焰色反應(yīng)、鋁熱反應(yīng)方法改進(jìn)研究

1、關(guān)于焰色反應(yīng)、鋁熱反應(yīng)效果改進(jìn)的研究目錄摘要3一、焰色反應(yīng)原理4二、焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)步驟方法及現(xiàn)象51、“酒精焰色反應(yīng)”52、“氯糖焰色反應(yīng)”63、“直接焰色反應(yīng)”6三、鋁熱反應(yīng)原理7四、鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)步驟方法及現(xiàn)象81、氧化物不同的實(shí)驗(yàn)82、氧化劑不同的實(shí)驗(yàn)93、外界條件的影響9五、總結(jié)10六、后記10七、附圖11摘要我們知道焰色反應(yīng)是一類非常漂亮的反應(yīng)，而鋁熱反應(yīng)也是非常壯觀的反應(yīng)。但是課本中的實(shí)驗(yàn)效果并不非常完美。因此我們對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和研究，以達(dá)到更加漂亮的效果。更重要的是，我們希望通過這次研究性學(xué)習(xí)，增強(qiáng)我們對(duì)化學(xué)的興趣，提高我們的思考探索能力和合作能力。課本上的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，是用鉑絲或鐵

2、絲，蘸取含有某種離子的溶液，然后放到酒精燈上或本森燈灼燒，觀察現(xiàn)象，每一次都要用稀鹽酸潤洗。這種方法不免有些繁瑣，有時(shí)候會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果，尤其是在鐵絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，焰色中常常帶有黃光，很難去掉。而鉑是一種貴金屬，使用起來價(jià)格比較昂貴，而且容易造成浪費(fèi)，在生活中不是很常用，僅僅能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，不能在生活中推廣。我們通過思考，發(fā)現(xiàn)幾種焰色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行討論、實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這幾方法比較簡單，操作性強(qiáng)，值得借鑒。因此我們對(duì)這個(gè)課題進(jìn)行了研究。鋁熱反應(yīng)也是一樣。在學(xué)習(xí)過程中中，我們認(rèn)識(shí)了鋁與氧化鐵的反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)雖然比較壯觀，但是經(jīng)過我們的探索討論，發(fā)現(xiàn)還有更好的實(shí)驗(yàn)方法，比如在鋁熱反應(yīng)中加入氯酸鉀、

3、高錳酸鉀等氧化劑，使反應(yīng)更加壯觀。甚至還可以加入鎂粉，或者是換用二氧化錳、三氧化二鉻等氧化物進(jìn)行反應(yīng)。在過程中，我們積極討論，不斷創(chuàng)新，找到了一個(gè)又一個(gè)實(shí)用的方法。對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，既培養(yǎng)了我們的動(dòng)手能力、主動(dòng)思考的能力，也培養(yǎng)了我們對(duì)化學(xué)的興趣，讓我們以更加認(rèn)真的態(tài)度，去學(xué)習(xí)化學(xué)、了解化學(xué)、讓化學(xué)影響我們的生活、方便我們的生活。一、焰色反應(yīng)原理焰色反應(yīng)，或稱作焰色測(cè)試及焰色試驗(yàn)，是化學(xué)上用來測(cè)試某種金屬是否存在在于化合物的方法，該反應(yīng)為物理變化。其原理是這些金屬元素的原子在接受火焰提供的能量時(shí)，其外層電子將會(huì)被激發(fā)到能量較高的激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的外層電子不穩(wěn)定，又要躍遷到能量較低的基態(tài)。不

4、同元素原子的外層電子具有著不同能量的基態(tài)和激發(fā)態(tài)。在這個(gè)過程中就會(huì)產(chǎn)生不同的波長的電磁波，如果這種電磁波的波長是在可見光波長范圍內(nèi)，就會(huì)在火焰中觀察到這種元素的特征顏色。即使火焰的溫度不同，即使所使用的火焰類型不同，這些因素也對(duì)某一元素的特征焰色沒有影響。測(cè)試方法為以一條清潔且對(duì)化學(xué)惰性的金屬線（例如鉑或鎳鉻合金）盛載通常是粉末或小塊的形式的樣本，再放到本森燈的無光焰（藍(lán)色火焰）中。由于鈉的金黃色火焰容易蓋過其他金屬的焰色，所以常用鈷藍(lán)玻璃觀察其他金屬的焰色。非金屬砷As藍(lán)色硼B(yǎng)青綠磷 P淡藍(lán)綠硒Se天藍(lán)碲Te淺綠堿金屬鋰Li紫紅鈉Na黃鉀K淡紫銣Rb紫色銫Cs天藍(lán)堿土金屬鎂Mg白色鈣Ca磚紅

