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氢气燃烧火焰颜色的探讨__生赖辉煌(福建古田玉田中学)(福建泉州马甲中学)部编初中化学教材在谈到氢气的可燃性时指出“纯净的氢气在空气中燃烧,产生淡蓝色的火焰”然而按照课本的装置进行实验时,看到的却是带有黄色的火焰对这种现象已有多种解释,其中比较多的人认为
(1)氢气在玻璃管中燃烧,由于玻璃中的钠受热激发而放出黄色光谱[1-3]2氢气燃烧过程产生了氢离子,氢原子在火焰中受热激发放出复合为黄色的多种谱线[4-5]到底氢气的燃烧火焰是什么颜色?黄色是其火焰本身固有的还是其他方面的干拢,本文就这个问题进行了探讨,提出如下看法,与大家商榷一氢原子在氢焰中难于被激发,不能产生肉眼观察到的黄色光谱______把氢气燃烧的火焰颜色定为蓝色,而不是黄色,或者黄色,蓝色都有?原来氢气燃烧是一个复杂的链反应,其过程链的开始H2→H·+H·链的传递H·+O2→·OH+O·H2+O·→·OH+H·······链的终止H·+·OH→H2O氢气在空气中燃烧还要考虑空气中的氮气,氮气能够在火焰中氧化生成NO·,据报导,氢气与空气燃烧火焰的平衡组成有
[6]氢气空气
(125)H2OH2O2N213×101872×101815×101426×1018HOHNO25×101419×101562×1015氢气火焰的蓝色正是H·+·OH→H2O+hv在蓝色及紫外光谱区发射弱的连续谱
[7]同时在氢焰光谱中还发现明显的OH发射带,带头在2810Å,3036Å,3430Å
[3]既然火焰中OH原子团能够受热激发发射光谱,那么氢焰中氢原子能否也受热激发而放出肉眼观察到的黄色谱线呢?我们认为是不可能的氢原子光谱中确有四条明显的可见光谱线即Ha(红),Hb(绿),Hc(紫),Hd(紫),但是要实现氢原子发射光谱必须具备较高的能量,因为氢原子有较大的激发能(达1209eV以上),一般的说,当激发能大于105eV以上的原子,在本生灯焰中不能被激发
[9]因此我们做金属离子的焰色反应时,通常用盐酸做金属盐的助挥发剂,而不干扰其金属离子的焰色二玻璃中的钠受热激发是氢焰产生黄色的潜在因素,而不是绝对因素综合考虑氢焰的黄色原因,可从下四个方面入手
(1)氢焰中某成分引起
(2)来自空气的影响
(3)制取氢气的反应物的影响
(4)实验装置材料的影响为此我们设计如下几个实验(见下页)从实验中可以得出,玻璃管上可以得到纯蓝色火焰,铁管避免不了黄色,这就说明玻璃管中钠不是产生氢焰黄色的唯一原因玻璃中的钠是以硅酸盐形式存在的(Na2SiO3),这种碱金属盐类中的金属离子受热激发产生焰色,必须经过熔融——气化——离解——激发四个过程,一般要有较高的温度才能产生焰色2500K时玻璃中只有7%钠离解
[10],而氢空气焰
(125)理论的最高温度只达2380K
[11]这就是说明一定条件下如控制温度玻璃管中钠的激发是可以避免的三产生黄色火焰的主要原因分析以上几个实验,我们还可以发现
(1)燃烧的氢焰在管口或靠近管口是蓝色的,而在管外是黄色的设计排除干扰实验装置现象通过KOH溶液,无水CACL2洗去氢气流中ZN2+,H2SO4分子和水蒸气,消除来自制取氢气反应物的干扰火焰呈内蓝外黄用铁管代替玻璃管排除钠的干扰火焰呈内蓝外黄,但黄色稍淡排除来自空气的氮气影响火焰呈橙黄色既排除空气中氮气的影响,又消除玻璃管中钠的影响火焰呈橙黄色开始氢气流大,燃烧激烈,火焰窜出管口,火焰呈黄色随着反应减缓,火焰在靠近管口或低于管口燃烧,黄色消失呈纯蓝色
(2)管口氢气流越激,越猛,火焰与空气接触面越大,黄色越明显
