金属火焰发射

来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

1. 金属火焰发射测试展开

   在本实验中，您将使用本生灯火焰的热量激发六种金属氯化物盐的电子，并测量电子弛豫时发射的光的波长。所发射的光位于可见光谱范围内，因此不同金属会产生不同颜色的火焰。

   实验结束时，您将测量一个火花棒的发射光谱，并利用从金属盐获得的数据来确定火花棒中所含的金属。为协助此过程，请在实验记录本中制作一个表格，用于记录环境光、各种盐类以及火花棒所发射的波长。

   表1：观测到的波长

   实验编号	光源	记录的波长（s）
   1	室内灯光
   2	NaCl
   3	LiCl
   4	KCl
   5	SrCl2
   6	BaCl2
   7	CuCl2
   8	火花棒

   点击此处下载表1

   在本实验中，您需将涂有盐的涂抹棒置于本生灯火焰边缘以激发金属盐。若涂抹棒起火，请立即将其浸入盛水烧杯中熄灭。在激发过程中，您需将检测器靠近火焰和火花棒，以测量发射光的波长。请保持安全距离，以保护自身和检测器。由于部分操作需同时进行，建议您以四人小组形式开展实验，并根据需要分配任务。

   • 穿上实验服，佩戴护目镜和腈手套。
   • 在通风橱内安装本生灯。
   • 用自来水装满一个400 mL烧杯并带入通风橱。将盐、涂抹棒和自来水放置在本生灯一侧，确保易于取用。
   • 打开手持式分光光度计，并熟悉其各部件。
   • 创建新实验，并将光谱仪设置为测量发射强度。将采样时间设为200 ms，每个波长的读数次数设为1。在实验记录本中记录设置参数和实验名称。
   • 测量室内灯光的光谱。由一至两名学生尽可能靠近灯光持握光学检测器，但不要断开电缆连接。准备就绪后，由另一名学生启动光谱仪。所得光谱应清晰，噪声最小，且无超出量程的峰。注意：若遇到困难，可将探头置于几乎关闭的抽屉或盒子内，以遮挡阳光，同时对准室内灯光。
   • 当光谱显示良好时，立即捕获数据。在保存前确认已获得高质量光谱。将峰值波长记录在数据表中。
   • 测量金属盐的发射光谱。点燃本生灯，并调节风门，使火焰明显分为内焰和外焰。
   • 将光谱仪移至通风橱，并布置好电缆，使检测器可持握在距火焰约一英寸处。
   • 由一名学生准备光谱仪进行实验。该学生应能清晰看到燃烧器，以便在盐进入火焰时立即开始采集数据。然后，由另一名学生将检测器持握在距火焰不少于一英寸的位置。注意：距离过近可能损坏检测器；但若距离过远，则无法获得清晰光谱。
   • 由另一名学生从水烧杯中取出一支涂抹棒，浸入NaCl试管中，使湿润的棉头沾上盐。然后，小心地将涂有盐的涂抹棒插入外焰约1 mm深处，火焰颜色将发生变化。
   • 当涂抹棒进入火焰时，启动光谱仪。注意：若峰值强度超出量程，请调整检测器位置，直至所有峰值均在检测范围内。若火焰颜色变化难以观察，可在同一涂抹棒上蘸取更多盐并重试，直至观察到明显颜色。若光谱噪声大或信号弱，可尝试将检测器对准火焰的不同区域。
   • 当观察到良好光谱时，捕获并保存数据。所有成员应共同检查光谱，确保其质量良好。将发射波长记录在表格中。
   • 将使用过的NaCl涂抹棒浸入废液烧杯中。每种盐必须使用不同的涂抹棒。
   • 按照相同步骤测试其余五种盐，注意避免盐之间的交叉污染。完成最后一种盐的测试并记录波长后，设置数据采集以用于火花棒。
   • 在教师的通风橱处，使用本生灯点燃火花棒，并将其手柄朝下放入锥形瓶中。请注意，火花可能非常热。熄灭本生灯火焰后关闭燃气。
   • 当一名学生将检测器靠近火花棒时，另一名学生启动数据采集。调整检测器位置，尽可能多地捕获在量程内的峰值，同时不丢失较弱的峰值。
   • 当光谱显示良好时，捕获并保存数据。请记住将波长记录在表格中。注意：若火花棒燃烧时间较长，可采集第二个光谱，并选择最佳结果或同时保留两个光谱用于分析。
   • 在火花棒于通风橱内燃尽的同时，将采集的数据发送给小组所有成员，并关闭数据采集系统。
   • 将铜、钡和锶的试管送至废液通风橱，并用去离子水彻底冲洗至指定废液容器中。
   • 将钠、钾和锂的盐溶液冲入下水道，并冲洗剩余的试管。将试管及其他设备归位。
   • 待灰烬和火花棒手柄冷却后，将其丢入垃圾桶。
2. 结果展开
   • 首先，以强度为纵轴、波长为横轴，绘制每次实验的数据图。
   • 将火花棒光谱与室内灯光的背景光谱进行比较，识别出可能来自室内灯光的小峰。
   • 将金属光谱与火花棒光谱进行比较。钠似乎是约589 nm处峰值的来源。光谱中未见与锂匹配的峰，但钾与770 nm处的大峰相匹配。
   • 火花棒光谱似乎不含锶的峰。然而，钡与火花棒光谱中的多个峰高度吻合。最后，火花棒中未检测到铜的存在。因此，我们得出结论：在采集光谱时，火花棒正在燃烧钠、钾和钡。