焰色与颜色是一回事吗?

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文章编号:1005-6629(2010)01-0077-02 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

多种金属或它们的化合物在灼烧时会使火焰呈现出一种特殊的颜色,这在化学上叫做焰色反应。由此看出焰色也是一种颜色,但这二者也有不同,要弄清二者的不同,要先弄清楚物体的颜色是怎么回事。

世界上除了少数物质是无色透明的以外,大多数都各有自己的颜色,物体呈现的颜色是由什么决定的呢?决定于光线照射到物体上被吸收或透过的情况。地球上的光最主要的是太阳光(还有人造光,如灯光、火光;自然光,如闪电、磷光……等),阳光在一般情况下给人的感觉是白色的,其实它是由许多不同波长的光混合组成的。1666 年著名的科学家牛顿用三棱镜把日光分成了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种不同的颜色。雨后当阳光穿过均匀的细水滴,由于折射作用也会形成一条五彩缤纷的彩虹,这些现象足以证明阳光是有七色光组成的。太阳光谱中从红到紫的这七种颜色的范围就是人眼可以看到的光线,这七种颜色之所以不同,是由于这七色光各自具有不同的波长。各色光在真空中的波长(单位:埃,1 埃=10-10 米)为:波长为7700~6200的光为红色,6200~6000的为橙色,6000~5800的为黄色,5800~4900的为绿色,4900~4500的为蓝~靛色,4500~3900的为紫光。大于7700的光波属于红外线,小于3900的光波属于紫外线。

物体不同的颜色就是由这七种颜色决定的,当阳光照射到物体上时,由于物体对光线吸收不同,也就呈现出不同的颜色。当物体吸收全部的白光时这物体就呈现黑色;如果对不同波长的光都差不多同样地吸收就呈现灰色;当物体不吸收日光,全都反射出来时物体就呈现白色的。当光线全部透过物体不被吸收时,则为无色透明。如果只吸收某些波长的光,又将其余的光散射出来,物体就呈现相应的补色,如表1所示:

总之,在人眼可见的光线中,无一不是由不同波长的色光组成的,没有光就没有色。

物体吸收的光线为什么会不同呢?这与物质的结构有关。

我们知道,光是能的一种形式,不同波长的光能量不同。波长越短(频率越大),能量越高。原子核外的电子吸收一定频率的光,就从离核较近的基态跃迁到离核较远的激发态。它所吸收光的频率完全取决于电子在激发态和基态能量的差值。由于原子、离子、分子各自的外层电子由基态跃迁到激发态所需要的能量不同,因此就能吸收不同波长的光,所以在宏观上所呈现出来的颜色就不同。如卤族元素的单质:F2、Cl2、Br2、I2,由于同族元素自上而下原子半径逐渐增大,原子核对外层电子的引力减小,其外层电子逐渐容易被激发,因而碘原子主要吸收可见光中能量较低、频率较小的那部分光,而显出频率较大的那部分光的颜色――紫色。氟原子由于半径较小,主要吸收可见光中能量较高、频率较大的那部分光,而显示出频率较小的那部分光的颜色――黄绿色。对于金属,如ⅠA、ⅡA族的离子,由于具有稳定的结构,难以使电子激发,所以这些离子都是无色的。一些过渡元素的离子,由于d轨道上有未成对的电子,这些电子的基态和激发态的能量比较接近,一般的可见光就可以使它们激发,因而这些离子具有不同的颜色,如表2所示:

当然,对于离子以及化合物所显示的颜色除要考虑阳离子的电子层结构外,还要考虑到阴离子的影响以及离子水化等因素。

至于金属单质的颜色,也应根据其晶体结构予以解释,这个问题比较复杂,这里从略了。

总之,物质中的原子、离子或分子中的价电子越容易激发,那么只需要可见光中能量较低、频率较小的那部分光,就可以使这部分电子激发到离核较远的轨道上,则物体显示的颜色越深。反之,物体的颜色就越浅。当原子、离子或分子中的价电子,处于稳定结构时,可见光的能量不足以使其激发,则呈现无色。

综上所述,我们一般所说的物体显示什么颜色,均决定于它吸收什么光波。

与吸收光波不同,焰色则是另一种颜色了。许多金属或它们的化合物在灼烧时,其原子或离子中的电子就被激发,电子吸收了这部分能量,从较低的能级跳到较高的能级,但处于较高能级的电子是很不稳定的,很快跳回低能级,这时就将多余的能量以光的形式放出。原子结构不同,放出的能量就不同,因而发射出的光也就不同,从而使火焰呈现不同的颜色。这就是火焰呈现不同颜色的原理。我们利用焰色反应,也就可以用来检验某些金属离子。如钠离子、钾离子的存在,在化学上只有通过焰色反应来检验。

由上分析可以看出,颜色和焰色的形成过程是不一样的,颜色是由吸收光波的频率决定的,焰色则是由发射光波的频率决定的。但不管是吸收光波,还是发射光波,从本质上看颜色和焰色都是由光波的频率决定的。实质一样,只是形成过程不同而已。

参考文献:

[1]林树昌,胡乃非主编. 高等学校教材《分析化学》[M]. 高等教育出版社.

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