗则使实验复杂化，且需要大量溶液，实验成本太大，于是我们又将重点突破方向聚焦雾化装置的改造。

2.制作实验装置

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）令雾化片产生高频振荡，将液态水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。［2］

（1）制作材料

简易雾化装置由无线电源模块和雾化模块组成。

无线电源模块有：移动电源通用主板、5号镍氢充电电池、导线、安卓充电线、透明热缩管、塑料扎带。

雾化模块有：雾化驱动板、超声波微孔雾化片、吸水棉棒，以上零部件均可以通过网上购买，主要零部件的单价如下表所示。

表2 简易雾化装置主要零部件单价

（2）制作过程

①用透明热缩管将移动电源通用主板保护起来，露出USB输出口和安卓充电口，其中安卓充电口是给移动电源充电用的，USB输出口是放电用的；将5号镍氢充电电池按照正负极方向放主板上，用塑料扎带固定住；再用导线焊接充电电池和移动电源主板的正负极。②将雾化驱动板和超声波微孔雾化片连接在一起（一般是一套组合出售的），雾化片可以多准备几个替换使用。③用安卓充电线连接无线电源模块和雾化模块。④准备多个吸水棉棒，写上元素符号备用。

图1 无线电源模块

图2 雾化模块

图3 吸水棉棒

3.实验药品

70%酒精凝胶型洗手液、表面皿、氯化钾、氯化钠、氯化钡、硫酸铜、氯化钙等物质。

4.实验步骤

（1）配制氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化铜、氯化钡的浓溶液，装瓶贴好标签备用。

（2）取适量酒精凝胶于表面皿中，用火柴点燃。

（3）打开雾化装置，用吸水棉棒吸取不同的溶液抵住超声波微孔雾化片，即触发雾化装置。

（4）观察焰色，记录现象。

5.改进优点

（1）火焰明亮多彩，实验现象非常明显，且检验钾元素时不需要使用蓝色钴玻璃片，焰色持续时间长，便于学生观察。

（2）装置简便易携带，成本低，可重复使用；可以同时检验多种不同金属盐溶液。

（3）节约药品，配制的浓溶液可以反复完成多次试验。

图4 操作演示

（4）贴近生活，趣味性强；适合开展学生实验，培养学生的综合实验能力。

6.成果展示

7.总结说明

（1）若现象不明显，可增大溶液浓度。例如为了区分钠元素的黄色和钙元素的砖红色，氯化钙可使用悬浊液。

（2）为了减少干扰，蘸取不同的溶液时使用不同的吸水棉棒，检验顺序以K元素、Ba元素、Na元素、Cu元素、Ca元素为最佳。

（3）产生颜色干扰时可用清水擦拭微孔雾化片，并用蘸取清水的吸水棉棒反复测试直至火焰无色的方式处理，必要时可以更换微孔雾化片。

（4）出雾口不要对着人，降低被吸入的风险。

（5）若多次实验后酒精凝胶因吸收了金属盐溶液后出现彩色火焰现象，及时更换酒精凝胶。

（6）选择成分简单的酒精凝胶，避免火焰太小影响实验效果及燃烧时可能产生有毒有害物质。

图5 几种元素（K、Ba、Na、Cu、Ca）焰色效果图

三、反思与启示

化学老师要做实验教学的有心人，勤于观察，善于思考，发现关键，大胆创新，在不断的尝试改进中激发新的灵感。实验创新改进可以是换一种思路、改一种试剂、设计一种仪器等，用学生熟悉的生活化材料代替实验室用品。这样做的效果，不仅仅是实验改进本身，更重要的是能让学生感受化学就在身边，同时让课堂教学变得明朗鲜活起来，学科知识和素养就会在潜移默化中内化和拓展，师生的积极性和创造性也会在这样一种随处可见可用的实验探究中被激活。