化學示範實驗：自製焰色試驗棒演示焰色試驗（Homemade Flame Test Stick for Flame Test）〔I〕
國立玉里高級中學化學科黃有道老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
前言
小朋友玩的仙女棒，慶典晚會的煙火，各種火焰顏色應有盡有，這些焰色是怎麼產生的呢？本示範實驗採用兩種焰色試驗，其一為使用自製的焰色試驗棒和本生燈來 試驗鹽類固體，其二為使用卡式瓦斯噴燈和噴霧瓶來試驗鹽類水溶液。自製的焰色試驗棒取自於報廢的開飲機之加熱片並製作而得的，而且焰色試驗的效果很好，值 得教師參考。
示範步驟
A. 示範前準備
A1. 自製焰色試驗棒
1. 從報廢的開飲機、電熱水瓶或電鍋取出加熱片，如圖一所示。
圖一 開飲機的加熱片
2. 用尖嘴鉗拆解加熱片，即可見到加熱片中的鎳鉻絲，這種鎳鉻絲的寬度約1 mm，如圖二所示。
圖二 拆解後的加熱片
3.
拆下加熱片的鎳鉻絲，並剪下連接電源端的直條鎳鉻絲，如圖三所示。
圖三 加熱片的鎳鉻絲（上）和連接電源端的直條鎳鉻絲（下）
4. 用尖嘴鉗剪斷加熱片的鎳鉻絲成為每段長度20-25
cm，在末端處捲成小圓圈，另一端用銅線綁住衛生筷，便完成一支自製焰色試驗棒，如圖四所示。
圖四 以廢棄的鎳鉻絲自製焰色試驗棒
A2. 準備金屬鹽類及配製水溶液
1. 準備少量的金屬鹽類：鋰、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇、銅、鐵、鉛、鋅等實驗室常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽均可。2. 配製50 mL的金屬鹽類水溶液（濃度約1 M，濃度是可變的）：鋰、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇、銅、鐵、鉛、鋅等實驗室常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽均可。這些水溶液可裝在小型噴霧罐，並加入少量的酒精或甲醇，如圖五的左圖所示。
3. 配製50 mL的1 M鹽酸水溶液。
4. 準備一支卡式瓦斯噴燈，如圖五的右圖所示。
圖五 小型噴霧罐（左）和卡式瓦斯噴燈（右）
B. 正式示範
B1. 使用自製焰色試驗棒1. 點燃本生燈，調節瓦斯流量及空氣流量的旋轉鈕，以獲得理想的無光焰（淡藍色火焰），如圖六的左圖所示。自製焰色試驗棒的鎳鉻絲先沾稀鹽酸進行酸洗，再放置於本生燈的火焰上燒至火紅，如圖六的右圖所示。
圖六 調節本生燈產生無光焰（左）和鎳鉻絲置於火焰上燒至火紅
2.
鎳鉻絲燒至火紅後，沾蒸餾水再次燒至火紅，然後沾一種金屬鹽類固體，放置於本生燈的火焰上燒，觀察火焰的顏色，如圖七所示。
圖七 用自製焰色試驗棒示範焰色，鉀的焰色（左）和鈉的焰色（右）
3. 重複步驟2，使用不同金屬鹽類進行焰色試驗。
B2. 使用卡式瓦斯噴燈1. 打開卡式瓦斯噴燈，調整適當的火力，讓學生觀察無光焰（藍色火焰），如圖八所示。
圖八 無光焰（藍色火焰）
2.