5、鍶Sr洋紅鋇Ba黃綠鐳Ra緋紅過渡金屬鋁Al白色鋅 Zn淡藍(lán)綠銅 Cu+淺藍(lán)綠銅 無鹵素Cu2+藍(lán)綠銅有鹵素Cu2+綠色錳 Mn2+ 黃綠銦In藍(lán)色鉬Mo黃綠鈧Sc橙色鉛Pb藍(lán)白銻Sb淺綠鉈Tl綠鉍 Bi 天 藍(lán)在實(shí)驗(yàn)室中，常常用鉑絲（或除掉黃光的鐵絲）蘸取溶液，放到酒精燈或本森燈（見右圖）上加熱，觀察現(xiàn)象。但實(shí)際操作中，鐵絲的黃光基本無法除去，而鉑絲有很昂貴，不容易在家庭中進(jìn)行測(cè)試。因此我們對(duì)這樣的操作進(jìn)行改進(jìn)。二、焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)步驟方法及現(xiàn)象1、“酒精焰色反應(yīng)”“酒精焰色反應(yīng)”是我們小組為這種試驗(yàn)方法進(jìn)行的命名。我們?cè)?014年寒假期間在“北京科學(xué)達(dá)人秀”表演和短片玄幻化學(xué)中看到了這種方法。

6、“北京科學(xué)達(dá)人秀”的舞臺(tái)上，選手將固體放入培養(yǎng)皿中，加入少量酒精，用打火機(jī)點(diǎn)燃，出現(xiàn)非常亮麗的現(xiàn)象。玄幻化學(xué)中的實(shí)驗(yàn)也是一樣。組織者將固體擺成元素符號(hào)的形狀，用同樣的方法點(diǎn)燃，在冬日的夜晚顯得格外好看。由于主要引燃材料是酒精，我們就把這種方法命名為“酒精焰色反應(yīng)”。玄幻化學(xué)中的視頻截圖見 附圖1。我們以這種方法為基礎(chǔ)，探究“酒精焰色反應(yīng)”。討論過程：沈鐘毓：用“酒精焰色反應(yīng)”有什么優(yōu)點(diǎn)呢？吳寧然：簡單易行是它最大的優(yōu)點(diǎn)所在。它既不需要昂貴的試劑用品，也不需要復(fù)雜的操作，僅僅是兩步操作就能解決。賈晰涵：那我們應(yīng)該用什么樣的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)?？張煦：我們可以用這樣的步驟方法：（1） 在培養(yǎng)皿或表面皿中

7、放入少量碳酸鈉固體，加入少量酒精。（2） 用打火機(jī)點(diǎn)燃，觀察現(xiàn)象。趙小凡：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象真的很明顯，實(shí)驗(yàn)接近結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)明顯的黃色火焰。周東陽：那么，加入試劑的量對(duì)實(shí)驗(yàn)有什么影響嗎？吳寧然：我們可以對(duì)試劑的量進(jìn)行研究：（1） 分別用少量碳酸鈉固體、大量碳酸鈉固體，少量酒精進(jìn)行測(cè)試，記錄現(xiàn)象。（2） 分別用大量酒精、少量酒精，少量碳酸鈉固體進(jìn)行測(cè)試，記錄現(xiàn)象如下表：試劑的量碳酸鈉固體1g碳酸鈉固體5g酒精3mL酒精10mL實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一段時(shí)間后，火焰為黃色一開始火焰就為黃色燃燒時(shí)間很短，很小的黃光燃燒時(shí)間很長，黃光非常明顯試劑的量碳酸鈉固體3g 酒精5mL實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象黃光明顯，酒精正常燃燒表一 “酒精焰色反應(yīng)

