焰色反应及焰色反应实验

王摩尔

当你观看大型运动会或国家重大节日燃放烟花的美丽场景，在你心情激荡的时候，你是否知道这五彩缤纷的烟花是怎么一回事？其实，这是一些金属离子在燃烧时产生的现象，这种现象在化学上叫焰色反应。

一、焰色反应的定义

焰色反应，也称作焰色测试及焰色试验，是某些金属或它们的挥发性化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特征颜色的反应。

有些金属或它们的化合物在灼烧时能使火焰呈特殊颜色。如钠元素的焰色为黄色，钾元素的焰色为紫色（通过蓝色玻璃），钙元素的焰色为砖红色，铜元素的焰色为蓝绿色，锶元素的焰色为洋红色等。

二、焰色反应的发展史

焰色反应是一种非常古老的定性分析法，早在中国南北朝时期，著名的炼丹家和医药大师陶弘景(456～536)在他的《本草经集注》中就有这样的记载“以火烧之，紫青烟起，云是真硝石(硝酸钾)也”。由于当时及以后的许多年里，生产力水平不高，这种方法一直没有得到广泛的应用及发展。

到18世纪以后欧洲的近代化学时期，由于冶金、机械工业的巨大发展，要求提供数量更大，品种更多的矿石；同时，也为了降低生产成本，合理使用原材料及提高产品质量，因而对分析化学提出了新的要求。

德国人马格拉夫(1709～1782)是这一时期的著名的定性分析化学家。他的一项重要的研究成果是观察到了植物碱(草木灰，即碳酸钾)与矿物碱(苏打，即碳酸钠)的区别。1762年他系统地对比了这2种碱转化生成的各种钾盐与钠盐的晶形、潮解性和溶解度，并发现钠盐和钾盐可以分别使火焰着上各自特征的焰色。从此以后利用焰色反应鉴别钾、钠盐就成为常用手段了。

后来有不少人也注意到，有很多的盐类、氧化物在火焰中也能呈现不同的颜色，例如格梅林在1818年发现锂盐呈深红色、铜盐呈蓝绿色，但却不明白其中的道理。而锂盐和锶盐都使火焰呈红色，这又影响了焰色反应检验物质的可靠性。

19世纪中叶，德国著名化学家本生(1811～1899)设计制造了本生灯，它使煤气燃烧时产生几乎无色的火焰，温度高达一千多度。本生利用这种灯研究各种盐类在火焰中呈现不同焰色的现象，试图根据火焰中的彩色信号来检测各种元素。他同时点燃3盏煤气灯，并分别往每个灯焰中滴加食盐溶液。

其中一滴是饱和食盐溶液，另一滴混有锂盐，第三滴混有钾盐。结果3 个火焰全呈黄色，看不出任何差别。显然是钠焰的黄色把其他的颜色掩盖了。本生又通过蓝色玻璃或靛蓝溶液作滤色镜观察火焰，发现黄色得以滤去，滴加饱和食盐溶液的火焰变成无色，混有锂盐的食盐溶液火焰显深红色，混有钾盐的火焰呈浅紫色。后来他收集很多不同颜色的玻璃并配制许多不同颜色的溶液作为滤色材料试图提高焰色反应的选择性，来区别锂盐与锶盐在火中呈现的深红色，但没有成功。显然凭肉眼观察焰色来鉴别元素受到了很大的限制。直到现在，我们用焰色反应也只能有限地鉴别钾、钠等少数几种金属，用蓝色的钴玻璃来观察钾的焰色也来源于本生的试验。

本生除了利用煤气火焰外，还利用煤炭火焰、氢氧焰、氢焰等。经过对焰色反应的详细研究后，他还发现一种元素即使处于不同的化合物中，即使在火焰中发生了化学变化，即使火焰的温度不同，即使所使用的火焰类型不同，但这些因素对某一元素的特征焰色都没有影响。

后来，本生在好友物理学家基尔霍夫的建议下，通过观察光谱实现了对元素的定性检验，开创了分析化学的一个重要分支：光谱分析。

三、焰色反应的原理

焰色反应是物质原子内部电子能级的改变，通俗的说是原子中的电子能量的变化，不涉及物质结构和化学性质的改变。焰色反应中释放出的各种可见光实质上是由于热源的温度很高，做焰色反应的金属离子受热后能量升高，激发电子跃迁，能级间的能量差以可见光的形式释放出来，这个过程没有新的物质生成，只是电子的跃迁，应该属于物理变化。所以，虽然称作焰色反应，实际上并不是化学变化，而是物理变化，焰色反应是元素的一种物理性质。

