この実験について
清潔な針金の輪を金属塩に浸し、熱い炎の中にかざすと、炎が金属を特定できる色に変わります。リチウムは深紅、ナトリウムは黄色、カリウムはライラック色、バリウムは緑色です。熱によって電子はより高いエネルギー準位へ移り、元に戻るときに特定の波長の光を放出します。7種類の塩を試し、分光器を通して光を観察し、微量のナトリウムがほかの色をどのように隠すのか、またコバルトガラスがどのように検出を可能にするのかを確かめてから、正体不明の試料を特定しましょう。
学習目標
- 安全かつ公平に炎色反応を行い、その結果を説明する
- 炎の色から Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cu²⁺を特定する
- 電子がエネルギー準位間を移動することに基づいて炎色を説明する
- スペクトル線の波長と光子のエネルギーを関連付けましょう
- ナトリウムの混入がなぜ問題なのか、またコバルトブルーガラスがどのように役立つのかを説明しましょう
使い方
- 1それぞれの塩を順番に炎に入れ、炎の色を表に記録しましょう。
- 2リチウムとストロンチウムを比べましょう。見た目は似ています。分光器を使うと、どのように見分けられますか？
- 3KClを選び、ナトリウム不純物の割合を10%に上げましょう。炎の色はどう見えますか？
- 4コバルトブルーガラスをオンにしましょう。スペクトルのどの部分が消え、再び何が見えるようになりますか？
- 5ナトリウム線の光子エネルギーを読み取りましょう。赤色光子と紫色光子では、どちらのエネルギーが高いですか？
- 6「謎の試料」に切り替え、試料を5つ続けて特定しましょう。どれが最も難しかったですか？
モデル
前提条件
- リチウム、ナトリウム、カリウムの色は、NISTデータベースに掲載された波長の原子スペクトル線に由来します。
- カルシウム、ストロンチウム、バリウム、銅の色は、主に炎の中で生成されるCaOH、SrOH、BaOH、CuClなどの分子に由来します。各分子の発光帯は、おおよその中心波長と幅で描かれています。
- 同じ塩の中での相対的な明るさは概算です。実際の強度は、炎の温度、濃度、陰イオンによって異なります。
- 炎の色は、CIE 1931の等色関数を用いてスペクトルから計算しています。そのため、これは光そのものの色であり、画面で可能な限り忠実に表示しています。
- 不明試料は固定された順序でシャッフルされるため、7回の試行ごとに各塩が1回ずつ現れます。
授業で試してみましょう
- Q1ある生徒は、どの試料でも黄色い炎を見ます。最も考えられる原因は何ですか。また、針金はどのように洗浄すべきですか？
- Q2リチウムの670.8 nmの輝線から放出される光子のエネルギーを、ジュールと電子ボルトで計算してください。
- Q3なぜ金属によって異なる色が生じるのですか？
- Q4なぜ炎色反応では、混合物に含まれる金属をうまく特定できないのですか？
- Q5花火にはストロンチウム塩とバリウム塩が使われます。それぞれどのような色を生み出しますか？
よくある質問
ワイヤーループはなぜニクロムまたは白金で作られているのですか？
これらの金属は反応しにくく、それ自体で炎に色をつけません。ループは濃塩酸に浸してから、炎に色がつかなくなるまで加熱して洗浄します。
スペクトルはなぜ虹のような連続した色ではなく、線状なのですか？
原子中の電子がとれるエネルギーは限られているため、可能なエネルギー低下も限られ、それに応じて特定の波長だけが生じます。一方、光るワイヤーのような高温の固体は連続スペクトルを生じます。
炎色反応だけで金属を特定できますか？
手早く行える最初の検査としては有効です。リチウムとストロンチウムのように色が似ている場合もあり、ナトリウムはほかの色を隠してしまうことがあります。化学者は、ほかの検査や、正確なスペクトル線を測定する炎発光分光計や原子吸光分光計などの機器を使って確認します。