(3)在纯氧中火焰为橙黄色这些现象说明氢气燃烧的外火焰里的黄色,并非全是由钠焰色引起的那么在排除钠焰色干扰的情况下,氢气燃烧外圈黄色火焰是怎么产生的?我们知道,氢气燃烧首先形成的是气态水分子,它在放热反应体系中可能受到激发从光谱分析中得知H2O在近红外区有很宽强的振动——转动带(8000Å~12500Å),在氢氧焰中这些较弱的两翼会延伸到可见光谱的红__
[12]根据统计热力学,水分子的振动——转动的配分函数与受激发的温度有关,当温度越高,处于激发态的水分子越多,由辐射产生的光谱就越强所以随着火焰温度的升高,H2O的振动——转动红色带越明显氢气燃烧过程中氧气量越多(相对量),燃烧越激烈,火焰的温度越高,火焰颜色的红色成分越多,在纯氧中H2O的红色振—转带谱与氢焰中H·+·OH→H2O+hv的蓝色带谱互补成橙黄色其次空气中的氮气也是氢焰黄色的一个原因氢空气焰中有自由NO基团,在稍过量氧气中,NO自由基能与过量原子氧结合生成NO2放出黄色和黄绿色连续谱
[13],这样在氢气燃烧过程中,空气量越多,越多NO自由基与过量氧反应,火焰的黄色就越明显我们再从氢气燃烧的火焰不同燃烧区的颜色来分析,同样可得如上结论如图1示图1氢燃烧火焰图2洒在铁器上的酒精燃烧火焰蓝色火焰分布在火焰的初级燃烧区(内焰),此处氧气量最少,火焰温度低,空气中氮气在此处与氧气生成NO黄色火焰分布在次级燃烧区(外焰),此处温度高(比内焰高200℃左右)氧气量丰富,初级燃烧区生成的H2O可能在此处发生红色振——转动同样NO在此处可与丰富的氧气继续反应生成NO2,而放出黄色,黄绿色连续谱事实上,一些常温下为气态或沸点低的碳氢,碳氢氧化合物(含碳量少),在空气中燃烧其火焰同样带有黄色如酒精燃烧(理论上讲酒精的燃烧火焰是淡蓝色的)(见图2),综上所述,氢气燃烧产生黄色火焰的主要原因是
(1)氧化生成的H2O受热辐射出红色振动——转动光谱与氢焰蓝色光加合的结果
(2)空气中的氮气在氢焰中燃烧后成的NO继续与过量氧气生成NO2放出黄色,黄绿色的结果当然,燃烧的氢焰温度高时,玻璃中钠的激发放出黄色光谱的可能性是存在的因此所有能够降低氢焰温度的措施和减少氢气燃烧过程中氧气量(或空气量)的办法,都能够减弱或完全避免氢焰产生黄色基于上述原理,我们设计如下装置这种装置的特点,能够产生一个平稳缓慢的气流这样我们只要Zn与硫酸的用量,使其产生的氢气控制在管口或管内燃烧,就能够得到纯蓝色火焰其具体操作过程是这样的如图装置,取10个绿豆粒大小的Zn(教学用,北京试剂厂生产),加入30ml13的硫酸溶液,塞上导管,待锥形瓶内溶液表面充满气泡时(约三分钟左右),可在管口点燃(此时瓶内空气已赶尽)初始若产生的氢气流太激,太快,火焰窜出管口,我们可用嘴向管口内吹气,或者用一块表面皿盖在火焰上方,使氢气燃烧的空气量适当减少,能够得到纯蓝火焰随着瓶内Zn与硫酸反应速度的缓慢,无需吹气亦可在管口看到纯蓝色火焰为了增强观察效果,可用一个黑色纸盒罩住火焰,反衬蓝色____
[1]李钟歧,石启瑞,“中学化学实验”内蒙古人民出版社,62
(1980)
[2]钱博,“中学化学实验”,陕西科学技术出版社,上册,51
(1980)
[3]谢莹,“中学化学演示实验”(无机化学部分),北京出版社,20
(1981)
[4]温州师范学院化学系,“实验的教学与改进”,浙江教育出版社,72
(1985)
[5]陈有土,“福建省化学教学研究会第一届年会材料”福建教育学院,6
(1982)
[6][德]CTHJ阿尔克梅德,R赫尔曼,“分析火焰光谱学原理”,地质出版社,36
(1984)
[7]寿曼立“仪器分析
(二)发射光谱学”长春地质出版社,262
(1980)
[8]同
[7]262
[9]刘化坤,“化学教育”,5,13~15
(1985)
[10]同
[6]90
[11]同
[6]22
[12]同
[6]163
[13]同
[7]262。