使用裝蒸餾水的噴霧罐斜向地噴射瓦斯噴燈的火焰，噴霧方向與噴火方向應盡可能同向，觀察水霧與火焰接觸時火焰的顏色。
3. 使用裝有硫酸銅（或氯化銅）水溶液的噴霧罐重複步驟2.，觀察火焰的顏色，如圖九所示。
圖九 硫酸銅的焰色
4. 使用裝有氯化鈉水溶液的噴霧罐重複步驟2.，觀察火焰的顏色，如圖十所示。
圖十 氯化鈉的焰色
5. 依次使用各種不同金屬鹽類水溶液進行上述試驗，觀察火焰的顏色。
藥品與器材1. 報廢的飲水機、電熱水瓶或電鍋（含加熱片的鎳鉻絲） 1台
2. 尖嘴鉗 1支
3. 銅線（細） 10-20 cm
4. 衛生筷 1支
5. 卡式瓦斯噴燈 1個
6. 小型噴霧罐（100 mL） 1個
7. 金屬鹽類常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽 少量
8. 金屬鹽類水溶液（濃度約1 M）：常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽 各50 mL
9. 1 M鹽酸 100 mL
10. 蒸餾水 少許
11. 本生燈 1個
12. 酒精或甲醇（可選擇） 少量
原理和概念
● 本生燈或瓦斯噴燈的火焰為淡藍色，光度極低，此火焰稱為無光焰。
● 光是一種電磁波，一般人的眼睛可以感受的電磁波波長在400（紫色）到700（紅色）奈米（nm）之間，如圖十一所示。
圖十一
可見光只佔電磁波譜的一小部分。圖片來源：http://www.electricalfun.com/visible_spectrum.htm
● 當一個元素被激發（加熱）時，其電子會躍遷至能量較高的軌域上。當它返回低能量的軌域時，高低軌域的能量差會以電磁波的形式輻射出來，出現在某些特定的波
長上，稱為發射光譜。每種元素都有其個別的光譜，這些譜線就好比人類的指紋一般，科學家可據以鑑定元素，如圖十二所示。
圖十二
銅（CuCl2）（上）、鈉（中上）、鋰（中下）和鈣（下）的發射光譜。圖片來源：http://webmineral.com/help/FlameTest.shtml
表一 一些常見的金屬與其相對應的火焰顏色
● 工業用途上的焰色試驗：在部分工業上會使用焰色試驗，這是因為聚合物、金屬類會發出許多獨特的燃燒方式，所以在鑑定聚合物及金屬化合物上是特別有用的。
● 焰色試驗的限制：大部分離子在低濃度時無法做此試驗。從一個樣品到另一個樣品亮度會產生變化。例如：鈉所釋放出來的黃色光比鋰所釋放出的紅色光還要亮。由 於雜質或汙染物會影響試驗結果，尤其是大部分的化合物中都有鈉的存在而產生鈉的焰色，因此有時會使用一種藍色玻璃來過濾鈉的黃色焰色。由於若干金屬會產生 相同的焰色，此試驗無法完全區分所有元素，且有些化合物在燃燒時並不會改變其顏色。
教學提示
● 教師準備藥品與器材：30分鐘。課堂時間：5-10分鐘。本實驗教師可在教室或實驗室示範，也可以讓學生在實驗室操作。若由學生實驗操作，則操作時間為15-20分鐘。
● 本示範實驗可以融入原子發射光譜、電磁波和金屬元素的性質於課堂教學中。
● 使用自製焰色試驗棒時，用溼潤的鎳鉻絲可以容易沾取金屬鹽類，方便進行焰色試驗。
● 示範時，瓦斯噴燈的噴火方向務必側對學生，不可面對學生，以策安全。噴霧方向與噴火方向應盡可能同向，而且盡量勿讓水霧落在噴燈金屬管上。
● 為加強焰色試驗的效果，可在金屬鹽類水溶液中加入一些酒精或甲醇，但不宜加入太多以免影響焰色。
● 可使用酒精燈代替本生燈，但其溫度較低效果較差。環境光害愈少（愈昏暗），焰色觀察愈容易。可使用參考資料第3.項「簡易直視型分光器」，讓學生觀察焰色。
問題
1. 日常生活中，哪些地方或場所可見到彩色的火焰？這些彩色的火焰是如何產生的？
2. 使用鎳鉻絲與噴霧示範焰色試驗各有甚麼優缺點？
3. 在化學分析上，為何常用焰色試驗來鑑定鹼金屬元素？
安全
● 請戴護目鏡和著實驗衣。注意用火安全，尤其是學生操作本生燈時。
● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。
資料來源
1. Flame test, http://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test.
2. Flame tests, http://chemistry.about.com/od/analyticalchemistry/a/flametest.htm.
3. Flame Coloration by Element, http://webmineral.com/help/FlameTest.shtml.
4. 燄色試驗（Flame Test），http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=3522。
5. 焰色試驗法（flame test），http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=3504。
6. 察「焰」觀「色」-以自製分光儀檢視焰色實驗，http://science.ntsec.edu.tw/files/15-1004-11059,c2308-1.php。
7. 簡易直視型分光器的製作，http://a-chien.blogspot.com/2010/01/blog-post_3530.html。
以上文章引用自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress
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