對(duì)銅的焰色反應(yīng)與銅絲燃燒法實(shí)驗(yàn)的探究

曾應(yīng)超

摘要：從原子發(fā)射光譜的角度，闡述了焰色反應(yīng)的原理，并通過(guò)對(duì)銅的焰色反應(yīng)以及銅絲燃燒法的實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)象進(jìn)行分析，指出兩者在本質(zhì)上均為銅的原子發(fā)射光譜，同時(shí)對(duì)進(jìn)行銅的焰色反應(yīng)時(shí)樣品的選擇給出了建議。

關(guān)鍵詞：原子發(fā)射光譜；焰色反應(yīng)；銅絲燃燒法

文章編號(hào)：1005–6629（2013）8–0049–02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在進(jìn)行焰色反應(yīng)知識(shí)的教學(xué)時(shí)，不少教師常會(huì)補(bǔ)充介紹銅的焰色反應(yīng)現(xiàn)象為綠色（銅的焰色反應(yīng)在高中教材中并未提及），由于在教學(xué)中一般并不對(duì)焰色反應(yīng)發(fā)生的難易程度進(jìn)行分析，往往根據(jù)焰色反應(yīng)為元素的性質(zhì)這一特點(diǎn)，便簡(jiǎn)單推出銅單質(zhì)在高中常用的火焰上灼燒時(shí)也應(yīng)產(chǎn)生綠色火焰現(xiàn)象的結(jié)論。然而，蘇教版《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》中提到可用銅絲燃燒法對(duì)有機(jī)物中的鹵素進(jìn)行定性檢測(cè)[1]：“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。”由于該現(xiàn)象與銅的焰色反應(yīng)現(xiàn)象相同，難免讓人產(chǎn)生困惑。下面結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)，對(duì)此作一探析。

1 原子發(fā)射光譜與焰色反應(yīng)

1.1 原子發(fā)射光譜

當(dāng)基態(tài)原子受到加熱或光照的激發(fā)，原子外層電子躍遷到較高的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，在很短時(shí)間內(nèi)電子又從高能態(tài)回到低能態(tài)，同時(shí)以光的形式放出多余的能量。原子從某一激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，發(fā)射出具有一定波長(zhǎng)的一條光線，而從其他可能的激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)以及在某些激發(fā)態(tài)之間的躍遷都可能發(fā)射出具有不同波長(zhǎng)的光線，這些光線形成一個(gè)系列（譜），稱為原子發(fā)射光譜[2]。原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生過(guò)程中，樣品首先需吸收能量實(shí)現(xiàn)原子化（轉(zhuǎn)換為氣態(tài)原子），然后才能進(jìn)一步激發(fā)并自動(dòng)退激產(chǎn)生發(fā)射光譜。

1.2 焰色反應(yīng)

焰色反應(yīng)[3]，又稱作焰色測(cè)試或焰色試驗(yàn)，是一種利用某些金屬或它們的化合物在無(wú)色火焰上灼燒時(shí)會(huì)使火焰呈現(xiàn)特征的顏色的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)元素進(jìn)行定性檢測(cè)的方法。事實(shí)上，焰色反應(yīng)屬于原子發(fā)射光譜的范疇，其激發(fā)源為無(wú)色火焰，當(dāng)激發(fā)態(tài)原子躍遷時(shí)所發(fā)射的光線波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，就會(huì)使無(wú)色火焰著色，在火焰中觀察到這種元素的特征焰色。根據(jù)原子發(fā)射光譜產(chǎn)生的過(guò)程不難發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)對(duì)火焰溫度的要求不同，一般情況下，難揮發(fā)性物質(zhì)將很難實(shí)現(xiàn)焰色反應(yīng)，因此，焰色反應(yīng)用于對(duì)堿金屬和堿土金屬元素進(jìn)行定性檢測(cè)較為有效。

2 銅的焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)及分析

通過(guò)對(duì)原子光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱，發(fā)現(xiàn)銅的原子發(fā)射光譜中，存在波長(zhǎng)在綠光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的特征譜線，因此，銅的焰色反應(yīng)現(xiàn)象理應(yīng)產(chǎn)生綠色火焰。為觀察銅的焰色反應(yīng)現(xiàn)象，分別選用酒精燈和酒精噴燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案和現(xiàn)象如表1所示。

由于焰色反應(yīng)屬于元素的性質(zhì)，上述實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象應(yīng)該大致相同，然而實(shí)驗(yàn)中并未獲得預(yù)期的結(jié)果。原因到底是什么呢？

