焰色反應，是某些金屬或它們的化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現特征的顏色的反應。焰色反應是物理變化。它并未生成新物質，焰色反應是物質原子內部電子能級的改變，通俗的說是原子中的電子能量的變化，不涉及物質結構和化學性質的改變。焰色反應的發(fā)現

在西方很多化學史資料中，都記載著“焰色反應”的最早發(fā)現者是德國的化學家馬格拉夫。其父為普魯士王朝宮廷藥師，池自幼隨父學習化學和藥學。1758年，在一次實驗中馬格拉夫將兩種“堿”[鍋灰堿(即K2CO3)和蘇打]的粉末分別撒在酒精燈火焰上，發(fā)現蘇打使火焰呈黃色，而鍋灰堿卻使火焰呈紫色。

實際上“焰色反應”的最先發(fā)現者應是中國的陶弘景。陶弘景(456～536)，南北朝時梁代道教思想家、著名醫(yī)藥學家。陶弘景學識淵博，著述頗富，作品有《本草經集注》《集金丹黃白方》《二牛圖》等。其中，《本草經集注》明確提及：先時有人得一物，其色理與樸消(Na2SO4)大同小異，朏朏如握雪不冰。強燒之，紫青煙起，仍成灰，不停沸，如樸消，云是真消石(KNO3)也。此中的“紫青煙起”即是鉀鹽所特有的性質?？梢?，1400多年前陶弘景就已發(fā)現“焰色反應”并利用它來鑒別消石和樸消，早于馬格拉夫1200多年。

焰色反應的生色原理

根據量子論學說，原子核外的電子均處于一定的能級，一個原子只允許有某幾種特定值的電子能級，它們以不連續(xù)的狀態(tài)存在，即能量是量子化的。當原子或分子借助火焰、火花或在幾伏的電勢下被加速激發(fā)時，部分電子就會吸收一定的能量躍遷至較高的能級(激發(fā)態(tài))，從而變得很不穩(wěn)定。在重新返回基態(tài)時，原先吸收的能量就主要以光子的形式釋放出來。光子對應光的波長可根據λ=hc/|△E|(其中h為普朗克常數，c為光速，λ為光的波長)計算而得。

在焰色反應實驗中，不同金屬或它們的化合物在灼燒時會放出多種不同波長的光，在肉眼能感知的可見光范圍內，因不同光的波長不同，呈現的顏色也就存在差異。如鈉原子低能級之間發(fā)生的躍遷情況可用下圖表示，其中電子在基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間躍遷時：

|△E|=-2.65×10-19-(-6.02×10-19)=3.37×10(J)

λ=hc/|△E|=[6.626×10-34×2.998×108]/3.37×10-19=5.89×10-7(m)=589(nm)

波長為589nm的光屬于可見光區(qū)的黃光，所以鈉的焰色反應呈黃色。同理，我們可計算其他常見金屬離子對應的可見光區(qū)譜線波長及所呈焰色，具體見下表。

因此，焰色反應發(fā)出的光是由多種頻率的光組成(在光譜學上表現出一系列的譜線)，而肉眼所觀察到的是可見光范圍內不同頻率的多種光的綜合結果。像鎂、鋁和銀等元素因在可見光區(qū)沒有譜線而無特征的焰色。非金屬焰色反應

許多金屬或它們的化合物在火焰上灼燒時都會使火焰呈現特殊的顏色。非金屬元素不具有此性質嗎?雖然能發(fā)生焰色反應的非金屬元素比較少見，但卻并非沒有。

如，現行高校無機化學實驗教材中一般都有硼化合物的焰色反應實驗。焰色反應是硼化合物的重要性質之一，常用于硼化合物的定性檢驗。當硼酸和乙醇(或甲醇)在濃硫酸存在時發(fā)生酯化反應，生成揮發(fā)性的硼酸酯，其燃燒時會產生特有的綠色火焰。反應原理為：

H3BO3+3C2H5OH→B(OC2H5)3+3H2O

2B(OC2H5)3+18O2→B2O3+12CO2+15H2O

實驗中，乙醇既作反應物，又作燃料;濃硫酸起催化劑和脫水劑的作用。此外，硼砂等硼酸鹽與硫酸混合時反應生成硼酸，進而與乙醇發(fā)生酯化反應，燃燒時發(fā)生焰色反應。因此，利用焰色反應可以用來檢驗硼酸或硼酸鹽等。

除硼元素外，諸如砷、磷、硒、碲等非金屬元素焰色反應時也有其特征的火焰顏色。鹵素等對焰色反應的影響

將一根純銅絲加熱至紅熱，蘸上試樣，放在火焰上灼燒，如存在鹵素，火焰為綠色。言外之意，銅絲本身灼燒時并不會顯綠色，必須在鹵族元素的配合下才顯色。

眾所周知，我們通常認為焰色反應是元素的性質，金屬單質與其化合物應該是保持一致的，中學教材也都認為銅元素的焰色為綠色。我們對教材中“銅絲燃燒法”的敘述又當如何理解?焰色反應是否還受到其他一些我們未知因素的影響?

