焰色反應及焰色反應實驗

當你觀看大型運動會或國家重大節(jié)日燃放煙花的美麗場景，在你心情激蕩的時候，你是否知道這五彩繽紛的煙花是怎么一回事？其實，這是一些金屬離子在燃燒時產(chǎn)生的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在化學上叫焰色反應。

一、焰色反應的定義

焰色反應，也稱作焰色測試及焰色試驗，是某些金屬或它們的揮發(fā)性化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現(xiàn)特征顏色的反應。

有些金屬或它們的化合物在灼燒時能使火焰呈特殊顏色。如鈉元素的焰色為黃色，鉀元素的焰色為紫色（通過藍色玻璃），鈣元素的焰色為磚紅色，銅元素的焰色為藍綠色，鍶元素的焰色為洋紅色等。

二、焰色反應的發(fā)展史

焰色反應是一種非常古老的定性分析法，早在中國南北朝時期，著名的煉丹家和醫(yī)藥大師陶弘景(456～536)在他的《本草經(jīng)集注》中就有這樣的記載“以火燒之，紫青煙起，云是真硝石(硝酸鉀)也”。由于當時及以后的許多年里，生產(chǎn)力水平不高，這種方法一直沒有得到廣泛的應用及發(fā)展。

到18世紀以后歐洲的近代化學時期，由于冶金、機械工業(yè)的巨大發(fā)展，要求提供數(shù)量更大，品種更多的礦石；同時，也為了降低生產(chǎn)成本，合理使用原材料及提高產(chǎn)品質(zhì)量，因而對分析化學提出了新的要求。

德國人馬格拉夫(1709～1782)是這一時期的著名的定性分析化學家。他的一項重要的研究成果是觀察到了植物堿(草木灰，即碳酸鉀)與礦物堿(蘇打，即碳酸鈉)的區(qū)別。1762年他系統(tǒng)地對比了這2種堿轉(zhuǎn)化生成的各種鉀鹽與鈉鹽的晶形、潮解性和溶解度，并發(fā)現(xiàn)鈉鹽和鉀鹽可以分別使火焰著上各自特征的焰色。從此以后利用焰色反應鑒別鉀、鈉鹽就成為常用手段了。

后來有不少人也注意到，有很多的鹽類、氧化物在火焰中也能呈現(xiàn)不同的顏色，例如格梅林在1818年發(fā)現(xiàn)鋰鹽呈深紅色、銅鹽呈藍綠色，但卻不明白其中的道理。而鋰鹽和鍶鹽都使火焰呈紅色，這又影響了焰色反應檢驗物質(zhì)的可靠性。

19世紀中葉，德國著名化學家本生(1811～1899)設計制造了本生燈，它使煤氣燃燒時產(chǎn)生幾乎無色的火焰，溫度高達一千多度。本生利用這種燈研究各種鹽類在火焰中呈現(xiàn)不同焰色的現(xiàn)象，試圖根據(jù)火焰中的彩色信號來檢測各種元素。他同時點燃3盞煤氣燈，并分別往每個燈焰中滴加食鹽溶液。

其中一滴是飽和食鹽溶液，另一滴混有鋰鹽，第三滴混有鉀鹽。結(jié)果3 個火焰全呈黃色，看不出任何差別。顯然是鈉焰的黃色把其他的顏色掩蓋了。本生又通過藍色玻璃或靛藍溶液作濾色鏡觀察火焰，發(fā)現(xiàn)黃色得以濾去，滴加飽和食鹽溶液的火焰變成無色，混有鋰鹽的食鹽溶液火焰顯深紅色，混有鉀鹽的火焰呈淺紫色。后來他收集很多不同顏色的玻璃并配制許多不同顏色的溶液作為濾色材料試圖提高焰色反應的選擇性，來區(qū)別鋰鹽與鍶鹽在火中呈現(xiàn)的深紅色，但沒有成功。顯然憑肉眼觀察焰色來鑒別元素受到了很大的限制。直到現(xiàn)在，我們用焰色反應也只能有限地鑒別鉀、鈉等少數(shù)幾種金屬，用藍色的鈷玻璃來觀察鉀的焰色也來源于本生的試驗。

