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钠对气体燃烧火焰颜色的影响

湖南长沙市一中 410005
张 军

中学化学教材中叙及H2、CO、CH4和H2S气体在空气中完全燃烧火焰的颜色均为 淡蓝色或蓝色，但教师在用尖嘴玻璃管演示时发现：玻璃中的钠离子只对H2燃烧焰产生干扰。对此，笔者提出如下看法，供同行讨论。
气体燃烧焰色决定于它的发射光谱。在一般燃烧温度（<4000K）下,气体分子发生部分解离，产生气态原子（或原子团），体系中存在如下示意的离解平衡：
MA（g） M(g)+A(g)
同时，部分基态原子（或原子团）由于碰撞变为激发态；也存在如下示意的激发态平衡：
M(g) M*(g)
式中M(g)表示基态或能量较低的次级激发态原子（或原子团），M*（g）表示能量较高的激发态原子（或原子团）。当M*（g）返回能量较低的M(g)时，即发射出一定波长的线状（或带状）光谱。发射光谱的组成决定了燃烧焰色。
当可燃性气体中含有杂质元素时，则杂质元素在燃烧温度下，也会发射出其特征光谱。此光谱必对可燃性气体的燃烧焰色产生干扰。干扰程度大小与杂质元素种类、含量、存在状态、燃烧温度以及可燃性气体种类等有关。

1． 燃烧温度的影响

对于上述四种气体，若都用同样的尖嘴玻璃管做实验，则杂质元素种类、含量、存在状态都相同，它们所产生的现象差异与燃烧温度密切相关。
根据有关热化学定律和数据，可以计算四种气体在空气中燃烧的最高温度（表1）。
表1. 几种气体燃烧焰的最高温度*
燃 气

助燃气

化 学 计 量 反 应

最高火焰温度T/K
计算值
实验值
H2

空气

H2+1/2 O2+2N2→H2O+2N2

2373

2318

CH4
空气
CH4+2O2+8N2=CO2+2H2O+8N2
2222
2148
煤气
[n(CO):n(H2)≈1:1]
空气
煤气+0.98O2+3.9N2=CO2+H2O+3.9N2
2113
1980

H2S
空气
H2S+3/2 O2+6N2=H2O+SO2+6N2
2050

*除H2S外，其余均摘自参考文献[1]
由表1可以看出，四种气体燃烧焰最高温度高低顺序是：
H2 > CH4 > 煤气(CO+H2) > H2S
虽然，实验室演示上述气体燃烧火焰远达不到上述温度，但温度的高低顺序当然也是：
H2 > CH4 > CO ～ H2S
另外，原子发射光谱的强度与处于激发态原子的数目成正比。当在热力学温度T达到热平衡时，激发态原子数nq和基态原子数n0的比值符合玻尔兹曼方程式[2]：

nq/n0=(gq/g0)·e –Eq/KT

式中，K是玻尔兹曼常数；Eq是激发能与基态的能量差，即激发能；gq与g0分别是激发态与基态的统计权重。由此式可以看出，随着火焰温度T的升高，nq/n0的比值成指数性增长；同时，在演示实验温度范围内，温度升高，玻璃中钠的原子化程度亦增大，即n0增大。所以，随着火焰温度升高，nq的增幅更大，随之钠原子光谱发射强度增大，对焰色的干扰亦增大。由此不难理解为什么普通玻璃中钠对氢气燃烧焰色干扰最大。

2． 杂质种类影响

普通玻璃中还含有钙、钾、硅等元素，为什么它们对焰色的影响不如钠呢？由于火焰介质中的化学反应极其复杂，目前尚不能定量讨论。还是由实验的观测结果来说明[5]。表2列出了钠、钾、钙、硅几种元素的火焰光谱及其实际的检出极限。检出极限愈小，说明该谱线的发射强度愈大，对火焰背景的颜色影响亦愈大。
表2 几种元素的火焰光谱[3]
元素
波长λ/nm
火焰型式*
检出极限/ppm
Na
590
OH
0.001
Ca
422.7
OA
0.07

