焰色反應(yīng)，是某些金屬或它們的化合物在無(wú)色火焰中灼燒時(shí)使火焰呈現(xiàn)特征的顏色的反應(yīng)。焰色反應(yīng)是物理變化。它并未生成新物質(zhì)，焰色反應(yīng)是物質(zhì)原子內(nèi)部電子能級(jí)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(xué)性質(zhì)的改變。焰色反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

在西方很多化學(xué)史資料中，都記載著“焰色反應(yīng)”的最早發(fā)現(xiàn)者是德國(guó)的化學(xué)家馬格拉夫。其父為普魯士王朝宮廷藥師，池自幼隨父學(xué)習(xí)化學(xué)和藥學(xué)。1758年，在一次實(shí)驗(yàn)中馬格拉夫?qū)煞N“堿”[鍋灰堿(即K2CO3)和蘇打]的粉末分別撒在酒精燈火焰上，發(fā)現(xiàn)蘇打使火焰呈黃色，而鍋灰堿卻使火焰呈紫色。

實(shí)際上“焰色反應(yīng)”的最先發(fā)現(xiàn)者應(yīng)是中國(guó)的陶弘景。陶弘景(456～536)，南北朝時(shí)梁代道教思想家、著名醫(yī)藥學(xué)家。陶弘景學(xué)識(shí)淵博，著述頗富，作品有《本草經(jīng)集注》《集金丹黃白方》《二牛圖》等。其中，《本草經(jīng)集注》明確提及：先時(shí)有人得一物，其色理與樸消(Na2SO4)大同小異，朏朏如握雪不冰。強(qiáng)燒之，紫青煙起，仍成灰，不停沸，如樸消，云是真消石(KNO3)也。此中的“紫青煙起”即是鉀鹽所特有的性質(zhì)?？梢?，1400多年前陶弘景就已發(fā)現(xiàn)“焰色反應(yīng)”并利用它來鑒別消石和樸消，早于馬格拉夫1200多年。

焰色反應(yīng)的生色原理

根據(jù)量子論學(xué)說，原子核外的電子均處于一定的能級(jí)，一個(gè)原子只允許有某幾種特定值的電子能級(jí)，它們以不連續(xù)的狀態(tài)存在，即能量是量子化的。當(dāng)原子或分子借助火焰、火花或在幾伏的電勢(shì)下被加速激發(fā)時(shí)，部分電子就會(huì)吸收一定的能量躍遷至較高的能級(jí)(激發(fā)態(tài))，從而變得很不穩(wěn)定。在重新返回基態(tài)時(shí)，原先吸收的能量就主要以光子的形式釋放出來。光子對(duì)應(yīng)光的波長(zhǎng)可根據(jù)λ=hc/|△E|(其中h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為光的波長(zhǎng))計(jì)算而得。

在焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，不同金屬或它們的化合物在灼燒時(shí)會(huì)放出多種不同波長(zhǎng)的光，在肉眼能感知的可見光范圍內(nèi)，因不同光的波長(zhǎng)不同，呈現(xiàn)的顏色也就存在差異。如鈉原子低能級(jí)之間發(fā)生的躍遷情況可用下圖表示，其中電子在基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間躍遷時(shí)：

|△E|=-2.65×10-19-(-6.02×10-19)=3.37×10(J)

λ=hc/|△E|=[6.626×10-34×2.998×108]/3.37×10-19=5.89×10-7(m)=589(nm)

波長(zhǎng)為589nm的光屬于可見光區(qū)的黃光，所以鈉的焰色反應(yīng)呈黃色。同理，我們可計(jì)算其他常見金屬離子對(duì)應(yīng)的可見光區(qū)譜線波長(zhǎng)及所呈焰色，具體見下表。

因此，焰色反應(yīng)發(fā)出的光是由多種頻率的光組成(在光譜學(xué)上表現(xiàn)出一系列的譜線)，而肉眼所觀察到的是可見光范圍內(nèi)不同頻率的多種光的綜合結(jié)果。像鎂、鋁和銀等元素因在可見光區(qū)沒有譜線而無(wú)特征的焰色。非金屬焰色反應(yīng)

許多金屬或它們的化合物在火焰上灼燒時(shí)都會(huì)使火焰呈現(xiàn)特殊的顏色。非金屬元素不具有此性質(zhì)嗎?雖然能發(fā)生焰色反應(yīng)的非金屬元素比較少見，但卻并非沒有。

如，現(xiàn)行高校無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中一般都有硼化合物的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。焰色反應(yīng)是硼化合物的重要性質(zhì)之一，常用于硼化合物的定性檢驗(yàn)。當(dāng)硼酸和乙醇(或甲醇)在濃硫酸存在時(shí)發(fā)生酯化反應(yīng)，生成揮發(fā)性的硼酸酯，其燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生特有的綠色火焰。反應(yīng)原理為：

H3BO3+3C2H5OH→B(OC2H5)3+3H2O

2B(OC2H5)3+18O2→B2O3+12CO2+15H2O

實(shí)驗(yàn)中，乙醇既作反應(yīng)物，又作燃料;濃硫酸起催化劑和脫水劑的作用。此外，硼砂等硼酸鹽與硫酸混合時(shí)反應(yīng)生成硼酸，進(jìn)而與乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)，燃燒時(shí)發(fā)生焰色反應(yīng)。因此，利用焰色反應(yīng)可以用來檢驗(yàn)硼酸或硼酸鹽等。

除硼元素外，諸如砷、磷、硒、碲等非金屬元素焰色反應(yīng)時(shí)也有其特征的火焰顏色。鹵素等對(duì)焰色反應(yīng)的影響

將一根純銅絲加熱至紅熱，蘸上試樣，放在火焰上灼燒，如存在鹵素，火焰為綠色。言外之意，銅絲本身灼燒時(shí)并不會(huì)顯綠色，必須在鹵族元素的配合下才顯色。

眾所周知，我們通常認(rèn)為焰色反應(yīng)是元素的性質(zhì)，金屬單質(zhì)與其化合物應(yīng)該是保持一致的，中學(xué)教材也都認(rèn)為銅元素的焰色為綠色。我們對(duì)教材中“銅絲燃燒法”的敘述又當(dāng)如何理解?焰色反應(yīng)是否還受到其他一些我們未知因素的影響?