本生除了利用煤氣火焰外，還利用煤炭火焰、氫氧焰、氫焰等。經(jīng)過對焰色反應的詳細研究后，他還發(fā)現(xiàn)一種元素即使處于不同的化合物中，即使在火焰中發(fā)生了化學變化，即使火焰的溫度不同，即使所使用的火焰類型不同，但這些因素對某一元素的特征焰色都沒有影響。

后來，本生在好友物理學家基爾霍夫的建議下，通過觀察光譜實現(xiàn)了對元素的定性檢驗，開創(chuàng)了分析化學的一個重要分支：光譜分析。

三、焰色反應的原理

焰色反應是物質(zhì)原子內(nèi)部電子能級的改變，通俗的說是原子中的電子能量的變化，不涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)的改變。焰色反應中釋放出的各種可見光實質(zhì)上是由于熱源的溫度很高，做焰色反應的金屬離子受熱后能量升高，激發(fā)電子躍遷，能級間的能量差以可見光的形式釋放出來，這個過程沒有新的物質(zhì)生成，只是電子的躍遷，應該屬于物理變化。所以，雖然稱作焰色反應，實際上并不是化學變化，而是物理變化，焰色反應是元素的一種物理性質(zhì)。

每種元素都有其個別的光譜。當堿金屬及其鹽在火焰上灼燒時，原子中的電子吸收了能量，從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道，但處于能量較高軌道上的電子是不穩(wěn)定的，很快躍遷回能量較低的軌道，這時就將多余的能量以光的形式放出。而放出的光的波長在可見光范圍內(nèi)(波長400nm～760nm)，因而能使火焰呈現(xiàn)顏色。但由于堿金屬的原子結(jié)構(gòu)不同，電子躍遷時能量的變化就不相同，就發(fā)出不同波長的光，從焰色反應的實驗里所看到的特殊焰色就是光譜譜線的顏色。

每種元素的光譜都有一些特征譜線,發(fā)出特征的顏色而使火焰著色，根據(jù)焰色可以判斷某種元素的存在。如焰色洋紅色含有鍶元素，焰色藍綠色含有銅元素，焰色黃色含有鈉元素，焰色紫色含有鉀元素，磚紅色則含有鈣元素等。

四、焰色反應的實驗

樣本通常是粉或小塊的形式。用一根清潔且較不活潑的金屬絲(例如鉑或鎳鉻合金)盛載樣本，再放到無光焰(藍色火焰)中。在化學上，常用來測試某種金屬是否存在于化合物。

⒈ 實驗用品

鉑絲(或鐵絲、鎳絲)、酒精燈(或煤氣燈、本生燈、酒精噴燈)、稀鹽酸、藍色鈷玻璃(檢驗鉀時用)。

⒉ 操作過程

⑴ 將鉑絲蘸稀鹽酸在無色火焰上灼燒至無色。進行焰色反應應使用鉑絲(鎳絲、鐵絲)。把嵌在玻璃棒上的金屬絲在稀鹽酸里蘸洗后，(這是因為金屬氧化物與鹽酸反應生成的氯化物在灼燒時易氣化而揮發(fā)。若用硫酸，由于生成的硫酸鹽的沸點很高，少量雜質(zhì)不易被除去而干擾火焰的顏色)。

