书城科普读物动手做实验丛书--金属实验改进设计实践
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第4章 关于碱金属实验的操作和改进(4)

因此现行教科书上介绍用蓝色的钴玻璃滤去黄光观察钾离子的颜色。但是,在一般条件差的县中学和区中学,蓝色的钴玻璃很难找到。即是找到,也是很小一块,只够一个人观察,做演示实验让全班学生观察实在不行。

为此,四川城口中学杜杰老师找到了一种改进的方法,增强了实验效果。

用一张20cm×20cm的透明软胶片,在其固色面上均匀地涂上市售12色彩色笔中的天蓝色或用天蓝色染料配成溶液浸泡。再把涂有兰色的透明胶片用两块硬纸片剪成的正方形的纸框夹死,做成幻灯片一样。

演示时,把它放在酒精灯的前面,使全班学生都能够透过这胶片观察到钾离子的浅紫色火焰,效果很好。

妙用火柴巧做钾离子的焰色反应

在以往的演示实验中,用铂丝蘸取钾盐做钾离子的焰色反应,操作困难,效果很不明显,不是很难看到紫色,就是因铂丝上沾的药品太少,灼烧中很快变成无色,隔着蓝色的钴玻璃难以看清。

在用火柴点燃酒精灯时,无意中,我手拿蓝色钴玻璃绕过火柴的火焰,霎那间,奇妙的现象突然闪过我的眼前,出现美丽的紫色。其现象远远胜过铂丝蘸取钾盐灼烧的现象,令人喜出望外。又重复做了多次,每次现象都十分清晰美观。火柴杆燃烧的灰--草木灰,其主要成分是K2CO3,也不用再蘸取什么钾盐了。

这一实验不仅简单易行,而且效果很好。

自制“钴玻璃片”

材料:无色透明的平板玻璃两片,其面积以不小于20cm2为宜,可用破碎了的窗玻璃。深蓝色墨水。

制作:将玻璃片洗净凉干,在其中一片的中央滴一滴深蓝色墨水,将另一片盖在上面,用手捏住这两片玻璃,使墨水扩展,透过无气泡处的深蓝色墨水,观察钾的紫色火焰,效果很好。可在课前做好,学生可人手一个。

焰色反应的一点改进

中学化学课中常用焰色反应的方法来定性鉴别K+、Na+、Ca++、Ba++、Li+、Sr++、Cu++等离子,但在实验过程中现象往往不明显。

西安市一中郭云芳老师分析其原因有以下几个方面:

(1)酒精灯的火焰温度较低(约500℃)使有些离子的焰色不明显,如Ca++、Ba++等。

(2)酒精灯火焰呈黄色,干扰了一些离子的焰色反应。

(3)学生实验过程中不严格按操作规程做,易互相干扰,鉴别困难。

除现象不明显外,用价格昂贵的铂丝不经济,学生易损坏,造成很大浪费。根据上述情况,既要达到现象明显又要经济,在化学教学过程中西安一中郭云芳老师对中学化学焰色反应实验进行了一些改进。

实验物品:

(1)普通酒精灯。

(2)酒精灯气化罩。

(3)铁丝玻棒。

(4)各种要检验的阳离子溶液(浓度不要求)。

实验准备:

(1)酒精灯:

由于酒精灯的火焰为黄色,经实验加上一个多孔的罩可使火焰成无色或淡蓝色(白天看近乎无色)。故需自制一气化罩。(如图(1)所示)取一薄铁皮(罐头盒的铁皮也可),按酒精灯头下口的周长为长度(稍长一点以合缝),宽约8-10厘米,按间隔8-10毫米钴孔,孔的直径约1~2毫米左右。也可用铁钉均匀冲孔(如图(2)所示),然后把钴过孔的薄铁皮做成一个圆筒,使之恰好套在酒精灯头上,下端要合严实,也可用石棉塞紧,防止漏气。灭灯时用铁片压住筒口即可。

(2)铁丝玻棒:

①材料:回形针或无锈铁丝。内径为3毫米左右,长度为20-30厘米的玻璃管。

②制作:

先将回形针拉直,一端弯成一个小钩,以存溶液,如图(4)。将玻管一端在喷灯上加热,快要封口时(约乘直径为2毫米左右小孔时)立即将没有小钩的那端铁丝在喷灯上加热至红透,待玻管刚封口,马上将红透铁丝插入玻璃管内,注意铁丝不要触及管壁,否则冷却后易破裂。冷却待用。

