Что окрашивает пламя в желтый цвет

Цветное пламя: проба на окрашивание пламени

Для химика пламя не только источник тепла, но и инструмент химического анализа. Давно известно, что некоторые химические соединения, введенные в пламя, придают ему характерную окраску. В этом можно убедиться, если в любое пламя внести кусочек поваренной соли.

Возьмите кусок нихромовой проволоки (например, из старого утюга) длиной 10 см и выпрямите. Для опыта понадобится еще стеклянная трубка из легкоплавкого стекла. Надо заплавить проволоку в стеклянную трубку при помощи газовой горелки. Потом на конце проволоки сделайте маленькую петельку, как показано на рисунке.

Можно поступить не совсем спортивно и заменить стеклянную трубку корковой пробкой из винной бутылки.

При подведении определенного количества воздуха пламя газовой горелки становиться голубым и не коптит. Отчетливо видны в нем две части. Внутренняя часть называется восстанавливающей. Она голубого цвета и имеет сравнительно низкую температуру. Внешняя часть бесцветная — окисляющая. Температура этой части пламени равно около 1300 °С.

Растворите в нескольких миллилитрах воды, налитых в пробирку щепотку хлори­стого натрия. Очищенную проволоку погрузите в раствор, а потом введите в окисляющую часть пламени.

Какой великолепный эффект! Пла­мя в одно мгновение меняет окраску на интенсивно желтую. А теперь проверьте, содержит ли натрии во­да, которую вы пьете (этот металл придает пламени желтый цвет). Ре­зультат анализа будет положительным. Можете проверить, содержат ли натрий другие вещества. Окажется, что натрий «пронырливый» металл, везде он есть, пламя всегда будет более или менее желтым.

Если вы уже знаете, как меняет окраску пламени натрий, проверьте «поведение» других металлов. Возьмите образцы солей кальция, стронция, бария, калия и меди. Лучше всего взять хлориды или нитраты. Если у вас их нет, возьмите другие соли, но помните, что сначала проволоку нужно очистить в пламени и соляной кислоте. После такой очистки опять опускайте проволоку в раствор анализируемого вещества, а затем вводите в окисляющую часть пламени.

При анализе твердых субстанций раскаленную проволоку опускают в анализируемое вещество, которое прилипает к ней и затем сплавляется в пламени горелки, образуя перл. Перл на мгновение опускают в соляную кислоту. Образующиеся при этом хлористоводородные соединения летучие и быстро испаряются с проволоки в пламени, окрашивая его в характерный цвет.

Вероятно вы удивитесь, когда начнете исследовать калий, так как цвет пламени будет такой же как в ходе анализа натрия, и лишь время от времени через желтое пламя будут проскакивать розовые отблески калия. Это потому, что натрий, содержащийся в воде, употребляемой для растворения образца, не позволяет калию показать себя в полной красоте. В пламени идет „борьба” между натрием и калием, в которой натрий побеждает. Если хотите, можете помочь победить калию. Наблюдайте через так называемое синее кобальтовое стекло. Это стекло представляет собой фильтр, который задерживает цвет натрия, пропуская цвет калия. Вы, наверное, огорчитесь, что в вашей лаборатории нет кобальтового стекла. Но не падайте духом, вместо него можно взять раствор метилового фиолетового. А если его тоже нет, растворите в воде несколько капель синих чернил. Если будете наблюдать пламя через этот раствор, увидите фиолетовую вспышку, свидетельствующую о наличии калия.

А теперь сопоставьте результаты работы:

Металл Цвет пламени

Медный факел

Зная, что некоторые металлы окра­шивают пламя, сделайте медный «факел». Это не­обыкновенно интересный опыт. Со­берите аппаратуру, показанную на рисунке.

Всыпьте в пробирку несколь­ко криеталликов какой-либо соли меди, например, CuSO4 (медный ку­порос), и добавьте до 1/3 высоты пробирки денатурат и несколько капель разбавленной соляной кислоты За­купорьте пробирку пробкой, через которую проходит трубка, изогнутая под прямым углом и суженая на конце. Поместите пробирку в химический стакан с горячей водой, денатурат начнет испаряться, увлекая с собой соль меди. Приставьте к выхо­ду трубки горящую спичку: пары денатурата зажгутся, а пламя при­обретет зелено-синий цвет. Эффект опыта необыкновенно красив, если его наблюдать в темной комнате.

