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理系の教養

炎色反応 ~炎色反応,スペクトル線~

投稿日:5月 16, 2020 更新日:

こんにちは、transです。

今回は、炎色反応に関する実験について解説します。

まず、炎色反応の章では、通常の金属の炎色反応に加えて、ハロゲン元素で見られる炎色反応についても紹介します。さらに、日常生活で見られる炎色反応の応用例についても紹介します。

また、スペクトル線の章では、炎色反応の光を分光法によってスペクトル線にして観察する方法や原理について説明します。

実験の予習をやらなければいけないけど時間が無いという学生に向けて予習の手間が省けるようにこの記事を書いています。スマホで見ながら電車で予習することもできます。実験項目は某大学の実験テキストを参考にしています。

レベル的には、大学の学部生レベルを想定していますが、高校生も化学の発展的なことが知りたければ読んでいただいて構いません。

それでは行きましょう!

 

1、炎色反応

花火の画像

炎色反応とは、アルカリ金属,アルカリ土類金属,銅,ハロゲン元素のイオンや化合物を炎の中に入れると各元素特有の光を発する反応のことです。

炎色反応が、アルカリ金属とアルカリ土類金属に多いのは、電子配置が関係しています。炎色反応は、炎によって電子が励起状態になり基底状態になるときに放出される光のことです。つまり、電子が励起状態になりやすいことが大切です。

カリウムとカルシウムの電子配置が分かりやすいと思いますが、M殻(3d軌道)に電子を入れる前に、N殻(4s軌道)に電子を入れますね。これは、エネルギー的に4s軌道の方が3d軌道よりも低いからです。つまり、M殻からN殻には極めて電子は行きやすいです。とくに、アルカリ金属とアルカリ土類金属がイオンになると次の殻が空軌道(電子が全く入っていない軌道)になるので移りやすいのです。つまり、電子は励起されやすいということです。以上のような理由からアルカリ金属とアルカリ土類金属では炎色反応が見られやすいです。

また、銅に関しては通常の銅線を用いても融点が高すぎるため炎色反応は起きません。しかし、塩素のようなハロゲン元素と化合してハロゲン化合物になると融点が下がり、炎色反応を見ることができます。これにより、ハロゲン元素の定性をすることができます。この反応を、バイルシュタイン反応と言います。

以上が炎色反応の基本的な原理です。ここからは日常生活で見られる炎色反応の例として、ガラスと花火について紹介します。

まず、ガラスです。ガラスを加熱すると、黄色の炎色反応が見られると思います。これは、ガラスに含まれる酸化ナトリウムという成分によるものであります。また、しばらく加熱すると酸化ナトリウムがなくなるので、炎色反応が見られなくなります。

次に、花火です。花火は外を燃えやすい紙で包み、中に星という炎色反応を起こす金属を入れて、打ち上げと同時に花火玉の導線にも火をつけ、導線が終わると一気に外の紙が破裂し、星に燃え移り、一瞬にして炎色反応を起こすという仕組みになっています。

このように炎色反応は日常生活でも見られるので、ぜひ他の例も調べてみてください。

 

●合わせて読みたい記事

「化学発光 ~化学発光,ルミノール反応~」

 

 

2、スペクトル線

虹の画像

まず、スペクトル線を説明するために光について説明する必要があります。

光は電磁波、つまり波の1つです。光以外にも、ガンマ線やエックス線,電波なども電磁波です。さらに光は波長によって紫外線(10~380 nm)、可視光線(380~760 nm)、赤外線(760~1.0×106 nm)に分けられます。おもな電磁波と波長領域を下の図にしたので参考にしてください。

このように波長は連続しています。白熱電球の光は多くの可視光線を含んでいるので白熱電球の光を分光することにより連続スペクトルを観察することができます。イメージとしては虹のような感じです。

また、蛍光灯やランプ,炎色反応の炎を分光すると線のようなスペクトルを観察することができます。これを線スペクトルといいます。線スペクトルは、一部が線状に明るい輝線スペクトルと一部が線状に暗い吸収線スペクトルがあります。

炎色反応の炎は分光すると輝線スペクトルとして見ることができます。また、発光スペクトルは炎色反応で見られる色の波長と同程度の値となっています。

最後に分光する方法や原理についてですが、この実験では簡易分光器をよく使うので、その原理について解説します。まず、下に簡易分光器の模式図を示します。

分光器 画像

まず、薄い青の四角で書いた回折格子(グレーティングシート)には小さな溝が無数にあって光が、その溝を通ると回折,干渉し分光することができます。つまり、スリットという小さい穴から入った光を分光することができます。それを覗くと斜め前方にスペクトルが表示されているようになる(実際は光が分光して外に出ているが目には斜め前に分光して見える)ので、スペクトルを見ることができます。

ここで、分光される光の成分により観察できるスペクトルが異なるというわけです。

 

 

3、~まとめ~

いかがでしたか?

今回は、今回は炎色反応、特に炎色反応の原理と分光により得られるスペクトル線について解説しました。内容が複雑になってきたので参考程度にしてください。一応、調べてまとめていますが、間違っている可能性もあるので、ご了承ください。

 

また、参考文献は以下の通りになります。

1、戸嶋直樹,瀬川浩司「理解しやすい化学」文英堂、2012、p 23

2、飯田隆,菅原正雄,鈴鹿敢,辻智也,宮入伸一「イラストで見る化学実験の基礎知識 第3版」2014、p 84,100,101

 

最後になりますが、参考文献以外はコピペ厳禁です。バレます。気を付けてください。自分で理解してまとめてください。

今回の記事は以上になります。最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

 

 

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研究者で、思想家で、ゴルフ愛好家の三刀流大学院生です。高校時代に野球でイップスになり絶望しましたが、ゴルフに出会いました。今は、研究の合間に、バイトとゴルフをやっています。効率の良い豊かな人生を目指しています。化学・自己啓発・ゴルフについて呟きます。

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