每种元素都有其个别的光谱。当碱金属及其盐在火焰上灼烧时，原子中的电子吸收了能量，从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，但处于能量较高轨道上的电子是不稳定的，很快跃迁回能量较低的轨道，这时就将多余的能量以光的形式放出。而放出的光的波长在可见光范围内(波长400nm～760nm)，因而能使火焰呈现颜色。但由于碱金属的原子结构不同，电子跃迁时能量的变化就不相同，就发出不同波长的光，从焰色反应的实验里所看到的特殊焰色就是光谱谱线的颜色。

每种元素的光谱都有一些特征谱线,发出特征的颜色而使火焰着色，根据焰色可以判断某种元素的存在。如焰色洋红色含有锶元素，焰色蓝绿色含有铜元素，焰色黄色含有钠元素，焰色紫色含有钾元素，砖红色则含有钙元素等。

四、焰色反应的实验

样本通常是粉或小块的形式。用一根清洁且较不活泼的金属丝(例如铂或镍铬合金)盛载样本，再放到无光焰(蓝色火焰)中。在化学上，常用来测试某种金属是否存在于化合物。

⒈ 实验用品

铂丝(或铁丝、镍丝)、酒精灯(或煤气灯、本生灯、酒精喷灯)、稀盐酸、蓝色钴玻璃(检验钾时用)。

⒉ 操作过程

⑴ 将铂丝蘸稀盐酸在无色火焰上灼烧至无色。进行焰色反应应使用铂丝(镍丝、铁丝)。把嵌在玻璃棒上的金属丝在稀盐酸里蘸洗后，(这是因为金属氧化物与盐酸反应生成的氯化物在灼烧时易气化而挥发。若用硫酸，由于生成的硫酸盐的沸点很高，少量杂质不易被除去而干扰火焰的颜色)。

⑵ 蘸取试样(固体也可以直接蘸取)在无色火焰上灼烧观察火焰颜色，这时就可以看到被检验溶液里所含元素的特征焰色。

通常放在酒精灯的火焰里灼烧(最好是煤气灯，因为它的火焰颜色浅、温度高，用酒精喷灯也可以)，直到跟原来的火焰的颜色一样。

(若检验钾要透过蓝色钴玻璃观察，因为大多数情况下制钾时需要用到钠，因此钾离子溶液中常含有钠离子，而钠的焰色反应为黄色，黄色会掩盖少量的紫色无法分别出来)；

⑶ 将铂丝再蘸稀盐酸灼烧至无色，就可以继续做新的实验了。

若在焰色反应时，看到的火焰为黄色，那是玻璃中的钠燃烧的颜色掩盖了金属燃烧的颜色。

五、一些金属离子的焰色反应实验

先准备一根铂或镍铬丝、铁丝，并将其一端弯一小圈，钴蓝玻璃及盐或其溶液。

把线圈浸在稀盐酸中以清除先前余下的物质，再把线圈放在无光焰(蓝色火焰)中直至没有颜色的变化。

用蒸馏水或去离子水或纯水冲洗线。

用线圈接触盐或溶液，通过无光焰(蓝色火焰)中加热。

⒈ 钠离子

钠的焰色反应本应不难做，但实际做起来最麻烦。因为钠的焰色为黄色，而酒精灯的火焰因灯头灯芯不干净、酒精不纯而使火焰大多呈黄色。即使是近乎无色（浅淡蓝色）的火焰，一根新的铁丝（或镍丝、铂丝）放在外焰上灼烧，开始时火焰也是黄色的，很难说明焰色是钠离子的还是原来酒精灯的焰色。要明显看到钠的黄色火焰，可用如下方法。

