氢气燃烧火焰颜色的探讨

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1、氢气燃烧火焰颜色的探讨陈云生赖辉煌（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

2、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为什么教科书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（1：2。5）H2OH2O2N21。3×10187。2×10181。5×10142。6×1018HOHNO2。5×10141。9×10156。2

3、×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12。09eV以上），一般的说，当激发能大于10。5eV以上的原子，在本生灯焰中不能被激发[9

4、]。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——

5、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（1：2。5）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

6、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（8

7、000Å～12500Å），在氢氧焰中这些较弱的两翼会延伸到可见光谱的红色区[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

8、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