关于此实验
将干净的铁丝环蘸入金属盐中，再放在炽热的火焰中，火焰就会变成能够识别金属的颜色：锂呈深红色，钠呈黄色，钾呈淡紫色，钡呈绿色。热量使电子跃迁到更高的能级；当电子跃迁回去时，会发出特定波长的光。测试七种盐，用光谱仪观察它们发出的光，看看微量钠如何掩盖其他颜色，以及钴玻璃如何帮助辨认这些颜色，然后识别未知样品。
学习目标
- 安全、公平地进行并描述焰色反应
- 根据火焰颜色识别 Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺ 和 Cu²⁺
- 根据电子在能级之间的跃迁解释火焰颜色
- 将谱线的波长与光子的能量联系起来
- 解释钠污染为什么是个问题，以及钴蓝玻璃如何起作用
使用方法
- 1依次将每种盐放入火焰中，并将火焰颜色记录在表格里。
- 2比较锂和锶。它们看起来很相似。如何用光谱仪区分它们？
- 3选择 KCl，并将钠杂质含量提高到 10%。现在火焰看起来是什么颜色？
- 4打开钴蓝玻璃。光谱的哪一部分消失了？你又能看到什么？
- 5读取钠谱线的光子能量。红色光子和紫色光子，哪一种能量更高？
- 6切换到“神秘样品”，连续鉴别五个样品。哪些最难辨认？
模型
假设
- 锂、钠和钾的颜色来自原子谱线，其波长数据取自 NIST 数据库。
- 钙、锶、钡和铜呈现的颜色主要来自火焰中形成的分子，例如 CaOH、SrOH、BaOH 和 CuCl。图中以近似的中心波长和宽度绘出了它们的谱带。
- 同一种盐中各种颜色的相对亮度只是近似值。实际强度取决于火焰温度、浓度和阴离子。
- 火焰颜色是根据光谱和 CIE 1931 色匹配函数计算得出的，因此它表示光本身的颜色，并尽可能接近地显示在屏幕上。
- 未知样品按固定顺序打乱，因此每七轮中每种盐都会出现一次。
在课堂上试试这个实验
- Q1一名学生发现每个样品都产生黄色火焰。最可能的原因是什么？应该如何清洁金属丝？
- Q2计算锂在 670.8 nm 谱线对应的光子能量，分别用焦耳和电子伏特表示。
- Q3为什么不同的金属会呈现不同的颜色？
- Q4为什么焰色反应不太适合鉴定混合物中的金属？
- Q5烟花会使用锶盐和钡盐。它们分别会产生什么颜色？
常见问题
为什么线环要用镍铬合金或铂制成？
这些金属不易发生反应，而且自身不会使火焰显色。将线环浸入浓盐酸中，再加热，直到火焰不再显色，即可清洁线环。
为什么光谱是由一条条谱线组成，而不是像彩虹那样连续？
原子中的电子只能具有某些特定能量，因此可能发生的能量降低有限，也就只能产生某些特定波长。相反，发光的金属丝等炽热固体会产生连续光谱。
仅靠焰色反应就能鉴定金属吗？
焰色反应是一种快速的初步检测方法。有些颜色很相似，例如锂和锶，而且钠的颜色可能会掩盖其他颜色。化学家会通过其他检测，或使用火焰发射光谱仪、原子吸收光谱仪等仪器进行确认，这些仪器可以测量精确的谱线。