焰色反应

焰色反应（Flame reaction）是将金属单质或化合物置于高温火焰当中灼烧，可以使火焰呈现出特殊的颜色的一种现象，它是碱金属、碱土金属具有的一种特殊的性质。^[1]

高温火焰使这些物质发生原子化，金属原子或化合物的电子受高温火焰的激发跃迁到高能级轨道上，当电子由高能级轨道返回到低能级轨道时，根据不同轨道间的能级差释放出的能量大小发射出一定波长的光，从而使金属灼烧火焰呈现出特征颜色。依据焰色反应原理，其被应用到生活中烟花、钠灯等方面，同时由焰色反应所发展而来的光谱分析也用于测定各类元素与物质。^[1][2]

进行焰色反应时，可以选用洁净的铂丝（或铁丝）在酒精灯外焰灼烧至颜色与之前相同（为了避免铂丝上存在杂质干扰试验）后，再用该金属丝蘸取待检测溶液进行灼烧，以此来观测被检测溶液中金属的特征颜色。实验时要注意安全使用酒精灯，避免烧伤。^[3]

在欧洲化学史上，当涉及到火焰反应时，第一个被发现的人被认为是著名的德国矿物学家和分析化学家马格拉夫（Marggraf.A.S,1709-1782）。1758年，马格拉夫在一次实验中，在酒精灯的火焰上喷洒了这两种碱。他注意到苏打将火焰变成了明亮的黄色，而锅灰碱却把火焰变成紫色。但当时，他并没有意识到这两种碱的成分和颜色的差异。^[4]

在1762年，马格列夫对这两类碱进行了一系列系统的实验比较，发现钠盐和钾盐可以用自己特有的火焰颜色来染色火焰。此后，通过火焰反应鉴定钾和钠元素就成为一种常见的方法。后来，许多人也注意到，许多盐和氧化物也可以在火焰中呈现不同的颜色。例如，在1818年，格梅林发现锂盐是红色的，而铜盐是绿色的，但当时的人们并不了解原因。^[5]

1825年，英国物理学家塔尔博特（Talbot，W.H.F，1800-1877）重复了马格拉夫的实验，但实验中使用的盐类要广泛得多。他观察到用特殊的颜色给火染色是很常见的。不仅钠盐使火焰变黄，钾盐总是使火焰变紫，而且看到铜盐使火焰变成翠绿色，钡盐使火焰变绿，锂盐和锶sī盐使火焰呈鲜红色。^[6]

在19 世纪中叶,德国的著名化学家本生(1811-1899)也进行了通过焰色来判别元素种类的一系列实验。本生计划根据火焰中的焰色情况来检测各种未知元素。他首先同时点燃了三盏煤气灯，并在每一盏灯的火焰中加入试验所用的盐溶液。第一盏灯中滴加的是纯盐溶液，第二盏灯中盐溶液与锂盐混合，第三盏与钾盐混合。结果显示，这三盏灯的三个火焰都显示黄色，凭借肉眼无法看出其中的区别。显然，这是因为混合盐溶液中的钠元素的黄色火焰掩盖了其他金属元素的颜色。为此，本生通过蓝色玻璃或靛蓝溶液作为滤色器观察火焰，发现黄色可以被过滤掉。这样通过滤色器，纯盐溶液所显示的火焰变得无色，而盐溶液与锂盐混合溶液的火焰呈深红色，含钾盐的火焰呈紫色。后来，他又尝试区分火焰中锂盐和锶盐的暗红色，但都失败了。显然，虽然通过蓝色钴玻璃可以观测到钾盐的真实焰色，但是单纯通过火焰颜色的视觉观察来识别元素是有限的。^[5]

在现今的化学教学或者其他实验中，单纯使用焰色反应来辨别金属也只有钠、钾等几种元素，而我们通过用蓝色的钻玻璃来观察钾的焰色这一方法也是来自于本生当初的试验。^[5]