А теперь модифицируйте опыт, взяв вместо соли меди ранее употре­блявшиеся химические соединения, окрашивающие пламя. А если у вас есть бура или борная кислота, про­верьте, как окрашивает пламя бор. Борную кислоту можно купите в ап­теке. И еще одно: не заливайте про­бирку более чем на 1/3 высоты. И ни в коем случае не нагревайте пробир­ку горелкой!

Цветные свечи

Чтобы получить свечи с разноцветным пламенем надо добавить в расплавленный парафин соль металла, окрашивающего пламя в той или иной цвет.

Синяя свеча. Покрасить парафин в синий цвет можно стеаратом меди. Эту соль получают смешивая растворы сульфата меди и хозяйственного мыла. Пламя свечи тоже будет синим, благодаря ионам меди.

Зеленая свеча. В качестве пигмента используется зеленый оксид хрома (III). Он получается при термическом разложении бихромата аммония (опыт с вулканом). Цвет пламени тоже будет зеленым.

Желтая свеча. Желтый хромат натрия окрасит парафин и пламя свечи в желтый цвет.

Красная свеча. Парафин подкрашивают любым красным пигментом, например гуашью. Чтобы пламя было красным надо добавитькакую-либо соль стронция или лития.

Источник

Химия в солнечном свете

Как спектроскопия помогла открыть гелий — и на что способна сегодня

Ровно 150 лет назад, 18 августа 1868 года, двум ученым — Пьеру Жансену и Норману Локьеру — независимо друг от друга удалось обнаружить в спектре солнечных протуберанцев линию, которая не принадлежала ни одному из известных на тот момент химических элементов. Таким образом впервые был открыт элемент, про существование которого на Земле ничего не было известно. Имя он получил соответствующее — гелий (от древнегреческого ἥλιος — Солнце). Дальнейшая история показала, что и на нашей планете этого газа достаточно, хотя получить его непросто даже сегодня, не говоря о технических возможностях XIX века. Тем не менее, свое изначальное солнечное название элемент сохранил. Давайте разберемся, как удалось найти новый элемент с помощью исключительно оптических измерений и на что подобные измерения способны в наше время.

Обнаружить новый элемент на Солнце, ничего не зная о его присутствии на Земле, ученым помогли спектроскопические методы, основанные на том, что каждый элемент из всего непрерывного светового спектра выбирает только определенные длины волн, которые либо избирательно поглощает, либо, наоборот, избирательно испускает.

Определение металлов по цвету пламени

Основы современной спектроскопии были заложены еще в начале XIX века немецким химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном. Ученый заметил, что если небольшие образцы металлов или их солей поместить в пламя газовой горелки (изначально практически бесцветное), то у этого пламени появляется выраженная окраска, причем для разных металлов — разная. Так, если поместить в пламя натрий, то оно станет желтым, если литий — то красным, а если калий — фиолетовым.

Именно для определения щелочных и щелочно-земельных металлов анализ цвета пламени оказался наиболее полезным. Известны все эти металлы были и ранее, но многие из них очень трудно отличить друг от друга только с помощью химических реакций. Например, ионы калия и натрия в водных растворах ведут себя практически одинаково, но вот если каплю этих растворов поместить в пламя горелки, то их сразу можно отличить друг от друга.

Соль натрия окрашивает пламя горелки в желтый цвет

Søren Wedel Nielsen

Спектроскоп Бунзена — Кирхгофа

Поэтому, чтобы сделать метод химического анализа, основанный на анализе цвета пламени, более точным, Бунзен вместе с физиком Густавом Робертом Кирхгофом разработал специальный прибор, который мог преобразовать свет, исходящий от окрашенного пламени, сразу в целый спектр — подобно тому, как стеклянная призма превращает белый свет в радугу. С помощью целой системы таких призм и увеличительных стекол ученым удалось разложить видимый свет от пламени по длинам волн.