8、”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象徐云浩：我發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論：（1）固體試劑要適量，過少不易觀察，過多容易造成浪費(fèi)。一般要求不高的時(shí)候取用23藥匙即可滿足需要。（2）酒精要適量，過少不易觀察，過多容易造成浪費(fèi)，且火焰很高，容易發(fā)生危險(xiǎn)。一般潤濕固體試劑并稍稍末過固體試劑即可。劉文姝：我還發(fā)現(xiàn)其他結(jié)論和方法：（1） 用表面皿的效果要優(yōu)于培養(yǎng)皿，這樣酒精可以集中區(qū)域燃燒。（2） 在點(diǎn)燃的過程中火焰過高容易發(fā)生危險(xiǎn)。改進(jìn)措施為：用燃燒匙取出少量蘸有酒精的固體粉末（或用鑷子夾起晶體顆粒），用打火機(jī)或酒精燈點(diǎn)燃，然后用點(diǎn)燃的火焰引燃表面皿中的火焰，可以大大降低危險(xiǎn)性。這種方法在實(shí)驗(yàn)中非?？尚?。唐玉玲老師：大家的對(duì)實(shí)驗(yàn)提出了不同的改

9、進(jìn)方法，十分有效，可以進(jìn)行推廣。2、“氯糖焰色反應(yīng)”這是瘋狂化學(xué)1短片中介紹的一種焰色反應(yīng)的方法，是以氯酸鉀、葡萄糖反應(yīng)為基礎(chǔ)，濃硫酸催化而進(jìn)行的反應(yīng)。在混合物中加入試劑就能非常清晰地觀察出元素的焰色。我們將其稱之為“氯糖焰色反應(yīng)”。反應(yīng)方程式如下：3C5H11O5CHO+KClO3 濃硫酸3C5H11O5COOH+3KCl出于安全考慮，我們沒有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，而是仔細(xì)觀看了瘋狂化學(xué)1里面的現(xiàn)象，并作了如下記錄：鍶、鈉、鋇、銅四種元素在這個(gè)反應(yīng)下產(chǎn)生非常漂亮的顏色。試劑的量比較大，火焰非常高，但是到了最后階段，焰色才非常清楚。但這個(gè)反應(yīng)比較危險(xiǎn)，需要用到還原劑葡萄糖，還有強(qiáng)氧化劑氯酸鉀、濃硫酸，

10、不適合在家庭中進(jìn)行測(cè)試，因此這種方法不是非常實(shí)用，但是可以作為參考。視頻截圖見 附圖23、“直接焰色反應(yīng)”我們?cè)诔曰疱伝驘窕鸬臅r(shí)候，常常也能看見不同顏色的火焰，因此我們就思考是不是可以直接把固體顆粒放到酒精燈或本森燈上灼燒，直接觀察它的焰色。因此我們以碳酸鋰為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，直接在酒精燈上灼燒，觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的非常成功，把固體物質(zhì)直接用燃燒匙蘸取，靠近酒精燈火焰，可以觀察到跳動(dòng)的紅色火焰，非常絢麗。但是，唐玉玲老師提出了疑問：“大家都知道，銅元素在火焰上灼燒也是有焰色的，那這種方法是不是可靠呢？”沈鐘毓：我們可以進(jìn)行改進(jìn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理是沒有問題的。張煦：是的，我們可以把固體顆粒直接用藥匙撒到

11、酒精燈的火焰上，這樣應(yīng)該可以。趙小凡：這樣有些浪費(fèi)試劑，并且不容易清理，沾到酒精燈上很麻煩的。沈鐘毓：我們可以用玻璃棒試試。用玻璃棒沾上水，接觸固體顆粒后放到酒精燈火焰上試試看。吳寧然：那樣太麻煩，大家把小顆粒做成大晶體，這樣用鑷子夾取一端，放到酒精燈火焰上不就能看出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了嗎！因此我們得知，這種直接把固體顆粒放入酒精燈火焰上灼燒的方法，也可以研究固體焰色反應(yīng)。不過，溶液的離子檢驗(yàn)就要麻煩的許多，我們一直認(rèn)為，課本上的方法去檢驗(yàn)溶液中的離子也是一種最佳方法。而固體的焰色反應(yīng)就要簡單得多，正如上文所述。三、鋁熱反應(yīng)原理鋁熱法是一種利用鋁的還原性獲得高熔點(diǎn)金屬單質(zhì)的方法?？珊唵握J(rèn)為是鋁與某些金屬