在中国，焰色反应的发现相较西方早了近1200年。六世纪初，南北朝梁代的华阳真人陶弘景最早的发现了焰色反应。在他所著的《本草经集注》中曾提及：“消石疗病亦与朴消相似，《仙经》多用此消化诸石，今无真识别此者。或云与朴消同山，所以朴消一名消石朴也。又云一名芒硝，今芒硝乃是炼朴消作之。并未核研其验”古时所说的消石实际是硝酸钾（KNO3），朴消、芒硝实际是硫酸钠（Na2SO4)，由于两者都是白色晶体，且均易溶于水，当时人们难以识别．而陶弘景却能明确指出：“烧之紫青烟起，云是真消石也。”由此可见，远在1200多年以前，中国的陶弘景就能够用火焰试法（依据盐碱的紫色特征火焰）辨别出真消石。^[4]

当金属或其盐化合物在高温火焰上燃烧时，金属原子中的电子会被激发，电子的接收能量会从较低能级跳到较高能级，但较高能级的电子非常不稳定，很快就会跳回到较低能级。此时，多余的能量以光的形式释放。不同的原子结构和能级发射出不同波长的光，因此光的颜色也不同。^[1][2]

电子跃迁时产生一系列光线，构成原子发射光谱。火焰反应属于原子发射光谱的范畴。由于碱金属和碱土金属可以产生特征可见光谱，就像每个元素都用特定的标记标记一样，因此焰色反应易于识别和观察这些元素。^[1][2][7]

元素名称元素符号焰色锂Li深红色^[1][2]钠Na黄色^[1][2]钾K紫色^[1][2]铷rúRb紫红色^[1][2]铯sèCs蓝色^[1][2]钙Ca橙红色^[1][2]锶Sr洋红色^[1][2]铜Cu亮绿色^[1][2]钡bèiBa绿色^[1][2]

实验器材​

酒精灯（或煤气灯）、铂丝（或铁丝）、火柴、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液、蓝色钴玻璃​^[3]

实验步骤​

将焊在玻璃棒上的铂丝（或选择光洁无锈的铁丝）置于酒精灯（或煤气灯）的外焰里灼烧，直至火焰变回灼烧前的颜色。之后用铂丝（或铁丝）蘸取碳酸钠溶液，在外焰上灼烧，观察火焰的颜色。将铂丝（或者铁丝）用盐酸洗净之后仍在外焰上灼烧至没有颜色，再蘸取碳酸钾做同样的实验，此时用蓝色钴玻璃观察火焰颜色。​^[3]

注：蓝色钴玻璃是为了滤去黄色的光，避免碳酸钾中所含的微量钠盐对火焰颜色造成干扰。^[3]

实验器材​

铝底易拉罐、厨房清洁用的钢丝球、药匙（ 或胶头滴管 ）、 镊子、剪刀、火柴​^[8]

实验药品​

95%酒精、氯化钠溶液、氯化钾溶液、其他待测金属盐溶液​^[8]

实验步骤

(1)取三个相同的铝底罐，清洗罐的外底，并将其倒扣在桌面上，间隔约10厘米，从左到右依次编号为1、2和3。​^[8]

(2)取一团干净无锈的钢丝球用于厨房清洁，用剪刀剪下三团直径约1厘米的钢丝球，放在倒置在桌子上的罐子底部中心。​^[8]

(3)在三个罐的底部分别加入约3mL的95%酒精或无水乙醇。​^[8]

(4)在2号罐底部的金属丝球上加入绿豆大小的固体药物或溶液（如氯化钠固体或氯化钠溶液），并在3号罐底部金属丝球中加入绿豆大小固体药物或液体（如氯化钾固体或氯化物溶液）。​^[8]

(5)用火柴快速点燃三罐底部的酒精，约5秒，然后可以观察到明显的火焰反应实验现象。^[8]