Этот спектр проецировался на экран, но, в отличие от непрерывной радуги, которая получалась при разложения белого света, он представлял из себя набор отдельных полос. Самая яркая из них по цвету совпадала с цветом пламени, но также на экране можно было найти еще несколько линий меньшей интенсивности.

Спектр испускания натрия. В желтой области спектра можно видеть полосу (на самом деле их там даже две), которая соответствует желтому цвету пламени на предыдущей фотографии

С помощью своего прибора ученые могли получать спектры двух типов — на них были либо яркие линии, светящиеся на фоне более тусклого спектра (их цвет при этом соответствует положению на радуге), либо, наоборот, это были спектры, на которых определенный цвет как будто бы вырезали. Первые из них — спектры испускания (или эмиссионные спектры) — образуются за счет излучения образцом света под действием определенного внешнего возбуждения. Так, в случае с металлами возбуждением является нагревание в пламени. Спектры второго типа формируются за счет поглощения видимого света — тоже строго определенной длины волны.

Сейчас, после развития квантовой физики (толчком к которому послужили в том числе и спектроскопические данные), мы знаем, что эти линии в спектрах соответствуют энергетическим переходам в электронных оболочках атомов. Если электрон переходит с более низкого по энергии уровня на более высокий, то ему требуется дополнительная энергия. Эту энергию электрон поглощает из видимого света, которым его облучают, и таким образом приводит к появлению «вырезанных» линий в спектре поглощения. Если же в результате внешнего воздействия освобождается какой-то из низких энергетических уровней, то на него сразу же перескакивает электрон с более высокой энергией, испуская при этом энергетический избыток в виде кванта света. Этот квант оказывается в спектре в виде дополнительной яркой линии в эмиссионных спектрах.

Разница энергий ΔE электронных уровней однозначно определяет длину волны испускаемого или поглощаемого света λ согласно уравнению ΔE=hc/λ, где h — постоянная Планка, а c — скорость света. При этом поскольку спектры поглощения и испускания образуются в результате переходов между одними и теми же энергетическими уровнями, то и положение линий в спектрах двух типов будет совпадать.

Энергетических уровней у электронов в атомах (особенно сложных) — много, поэтому и линий в их спектрах возникает тоже множество — по одной на каждую пару уровней. Вероятность перехода между ними будет влиять на яркость той или иной линии в спектре, а суммарный набор всех спектральных полос становится однозначной характеристикой каждого отдельного элемента.

Бунзен во время своих экспериментов всего этого еще не знал, однако понял, что спектроскопические данные — то есть положение полос на радуге видимого света — однозначно определяют элемент. В результате химику и его последователям удалось составить полную таблицу спектрометрических данных для всех известных на тот момент элементов. А изучив оптические спектры некоторых минералов, ученым удалось обнаружить в них новые линии, по которым были описаны и неизвестные к тому времени элементы. Первыми из них оказались щелочные металлы — рубидий и цезий.

Спектр испускания рубидия

Спектр испускания цезия

Открытие гелия

Теперь вернемся к гелию. Поскольку выяснилось, что обнаруживать новые элементы можно, основываясь только на их свечении, а достаточно точные спектроскопы к середине 60-х годов XIX века уже стали занимать довольно мало места, к 1868 году у ученых появилась идея исследовать таким образом химический состав Солнца. При этом возникла она одновременно и независимо сразу как минимум у двух ученых — Пьера Жансена и Нормана Локьера. Делать это они решили 18 августа 1868 года — в день полного солнечного затмения.

В тот момент, когда солнечный диск полностью закрывается лунным, снаружи можно видеть выступающие изменчивые образования — протуберанцы, и именно их спектр ученые решили изучить. Потом, правда, выяснилось, что если правильно настроить спектрометр, то спектр Солнца можно спокойно изучать и в другие дни, а не только во время затмения.

Линии Фраунгофера в солнечном спектре

Стоит отметить, что, в отличие от тех спектров, которые Бунзен и Кирхгоф получали в лабораторных условиях, солнечный спектр представлял собой спектр поглощения — некоторых длин волн в сплошном спектре не хватало за счет того, что часть света поглощали элементы во внешних слоях атмосферы Солнца, однако линии в нем занимали те же положения, что и в спектрах испускания различных элементов, полученных ранее на Земле.

