微量化学实验：制作五彩焰色试验棒-台湾化学教育.PDF

臺灣化學教育 學生實驗手冊 微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒  焰色的原理 原子中的電子會存在於原子核外不同能階，最穩定時的狀態稱為基態（ground state ），當 原子吸收能量後，其電子會被激發至更高能階，稱為激發態（excited state ），此時的電子處於 不穩定狀態，會以電磁波之形式釋放能量，最後回到基態，整個過程稱為電子躍遷（electronic transitions ）。 透過儀器測量出電子躍遷的電磁波波長(或頻率)並依照大小順序排列，可以繪製出光 譜，並以波長大小區分為紫外光譜、可見光譜、紅外光譜。當躍遷過程的波長處於可見光範 圍時，就變成我們肉眼看到的顏色。不同原子（或離子）其原子核外能階間能量差不同，發 生電子躍遷時放出的可見光顏色亦不同，因此可以藉此顏色判別所含有元素種類，即為焰色 試驗（flame test ），這也是煙火具有不同顏色火花的原理。 一般的焰色試驗會將待檢測樣品放在惰性金屬絲 （例如金 ）上，以本生燈 （藍色火焰 ） 加熱，由於樣品中雜質常含有鈉元素 （其焰色為黃色 ），會干擾觀察，因此焰色試驗會使用鈷 藍色玻璃來過濾掉黃光，使樣品的焰色能清晰地呈現。 本實驗結合煙火的構想，從仙女棒出發，摻入不同鹽類或離子，製作可放出不同色光的 五彩焰色試驗棒。為減低黃光的干擾，本實驗的部分照片會以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝。  藥品與材料 1. 藥品：硝酸鉀 （KNO3 ）、鎂粉（Mg powder ）、氯酸鉀（KClO3 ）、氯化銅（CuCl2 ）、氯化 鈉 （NaCl ）、氯化鍶（SrCl2 ）、硫酸銅（CuSO4 ）、氯化鋇（BaCl2 ） 2. 材料：線香、糯米漿糊 3. 器材：刮勺、硏缽、攪拌棒、手套、打火機、酒精燈、燃燒匙  設計構想 參考市面上仙女棒中含有的成分（硝酸鉀、氯酸鉀、硝酸鋇、鎂粉、鐵粉、鋁粉、碳粉 ）， 我們想設計出簡易且微量的彩色仙女棒。經過測試，發現除了主要燃料硝酸鉀和氯酸鉀外， 金屬粉末鎂粉、鋁粉及鐵粉，燃燒時可以產生火花和白光等效果，由於本實驗不需火花效果， 1 Chemical Society Located in Taipei Chemistry Education in Taiwan 2016, 3(4) 臺灣化學教育 學生實驗手冊 且鋁粉和鐵粉燃燒緩慢，對彩色仙女棒燃燒幫助不大，因此將兩粉末刪除 ；雖然鎂粉可以幫 助燃燒，但是劇烈的白光會干擾焰色的呈現，因此在本實驗中刪減鎂的用量。而一般仙女棒 還會添加硝酸鋇、碳粉，由於此兩項成分燃燒時放出綠色和橘光亦會干擾焰色觀察，因此予 以刪除。 在使粉末附著的黏著劑採用糯米糨糊，乃因其燃燒時不會如一般膠水產生難聞氣味，且 較一般黏著劑使用澱粉加水配置來得方便許多。  製作過程 經過實驗測試，我們以硝酸鉀、氯酸鉀、鎂粉三種成份 （取用的重量比為 25 ：12 ：3 ） 配製出作為焰色試驗棒燃燒基底之混合物質（底下簡稱為基底 ），並且呈現焰色的鹽類與此基 底 ，以重量比 1 ：1 混合。表一為各種焰色燃燒物含有之成分整理 ，表一內的藥品量約可製作 3~5 枝五彩焰色試驗棒 。 表一 ：焰色試驗棒的成分含量比例 焰色╱成分 黃 青綠 紅 藍綠 綠 含有成份 氯化鈉4 克 氯化銅4 克 氯化鍶4 克 硫酸銅4 克 氯化鋇4 克 基底重量 硝酸鉀2.5 克、氯酸鉀 1.2 克、鎂粉0.3 克 （總重4 克 ） 微量的五彩焰色試驗棒的製作步驟如下： 1. 基底部分：秤量基底的藥品並均勻混合，如圖一所示。（注意：混合成分含有硝酸鉀，故 製作步驟中所有混合過程盡量以攪拌代替研磨 ） 圖一：基底的藥品(從左至右分別為硝酸鉀、氯酸鉀及鎂粉，硏缽內為三者粉末混合) 2. 摻入各種焰色之成分：準備五杯不同的焰色鹽類粉末