实验结果​

据观察，1号罐底部的酒精燃烧火焰为很浅的浅蓝色，如果不仔细观察，火焰无法清晰可见；2号罐底部上方的火焰是非常明显的黄色；3号罐底部上方的火焰明显呈紫色。火焰颜色的明显差异可以用肉眼直接观察到。通过一块蓝色钻玻璃同时观察三个火焰，1号和2号火焰之间可以观察到相同的现象，3号火焰具有非常清晰的紫色火焰。蓝色钻石玻璃的作用是过滤掉钠的黄色光，从而观察元素的紫色火焰。^[8]

实验材料​

200mL 95%的甲醇、雾化喷壶（视实验所需确定个数）、氯化钠、氯化锶、氯化锂、氯化钾、氯化铜、氯化钙以及 氯化钴(选用)等物质各 0.5g~1g、酒精灯。​^[9]

实验步骤​

（1）将准备好的盐加入喷雾壶中，向喷雾壶中加入约20mL甲醇，拧上盖子并摇动以充分溶解盐。​^[9]

（2）点燃酒精灯，将含有盐的甲醇溶液喷洒在酒精灯的外火焰上方，喷雾将被点燃，并形成与实验金属盐的火焰颜色相对应的大型彩色火球。每次甲醇喷雾形成的彩色火球可以持续约1秒。将盐水甲醇溶液喷入火焰中2-3次，可以清楚地观察到火球​。^[9]

实验结果

化合物氯化钠（NaCl）氯化锶（SrCI2）氯化锂（LiCl）氯化钾(KCl)氯化铜（CuCl2）氯化钙（CaCl2）氯化锰（MnCl2）氯化钴 （CoCl2)焰色明亮橘黄色深红色洋红色紫色亮绿色橙红色黄绿色无色有白炽闪光

注：CoCl2尽管观测不出明显颜色的焰色。但是黑暗处实验可以观察到明显的白炽闪光。

实验器材​

无水乙醇、医用无纺布、滴管、玻璃棒、镊子、剪刀、 100 mL烧杯、药匙、研钵、火柴、酒精灯，KI、CuCl2、 CaCl2、SrCI固体、蒸馏水。 ​^[10]

实验步骤​

（1）对比实验：首先将干净的铂丝蘸取稀的HCl溶液后置于酒精灯外焰上灼烧直至外焰的颜色与之前同色，然后用铂丝去蘸取KI溶液同样用外焰灼烧，可以观察到紫色火焰，但实验现象不明显，且时间较短。之后用同样方法检测Cu2+、Ca“、Sr2+的焰色。​^[10]

（2） 空白实验：利用无水乙醇配置80％的乙醇溶液，将其滴加几滴在医用无纺布上，将医用无纺布在坩gān埚点燃观察火焰颜色为无色，这说明此时火焰颜色对于焰色反应的观察没有影响。​^[10]

（3）改进实验：使用无水乙醇为溶剂，分别滴加KI、CuCl2、 CaCl2、SrCI的饱和溶液并充分混合以备后续实验。​^[10]

（4）剪取适宜规格大小的医用无纺布四块，再将其折叠保证一定厚度，用金属镊子夹住并分别蘸取步骤（3）配置好的实验溶液。​^[10]

（5）用镊子夹住对应的医用无纺布，并用酒精灯点燃，可以明显地观察到绿色、砖红色、洋红色，紫色的火焰颜色，火焰高度在6cm左右，持续时间在30s左右，现象十分明显。 （若实验现象不明显，可以在医用无纺布上放置适量的金属化合物固体研磨粉末以保证火焰颜色明显）。^[10]

实验器材​

普通滤纸、吸水纸、烧杯、浓硝酸溶液、浓硫酸溶液、待测金属溶液、酒精灯、镊子、蒸馏水​^[11]

实验步骤​

（1）将普通滤纸裁剪成为能够放入烧杯内的合适尺寸；​^[11]

（2）配置混酸：先在烧杯中倒入适量浓硝酸，之后再用玻璃棒将浓硫酸慢慢倒入浓硝酸溶液中，缓慢搅拌直至溶液冷却至室温；​^[11]