Благодаря данным, собранным за предыдущие годы, ученым без труда удалось определить, какие именно элементы привели к образованию полученного спектра. Подавляющее большинство линий свидетельствовали о наличии на Солнце водорода, также удалось обнаружить и другие элементы — в частности, железо, натрий, кальций и хром. Однако одна из ярких спектральных линий в желтой части спектра осталась неопознанной. Сначала ее приняли за двойную линию натрия, но при ближайшем рассмотрении оказалось, что эта полоса смещена относительно известных позиций натриевых линий, поэтому она была приписана новому элементу, который ученые и назвали гелием.

Спектр испускания гелия

Гелий активно используется, например, для проведения экспериментов в условиях низких температур, поэтому поиск естественных месторождений гелия и сегодня остается актуальной задачей. Так, недавно химики из Оксфордского и Даремского университетов специально разработали метод направленного поиска месторождений гелия, с помощью которого нашли крупнейшее из известных на данный момент месторождений в Восточно-Африканской рифтовой долине с емкостью около полутора миллиарда кубометров.

Более детальное изучение спектров

Изначально вся информация, которую ученые предлагали получать из спектроскопических данных, основывалась на единственном параметре — положении спектральных линий (сначала на проецируемой на экран радуге, образованной в результате дисперсии из видимого света, а затем — и по длине волны). Но оказалось, что в этих спектрах содержится значительно больше информации. Во-первых, все линии отличаются друг от друга по яркости свечения, поэтому любой спектр можно представить в виде зависимости интенсивности от длины волны. В таком виде спектр представляет из себя набор пиков с разными положением, шириной и высотой.

Вот так выглядит спектр натриевой газоразрядной лампы высокого давления в явном виде

А вот так тот же самый спектр представляется в виде зависимости интенсивности от длины волны

Кроме того, положения пиков на спектрах все-таки не совсем постоянные, они могут смещаться. Движение спектральных линий по спектру происходит из-за случившегося по какой-то причине изменения энергии волны. Такой причиной может быть и непосредственно смещение энергетических электронных уровней, и изменение параметров волны после испускания. Так, в кристаллических материалах изначальные электронные уровни могут расщепляться под влиянием соседних атомов — например, магнитное поле от соседей по кристаллической решетке может приводить к тому, что за счет эффекта Зеемана один уровень расщепляется на несколько. Таким образом в спектре пик не только смещается, но еще и множится.

Другая возможная причина изменения положения спектральных линий — эффект Доплера. Так, если волну испускает объект, движущийся с большой скоростью, например звезда, то частота излучения смещается в область более длинных волн (то есть в сторону красного цвета) при движении от наблюдателя или в область более коротких длин волн (в сторону фиолетового цвета) при движении к наблюдателю. Поскольку «правильное» положение линий (которое было бы, будь звезда неподвижной) известно, то по их смещению можно определить скорость движения нашей звезды (или галактики, или туманности).

Эффект Доплера, кстати, может приводить не только к смещению, но и к уширению пиков, если излучающих объектов одновременно много и двигаются они все случайным образом в разные стороны.

Спектроскопические методы в химическом анализе

Сейчас спектроскопические методы — один из самых распространенных методов анализа как в «земной» химии, так и при изучении различных астрономических объектов. Так, окрашивание пламени до сих пор используется для быстрого качественного определения щелочных и щелочно-земельных металлов. Более сложные спектроскопы продолжают использовать для проведения количественного химического анализа и в физических экспериментах. Количество спектроскопических методов за полтора века значительно увеличилось, и они уже давно не ограничиваются только видимой частью спектра.

Однако именно видимый диапазон и примыкающие к нему инфракрасная и ультрафиолетовые области оказались наиболее удобными для элементного анализа и анализа молекулярного строения. Объясняется это довольно простым соображением: точно такие же электронные переходы используются светочувствительными рецепторами в сетчатке глаза человека при улавливании солнечного света. Мы их воспринимаем как цвет, а прибор аналогичные сигналы преобразует в пики на спектре.