⑴ 方法一（镊子－棉花－酒精法）：

用镊子取一小团棉花（脱脂棉，下同）吸少许酒精（95％乙醇，下同），把棉花上的酒精挤干，用该棉花沾一些氯化钠或无水碳酸钠粉末（研细），点燃。

⑵ 方法二（铁丝法）：

① 取一根细铁丝，一端用砂纸擦净，再在酒精灯外焰上灼烧至无黄色火焰；

② 用该端铁丝沾一下水，再沾一些氯化钠或无水碳酸钠粉末；

③ 点燃一盏新的酒精灯（灯头灯芯干净、酒精纯）；

④ 把沾有钠盐粉末的铁丝放在外焰尖上灼烧，这时外焰尖上有一个小的黄色火焰，那就是钠焰。

⒉ 钾离子

⑴ 方法一（烧杯－酒精法）：

取一小药匙无水碳酸钠粉末（充分研细）放在一倒置的小烧杯上，滴加5～６滴酒精，点燃，可看到明显的浅紫色火焰，如果隔一钴玻璃片观察，则更明显看到紫色火焰。

⑵ 方法二（蒸发皿－酒精法）：

取一药匙无水碳酸钠粉末放在一个小发皿内，加入１毫升酒精，点燃，燃烧时用玻棒不断搅动，可看到紫色火焰，透过钴玻璃片观察效果更好，到酒精快烧完时现象更明显。

⑶ 方法三（铁丝－棉花－水法）：

取少许碳酸钠粉末放在一小蒸发皿内，加一两滴水调成糊状；再取一条小铁丝，一端擦净，弯一个小圈，圈内夹一小团棉花，棉花沾一点水，又把水挤干，把棉花沾满上述糊状碳酸钠，放在酒精灯外焰上灼烧，透过钴玻璃片可看到明显的紫色火焰。

⑷ 方法四(金属丝法)：

同钠的方法二中的实验方法。该法效果不如方法一、二、三，但接近课本的做法。

观察钾的焰色时，室内光线不要太强，否则浅紫色的钾焰不明显，如果要避免钠盐对观察钾盐造成的影响，应通过蓝色钴玻璃观察焰色。

⒊ 锂离子

⑴ 方法一（镊子－棉花－酒精法）：

用镊子取一团棉花，吸饱酒精，又把酒精挤干，把棉花沾满Li2CO3粉末，点燃。

⑵ 方法二(金属丝法)：跟钠的方法二相同。

⒋ 钙离子

⑴ 方法一（镊子－棉花－酒精法）：同钠的方法一。

⑵ 方法二（烧杯－酒精法）：

取一药匙研细的无水氯化钙粉末（要吸少量水，如果的确一点水也没有，则让其在空气吸一会儿潮）放在倒置的小烧杯上，滴加７～８滴酒精，点燃。

⑶ 方法三（药匙法）：用不锈钢药匙盛少许无水氯化钙（同上）放在酒精灯外焰上灼烧。

⒌ 锶离子

方法一、二：同碳酸锂的方法一、二。

⒍ 钡离子

⑴ 方法一（铁丝－棉花－水法）：

取少量研细的氯化钡粉末放在一小蒸发皿内，加入一两滴水调成糊状，取一小铁丝，一端用砂纸擦净，弯一个小圈，圈内夹一小团棉花，棉花吸饱水后又挤干，把这棉花沾满上述糊状氯化钡，放在酒精灯火焰下部的外焰上灼烧，可看到明显的黄绿色钡焰。

⑵ 方法二（棉花－水－烧杯法）：

跟方法一类似，把一小团棉花沾水后挤干，沾满糊状氯化钡，放在一倒置的烧杯上，滴加七八滴酒精，点燃。可与棉花＋酒精燃烧比较。

⒎ 铜离子

⑴ 方法一(金属丝－棉花－水法)：同钡离子的方法一相同。

⑵ 方法二(镊子－棉花－-酒精法)：同钠离子方法。

⑶ 方法三(烧杯－酒精法)：同钾离子的方法一。

⑷ 方法四(药匙法)：同钙离子的方法三。

六、焰色反应的应用

(1) 利用焰色反应可检验某些用常规化学方法不能鉴定的金属元素。

(2) 用于制作节日燃放的烟花。不同的金属及其化合物对应不同的焰色反应，利用焰色反应，人们在在烟花中有意识地加入特定金属元素，使焰火颜色更加绚丽多彩。

七、注意事项

⒈ 焰色反应现象要明显，火焰焰色要象彗星尾巴才看得清楚，有的盐的焰色反应之所以盐要加少量水溶解，是为了灼烧时离子随着水分的蒸发而挥发成彗星尾巴状；而有的离子灼烧时较易挥发成彗星尾巴状，就不用加水溶解了。

⒉ 碱金属和其它一些金属及其相应离子所发生的焰色反应可用于分析物质的组成,进行有关物质的鉴别。如：钠或含有Na+的化合物焰色反应为黄色；钾或含K+的化合物焰色反应为浅紫色(透过钴玻璃)。

镁、铝，还有铁、铂、镍等金属无焰色。

⒊ 焰色反应在使用中只能用盐酸来洗铂丝

原因：生成金属氯化物，而一般金属氯化物在高温时易挥发。

⒋ 实验过程中，对于未知液体，利用焰色反应检验离子，因为溶液中可能会含有其他有毒物质，加热后可能会挥发出来，或者加热时可能生成有毒物质，会可能会对实验人员造成伤害。