燄色試驗（Flame Test）

Posted on 2010/01/01 in 化學, 原子結構, 物質構造 with 尚無留言 11,861 views

燄色試驗
高雄市立新莊高級中學化學科歐惠郡老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

若以價殼層（Valence shell）的概念來看原子中的電子，則我們可以認為原子核外的電子，是被安排在能量不同的各殼層上；而每一層中可進駐的電子數目，亦並非完全相等；層與層間的能量差值，亦有其特定的大小；故不同層中的電子，所擁有的能量，其大小也非連續改變的值－或稱為不連續的〝能階〞（Energy level）。內層電子因距離帶正電荷的原子核較近，受到原子核的吸引較強，故其能量較低，欲脫離原子比較困難；外層電子受內層電子的排斥且距離原子核亦較遠，受到的吸引力較弱，擁有的能量較高，脫離原子的機會較大。因此，最外層的電子就是原子中能量最高的電子，最容易受外界的影響，參與化學反應。通常，一原子中，位於最外層的電子即是價電子（Valence electron），而價電子所在的殼層，就稱為價（殼）層。同族元素因為其價電子數目相同，故化性也相近。

電子由內層移往外層，需要吸收能量；由外層回到內層，則會釋出多餘的能量。層與層間的能階差異，隨著原子核內的質子數目、電子與原子核間的距離以及位於相對內層電子數目的多寡而不同。因此，不同的原子各有其特定的能階差。我們便可運用此特性來辨識各種原子。金屬的燄色試驗即基於以上的原理。當原子受熱時，其中的電子會被激發到較高能量的狀態，稱電子的激發態（Electronic excited state）。當此激發態的電子，由外層躍遷回內層時，多餘的能量若以可見光的形態釋放，即是我們看到的可見光光譜。不同的金屬原子，會發出其獨特的線光譜，而其在可見光範圍的譜線所組合成的顏色，即是我們用肉眼所觀察到的顏色。而非金屬原子其光譜線大多落在可見光區的範圍之外，故不能以肉眼觀察的焰色試驗判定其成份。

燄色試驗的注意事項：
光譜須落在可見光區（波長約400~700 nm）以利肉眼觀察；釋出的光強度要夠，才能和火源發出的光區分－多選用本生燈（Bunsen burner），其火燄顏色的干擾較小；放出可見光的時間要長到足以觀察；置入火燄的化合物要具揮發性，易於在焰中均勻受熱；因此，反應物宜選擇較具揮發性的金屬氯化物。

用食鹽簡介燄色試驗：
以鉑絲沾取氯化鈉與12M HCl的混合液，置於本生燈火燄上加熱。少量氯化鈉伴隨水蒸發成氣態，受熱後分解出鈉原子與氯原子；鈉原子之價電子得到能量後躍遷到幾種較高能階的激發態，因激發態的能量很高，極不穩定，當其降回原先的能階時，伴隨釋放的數條光線，含有肉眼可見的黃色光（持久性高。其它非可見光的部份得用分光儀檢視）。故鈉的燄色試驗為黃色，若用氯化鉀則得到不太持久的紫色光。本生燈提供的能量並不足以讓鈉或鉀從原子變成離子，若強化熱源則可以產生更多的變化。

鹼土金屬如鈣、鍶、鋇狀況則複雜些，以氯化鈣為例：
同前述步驟，受熱到分離成鈣與氯原子後，因火燄的能量無法將鈣的價電子提昇，必須讓鈣原子先和火燄中的氧原子或氫氧基結合，形成分子型式後才能夠激發電子。釋出的光雖有數條落在可見光區，但顯現的時間不長，肉眼不足以辨識－除了鍶的深紅光與鋇的綠色光之外。鈣的紅色光迅速地生成與消逝，與鈣、鍶其他波長的色光一樣，得依賴儀器辨別。

常見金屬原子的焰色
以下表格列出常見金屬與其燄色：