554.0
OA
0.16

612.0
OA
0.6
K
404.4
OH
1.7

767.0(近红外)
OH
0.02
Si
251.6(紫外)
OH
4.5
*OH——氢氧焰 OA——氧乙炔焰（温度略高于OH焰）
由表2数据可以说明，钠对燃烧焰色干扰最大，钙钾次之，而硅可以忽略不计（它的发射光谱在紫外区）。

3． 杂质元素的存在状态和含量的影响

中学化学教材中叙及，“乙醇在空气里能够燃烧，发出淡蓝色火焰”，如将乙醇倒入蒸发皿中点燃，或在酒精喷灯的火焰中均可观察到这种淡蓝色。但通常的酒精灯焰却呈浓重的黄色。显然这是由于灯芯中钠元素杂质干扰的结果。若在普通酒精灯外焰中灼烧CaCl2溶液，可以看到钙的特征焰色——砖红色，但若灼烧玻管，则看不到砖红色，这是由于两者钙元素的存在状态和含量不同所致。

4． 可燃气体种类的影响

虽然H2、CO、CH4和H2S气体在空气中燃烧焰外观颜色相近，但其火焰的组成是不同的，其发射光谱也是不同的。如乙炔在空气中燃烧焰，中学化学教材上的叙述是“发出明亮而带浓烟的火焰”，这是在氧气不足时燃烧的外观特征。若按化学计量比混合空气和乙炔气体，其燃烧焰从内到外，从下到上可分为四个区：预热区，每一反应区，中间层区，第二反应区。其第一反应区呈明显蓝色（称为“蓝锥”），第二反应区，外锥也呈淡淡的蓝色。它的火焰组成如下 [1] ：
H2O
O2
H2
OH
CO
CO2
NO
N2
O
H
7.1%
1.66%
0.38%
0.78%
4.12%
11.57%
0.69%
73.43%
(0.22%)
(0.18%)

这说明气体本身燃烧的火焰颜色也可能随反应条件而异，不是一成不变的。它的发射光谱也是复杂的，如图1[3]。乙炔的“蓝锥”颜色主要是由于C2和CH的发射光谱产生的[4]。煤气、甲烷燃
烧焰也有类似基团的发射光谱，故呈蓝色也是合乎情理的。氢气在空气中燃烧发射的可见光谱相对而言较为简单，它的淡蓝色主要是由H原子的发射光谱（λ为410.2、434.1、486.1nm）产生的，且发射强度很弱，（只在300～350nm处出现OH的带状光谱[5]），容易被其它杂质元素的发

图1 乙炔的总发射光谱
射光谱所掩盖。

总之，H2、CO、CH4和H2S气体在空气中燃烧焰外观颜色相近，但其蓝色焰的产生根源不同。有的来自于H原子的发射光谱，有的来自于原子团（如C2、CH等）的发射光谱，并且发射光谱的强度各不相同，所呈现的蓝色深浅程度不一。杂质元素对它们的焰色干扰大小，取决于杂质元素的种类、含量、存在状态、燃烧焰温度，也与它们的发射光谱中蓝色谱线的发射强度等有关。钠原子光谱发射强度最大，颜色深，对火焰背景颜色干扰最大；氢气燃烧焰温度较CO、CH4和H2S为高，也使得钠元素对它的焰色干扰增大；同时氢气燃烧的发射光谱蓝色谱线强度较弱，颜色浅，因此用普通尖嘴玻管演示氢气燃烧时，观察不到它本身的淡蓝色火焰。若改用石英玻璃（SiO2）尖嘴演示，则可以观察到它本身的焰色。

参 考 文 献

1 李玉珍，邓宏筠编著.原子吸收分析应用手册.北京：北京科技出版社，1990：338-339，30-31，313
2 南开大学化学系编.仪器分析.北京：人民教育出版社，1978：128
3 王以诚译.大学仪器分析学.香港：徐氏基金会出版，1982：157-158，156
4 林宁麟编.仪器分析（三）.北京：地质出版社，1985：60
5 （美）D.A.斯科塔，D.M.韦斯特编著. 仪器分析原理（上）.上海：上海科技出版社，1980：227，279-280