（3）制作试纸：将裁剪好的滤纸条浸没在混酸溶液中（确保每张滤纸都被充分浸没）直至滤纸条变成半透明状（即纤维素硝酸酯zhǐ）。再将试纸条取出不断用蒸馏水进行漂洗，之后用吸水纸将试纸条上水分擦干；​^[11]

（4）用制备好的试纸条去蘸取对应的待测金属溶液，确保浸泡充分之后将试纸条晾干；​^[11]

（5）焰色反应：点燃酒精灯，用镊子夹取晾干的试纸条并将其点燃，即可观察到明显的焰色。^[11]

实验器材​

硝酸钾晶体、坩埚、玻璃棒、坩埚钳、甲醇、火柴​^[12]

实验步骤​

（1）在坩埚中放置适量的硝酸钾晶体，向坩埚中加入微量水（能够溶解掉硝酸钾晶体即可）并用玻璃棒不断搅拌；​^[12]

（2）向坩埚中滴加2ml甲醇，搅拌均匀，之后用火柴点燃甲醇就可以不通过蓝色钴玻璃观测到明显的紫色火焰，强烈搅拌即可使火焰高3-6cm；​^[12]

（3）相同步骤溶解钠、钙、铜等金属元素的晶体，即可观察到明显的焰色现象。^[12]

由于不同的金属在高温燃烧时会产生灿烂的颜色，根据这一特点，烟花制作者将不同的金属元素添加到燃烧器中，在高温燃烧后，它们会呈现出多彩的效果。^[13]

当金属镁粉和铝粉混合燃烧时，会产生几千度的高温，并发出耀眼的光芒。此时，当铜粉等碱金属粉末混入其中时，它会发出不同的颜色。照明弹有两种：光和烟。一般有白色、红色、绿色和黄色四种颜色。我国开国大典上的“万色烟花”实际上是苏联的照明弹。^[13][14]

在路面上大多数的路灯是黄色的，这种灯是高压钠灯，黄色主要来源于钠的发射光谱，高压钠灯在高压脉冲下实现钠气体电离，发射光谱中能量最高的部分与人眼最敏感的部分接近，让钠灯具有很强的穿透性，透雾性好，所以适合大面积的公共照明。^[13][15]

由焰色反应的原理所发展出的光谱分析领域，研究者们通过该方法检测到了大量未知元素并实现定量检测和定性分析，本条内容会在发展领域一栏介绍。

在分析化学学科领域中有一个重要分支：光谱分析，而其中的原子发射光谱则与焰色反应的原理相同：利用被测物质处于激发态后，各元素原子通过发射特征光谱来判断物质组成，进而实现对被测物质的定性和定量分析。随着各类新型光源的出现，原子发射光谱进入了光电化、自动化阶段。通过原子发射光谱法可以实现在不进行元素分离的前提下多种元素进行分析测定。^[16]

研究者们通过电感耦合等离子原子发射光谱法实现了测定：油田中微量碘元素^[17]、锶矿泉水中的锶^[18]、碘帕醇中钯的残留量^[19]、高纯镍niè中痕量钴^[20]、钒铁炉渣中钒铁锰磷^[21]、铂钯渣中钌铑lǎo^[22]等一些列的微量元素；通过微波等离子体原子发射光谱法测定：膨润土中总砷shēn^[23]、原油中微量金属元素^[24]、乳制品中的元素^[25]、氧化锌中铜、铅、铁、镉、锰元素含量^[26]、皮革和纺织品中可萃取重金属含量^[27]。除以上所论及的元素之外，化学家也依据各类光谱分析方法实现了对更多未知元素的定量和定性分析。现在，由于其灵敏度高、检测速度快，这种分析方法已广泛应用于科学领域及机械、电子、钢铁冶金、食品安全、材料分析、资源勘探开发、环境监测等领域中。^[16]