根據(jù)原子發(fā)射光譜原理，實(shí)現(xiàn)焰色反應(yīng)的第一步便是樣品的原子化，其實(shí)現(xiàn)的難易程度與火焰溫度以及樣品的揮發(fā)性有關(guān)。從上述實(shí)驗(yàn)不難看出，相對(duì)而言，火焰溫度越高，樣品越易揮發(fā)，焰色反應(yīng)現(xiàn)象越明顯。由于銅單質(zhì)和CuO熔沸點(diǎn)均較高，屬于難揮發(fā)物質(zhì)，在所選火焰溫度下，難以實(shí)現(xiàn)原子化，以至“實(shí)驗(yàn)二”未出現(xiàn)綠色火焰。CuSO4在高溫下易發(fā)生分解生成難揮發(fā)的CuO，造成“實(shí)驗(yàn)四”現(xiàn)象并不理想。那么“實(shí)驗(yàn)一”出現(xiàn)短暫的綠色火焰原因是什么呢？筆者以為，必定與銅絲表面附著物或在高溫下生成的揮發(fā)性銅化合物有關(guān)，為驗(yàn)證此推測(cè)，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：

[實(shí)驗(yàn)五]取一根用砂紙打磨過(guò)的銅絲燒至紅熱后，分別蘸取稀鹽酸在酒精燈和酒精噴燈火焰上灼燒，觀察現(xiàn)象。

在“實(shí)驗(yàn)五”中，觀察到明顯的綠色火焰且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，不難發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于高溫下生成了易揮發(fā)的銅的氯化物。因此，“實(shí)驗(yàn)一”開(kāi)始時(shí)觀察到短暫的綠色火焰現(xiàn)象正是由銅絲表面附著物或高溫下生成的揮發(fā)性銅化合物引起的。

3 用銅絲燃燒法定性檢測(cè)有機(jī)物中鹵素的實(shí)驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證銅絲燃燒法能否實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物中的鹵素進(jìn)行定性檢測(cè)，分別選用酒精燈和酒精噴燈進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

[實(shí)驗(yàn)六]分別取一根用砂紙打磨過(guò)的銅絲燒至紅熱后，蘸取CCl4在酒精燈和酒精噴燈火焰上灼燒，觀察現(xiàn)象。

[實(shí)驗(yàn)七]分別取一根用砂紙打磨過(guò)的銅絲燒至紅熱后，蘸取1-溴丙烷在酒精燈和酒精噴燈火焰上灼燒，觀察現(xiàn)象。

在上述實(shí)驗(yàn)中，均觀察到明顯的綠色火焰且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其中在酒精噴燈火焰上灼燒時(shí)現(xiàn)象相對(duì)更明顯。

由上述“銅的焰色反應(yīng)”系列實(shí)驗(yàn)可知，將純銅絲燒至紅熱時(shí)，可去除銅絲表面的揮發(fā)性銅化合物，避免其造成干擾，同時(shí)在銅絲表面生成CuO，此時(shí)火焰為無(wú)色，再與含鹵素的有機(jī)物一起灼燒時(shí)，便會(huì)生成銅的鹵化物（與用銅絲蘸取稀鹽酸灼燒時(shí)類似）。由于銅的鹵化物易揮發(fā)，在火焰中原子化，引發(fā)銅的焰色反應(yīng)，使火焰呈現(xiàn)綠色，因此可確定有機(jī)物中存在鹵素，但對(duì)于是哪一種具體的元素并不能確定?？梢?jiàn)，鹵素的存在只是為了生成易揮發(fā)的銅的鹵化物，便于銅的焰色反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

從以上分析中不難看出，銅絲燃燒法產(chǎn)生綠色火焰的原理與銅的焰色反應(yīng)原理相同，均為銅的原子發(fā)射光譜。由于產(chǎn)生原子發(fā)射光譜過(guò)程中，樣品首先要實(shí)現(xiàn)原子化，因此，進(jìn)行銅的焰色反應(yīng)時(shí)，應(yīng)選用揮發(fā)性較強(qiáng)的銅的鹵化物（如CuCl2等），若選用難揮發(fā)的銅單質(zhì)或CuO，則需要蘸取少量鹵化物，使之灼燒時(shí)轉(zhuǎn)化為易揮發(fā)物質(zhì)，否則，在常規(guī)火焰溫度下將難以實(shí)現(xiàn)，這正是可以利用銅絲燃燒法對(duì)有機(jī)物中鹵素進(jìn)行定性檢測(cè)的原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩主編.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：江蘇教育出版社，2009：7.

[2]周公度，段連運(yùn)編著.結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1995：87，101.

[3]王祖浩主編.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1 [M].南京：江蘇教育出版社，2009：22.