Сейчас спектроскопия в видимой и ультрафиолетовой областях чаще используется не для элементного анализа, а для исследования электронных переходов в органических молекулах. Это позволяет изучить строение комплексных соединений в растворах, определить их люминесцентные свойства. Нередко этот же тип спектроскопических измерений используют для исследования свойств полупроводников, у которых ширина запрещенной зоны как раз соответствует излучению в видимой и ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра.

При этом энергия электронных переходов оказывается не единственной, которую можно использовать для электромагнитной спектроскопии. Так, в прилегающей к видимому диапазону инфракрасной области лежат энергетические переходы, связанные с возбуждением колебаний молекул или их отдельных частей. Этот вид анализа оказался полезным в органической химии, где элементный анализ имеет не так много смысла (все органические молекулы состоят в первую очередь из углерода и водорода, реже в них можно найти кислород и азот, а еще реже — другие элементы). Зато пики, связанные с колебаниями связей, могу рассказать о наличии в молекуле тех или иных функциональных групп, что сразу дает важную информацию о строении исследуемого вещества.

Спектроскопические методы используют электромагнитное излучение и других длин волн — в микроволновом, терагерцовом и рентгеновском диапазонах. Это излучение взаимодействует с электронами и ядрами атомов, приводя не только к поглощению или испускания света, но также, например, к отражению, дифракции или выбиванию из вещества электронов. Так, с помощью микроволновой спектроскопии ученые могут исследовать переходы между вращательными состояниями молекул, с помощью рентгеновской дифракции — строение кристаллов, а излучение в мегагерцовом диапазоне приводит к изменению магнитного момента ядра. При этом не стоит забывать, что современная спектроскопия не ограничивается использованием электромагнитных волн — исследоваться могут акустические спектры или даже распределения ионов по массе.

Спектроскопические методы в астрономии

Пример гелия показал, что спектроскопия — один из самых эффективных инструментов для исследования астрономических объектов. Поскольку поместить звезду или галактику в измерительный прибор невозможно, то за ними остается только наблюдать, исследуя спектры тех электромагнитных сигналов, которых до нас долетают. В первую очередь, с помощью спектроскопии можно изучать именно химический состав астрономических объектов.

Спектры испускания карликовых звезд различных спектральных классов

Источник

Что окрашивает пламя в желтый цвет

Ряд элементов окрашивает пламя в характерный цвет, если под воздействием тепла в пламени появляются отдельные атомы этих элементов. У некоторых элементов атомы отделяются уже при первом погружении в пламя, у иных для этого требуется обработка кислотой. Если в определителе нет других специальных указаний, то обломок минерала надо смочить каплей разбавленной соляной кислоты, которая наносится с помощью стеклянной палочки или пипетки, а затем прокалить.
Исследования в пламени проводятся двояким способом. Если в нашем распоряжении имеется газовая горелка, то на ней надо получить окислительное (несветящееся) пламя, затем взять обломок минерала пинцетом и поместить его в краевую часть пламени, примерно в 1 см от основания последнего. При этом необходимо следить, чтобы пламя не касалось пинцета, так как от этого оно бы загрязнилось и приобрело неверную окраску. По той же причине нельзя брать обломок минерала перед его прокаливанием пальцами, чтобы не вызывать загрязнения минерала и окрашивания пламени в желтый цвет (поскольку пот содержит следы поваренной соли). в той своей части, которая находится выше облом минерала (рис. 8,а).

Особенно сложно установить фиолетовую окраску калием в присутствии натрия, что характерно для полевых шпатов. В этом случае в качестве фильтра используется кобальтовое стекло, которое поглощает желтый цвет. Через него мы можем наблюдать чистый фиолетовый цвет пламени, вызванный калием (табл. 1). Таблица 1

Источник

Спектральный анализ пламени костра. Что делает огонь желтым – наночастицы углерода или соли натрия?

В публикациях в интернете по-разному объясняется, как возникает цвет пламени у костра

В многочисленных публикациях одно или другое из этих объяснений. На форумах обсуждается эта тема, но никто не ссылается на результаты экспериментов.

