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焰色反應
檢驗金屬元素的重要方法
基本信息
中文名
焰色反應
英文名
Flame reaction
別名
焰色試驗、焰色測試
拼音
yàn sè fǎn yīng
高溫火焰使這些物質(zhì)發(fā)生原子化，金屬原子或化合物的電子受高溫火焰的激發(fā)躍遷到高能級軌道上，當電子由高能級軌道返回到低能級軌道時(shí)，根據不同軌道間的能級差釋放出的能量大小發(fā)射出一定波長(cháng)的光，從而使金屬灼燒火焰呈現出特征顏色。依據焰色反應原理，其被應用到生活中煙花、鈉燈等方面，同時(shí)由焰色反應所發(fā)展而來(lái)的光譜分析也用于測定各類(lèi)元素與物質(zhì)。
進(jìn)行焰色反應時(shí)，可以選用潔凈的鉑絲（或鐵絲）在酒精燈外焰灼燒至顏色與之前相同（為了避免鉑絲上存在雜質(zhì)干擾試驗）后，再用該金屬絲蘸取待檢測溶液進(jìn)行灼燒，以此來(lái)觀(guān)測被檢測溶液中金屬的特征顏色。實(shí)驗時(shí)要注意安全使用酒精燈，避免燒傷。
發(fā)現歷史
在歐洲化學(xué)史上，當涉及到火焰反應時(shí)，第一個(gè)被發(fā)現的人被認為是著(zhù)名的德國礦物學(xué)家和分析化學(xué)家馬格拉夫（Marggraf.A.S,1709-1782）。1758年，馬格拉夫在一次實(shí)驗中，在酒精燈的火焰上噴灑了這兩種堿。他注意到蘇打將火焰變成了明亮的黃色，而鍋灰堿卻把火焰變成紫色。但當時(shí)，他并沒(méi)有意識到這兩種堿的成分和顏色的差異。
在1762年，馬格列夫對這兩類(lèi)堿進(jìn)行了一系列系統的實(shí)驗比較，發(fā)現鈉鹽和鉀鹽可以用自己特有的火焰顏色來(lái)染色火焰。此后，通過(guò)火焰反應鑒定鉀和鈉元素就成為一種常見(jiàn)的方法。后來(lái)，許多人也注意到，許多鹽和氧化物也可以在火焰中呈現不同的顏色。例如，在1818年，格梅林發(fā)現鋰鹽是紅色的，而銅鹽是綠色的，但當時(shí)的人們并不了解原因。
1825年，英國物理學(xué)家塔爾博特（Talbot，W.H.F，1800-1877）重復了馬格拉夫的實(shí)驗，但實(shí)驗中使用的鹽類(lèi)要廣泛得多。他觀(guān)察到用特殊的顏色給火染色是很常見(jiàn)的。不僅鈉鹽使火焰變黃，鉀鹽總是使火焰變紫，而且看到銅鹽使火焰變成翠綠色，鋇鹽使火焰變綠，鋰鹽和鍶鹽使火焰呈鮮紅色。
在19 世紀中葉,德國的著(zhù)名化學(xué)家本生(1811-1899)也進(jìn)行了通過(guò)焰色來(lái)判別元素種類(lèi)的一系列實(shí)驗。本生計劃根據火焰中的焰色情況來(lái)檢測各種未知元素。他首先同時(shí)點(diǎn)燃了三盞煤氣燈，并在每一盞燈的火焰中加入試驗所用的鹽溶液。第一盞燈中滴加的是純鹽溶液，第二盞燈中鹽溶液與鋰鹽混合，第三盞與鉀鹽混合。結果顯示，這三盞燈的三個(gè)火焰都顯示黃色，憑借肉眼無(wú)法看出其中的區別。顯然，這是因為混合鹽溶液中的鈉元素的黃色火焰掩蓋了其他金屬元素的顏色。為此，本生通過(guò)藍色玻璃或靛藍溶液作為濾色器觀(guān)察火焰，發(fā)現黃色可以被過(guò)濾掉。這樣通過(guò)濾色器，純鹽溶液所顯示的火焰變得無(wú)色，而鹽溶液與鋰鹽混合溶液的火焰呈深紅色，含鉀鹽的火焰呈紫色。后來(lái)，他又嘗試區分火焰中鋰鹽和鍶鹽的暗紅色，但都失敗了。顯然，雖然通過(guò)藍色鈷玻璃可以觀(guān)測到鉀鹽的真實(shí)焰色，但是單純通過(guò)火焰顏色的視覺(jué)觀(guān)察來(lái)識別元素是有限的。