實(shí)驗(yàn)1：取兩段銅絲，其中一根用砂紙充分打磨去除表面氧化層。然后將打磨過的和未打磨的銅絲分別用酒精燈外焰灼燒，前者火焰無(wú)明顯變化，后者略顯綠色，停止加熱后兩段銅絲均變黑。再次灼燒，兩者的火焰均不變綠色。

實(shí)驗(yàn)2：取一段銅絲，用酒精燈灼燒至黑色，趁熱插入無(wú)水乙醇中，銅絲又重新恢復(fù)紅色，并有光亮的金屬光澤，反復(fù)2～3次。將用無(wú)水乙醇處理過的潔凈銅絲再次灼燒時(shí)，觀察不到火焰呈現(xiàn)綠色的現(xiàn)象;若將其一端用手盤成團(tuán)狀(粘有少量汗?jié)n)后繼續(xù)灼燒，火焰呈現(xiàn)淺綠色。

可見，銅單質(zhì)及氧化銅并不會(huì)發(fā)生焰色反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)也說明，未處理的銅絲表面可能因存在部分雜質(zhì)(如油漬、汗?jié)n等)而使焰色反應(yīng)呈綠色，我們可以選用無(wú)水乙醇加熱洗滌的方法處理銅絲表面的雜質(zhì)以防止干擾，效果較好。

實(shí)驗(yàn)3：取7根預(yù)先用無(wú)水酒精處理過的潔凈銅絲，分別蘸取少量氯化銨溶液、硝酸銨溶液、溴水、碘水、稀鹽酸、稀硝酸和醋酸溶液，用酒精燈灼燒時(shí)焰色均呈現(xiàn)不同程度的綠色。

實(shí)驗(yàn)4：取3根預(yù)先用無(wú)水酒精處理過的潔凈銅絲，分別蘸取稀硫酸、硫酸銨溶液和氟化銨溶液，用酒精燈灼燒時(shí)焰色均未出現(xiàn)變綠的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4表明，鹵族元素(除氟外)的存在均可使銅絲在灼燒時(shí)呈現(xiàn)明顯的綠色火焰，蘸取醋酸、硝酸及硝酸鹽溶液也有相同現(xiàn)象，而硫酸和硫酸銨溶液則沒有。由此可見，不同介質(zhì)對(duì)銅的焰色反應(yīng)有影響。

做焰色反應(yīng)時(shí)，要求被試驗(yàn)的物質(zhì)要有較大的揮發(fā)性。只有物質(zhì)揮發(fā)出來，在灼燒時(shí)其內(nèi)部電子才能充分受熱激發(fā)，從而出現(xiàn)明顯的焰色反應(yīng)。為此，由于單質(zhì)銅、氧化銅和氟化銅沒有揮發(fā)性，不能使焰色變綠，而除氟外其他鹵素與銅形成的化合物灼燒時(shí)易揮發(fā)，因此焰色反應(yīng)時(shí)綠色明顯。

值得注意的是，許多不含鹵素的物質(zhì)，如某些羧酸、吡啶、喹啉、脲和硫脲等，也能產(chǎn)生揮發(fā)性的銅鹽而使焰色變綠，但形成的揮發(fā)性銅(Ⅱ)鹽的焰色存在細(xì)微的差別，如有鹵素時(shí)銅(Ⅱ)鹽的焰色呈藍(lán)綠色，而無(wú)鹵素時(shí)銅(Ⅱ)鹽的焰色則是祖母綠。

還要補(bǔ)充說明的是，堿金屬、堿土金屬及其他很多金屬的硫酸鹽一般極難揮發(fā)，硝酸鹽雖能揮發(fā)，但強(qiáng)熱后有的會(huì)生成難揮發(fā)的氧化物，這些都不利于焰色反應(yīng)。為此，通常我們?cè)谔暨x合適的金屬鹽溶液進(jìn)行焰色反應(yīng)時(shí)，一般優(yōu)先選擇對(duì)應(yīng)的鹽酸鹽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而很少會(huì)使用硝酸鹽、硫酸鹽等;在焰色反應(yīng)中使用的鉑絲，我們?cè)谙礈鞎r(shí)也常常選擇鹽酸作洗滌液，一般不使用硝酸和硫酸。

即使是同一元素在不同價(jià)態(tài)時(shí)的焰色也可能存在差別。如維基百科有介紹：?jiǎn)钨|(zhì)銅無(wú)焰色反應(yīng)，無(wú)鹵素時(shí)銅(Ⅰ)鹽的焰色為淺藍(lán)色，無(wú)鹵素時(shí)銅(Ⅱ)鹽的焰色則是祖母綠;我們一般認(rèn)為單質(zhì)鐵無(wú)焰色反應(yīng)，而Fe(Ⅲ)則有金黃色的焰色。