化学ビデオ講座No.4 ：炎色反応

久々に化学ビデオ講座。

今回は炎色反応（英：Flame test）。

花火などに応用され、金属元素が美しい光の舞台を演出します。

ちなみに、一族・二族の金属以外にも、銅などの遷移金属やホウ素等の半金属元素も炎色反応を示します。

英語の説明、字幕も参考に見てみてください。



化学ビデオ講座No.4 ：炎色反応

◎ 元素と炎の色（画面右から順に）

・ アルコール（ベースの炎；比較用）：青色

・ Ba ：黄色～くすんだ黄色

・ B ：緑色

・ Sr ：紅色

・ Ca ：橙色（※ 色が弱く、アルコールの青色の炎がいくらか見えている。）

・ Li ：赤色（※ 動画では不純物でオレンジ色に見えている。）

・ Na ：黄色（※ ナトリウムは英語でソディウムsodiumと言います。）

・ Cu ：青緑

・ K ：紫～藤色（※ カリウムは英語でポタシウムpotassiumと言います。）



炎色反応は三段階のメカニズムで起こる；

(1) 加熱により金属や金属塩が揮発し、原子化する。
（※ 原子まで分解しない場合もあり。詳しくは「炎色反応：ストロンチウムは分子発光！」）

(2) 生じた金属原子の価電子が熱励起され上位の軌道に飛び上がる。

(3) 電子が元の軌道に落ちてくるとき、軌道間のエネルギー差の分の光を出す。


例えばナトリウムの場合なら(2)→(3)は次の図のようになる。

ナトリウムの炎色反応の原理

ナトリウムの場合は価電子である3s軌道の電子が1つ上のエネルギー準位である3p軌道に移り、次に3p→3sと落ちることでその差のエネルギーの光（波長 = 589 nm；黄色に相当）を放出するのである。
（※ 高校で習う「電子殻」はさらに「軌道」というものにわかれている。Naの最外殻であるM殻の中には3sと3pという二つの軌道（電子の座席）があるのである。）

ちなみに、高速道路のトンネルなどでよく見かけるナトリウムランプも同じように真空管に封入したナトリウム原子を励起し、黄色の光を放出しているのである。
（ただし、火であぶっているのではなく、電圧をかけてアーク放電を起こして励起している。）

さらにちなみに、料理をしているときにナベが噴きこぼれてオレンジ色の火が上がることがあるが、これは食塩のNaの炎色反応が見えているとのこと。


また、(1)の分解反応が起こりにくい金属塩は炎色反応を起こしにくい。

例えば塩化銅はバーナーであぶると青緑に光るが、酸化銅はいくら加熱しても光らないことは経験的に知っているだろう。

これは酸素と銅の結合力が強くて揮発しないからで、一方特に金属塩化物は揮発・原子化しやすい。



◎ 参考

• 『Newton 完全図解周期表』, 玉尾皓平, 桜井弘, 福山秀敏 著, ニュートンプレス (2006/12)