在現今的化學(xué)教學(xué)或者其他實(shí)驗中，單純使用焰色反應來(lái)辨別金屬也只有鈉、鉀等幾種元素，而我們通過(guò)用藍色的鉆玻璃來(lái)觀(guān)察鉀的焰色這一方法也是來(lái)自于本生當初的試驗。
在中國，焰色反應的發(fā)現相較西方早了近1200年。六世紀初，南北朝梁代的華陽(yáng)真人陶弘景最早的發(fā)現了焰色反應。在他所著(zhù)的《本草經(jīng)集注》中曾提及：“消石療病亦與樸消相似，《仙經(jīng)》多用此消化諸石，今無(wú)真識別此者。或云與樸消同山，所以樸消一名消石樸也。又云一名芒硝，今芒硝乃是煉樸消作之。并未核研其驗”古時(shí)所說(shuō)的消石實(shí)際是硝酸鉀（KNO3），樸消、芒硝實(shí)際是硫酸鈉（Na2SO4)，由于兩者都是白色晶體，且均易溶于水，當時(shí)人們難以識別．而陶弘景卻能明確指出：“燒之紫青煙起，云是真消石也。”由此可見(jiàn)，遠在1200多年以前，中國的陶弘景就能夠用火焰試法（依據鹽堿的紫色特征火焰）辨別出真消石。
反應原理
當金屬或其鹽化合物在高溫火焰上燃燒時(shí)，金屬原子中的電子會(huì )被激發(fā)，電子的接收能量會(huì )從較低能級跳到較高能級，但較高能級的電子非常不穩定，很快就會(huì )跳回到較低能級。此時(shí)，多余的能量以光的形式釋放。不同的原子結構和能級發(fā)射出不同波長(cháng)的光，因此光的顏色也不同。
電子躍遷時(shí)產(chǎn)生一系列光線(xiàn)，構成原子發(fā)射光譜。火焰反應屬于原子發(fā)射光譜的范疇。由于堿金屬和堿土金屬可以產(chǎn)生特征可見(jiàn)光譜，就像每個(gè)元素都用特定的標記標記一樣，因此焰色反應易于識別和觀(guān)察這些元素。
常見(jiàn)金屬焰色
元素名稱(chēng) | 元素符號 | 焰色 |
鋰 | Li | 深紅色 |
鈉 | Na | 黃色 |
鉀 | K | 紫色 |
銣 | Rb | 紫紅色 |
銫 | Cs | 藍色 |
鈣 | Ca | 橙紅色 |
鍶 | Sr | 洋紅色 |
銅 | Cu | 亮綠色 |
鋇 | Ba | 綠色 |
實(shí)驗設計
基礎實(shí)驗
實(shí)驗器材?
實(shí)驗步驟?
將焊在玻璃棒上的鉑絲（或選擇光潔無(wú)銹的鐵絲）置于酒精燈（或煤氣燈）的外焰里灼燒，直至火焰變回灼燒前的顏色。之后用鉑絲（或鐵絲）蘸取碳酸鈉溶液，在外焰上灼燒，觀(guān)察火焰的顏色。將鉑絲（或者鐵絲）用鹽酸洗凈之后仍在外焰上灼燒至沒(méi)有顏色，再蘸取碳酸鉀做同樣的實(shí)驗，此時(shí)用藍色鈷玻璃觀(guān)察火焰顏色。?
注：藍色鈷玻璃是為了濾去黃色的光，避免碳酸鉀中所含的微量鈉鹽對火焰顏色造成干擾。
改進(jìn)實(shí)驗
改良式酒精燈焰色反應
實(shí)驗器材?
鋁底易拉罐、廚房清潔用的鋼絲球、藥匙（ 或膠頭滴管 ）、 鑷子、剪刀、火柴?
實(shí)驗藥品?
實(shí)驗步驟
(1)取三個(gè)相同的鋁底罐，清洗罐的外底，并將其倒扣在桌面上，間隔約10厘米，從左到右依次編號為1、2和3。?
(2)取一團干凈無(wú)銹的鋼絲球用于廚房清潔，用剪刀剪下三團直徑約1厘米的鋼絲球，放在倒置在桌子上的罐子底部中心。?
(3)在三個(gè)罐的底部分別加入約3mL的95%酒精或無(wú)水乙醇。?
(5)用火柴快速點(diǎn)燃三罐底部的酒精，約5秒，然后可以觀(guān)察到明顯的火焰反應實(shí)驗現象。
實(shí)驗結果?
