手持技术数字化实验仪器检测混合金属盐的焰色反应

手持技术数字化实验仪器检测混合金属盐的焰色反应

王晨曦任宏江*尚梦华闫玉莹罗琳潘明月

西安文理学院化学工程学院  陕西西安  710065

摘要：焰色反应是高中化学实验课程中必不可少的教学实验之一，也是教学大纲要求学生必须掌握的实验之一。但中学化学教学中焰色反应存在较多问题，例如火焰燃烧时间短、背景颜色存在干扰、操作繁琐等。这些问题不利于学生观察实验现象以及深刻理解焰色反应概念。因此，本文设计了以手持式棱镜分光镜、智能手机组成的手持技术检测混合金属盐类物质的焰色反应方案，弥补了教材焰色反应实验的不足，可以让学生清晰地观察实验现象，感受焰色反应魅力，获取化学实验知识，理解焰色反应概念。

关键词：手持技术；焰色反应；实验改进

1. 前言

化学是一门以实验为基础的学科，学生通过实验操作，可以观察实验现象、得出实验结论、探究实验本质。焰色反应是一种定性分析的实验，其生色原理是现代光谱分析的最初形式。无论是在分析化学、无机化学、物理化学，甚至在中学化学教学中都能看见焰色反应的身影，因而焰色反应在普通化学和中学化学教育中的作用已毋庸置疑[1]。但教材中的焰色反应无法让学生观察到明显的实验现象和理解焰色反应概念，所以有必要将焰色反应实验进行改进。

随着技术的不断发展，许多学者对焰色反应进行实验改进，改进实验有许多缺点，例如仪器昂贵、试剂耗量大、其他金属元素干扰等。本文在已有焰色反应实验改进的基础上，设计了以手持式棱镜分光镜、智能手机组成的手持技术检测混合金属盐种类的焰色反应方案。让学生可以从不同方面认识焰色反应，观察焰色反应实验现象，充分理解焰色反应概念。

2.实验过程

2.1实验原理

铝元素电子从高能级向低能级跃迁时，以光能的形式释放能量，该光能的波长不在可见光波长范围内，故可选用铝制易拉罐来承载混合金属盐。大多数焰色反应实验改进是对单一金属盐进行检测，对于混合金属盐的焰色反应，通过肉眼观察火焰颜色不易判断金属盐的种类和理解焰色反应概念。手持式棱镜分光镜是可以将一种光分为多束的简易光学装置，利用手持式棱镜分光镜将火焰的光进行色散形成光谱。加热混合金属盐固体应选用丁烷喷枪，丁烷喷枪外焰温度约为1500℃，可以迅速将固体灼烧成熔融状态，并且外焰无色或具有淡蓝色，没有背景颜色干扰。利用智能手机连拍手持式棱镜分光镜所观察到的可见光光谱。ImageJ软件是一款强大的图像处理软件，可以将图像展开、分析、处理、保存、打印、缩放比例、测量、调像素值等[2]。本文实验是由手持式棱镜分光镜、智能手机组成的手持技术数字化实验，可作为认知工具帮助学生理解焰色反应概念。从“混合、定性”的角度出发，利用手持技术数字化实验对焰色反应进行创新设计，从宏观（火焰颜色）和微观（光谱波长）相结合的视角促进学生对焰色反应概念的认知。

2.2实验仪器及其试剂

仪器：智能手机、丁烷喷枪、丁烷气罐、显微镜手机支架、手持式棱镜式分光镜（法宝牌）、铝制易拉罐、带铁圈的铁架台、电子天平、研钵

试剂：LiOH、NaCl、CuSO4

2.3实验步骤

先将显微镜手机支架安装到智能手机上，调整好位置。再调整好智能手机摄像头与显微镜手机支架的目镜套的位置，并将目镜套的大小调整成棱镜式分光镜的目镜的大小，最后将棱镜式分光镜插入到目镜套中（如图1所示）。

打开智能手机的拍照软件，根据手机中的图像调整目镜卡口。调整好之后，将棱镜式分光镜中的物镜对准灯光。观察智能手机中的图像是否能看到如图2所示，若能观察到图谱即简易手机原子发射光谱记录装置调整完成。

剪裁铝制易拉罐，将易拉罐剪裁成高约为1cm。燃烧台的搭建是将铝制易拉罐放在铁架台的铁圈上（如图3所示）。

图3实验装置图

用电子天平分别称取CuSO4、NaCl、LiOH的固体各1.0 g，再将这些金属盐的固体全部倒入研钵中，研磨成粉末，取适量的混合物粉末置于裁剪好的铝制易拉罐内。

打开丁烷喷枪并调整火力，使丁烷喷枪外焰接近无色，用丁烷喷枪外焰灼烧铝制易拉罐内的混合物粉末，可以观察到混合物迅速变成熔融状态，并且呈现出特殊的火焰颜色如图4所示。将手持式棱镜分光镜的物镜对准该火焰，打开智能手机的拍照软件，调整手持式棱镜分光镜的焦距和智能手机的拍照软件焦距以便可以清晰地观察光谱图（经实验发现，光线较暗情况下光谱图更易拍摄），然后按下智能手机的拍照功能键进入连拍模式记录光谱图，所得图谱如图5所示。

通过观察谱图，可以很明显地看到Cu2+、Na+、Li+混合物的特征谱线。因此可以判断混合物里含有Cu2+、Na+、Li+，将所拍到的光谱图导入ImageJ中进行定性分析。

2.4光谱波长图的绘制

电脑中打开ImageJ软件，点击软件菜单栏中的“File”，将用智能手机拍的光谱图片导入到ImageJ软件中。然后按下快捷键“Ctrl+A”选中图片，点击菜单栏“Analye”栏目中“Plot Profile”，就可以获得混合物的英寸

—灰度光谱图（如图6所示），可以从图6中看出有3个吸收峰（从左到右依次是Cu2+、Na+、Li+）。

3.结论

利用手持技术数字化实验定性分析混合金属盐，不仅克服用肉眼观察火焰颜色的误差，而且通过测量光谱波长促进学生深刻理解焰色反应概念。整套实验设备无需精密的分光光度计分析光谱图，降低了实验成本，适合中学化学实验教学，可将该实验进行推广。

参考文献

[1] 袁 环, 白 林. 焰色反应实验的研究进展[J]. 甘肃高师学报, 2001,6(2): 38-41.

[2] 李 嘉. 借助智能手机和分光镜鉴别混合物的焰色反应实验[J]. 化学教育(中英文), 2019, 40(5): 77-79.

*项目资助：陕西省“十四五”教育科学规划2023年度课题(SGH23Y2440), 西安市基础教育研究课题（2022JYZX28）和西安市社科院规划基金项目(22ZL11).