Über dieses Experiment
Tauche eine saubere Drahtschlinge in ein Metallsalz, halte sie in eine heiße Flamme und beobachte, wie sich die Flamme verfärbt und so das Metall erkennen lässt: karminrot bei Lithium, gelb bei Natrium, lilafarben bei Kalium und grün bei Barium. Durch die Hitze gelangen Elektronen auf höhere Energieniveaus; fallen sie zurück, geben sie Licht mit exakt bestimmten Wellenlängen ab. Teste sieben Salze, betrachte ihr Licht durch ein Spektroskop, beobachte, wie eine Spur Natrium andere Farben überdeckt und wie Kobaltglas den Nachweis ermöglicht, und identifiziere anschließend unbekannte Proben.
Lernziele
- Führe einen Flammentest sicher und unter fairen Bedingungen durch und beschreibe ihn.
- Identifiziere Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ und Cu²⁺ anhand ihrer Flammenfarben.
- Erkläre die Flammenfarben damit, dass sich Elektronen zwischen Energieniveaus bewegen.
- Verknüpfe die Wellenlänge einer Linie mit der Energie eines Photons
- Erkläre, warum eine Verunreinigung durch Natrium problematisch ist und wie Kobaltblauglas hilft
Anleitung
- 1Halte nacheinander jedes Salz in die Flamme und notiere die Flammenfarbe in einer Tabelle.
- 2Vergleiche Lithium und Strontium. Sie sehen ähnlich aus. Wie kann das Spektroskop sie unterscheiden?
- 3Wähle KCl aus und erhöhe den Natriumanteil auf 10 %. Welche Farbe hat die Flamme jetzt?
- 4Schalte das Kobaltblauglas ein. Welcher Teil des Spektrums verschwindet, und was kannst du wieder sehen?
- 5Lies die Photonenenergie der Natriumlinie ab. Welches Photon ist energiereicher, ein rotes oder ein violettes?
- 6Wechsle zur Mystery-Probe und identifiziere fünf Proben hintereinander. Welche waren am schwierigsten?
Das Modell
Annahmen
- Die Farben von Lithium, Natrium und Kalium stammen von Atomlinien mit Wellenlängen aus der NIST-Datenbank.
- Die Farben von Calcium, Strontium, Barium und Kupfer stammen meist von Molekülen, die sich in der Flamme bilden, etwa CaOH, SrOH, BaOH und CuCl. Ihre Banden sind mit ungefähren Mittelpunkten und Breiten eingezeichnet.
- Die relative Helligkeit innerhalb eines Salzes ist nur näherungsweise angegeben. Die tatsächlichen Intensitäten hängen von der Flammentemperatur, der Konzentration und dem Anion ab.
- Die Flammenfarbe wird anhand des Spektrums mit den CIE-1931-Farbwertfunktionen berechnet. Sie entspricht also der Farbe des Lichts, so genau, wie ein Bildschirm sie darstellen kann.
- Die unbekannten Proben stammen aus einer festgelegten Zufallsreihenfolge, sodass jedes Salz in jeweils sieben Durchgängen einmal vorkommt.
Im Unterricht ausprobieren
- Q1Ein Schüler sieht bei jeder Probe eine gelbe Flamme. Was ist die wahrscheinlichste Ursache, und wie sollte der Draht gereinigt werden?
- Q2Berechne die Energie eines Photons der Lithiumlinie bei 670,8 nm in Joule und Elektronenvolt.
- Q3Warum erzeugen verschiedene Metalle unterschiedliche Farben?
- Q4Warum kann ein Flammentest die Metalle in einem Gemisch nicht besonders gut identifizieren?
- Q5Bei Feuerwerken werden Strontium- und Bariumsalze verwendet. Welche Farben erzeugen sie?
Häufig gestellte Fragen
Warum besteht die Drahtschlinge aus Nichrom oder Platin?
Diese Metalle sind reaktionsträge und färben die Flamme nicht selbst. Die Schlinge wird gereinigt, indem man sie in konzentrierte Salzsäure taucht und erhitzt, bis die Flamme keine Farbe mehr zeigt.
Warum besteht das Spektrum aus Linien und nicht aus einem Regenbogen?
Elektronen in einem Atom können nur bestimmte Energien haben. Daher sind nur bestimmte Energieübergänge und folglich bestimmte Wellenlängen möglich. Ein heißer Festkörper wie der glühende Draht erzeugt dagegen ein kontinuierliches Spektrum.
Reicht ein Flammentest aus, um ein Metall zu identifizieren?
Er ist ein schneller erster Test. Manche Farben sind ähnlich, etwa die von Lithium und Strontium, und Natrium kann andere Farben überdecken. Chemiker bestätigen das Ergebnis mit weiteren Tests oder mit einem Gerät wie einem Flammenemissions- oder Atomabsorptionsspektrometer, das die exakten Linien misst.