⑵ 蘸取試樣(固體也可以直接蘸取)在無色火焰上灼燒觀察火焰顏色，這時就可以看到被檢驗溶液里所含元素的特征焰色。

通常放在酒精燈的火焰里灼燒(最好是煤氣燈，因為它的火焰顏色淺、溫度高，用酒精噴燈也可以)，直到跟原來的火焰的顏色一樣。

(若檢驗鉀要透過藍色鈷玻璃觀察，因為大多數(shù)情況下制鉀時需要用到鈉，因此鉀離子溶液中常含有鈉離子，而鈉的焰色反應為黃色，黃色會掩蓋少量的紫色無法分別出來)；

⑶ 將鉑絲再蘸稀鹽酸灼燒至無色，就可以繼續(xù)做新的實驗了。

若在焰色反應時，看到的火焰為黃色，那是玻璃中的鈉燃燒的顏色掩蓋了金屬燃燒的顏色。

五、一些金屬離子的焰色反應實驗

先準備一根鉑或鎳鉻絲、鐵絲，并將其一端彎一小圈，鈷藍玻璃及鹽或其溶液。

把線圈浸在稀鹽酸中以清除先前余下的物質(zhì)，再把線圈放在無光焰(藍色火焰)中直至沒有顏色的變化。

用蒸餾水或去離子水或純水沖洗線。

用線圈接觸鹽或溶液，通過無光焰(藍色火焰)中加熱。

⒈ 鈉離子

鈉的焰色反應本應不難做，但實際做起來最麻煩。因為鈉的焰色為黃色，而酒精燈的火焰因燈頭燈芯不干凈、酒精不純而使火焰大多呈黃色。即使是近乎無色（淺淡藍色）的火焰，一根新的鐵絲（或鎳絲、鉑絲）放在外焰上灼燒，開始時火焰也是黃色的，很難說明焰色是鈉離子的還是原來酒精燈的焰色。要明顯看到鈉的黃色火焰，可用如下方法。

⑴ 方法一（鑷子－棉花－酒精法）：

用鑷子取一小團棉花（脫脂棉，下同）吸少許酒精（95％乙醇，下同），把棉花上的酒精擠干，用該棉花沾一些氯化鈉或無水碳酸鈉粉末（研細），點燃。

⑵ 方法二（鐵絲法）：

① 取一根細鐵絲，一端用砂紙擦凈，再在酒精燈外焰上灼燒至無黃色火焰；

② 用該端鐵絲沾一下水，再沾一些氯化鈉或無水碳酸鈉粉末；

③ 點燃一盞新的酒精燈（燈頭燈芯干凈、酒精純）；

④ 把沾有鈉鹽粉末的鐵絲放在外焰尖上灼燒，這時外焰尖上有一個小的黃色火焰，那就是鈉焰。

⒉ 鉀離子

⑴ 方法一（燒杯－酒精法）：

取一小藥匙無水碳酸鈉粉末（充分研細）放在一倒置的小燒杯上，滴加5～６滴酒精，點燃，可看到明顯的淺紫色火焰，如果隔一鈷玻璃片觀察，則更明顯看到紫色火焰。

⑵ 方法二（蒸發(fā)皿－酒精法）：

取一藥匙無水碳酸鈉粉末放在一個小發(fā)皿內(nèi)，加入１毫升酒精，點燃，燃燒時用玻棒不斷攪動，可看到紫色火焰，透過鈷玻璃片觀察效果更好，到酒精快燒完時現(xiàn)象更明顯。

⑶ 方法三（鐵絲－棉花－水法）：

取少許碳酸鈉粉末放在一小蒸發(fā)皿內(nèi)，加一兩滴水調(diào)成糊狀；再取一條小鐵絲，一端擦凈，彎一個小圈，圈內(nèi)夾一小團棉花，棉花沾一點水，又把水擠干，把棉花沾滿上述糊狀碳酸鈉，放在酒精燈外焰上灼燒，透過鈷玻璃片可看到明顯的紫色火焰。

