钠对气体燃烧火焰颜色的影响

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1、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

2、*(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、

3、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+1/2O2+2N2→H2O+2N223732318CH4空气CH4+2O2+8N2=CO2+2H2O+8N222222148煤气[n(CO):n(H2)≈1:1]空气煤气+0.98O2+3.9N2=CO2+H2O+3.9N221131980H2S空气H2S+3/2O2+6N2=H2O+

4、SO2+6N22050*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

5、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。1．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

6、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/ppmNa590OH0.001Ca422.7OA0.07554.0OA0.16612.0OA0.6K404.4OH1.7767.0(近红外)OH0.02Si251.6(紫外)OH4.5*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）。2．杂质元素的存

7、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。3．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

8、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]：H2OO2H2OHCOCO2NON2OH7.1%1.66%0.38%0.78%4.12%11.57%0.