實驗1：取兩段銅絲，其中一根用砂紙充分打磨去除表面氧化層。然后將打磨過的和未打磨的銅絲分別用酒精燈外焰灼燒，前者火焰無明顯變化，后者略顯綠色，停止加熱后兩段銅絲均變黑。再次灼燒，兩者的火焰均不變綠色。

實驗2：取一段銅絲，用酒精燈灼燒至黑色，趁熱插入無水乙醇中，銅絲又重新恢復紅色，并有光亮的金屬光澤，反復2～3次。將用無水乙醇處理過的潔凈銅絲再次灼燒時，觀察不到火焰呈現綠色的現象;若將其一端用手盤成團狀(粘有少量汗?jié)n)后繼續(xù)灼燒，火焰呈現淺綠色。

可見，銅單質及氧化銅并不會發(fā)生焰色反應。實驗也說明，未處理的銅絲表面可能因存在部分雜質(如油漬、汗?jié)n等)而使焰色反應呈綠色，我們可以選用無水乙醇加熱洗滌的方法處理銅絲表面的雜質以防止干擾，效果較好。

實驗3：取7根預先用無水酒精處理過的潔凈銅絲，分別蘸取少量氯化銨溶液、硝酸銨溶液、溴水、碘水、稀鹽酸、稀硝酸和醋酸溶液，用酒精燈灼燒時焰色均呈現不同程度的綠色。

實驗4：取3根預先用無水酒精處理過的潔凈銅絲，分別蘸取稀硫酸、硫酸銨溶液和氟化銨溶液，用酒精燈灼燒時焰色均未出現變綠的現象。

實驗3和實驗4表明，鹵族元素(除氟外)的存在均可使銅絲在灼燒時呈現明顯的綠色火焰，蘸取醋酸、硝酸及硝酸鹽溶液也有相同現象，而硫酸和硫酸銨溶液則沒有。由此可見，不同介質對銅的焰色反應有影響。

做焰色反應時，要求被試驗的物質要有較大的揮發(fā)性。只有物質揮發(fā)出來，在灼燒時其內部電子才能充分受熱激發(fā)，從而出現明顯的焰色反應。為此，由于單質銅、氧化銅和氟化銅沒有揮發(fā)性，不能使焰色變綠，而除氟外其他鹵素與銅形成的化合物灼燒時易揮發(fā)，因此焰色反應時綠色明顯。

值得注意的是，許多不含鹵素的物質，如某些羧酸、吡啶、喹啉、脲和硫脲等，也能產生揮發(fā)性的銅鹽而使焰色變綠，但形成的揮發(fā)性銅(Ⅱ)鹽的焰色存在細微的差別，如有鹵素時銅(Ⅱ)鹽的焰色呈藍綠色，而無鹵素時銅(Ⅱ)鹽的焰色則是祖母綠。

還要補充說明的是，堿金屬、堿土金屬及其他很多金屬的硫酸鹽一般極難揮發(fā)，硝酸鹽雖能揮發(fā)，但強熱后有的會生成難揮發(fā)的氧化物，這些都不利于焰色反應。為此，通常我們在挑選合適的金屬鹽溶液進行焰色反應時，一般優(yōu)先選擇對應的鹽酸鹽進行實驗，而很少會使用硝酸鹽、硫酸鹽等;在焰色反應中使用的鉑絲，我們在洗滌時也常常選擇鹽酸作洗滌液，一般不使用硝酸和硫酸。

即使是同一元素在不同價態(tài)時的焰色也可能存在差別。如維基百科有介紹：單質銅無焰色反應，無鹵素時銅(Ⅰ)鹽的焰色為淺藍色，無鹵素時銅(Ⅱ)鹽的焰色則是祖母綠;我們一般認為單質鐵無焰色反應，而Fe(Ⅲ)則有金黃色的焰色。