カラフルな火～炎色反応

ある種の金属元素(を含む物質)を高温状態にさらすと、特定の光が観察されることがあります。炎色反応として、成分分析の定番実験として知られるものです。

「動　画」

「動　画」学生実験

□白金を用いず綿棒にメタノールを含ませた簡素な方法

「動　画」いくつかの塩類を混ぜたもの

□炎色のグラデーションが観察できます

「解　説」

１．電子の振る舞いによる光：アルカリ金属、アルカリ土類金属、銅などの金属塩を炎に入れると、その金属特有の色を発することがあります。原子中の電子は、通常は基底の軌道に存在していますが、外部からエネルギーを与えられることにより、外側の軌道に移動する励起状態をとることがあります。この励起状態から、元の安定した基底状態に戻る際にエネルギーが余るのですが、これが光として観察されるものです。また、もともと電子は決まったいくつかの軌道にしか存在できないため電子の持つエネルギーはとびとびの特定の値になり、放出される光エネルギーの波長も特定の色を放つものとなるのです。例えば、アルカリ金属Li、Na、Kにおける炎色反応は赤・黄・赤紫ですが、それぞれ励起された電子が基底状態に戻る際に発する光の波長が各色に相当するのです。ただし、カリウムのように２色の色が混じって観察されるということも起こります。

なお、放出されるエネルギーEは、振動数νに比例し、エネルギーの差が大きいと光の振動数が大きく(波長は短く)なります。

E =  hν　（h：プランク定数）

発する光の色は、おおまかにいって赤→橙→黄→緑→青→紫の順に、エネルギーが大きくなり、人間に見える光(可視光線)の波長は、おおよそ400 nmから770 nmくらいとされています。

２．成分分析の一手法：炎色反応は、金属の定性分析や花火にも利用されますが、気体状の原子にまで加熱される必要があります。例えば、銅線を加熱するだけでは原子が蒸発しにくく、銅の炎色反応は観察されません。しかし、塩素との化合物(塩化銅)にしておけば融点が低くなるので、イオン結晶が熱により解離し、原子化しやすくなるのです。炎色反応の実験の試料に、取り扱いやすい塩化物が多用されるのはこういった理由によります。また、教科書の炎色反応の実験では、白金線を用いるのが紹介されていますが、白金が非常に安定でイオン化しにくく、融点(3825℃)も極めて高く、他の金属イオンの観察の妨げにならないからです。ただし、実際にはあまりに高価過ぎて、教育現場では同時に多数利用するのはほぼ不可能です。ここでは、安価な綿棒を使用して、同時に複数の炎色を観察できるように工夫したものを報告しています。綿棒に燃料となるメタノールを含ませているので比較的長い時間観察が可能です。また、複数の炎色を比較しやすいのです。もちろん、厳密には素材の綿棒自体に、炎色を呈する複数の金属が含まれていることには注意が必要です。

◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、解説の一部を非公開にしてあります。操作には一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対(！)にしないで下さい。詳細は、次の３書(管理者の単著作物)でも扱っているものが多いので参考にして下さい。

◇著書(単著)：『サクッと！化学実験(dZERO)』『高校教師が教える化学実験室』『実験マニア(亜紀書房)』