⑷ 方法四(金屬絲法)：

同鈉的方法二中的實驗方法。該法效果不如方法一、二、三，但接近課本的做法。

觀察鉀的焰色時，室內(nèi)光線不要太強，否則淺紫色的鉀焰不明顯，如果要避免鈉鹽對觀察鉀鹽造成的影響，應通過藍色鈷玻璃觀察焰色。

⒊ 鋰離子

⑴ 方法一（鑷子－棉花－酒精法）：

用鑷子取一團棉花，吸飽酒精，又把酒精擠干，把棉花沾滿Li2CO3粉末，點燃。

⑵ 方法二(金屬絲法)：跟鈉的方法二相同。

⒋ 鈣離子

⑴ 方法一（鑷子－棉花－酒精法）：同鈉的方法一。

⑵ 方法二（燒杯－酒精法）：

取一藥匙研細的無水氯化鈣粉末（要吸少量水，如果的確一點水也沒有，則讓其在空氣吸一會兒潮）放在倒置的小燒杯上，滴加７～８滴酒精，點燃。

⑶ 方法三（藥匙法）：用不銹鋼藥匙盛少許無水氯化鈣（同上）放在酒精燈外焰上灼燒。

⒌ 鍶離子

方法一、二：同碳酸鋰的方法一、二。

⒍ 鋇離子

⑴ 方法一（鐵絲－棉花－水法）：

取少量研細的氯化鋇粉末放在一小蒸發(fā)皿內(nèi)，加入一兩滴水調(diào)成糊狀，取一小鐵絲，一端用砂紙擦凈，彎一個小圈，圈內(nèi)夾一小團棉花，棉花吸飽水后又擠干，把這棉花沾滿上述糊狀氯化鋇，放在酒精燈火焰下部的外焰上灼燒，可看到明顯的黃綠色鋇焰。

⑵ 方法二（棉花－水－燒杯法）：

跟方法一類似，把一小團棉花沾水后擠干，沾滿糊狀氯化鋇，放在一倒置的燒杯上，滴加七八滴酒精，點燃。可與棉花＋酒精燃燒比較。

⒎ 銅離子

⑴ 方法一(金屬絲－棉花－水法)：同鋇離子的方法一相同。

⑵ 方法二(鑷子－棉花－-酒精法)：同鈉離子方法。

⑶ 方法三(燒杯－酒精法)：同鉀離子的方法一。

⑷ 方法四(藥匙法)：同鈣離子的方法三。

六、焰色反應的應用

(1) 利用焰色反應可檢驗某些用常規(guī)化學方法不能鑒定的金屬元素。

(2) 用于制作節(jié)日燃放的煙花。不同的金屬及其化合物對應不同的焰色反應，利用焰色反應，人們在在煙花中有意識地加入特定金屬元素，使焰火顏色更加絢麗多彩。

七、注意事項

⒈ 焰色反應現(xiàn)象要明顯，火焰焰色要象彗星尾巴才看得清楚，有的鹽的焰色反應之所以鹽要加少量水溶解，是為了灼燒時離子隨著水分的蒸發(fā)而揮發(fā)成彗星尾巴狀；而有的離子灼燒時較易揮發(fā)成彗星尾巴狀，就不用加水溶解了。

⒉ 堿金屬和其它一些金屬及其相應離子所發(fā)生的焰色反應可用于分析物質(zhì)的組成,進行有關物質(zhì)的鑒別。如：鈉或含有Na+的化合物焰色反應為黃色；鉀或含K+的化合物焰色反應為淺紫色(透過鈷玻璃)。

鎂、鋁，還有鐵、鉑、鎳等金屬無焰色。

⒊ 焰色反應在使用中只能用鹽酸來洗鉑絲

原因：生成金屬氯化物，而一般金屬氯化物在高溫時易揮發(fā)。

⒋實驗過程中，對于未知液體，利用焰色反應檢驗離子，因為溶液中可能會含有其他有毒物質(zhì)，加熱后可能會揮發(fā)出來，或者加熱時可能生成有毒物質(zhì)，會可能會對實驗人員造成傷害。