12、氧化物（如Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5等）在高熱條件下發(fā)生的反應(yīng)。鋁熱反應(yīng)常用于冶煉高熔點(diǎn)的金屬，并且它是一個(gè)放熱反應(yīng)其中鎂條為引燃劑，氯酸鉀為助燃劑。鎂條在空氣中可以燃燒，氧氣是氧化劑。但插入混合物中的部分鎂條燃燒時(shí)，氯酸鉀則是氧化劑，以保證鎂條的繼續(xù)燃燒，同時(shí)放出足夠的熱量引發(fā)金屬氧化物和鋁粉的反應(yīng)。反應(yīng)原理：鎂條在空氣中可以燃燒，氧氣是氧化劑。但插入混合物中的部分鎂條燃燒時(shí)，氯酸鉀則是氧化劑，以保證鎂條的繼續(xù)燃燒，同時(shí)放出足夠的熱量引發(fā)氧化鐵和鋁粉的反應(yīng)。由于該反應(yīng)放出大量的熱，只要反應(yīng)已經(jīng)引發(fā)，就可劇烈進(jìn)行，放出的熱使生成的鐵熔化為液態(tài)。鋁熱劑：鋁與金屬氧化物的混合物（

13、比例約為1:2.95）鋁熱劑著火點(diǎn)較高，需要引燃。常見的是用鎂條引燃（若氧氣不足鎂燃燒不充分的話，亦可再混入適量氯酸鉀或過氧化鋇，但易自燃），亦可用高溫噴槍點(diǎn)燃。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)化學(xué)方程式:氧化鐵：2Al+Fe2O3高溫2Fe+Al2O3四氧化三鐵：8Al+3Fe3O4高溫9Fe+4Al2O3二氧化錳：4Al+3MnO2高溫3Mn+2Al2O3五氧化二釩：10Al+3V2O5高溫6V+5Al2O3氧化鉻：2Al+Cr2O3高溫2Cr+Al2O3在演示實(shí)驗(yàn)中，老師經(jīng)常用一般強(qiáng)烈的氧化鐵進(jìn)行試驗(yàn)，并且只加入少量的氧化劑，以免發(fā)生危險(xiǎn)。不過這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就能滿足一般學(xué)習(xí)的需要。但是，我們并未止步，繼續(xù)研究各

14、種條件及實(shí)際搭配下的反應(yīng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見 附圖3四、鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)步驟方法及現(xiàn)象鋁熱反應(yīng)可以用不同的反應(yīng)條件，各種試劑的組合搭配也不盡相同。常見的氧化劑有氯酸鉀、高錳酸鉀，有的實(shí)驗(yàn)還加入促進(jìn)燃燒的鎂粉。氧化物也是多種多樣，最常用的是氧化鐵，還有二氧化錳、三氧化二鉻、氧化銅等。我們無法通過資料了解到各種組合的反應(yīng)現(xiàn)象，于是我們對(duì)各種條件進(jìn)行測(cè)試。對(duì)照組：氧化鐵5g、鋁粉15g，無氧化劑，10cm鎂條引燃。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：安靜持續(xù)燃燒，放出大量的熱，產(chǎn)生大量的煙，形成熔融物。對(duì)照組：氧化鐵5g、鋁粉15g、氯酸鉀0.5g，10cm鎂條引燃。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：劇烈燃燒，放出大量的熱，產(chǎn)生大量的煙，形成熔融物。1、氧

