關於此實驗
將乾淨的鐵絲環浸入金屬鹽中，再置於炙熱的火焰中，火焰就會變成可辨認金屬的顏色：鋰呈深紅色，鈉呈黃色，鉀呈淡紫色，鋇呈綠色。熱量使電子躍遷至較高的能階；電子返回時，會放出特定波長的光。測試七種鹽，用光譜儀觀察它們發出的光，看看微量的鈉如何掩蓋其他顏色，以及鈷玻璃如何讓這些顏色重新顯現，然後辨認未知樣本。
學習目標
- 安全且公平地進行並描述焰色反應
- 根據火焰顏色辨認 Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺ 和 Cu²⁺
- 根據電子在能階之間的躍遷解釋火焰顏色
- 將譜線的波長與光子的能量連結起來
- 解釋鈉污染為何是個問題，以及鈷藍玻璃如何發揮作用
使用方法
- 1依序將每種鹽放入火焰中，並將火焰顏色記錄在表格裡。
- 2比較鋰和鍶。它們看起來很相似。如何用光譜儀區分它們？
- 3選擇 KCl，並將鈉雜質含量提高到 10%。現在火焰看起來是什麼顏色？
- 4開啟鈷藍玻璃。光譜的哪一部分消失了？你又能看到什麼？
- 5讀取鈉譜線的光子能量。紅色光子和紫色光子，哪一種能量較高？
- 6切換到「神秘樣品」，連續鑑別五個樣品。哪些最難辨認？
模型
假設
- 鋰、鈉和鉀的顏色來自原子譜線，其波長資料取自 NIST 資料庫。
- 鈣、鍶、鋇和銅呈現的顏色主要來自火焰中形成的分子，例如 CaOH、SrOH、BaOH 和 CuCl。圖中以近似的中心波長和寬度繪出了它們的譜帶。
- 同一種鹽中各種顏色的相對亮度只是近似值。實際強度取決於火焰溫度、濃度和陰離子。
- 火焰顏色是根據光譜和 CIE 1931 色匹配函數計算得出的，因此它表示光本身的顏色，並盡可能忠實地呈現在螢幕上。
- 未知樣品按固定順序打亂，因此每七輪中每種鹽都會出現一次。
在課堂上試試這個實驗
- Q1一名學生發現每個樣品都產生黃色火焰。最可能的原因是什麼？應該如何清潔金屬絲？
- Q2計算鋰在 670.8 nm 譜線所對應的光子能量，分別以焦耳和電子伏特表示。
- Q3為什麼不同的金屬會呈現不同的顏色？
- Q4為什麼焰色反應不太適合鑑定混合物中的金屬？
- Q5煙火會使用鍶鹽和鋇鹽。它們分別會產生什麼顏色？
常見問題
為什麼線環要用鎳鉻合金或鉑製成？
這些金屬不易發生反應，而且本身不會使火焰顯色。將線環浸入濃鹽酸中，再加熱，直到火焰不再顯色，即可清潔線環。
為什麼光譜是由一條條譜線組成，而不是像彩虹那樣連續？
原子中的電子只能具有某些特定能量，因此可能發生的能量降低有限，也就只能產生某些特定波長。相反地，發光的金屬絲等熾熱固體會產生連續光譜。
只靠焰色反應就能鑑定金屬嗎？
焰色反應是一種快速的初步檢測方法。有些顏色很相似，例如鋰和鍶，而且鈉的顏色可能會掩蓋其他顏色。化學家會透過其他檢測，或使用火焰發射光譜儀、原子吸收光譜儀等儀器進行確認，這些儀器可以測量精確的譜線。