光谱分析法:“颜色”对化学的帮助

颜色在画家笔下可以绘制出形形色色的生动形象,给人以美的享受。 随着科学事业的发展,颜色不仅在绘画上、装饰上具有不可或缺的地位,人们经过长时期的实践研究还发现了颜色更重要的作用,从而创立了光谱分析。 光谱分析创立以后,科学家发现了一大批化学元素,并对以前发现的化学元素做了系统的检验。

正如任何一个发明都有漫长的历史一样,光谱分析的创立也有着悠久的历史。

我们知道,金属离子在高温时发出不同颜色的光,在化学上这一现象称为焰色反应。 早在1758年,有一位叫马格拉夫的科学家就注意到,在火焰上撒上钠,火焰就呈现黄色,撒上钾盐,火焰则呈现紫色。 只不过他对这种现象还缺乏深刻的认识。

实用光谱学是由科学家本生与基尔霍夫在19世纪60年代发展起来的。

1858年,德国科学家本生在一次实验中,用镊子夹了一颗食盐晶体,放在“本生灯”(本生发明的火焰没有颜色的煤气灯)上灼烧,本来无色的火焰变成了亮黄色。 火焰颜色的变化引起了本生极大的兴趣,于是他就把各种化合物一一放在灯焰上灼烧。

他发现凡含有钠的化合物都能使灯焰呈亮黄色。 后来,他改用白金丝蘸一点钠溶液,在灯上灼烧,也能得到同样的结果。 于是本生总结出灯焰变色是钠离子起的作用,他把亮黄色灯焰称为钠离子的特征焰。

本生坚信,自己已经发现了一种最重要的化学分析方法,而且这种方法能使化学分析过程大大简化。

本生按着自己的思路继续做实验,但是问题比意想的要复杂得多。 最困难的就是复杂物质的各种焰色混合在一起,特别是钠的黄色火焰几乎把所有物质的火焰的颜色都掩盖了。

这该怎么办呢?

本生试着用各种滤光镜把各种颜色分开,效果比用肉眼直接观察好了一些。 但还有许多问题解决不了,例如,紫红色的锂的火焰和洋红色的锶的火焰就十分难辨别,如两者混在一起就更难办了。

本生为这些问题所苦恼,他吃不好,睡不着,一连几昼夜钻在实验室里进行实验,始终找不到解决问题的办法。 这时,他想起了一位最亲密的朋友—德国著名物理学家基尔霍夫。

基尔霍夫对本生的设想大加赞赏,并建议他用分光镜来观测各种化学物质的光谱。 此后,本生开始与基尔霍夫密切合作。 基尔霍夫负责改装分光镜,他们的第一台分光镜非常简陋。 基尔霍夫把一架直筒望远镜和三棱镜联在一起,设法让光线通过狭缝进入分光三棱镜。 这实际上就是本生和基尔霍夫共同发明的第一台“光谱仪”。

后来,二人经过大量的实验和进一步研究发现,任何金属离子都能使灯焰变色,每一种金属离子都有其特征焰,如钾离子的特征焰为紫色,锶离子为猩红色,钙离子为砖红色,钡离子为绿色。 而且,本生和基尔霍夫还发现,金属及其盐类的火焰光透过三棱镜后被分成若干条不同颜色的线,每种元素的色线都按一定顺序排列在固定的位置上。 就是几种盐混合以后进行灼热,其中各种元素特有的彩色线条和位置也不变。

光谱分析法对于化学这门学科的发展有着举足轻重的作用,它显示出极大的优越性,并在科研和生产中得到迅速推广。 本生和基尔霍夫立即用他们发明的光谱分析新方法检验各种物质,1860年5月10日,他们在矿泉中发现了新元素铯;1861年2月23日,他们在分析云母矿时,发现了新元素铷。 后来,化学家们用他们的方法又发现了铊、铟、镓、钇、钬、铥、钐、钕、镨等元素。

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本生灯

本生灯是德国化学家本生为装备海德堡大学化学实验室而发明的,它是一种用煤气为燃料的加热器具。 在本生灯发明前,因煤气燃烧不完全,煤气灯的火焰很明亮,但温度不高。 本生将其改进为先让煤气和空气在灯内充分混合,从而使煤气燃烧完全,得到无光高温火焰。 燃烧产生的火焰分三层:内层为水蒸气、一氧化碳、氢、二氧化碳和氮、氧的混合物,温度约为300摄氏度,称为焰心;中层煤气开始燃烧,但燃烧不完全,火焰呈淡蓝色,温度约为500摄氏度,称为还原焰;外层煤气燃烧完全,火焰呈淡紫色,温度可达800~900摄氏度,称为氧化焰。

 

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