实验步骤:

(1)先将铁丝玻棒放在无色灯焰部分灼烧到无色,蘸取待测盐溶液少许,放在无色焰上,观察焰色。

(2)每做完一种离子的检验应先用水洗净铁丝,再用浓盐酸浸泡、涮洗、放在灯焰上灼烧到无色后再蘸取另一种待测离子溶液进行焰色检定。

(3)K+的焰色反应应隔钴玻璃观看。

注意事项:

(1)酒精灯气化罩的下方与灯具应配合紧密,防止空气从下端进入,以免火焰呈黄色,温度也下降,影响实验效果。

(2)制作铁丝玻棒时,玻管加热应尽量与地面垂直,这样做出的铁丝玻棒既美观、又耐用。

不要直接用玻棒制作,这是因为玻棒与铁丝的膨胀系数不同易造成断裂。

(3)每检验完一种离子,铁丝必须严格按步骤洗净再做下面的焰色反应。

(4)各种盐溶液应用溶解性较好的盐,如无可溶性的盐也可用晶体直接灼烧,如:碳酸钡(BaCO3),但晶体灼烧后铁丝比较难洗净。

用焰色反应试纸做焰色

在碱金属学习中,要做焰色反应实验(演示和学生实验)。所谓焰色反应是指某金属或其化合物在灼烧时,会呈现不同的颜色。根据焰色反应所呈现的特殊颜色,可确定某金属离子的存在。做焰色反应时,常常遇到这样一些问题:一是使用的铂丝比较昂贵,一根细细的铂丝镶嵌在玻璃棒上,使用时容易损坏。二是焰色反应所需温度比较高(有时用煤气灯或酒精喷灯),故对酒精灯有一定要求,比如灯芯应采用未被污染的,酒精的纯度要高。三是观察钾的颜色,要隔着钴玻璃。河北省武安师范学校宋焕青、陕西师范大学化学系高改玲老师改用了“焰色反应试纸”做焰色反应试验,使实验既简便,现象又明显。

用“焰色反应试纸”做焰色反应实验,主要就是试纸的制备。首先是制取混酸,向烧杯里加入100ml浓HNO3,将烧杯放在冰水浴中,再沿玻璃棒将100ml浓H2SO4慢慢注入浓HNO3中,不断搅拌形成混酸(浓HNO3与浓H2SO4体积比1∶1),移去冰水浴,再继续搅拌,直到混酸温度达到室温。将定性滤纸裁成合适尺寸,分张浸入混酸约10min,滤纸片逐渐变成半透明状,即制成了混酸滤纸,然后将混酸滤纸从混酸中转移到盛蒸馏水的烧杯中漂洗两次,取出后用吸水滤纸吸去水分,即完成“焰色反应试纸”的制备。

实验时将制成的“焰色反应试纸”在待测液中浸泡约5min,取出用吸水滤纸吸去水分,在空气中晾干,用镊子夹住“焰色反应试纸”点燃,即可看到相应的焰色。

用“焰色反应试纸”做焰色反应实验,现象明显,观察时间长,特别是钾的焰色不用透过蓝色钴玻璃就可以观察到。

焰色反应的简便做法

实验方法:用50%的乙醇一水溶液配制做实验所用的饱和盐溶液,用配制好的溶液浸泡一些医用脱脂棉球。实验时,用镊子夹取棉球在酒精灯上点燃,观察火焰的颜色。可以清晰地看到各种离子灼烧时火焰所呈现的特征颜色。

实验效果:这种方法,操作简便,现象明显,观察时间长,作为演示实验,能够使全班同学都清楚看到,效果极好。

利用启辉器、废锯片进行焰色反应

用废启辉器外壳改造酒精灯黄色火焰做焰色反应实验时,为使酒精灯火焰无色,可用一个日光灯废启辉器铝制外壳,打上一些小孔,把顶剪去,加套在普通酒精灯上。小孔的打法是:在中部,用针钻打上四至五排小孔,孔径为15毫米左右,孔距4毫米,制好的圆筒套在瓷灯管上。如果启辉器外壳直径比瓷灯管直径大,可用剪刀把铝壳顶剪开,剪成大小合适的孔与之套吻合。