據觀(guān)察，1號罐底部的酒精燃燒火焰為很淺的淺藍色，如果不仔細觀(guān)察，火焰無(wú)法清晰可見(jiàn)；2號罐底部上方的火焰是非常明顯的黃色；3號罐底部上方的火焰明顯呈紫色。火焰顏色的明顯差異可以用肉眼直接觀(guān)察到。通過(guò)一塊藍色鉆玻璃同時(shí)觀(guān)察三個(gè)火焰，1號和2號火焰之間可以觀(guān)察到相同的現象，3號火焰具有非常清晰的紫色火焰。藍色鉆石玻璃的作用是過(guò)濾掉鈉的黃色光，從而觀(guān)察元素的紫色火焰。
噴霧式焰色反應
實(shí)驗材料?
實(shí)驗步驟?
（1）將準備好的鹽加入噴霧壺中，向噴霧壺中加入約20mL甲醇，擰上蓋子并搖動(dòng)以充分溶解鹽。?
（2）點(diǎn)燃酒精燈，將含有鹽的甲醇溶液噴灑在酒精燈的外火焰上方，噴霧將被點(diǎn)燃，并形成與實(shí)驗金屬鹽的火焰顏色相對應的大型彩色火球。每次甲醇噴霧形成的彩色火球可以持續約1秒。將鹽水甲醇溶液噴入火焰中2-3次，可以清楚地觀(guān)察到火球?。
實(shí)驗結果
化合物 | 氯化鈉（NaCl） | 氯化鍶（SrCI2） | 氯化鋰（LiCl） | 氯化鉀(KCl) | 氯化銅（CuCl2） | 氯化鈣（CaCl2） | 氯化錳（MnCl2） | 氯化鈷 （CoCl2) |
焰色 | 明亮橘黃色 | 深紅色 | 洋紅色 | 紫色 | 亮綠色 | 橙紅色 | 黃綠色 | 無(wú)色有白熾閃光 |
注：CoCl2盡管觀(guān)測不出明顯顏色的焰色。但是黑暗處實(shí)驗可以觀(guān)察到明顯的白熾閃光。
無(wú)紡布巧做焰色反應
實(shí)驗器材?
無(wú)水乙醇、醫用無(wú)紡布、滴管、玻璃棒、鑷子、剪刀、 100 mL燒杯、藥匙、研缽、火柴、酒精燈，KI、CuCl2、 CaCl2、SrCI固體、蒸餾水。 ?
實(shí)驗步驟?
（1）對比實(shí)驗：首先將干凈的鉑絲蘸取稀的HCl溶液后置于酒精燈外焰上灼燒直至外焰的顏色與之前同色，然后用鉑絲去蘸取KI溶液同樣用外焰灼燒，可以觀(guān)察到紫色火焰，但實(shí)驗現象不明顯，且時(shí)間較短。之后用同樣方法檢測Cu2+、Ca“、Sr2+的焰色。?
（2） 空白實(shí)驗：利用無(wú)水乙醇配置80％的乙醇溶液，將其滴加幾滴在醫用無(wú)紡布上，將醫用無(wú)紡布在坩堝點(diǎn)燃觀(guān)察火焰顏色為無(wú)色，這說(shuō)明此時(shí)火焰顏色對于焰色反應的觀(guān)察沒(méi)有影響。?
（3）改進(jìn)實(shí)驗：使用無(wú)水乙醇為溶劑，分別滴加KI、CuCl2、 CaCl2、SrCI的飽和溶液并充分混合以備后續實(shí)驗。?
（4）剪取適宜規格大小的醫用無(wú)紡布四塊，再將其折疊保證一定厚度，用金屬鑷子夾住并分別蘸取步驟（3）配置好的實(shí)驗溶液。?
（5）用鑷子夾住對應的醫用無(wú)紡布，并用酒精燈點(diǎn)燃，可以明顯地觀(guān)察到綠色、磚紅色、洋紅色，紫色的火焰顏色，火焰高度在6cm左右，持續時(shí)間在30s左右，現象十分明顯。 （若實(shí)驗現象不明顯，可以在醫用無(wú)紡布上放置適量的金屬化合物固體研磨粉末以保證火焰顏色明顯）。
試紙法焰色反應
實(shí)驗器材?
實(shí)驗步驟?
（1）將普通濾紙裁剪成為能夠放入燒杯內的合適尺寸；?
（2）配置混酸：先在燒杯中倒入適量濃硝酸，之后再用玻璃棒將濃硫酸慢慢倒入濃硝酸溶液中，緩慢攪拌直至溶液冷卻至室溫；?