15、化物不同的實(shí)驗(yàn)我們選用不同種類的氧化物（二氧化錳、氧化銅、三氧化二鉻），進(jìn)行試驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，記錄為下表：編號(hào)使用的氧化物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)組1MnO2反應(yīng)更加劇烈，大量熔融物濺出。實(shí)驗(yàn)組2Cr2O3反應(yīng)比較難發(fā)生，沒有預(yù)期現(xiàn)象。表二 鋁熱反應(yīng)中氧化物不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我們從金屬活動(dòng)性順序表中得知，鋁元素與銅元素的活動(dòng)性相差很大，因此氧化銅鋁熱容易發(fā)生爆炸，出于安全考慮，我們沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們觀看了玄幻化學(xué)里面的效果，觀察到反應(yīng)劇烈，發(fā)生爆炸，有氫氣爆炸一般的響聲，熔融物飛濺。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二氧化錳的效果更加不錯(cuò)，氧化銅的鋁熱反應(yīng)容易發(fā)生爆炸，比較危險(xiǎn)。三氧化二鉻比較難反應(yīng)，不適合做演示實(shí)驗(yàn)。因此，我們得出，

16、我們做鋁熱反應(yīng)最為劇烈的氧化物是二氧化錳，效果非常不錯(cuò)。我們進(jìn)行了錄像。視頻截圖見 附圖452、氧化劑不同的實(shí)驗(yàn)我們用不同質(zhì)量的氯酸鉀、高錳酸鉀、鎂粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，記錄為下表：編號(hào)m(KClO3)m(KMnO4)m(Mg)與對(duì)照組不同的現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)組10g0.5g0g開始反應(yīng)時(shí)更加猛烈，有“嗤嗤”的響聲，后來現(xiàn)象不變。實(shí)驗(yàn)組22g0g0g反應(yīng)比對(duì)照組劇烈，但不如實(shí)驗(yàn)組1。實(shí)驗(yàn)組30g0g0.5g劇烈燃燒，產(chǎn)生更多的煙，劇烈程度與實(shí)驗(yàn)組1相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)組40.5g0.5g0.5g反應(yīng)異常劇烈，產(chǎn)生非常多的煙，有“呲呲”的響聲。表三 鋁熱反應(yīng)中氧化劑不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)論：理論上來說，高錳酸鉀的氧化

17、性比氯酸鉀，因此高錳酸鉀的實(shí)驗(yàn)效果要比氯酸鉀好很多。鎂粉可以促進(jìn)燃燒，減少實(shí)驗(yàn)失敗的次數(shù)。3、外界條件的影響我們知道，外界條件對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的影響是非常大的。因此，我們選擇也一個(gè)雨天剛剛停的天氣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎂條都無法點(diǎn)燃。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們還得知，將鋁熱劑堆成小山的形狀會(huì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，而敞口扁平的鋁制易拉罐也會(huì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果。同樣的，鋁在空氣中容易被氧化，有一次，我們用了敞口放置時(shí)間比較長（半天）的鋁粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，效果不佳。我們討論猜想，在鋁熱劑下方放上廢鐵銹也會(huì)優(yōu)化效果，但我們經(jīng)過試驗(yàn)，并沒有發(fā)現(xiàn)特別的優(yōu)良之處。反而，廢舊鐵銹放多了還會(huì)實(shí)驗(yàn)影響效果。五、總結(jié)對(duì)于焰色反應(yīng)，我們找到了家庭中比較實(shí)用的方法，就是“直接焰色反應(yīng)”。這種方法成本低，效果好，可以推廣，作為家庭興趣實(shí)驗(yàn)，提高大家對(duì)化學(xué)的興趣。在有條件的家庭中，我們找到了更加優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)方案，就是“酒精焰色反應(yīng)”。這種方法既能很好的進(jìn)行測(cè)試，又能當(dāng)作化學(xué)技能進(jìn)行表演展示，把化學(xué)“秀出來”，讓更多人認(rèn)識(shí)化學(xué)，了解化學(xué)。而對(duì)于“氯糖焰色反應(yīng)”，雖然這種方法比較危險(xiǎn)，但是這仍然是一種比較不錯(cuò)的方案，值得大家借鑒。對(duì)于鋁熱反應(yīng)，我們通過對(duì)不同試劑、條件的研究，得出最壯觀、最安全的鋁熱反應(yīng)配方為：鋁熱二氧化錳、加入高錳酸鉀1g、鎂粉2g，也可以加入適量氯酸鉀。但氧化劑不能太多，否則會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。鋁熱反應(yīng)是一個(gè)危險(xiǎn)又壯觀的反應(yīng)，無數(shù)科學(xué)家