用废钢锯片在无色焰灯上灼烧固体金属盐在废钢锯片一端的小齿周围,铺上固体试剂,放在酒粗灯无色火焰上灼烧,火焰很快呈现明显的强大的特征颜色。教室前后排的学生都可看得清清楚楚。

焰色反应演示实验新方法

仪器和试剂

普通酒精灯8个;灯用酒精(95%左右);氯化硼、碘化钠、碘化钾、氯化钙、氯化锶、氯化钡、氯化铜和硼酸,以上试剂皆为分析纯。

操作方法

将上述试剂分别按指定浓度配成酒精溶液,装入酒精灯座内,并用少量溶液浸润灯蕊后,用火柴点燃,立即燃成特定的鲜明焰色。

所配试剂的浓度、固体盐在酒精中的溶解度以及相应元素原子火焰颜色、火焰光谱谱线的波长列入。

讨论

(1)火焰温度和原子激发

焰色反应是快速的同时又是分步进行的。当盐的酒精溶液于灯焰中燃烧时,首先,溶剂蒸发而析出盐的固体微粒;其次微粒受热分解和原子化;第三,一种原子和另一种原子或自由基重新化合;第四,少数原子或分子被火焰的热能和彼此碰撞所激发;第五,处于激发态的原子和分子返回基态发射光谱。

不难理解,产生发射光谱的先决条件是把原子中的电子激发到较高能级,能源主要来自火焰的温度和微粒(原子、分子、电子、自由基)之间的碰撞,酒精灯燃烧温度通常在500℃余,而喷灯或煤气灯燃烧温度则在800℃以上。因此,我们加大样品的浓度以增加碰撞几率,来弥补酒精灯燃烧温度之不足。实验证明,我们所配盐的酒精溶液浓度,足以保证所要求的跃迁率,其发色光强度均能掩蔽酒精灯蕊燃烧时的黄光及其他色光。

(2)盐在酒精中的浓度和溶解度

进行焰色反应所用盐的酒精溶液浓度,不宜太稀或过浓,前者灯火本身焰色会掩盖元素的特征焰色,后者酒精不能满足燃烧所需,能量供给不足,将会使盐的蒸发、原子化、电子激发遇到困难。实验证明,表2中所列各种盐的浓度最佳。但是,所配盐的浓度受其在酒精中溶解度的限制,各种盐在酒精中的溶解度相差悬殊,酒精中水份的多少对盐的溶解度影响很大。

对于难溶于酒精的盐如氯化钡、氯化锶,即使选用80%的酒精,其溶解度也是有限的,因此焰色欠明显(钡原子有6s2惰性电子对,难以激发)。为保证高浓度和供给足够的激发能量,可取少许固体氯化钡用80%的酒精配成悬浮溶液,用玻璃棒预先抹在灯蕊上,结果黄绿火焰比较鲜明。

(3)试剂的纯度

所用药品必须是分析纯或更纯的试液,其目的在于保证杂质原子的焰色不干扰对特定原子焰色的观察。例如,在碘化钾中钠离子含量过大,燃烧时黄光将会掩蔽钾的紫光;氯化钙中钡的含量过高,而使钙的砖红色火焰带有黄绿色。总之,要注意试剂的实际纯度。

(4)关于过渡金属铜及非金属硼的焰色

由于主族元素,大部分具有s、p外层电子排布,例如碱金属和碱土金属,它们在同一周期中具有最大半径和最少的价电子,比较容易激发,所以它们的谱线数目较少,谱线的强度较大,容易观察到它们的焰色。

对于付族元素来说,根据它们的外层电子排列不同则有多种情况。其中,对于次外层Cl电子已饱和的元素,例如铜(3d104s1),外层只有一个s电子,其谱线情况与碱金属相似。

另外,非金属硼是第三主族第二周期的元素,电子排布为2s22p1,一个p电子,同样容易观察到翠绿色的火焰。硼酸,尤其是易挥发的硼化物,如硼酸甘油酯的燃烧,其焰色更为明显。