（3）制作試紙：將裁剪好的濾紙條浸沒(méi)在混酸溶液中（確保每張濾紙都被充分浸沒(méi)）直至濾紙條變成半透明狀（即纖維素硝酸酯）。再將試紙條取出不斷用蒸餾水進(jìn)行漂洗，之后用吸水紙將試紙條上水分擦干；?
（4）用制備好的試紙條去蘸取對應的待測金屬溶液，確保浸泡充分之后將試紙條晾干；?
（5）焰色反應：點(diǎn)燃酒精燈，用鑷子夾取晾干的試紙條并將其點(diǎn)燃，即可觀(guān)察到明顯的焰色。
坩堝法鉀離子焰色反應
實(shí)驗器材?
實(shí)驗步驟?
（1）在坩堝中放置適量的硝酸鉀晶體，向坩堝中加入微量水（能夠溶解掉硝酸鉀晶體即可）并用玻璃棒不斷攪拌；?
（2）向坩堝中滴加2ml甲醇，攪拌均勻，之后用火柴點(diǎn)燃甲醇就可以不通過(guò)藍色鈷玻璃觀(guān)測到明顯的紫色火焰，強烈攪拌即可使火焰高3-6cm；?
（3）相同步驟溶解鈉、鈣、銅等金屬元素的晶體，即可觀(guān)察到明顯的焰色現象。
應用范圍
制造煙花
由于不同的金屬在高溫燃燒時(shí)會(huì )產(chǎn)生燦爛的顏色，根據這一特點(diǎn)，煙花制作者將不同的金屬元素添加到燃燒器中，在高溫燃燒后，它們會(huì )呈現出多彩的效果。
制造信號彈
當金屬鎂粉和鋁粉混合燃燒時(shí)，會(huì )產(chǎn)生幾千度的高溫，并發(fā)出耀眼的光芒。此時(shí)，當銅粉等堿金屬粉末混入其中時(shí)，它會(huì )發(fā)出不同的顏色。照明彈有兩種：光和煙。一般有白色、紅色、綠色和黃色四種顏色。我國開(kāi)國大典上的“萬(wàn)色煙花”實(shí)際上是蘇聯(lián)的照明彈。
照明鈉燈
在路面上大多數的路燈是黃色的，這種燈是高壓鈉燈，黃色主要來(lái)源于鈉的發(fā)射光譜，高壓鈉燈在高壓脈沖下實(shí)現鈉氣體電離，發(fā)射光譜中能量最高的部分與人眼最敏感的部分接近，讓鈉燈具有很強的穿透性，透霧性好，所以適合大面積的公共照明。
檢測元素
由焰色反應的原理所發(fā)展出的光譜分析領(lǐng)域，研究者們通過(guò)該方法檢測到了大量未知元素并實(shí)現定量檢測和定性分析，本條內容會(huì )在發(fā)展領(lǐng)域一欄介紹。
發(fā)展領(lǐng)域
在分析化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中有一個(gè)重要分支：光譜分析，而其中的原子發(fā)射光譜則與焰色反應的原理相同：利用被測物質(zhì)處于激發(fā)態(tài)后，各元素原子通過(guò)發(fā)射特征光譜來(lái)判斷物質(zhì)組成，進(jìn)而實(shí)現對被測物質(zhì)的定性和定量分析。隨著(zhù)各類(lèi)新型光源的出現，原子發(fā)射光譜進(jìn)入了光電化、自動(dòng)化階段。通過(guò)原子發(fā)射光譜法可以實(shí)現在不進(jìn)行元素分離的前提下多種元素進(jìn)行分析測定。
研究者們通過(guò)電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法實(shí)現了測定：油田中微量碘元素、鍶礦泉水中的鍶、碘帕醇中鈀的殘留量、高純鎳中痕量鈷、釩鐵爐渣中釩鐵錳磷、鉑鈀渣中釕銠等一些列的微量元素；通過(guò)微波等離子體原子發(fā)射光譜法測定：膨潤土中總砷、原油中微量金屬元素、乳制品中的元素、氧化鋅中銅、鉛、鐵、鎘、錳元素含量、皮革和紡織品中可萃取重金屬含量。除以上所論及的元素之外，化學(xué)家也依據各類(lèi)光譜分析方法實(shí)現了對更多未知元素的定量和定性分析。現在，由于其靈敏度高、檢測速度快，這種分析方法已廣泛應用于科學(xué)領(lǐng)域及機械、電子、鋼鐵冶金、食品安全、材料分析、資源勘探開(kāi)發(fā)、環(huán)境監測等領(lǐng)域中。
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