Вот пример типичных публикаций:

То есть, до настоящего времени нет общепринятого варианта объяснения механизма видимого излучения, возникающего в процессе горения костра!

Я решил провести эксперименты и найти правильный ответ. Мне нужно было измерить спектр видимого излучения пламени костра и объяснить результаты. Если спектр будет сплошным – верна первая версия, если мы будем наблюдать двойную линию натрия – вторая.

Замечу, в русскоязычном и англоязычном интернете мне не удалось найти подобных спектров.

Для проведения работы я изготовил и настроил спектрометр.

Самодельный спектрометр

В интернете много публикаций и роликов о том, как сделать спектрометр из DVD диска, однако характеристики этих приборов не позволяют провести нужные измерения. Мне же удалось сделать качественный спектрометр.

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Измерение спектра пламени костра

Исследуемое пламя костра в камине Я разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени

Спектры калибровочной лампы, костра в камине, поваренной соли и золы из камина

Ниже на фотографии показана часть спектра пламени костра с большим увеличением, чтобы можно было рассмотреть двойную линию натрия 589,0 нм и 589,6 нм на фоне непрерывного спектра раскаленных частиц углерода:

Крупным планом спектральные линии натрия в костре и линии натрия в золе, горящей в спирте.

Обсуждение результатов экспериментов

Почему мы видим желтый цвет, физиология

Чтобы правильно объяснить результаты экспериментов надо понимать, как наши глаза воспринимают излучения разной длины волны и как мозг обрабатывает эту информацию.

Коротко и очень, очень упрощенно напомню хорошо известные факты. Мы воспринимаем цвет желтым по разным причинам: в одном случае, когда в сетчатку глаза попадает излучение узкого спектра с длиной волны в диапазоне 570 нм – 590 нм, и во многих других, когда в глаза попадает излучение разного спектрального состава. Например, красный и зеленый в правильных пропорциях будут восприниматься как желтый. На экране мониторов мы создаем как раз такой желтый цвет.

То есть наши глаза и затем мозг создают иллюзию цвета и поэтому для понимания физических и химических процессов нам и требуется измерение спектра.

Небольшие пояснения

Сравним спектры излучения Солнца и пламени костра.

В солнечном спектре максимум приходится на зеленый цвет, а мощность красного и синего меньше. Излучение именно с такой спектральной характеристикой воспринимается как белый цвет.

В пламени костра из атомов углерода образуются частицы сажи размером до 100 нм. Эти частицы и дают непрерывный спектр с максимумом излучения в инфракрасной области, а мощность видимого излучения падает от красного к зеленому и еще больше к синему. Излучение с таким спектром воспринимается человеком как оттенки желтого и оранжевого, в зависимости от температуры области пламени. Желтый цвет костра – это случайное совпадение.

Влияние солей натрия

В процессе горения появляется зола в которой содержатся соли, в том числе и соли натрия. Золы совсем немного. Она начинает подниматься в пламени вверх, и яркая двойная желтая линия натрия постепенно появляется в спектре. Однако ее появление не сказывается заметно на цвете костра, так как желтый цвет от непрерывного спектра глаза уже воспринимают.

Мощность излучения натрия значительно меньше, чем суммарная мощность непрерывного спектра.

Выводы

То, что мы видим костер желтым, не означает, что идет излучение в узком спектральном диапазоне натрия. Наши глаза и мозг воспринимают непрерывный спектр как желтый цвет.

Появление дополнительно яркой линии натрия мало влияет на восприятие цвета костра, который остается таким же желтым. Для нас не заметно изменение цвета, так как такой цвет уже был. Кстати, если бы за цвет костра отвечал только натрий, оттенков бы не было, так как мы бы видели чистый спектральный цвет.

Почему же популярной остается версия о том, что желтый цвет костру придает линия натрия? Скорее всего, случайное совпадение цвета линии натрия и черно-тельного спектра углерода и привело к путанице.

Цвет пламени костра дают ярко светящиеся частицы углерода. Влияние на цвет излучения натрия минимально.

О том, как сделать качественный спектрометр и как правильно проводить эксперименты читайте в моей статье «Самодельный спектрометр с высоким разрешением»

Источник