炎色反応

熱エネルギーによって電子が励起された結果、高エネルギーの軌道へと遷移した電子が、基底状態へ戻る際に電子はエネルギーを電磁波の光として放出する場合が有る。この電子がエネルギーを放出した際に生じた光が、炎色反応である。

高温の炎中に、ある種の金属粉末や金属化合物を置くと、試料が熱エネルギーによって解離し、原子化される。それぞれの原子は熱エネルギーによって電子が励起され、外側に存在する高エネルギーの電子軌道へと移動する。励起された電子が、安定な基底状態に戻ろうとする際に、余分なエネルギーを電磁波として放出する。電磁波のエネルギーは、その周波数で決まるわけだが、この際に放出するエネルギーが、ちょうどヒトの可視光線の範囲に入る場合が有る。これが、炎色反応を示す原理である。

したがって、比較的低温で熱励起され、発光波長が可視光線の領域に存在する元素が、微粉末や塩のような原子化され易い状態になっている場合にのみ、炎色反応が観察される。

なお、原子の電子軌道のエネルギーは、連続した値ではなく、飛び飛びの値であるため、励起された電子が基底状態に戻る際に放出されるエネルギーも、連続した値ではない。このため、炎色反応として放出された光は、連続スペクトルではなく、輝線スペクトルを示す。また、元素によっても、電子軌道のエネルギーは、ある程度決まるため、元素によって特徴的な輝線スペクトルを示す。これが、炎色反応を示す元素の種類により、炎色反応によって放出される光の色が決まる理由である。

炎色反応を呈する主な元素が、炎色反応を起こした際に放出する主な輝線スペクトルの波長と、その色を示した。なお、かっこ内には、コバルトガラスを通して観察した場合の色を示した。

• 第1族元素の全て元素のアルカリ金属。
  • リチウム - 深紅[3]、670.8 nm[4]（紫紅[5]あるいは赤紫[6]）
  • ナトリウム - 黄、589.3[7] nm（無色[注釈 1][8]）
  • カリウム - 淡紫、すみれ[9]、あるいは紫[10]、404.4 nm[11]（赤紫[12]）、特にナトリウムに邪魔され易いためコバルトガラスが役立つ。
  • ルビジウム - 暗赤、深赤[13]、795.0、781.1 nm[14]（紫[15]）
  • セシウム - 青紫[16]。（紫青[17]あるいは紫[18]）励起に必要な高温を得るため、酸水素炎で観察する。
• 第2族元素の一部の元素であるアルカリ土類金属。
  • カルシウム - 橙赤[19]（橙緑[20]）
  • ストロンチウム - 深紅[21]、460 nm（紫[22]）
  • バリウム - 黄緑[23]（青緑[24]）
  • ラジウム - 洋紅
• 第6族元素の一部
  • モリブデン - 黄緑[25]（青緑[26]）
• 第11族元素の一部
  • 銅 - 青緑[27]あるいは緑[28]、510 nm（青紫[29]あるいは淡青[30]）
  • 金 − 緑
• 第13族元素（土類金属）
  • ホウ素 - 黄緑[31]（青紫[32]）、エタノール炎外縁の呈色で観察する。
  • ガリウム - 青[33]（青紫[34]）
  • インジウム - 深青[35]あるいは藍[36]、410 nm（紫青[37]あるいは紫[38]）
  • タリウム - 淡緑
• 第14族元素の中で、金属元素のみ。
  • スズ - 淡青[39]（淡紫[40]）
  • 鉛 - 淡青（淡紫[41]）
• 第15族元素の一部。
  • リン - 淡青[42]、（淡紫[43]）リン酸イオンによる反応。
  • ヒ素 - 淡青[44]（淡紫[45]）
  • アンチモン - 淡青[46]（淡紫[47]）

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  試料を加えない場合のガスバーナーの炎の色
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  リチウム
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  ナトリウム
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  カリウム（コバルトガラスを通した場合）
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  カリウム
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  ルビジウム
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  カルシウム
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  ストロンチウム
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  銅
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  ホウ素
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  鉛
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  ヒ素
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  アンチモン

炎色反応による発光は輝線スペクトルであるから、特定の波長範囲を吸収するフィルターを通す方法により、不要な波長を遮断して観察できる。例えば、ナトリウムは炎色反応が起こり易く、微量であっても波長 589 nm の強い黄色を呈する。そこで、500 nmから700 nm の範囲の波長の光を強く吸収するコバルトガラスを通すと、ナトリウムの輝線は吸収されて見えなくなる[48]。このため、コバルトガラスを通した場合、少々のナトリウムが混入していても、他の元素からの発光が観察し易くなる場合が有る。ただし、その他の元素でもこの波長域の発光がカットされるため、元素によっては色調が変化して観察される。

• ICP発光分光法 (ICP-AES)
• フレーム発光分光法
• 化学発光#炭素を主体とする燃焼における火炎
• 花火