无载体焰色反应

①实验用品

酒精喷灯或煤气灯;清洗干净的气压喷壶(用带盖的塑料瓶,瓶盖上用针扎上4-5个小孔做代用品,或用带细针头的注射器均可);玻璃管(30~40cm);吸耳球。

待测溶液NaCl,KCl,CaCl2,BaCl2,CuSO4等。

待测固体粉末CaCO3,BaSO4,CuSO4等。

②实验步骤:

a,待测样品是溶液时,将其装入干净的气压喷壶(带盖塑料瓶或小针头注射器)中。然后点燃酒精喷灯,灯焰调节适中,用喷壶(塑料瓶或注射器)将样品在灯焰上方喷成雾状落在火焰上,则火焰立即出现明显的焰色反应。

b,待测样品是固体盐类,先将其研成粉末,取少量放在玻璃管的一端,倾斜放在火焰上方,用洗耳球在玻璃管的另一端将粉末缓慢喷落在火焰上,火焰颜色变化清晰。

焰色反应实验的改进

把不同的金属盐分别加入几个小烧杯里,用适量的蒸馏水制成饱和溶液,然后取2毫升饱和溶液,加入到95%的酒精溶液5毫升里进行混合(酒精和饱和溶液的比例为5∶2)。做实验时用镊子把一小团脱脂棉(比黄豆粒大)或纱布在配制好的混合溶液里浸泡后取出,用火柴或酒精灯火焰点燃立即看到彩色火焰。

金属镁还原性实验三则

金属镁具有很强的还原性,它不仅能被若干种氧化物氧化,还能与氢气化合,在一定条件下剧烈燃烧。河南鹤壁市二中曹立新老师介绍镁在几种氧化物以及在氢气中燃烧的实验。

镁在水中的燃烧按下图把燃烧匙的柄弯成直角形。烧杯中盛12体积水。然后在燃烧匙内加满镁粉。

镁在水中燃烧镁在氢气中燃烧将镁粉在酒精灯上燃着后立即放入烧杯内的水中。镁粉仍然剧烈地燃烧。而且反应生成的氢气也一起燃烧。在反应后的溶液中滴入少量酚酞溶液,溶液呈粉红色。

Mg+2H2O燃烧Mg(OH)2+H2↑镁在氢气中的燃烧

用排水集气法在集气瓶内充满氢气,将玻璃片盖在瓶口上。在燃烧勺内加满镁粉,点燃镁粉后,迅速将其伸入集气瓶中,镁粉能继续燃烧,发出耀眼的白光。集气瓶壁上附着有白色氢化镁粉末。在瓶内加水振荡使氢化镁溶解,滴加酚酞试液,溶液呈粉红色。

Mg+H2燃烧MgH2MgH2+2H2OMg(OH)2+2H2↑镁在二氧化碳中燃烧

将从启普发生器中产生的二氧化碳气体通过洗气瓶后(内盛浓硫酸)连续不断地充入集气瓶中(瓶底铺层薄沙)。将点燃后的镁条迅速插入集气瓶中。镁条在集气瓶中剧烈燃烧,发出耀眼的白光,并伴有黑灰色的烟从瓶口逸出。反应后可见到瓶壁上布满白色的粉末,瓶底集有黑色碳粒。反应式:

CO2+2Mg点燃C+2MgO镁在一些常见气体中的燃烧实验

大家知道,镁是活泼的金属,能在氧气、空气中巨烈燃烧,它还能在二氧化碳中燃烧,这在高中化学课本,已有叙述。那么,镁在其它一些常见气体,如氮气、氨、二氧化硫、氯化氢、水和二氧化氮中能否燃烧呢?为了回答这个问题,华东师范大学王一川、上海普院区业余大学卢松年老师做了如下实验:

实验步骤

(1)镁在氮气中的燃烧

称取5克固体亚硝酸钠和5克固体氯化铵,混和均匀后放到如图1装置中加热,将气体用排水集气法收集在250毫升集气瓶中。化学方程式如下:NaNO2+NH4Cl△NaCl+2H2O+N2↑点燃镁条,迅速伸入装有氮气的集气瓶中,如图2所示。可见镁条在氮气中燃烧,发出暗红色的光焰。

燃烧完毕后,往集气瓶中注入少量蒸馏水,振荡片刻,所得溶液以红色石蕊试纸试之,能使试纸变蓝,取少量溶液微热,有刺激性臭味的氨放出。

(2)镁在二氧化氮中燃烧

以5克铜片与12N硝酸15毫升在试管中作用,所得气体经浓硫酸洗涤后收集在干燥的集气瓶中。化学方程式如下: