Emission von Metallflammen

Emission von Metallflammen

Die Flammenprüfung ist eine Analysetechnik, bei der eine Probe in eine Flamme gelegt wird und die charakteristische Flammenfarbe zur Identifizierung der Substanz verwendet wird. Jedes Element hat eine charakteristische Lichtemission, wenn es in eine Flamme gelegt wird, was bedeutet, dass jedes Element eine einzigartige Farbe erzeugt. Dieses Phänomen wird bei Feuerwerken genutzt, bei denen die Farbe des Feuerwerkskörpers einer bestimmten Eigenschaft eines Metalls entspricht. Die Emission von farbigem Licht aus einer brennenden Probe ist das direkte Ergebnis der Energieabsorption des metallischen Bauteils aufgrund der Anregung durch die Flamme und der Emission von Licht.

Elektronen-Aufregung

Wenn eine atomare oder molekulare Spezies Energie absorbiert, wird die Energie auf vier verschiedene Arten genutzt. Zunächst wird die Energie in der Translation genutzt, wodurch sich die Moleküle schneller bewegen. Zweitens wird die Energie in Schwingung umgewandelt, wodurch sich der Abstand zwischen den Spezies schnell ändert. Drittens bewirkt die Energie eine Rotation, die die Rotation der Atome um die Bindungen im Molekül induziert. Schließlich führt die absorbierte Energie zu einer Elektronenanregung, die dazu führt, dass sich die Elektronen aus dem stabilsten Zustand oder Grundzustand auf ein höheres Energieniveau bewegen.

Nach dem Bohrschen Modell des Wasserstoffs existieren Elektronen in einem Atom in diskreten Zuständen, die einzelnen Schalen oder Orbitalen um den Kern entsprechen. Der niedrigste Energiezustand wird als Grundzustand bezeichnet und durch die Notation von n = 1 dargestellt. Angeregte Energiezustände haben höhere Energien und werden durch die Notation von n = 2, 3, 4 usw. dargestellt.

Damit Elektronen in einen höheren Energiezustand gelangen können, müssen sie eine Energiemenge absorbieren, die der Differenz zwischen ihrem Grundzustand und dem höheren Energiezustand entspricht. Wenn ein Elektron beispielsweise eine Energiemenge absorbiert, die der Differenz zwischen dem Grundzustand und dem Energieniveau von n=3 entspricht, bewegt sich das Elektron auf das Energieniveau von n=3. Ein Elektron kann sich spontan wieder in den Grundzustand oder ein anderes niedrigeres Energieniveau entspannen. In diesem Fall wird ein Photon emittiert, das die absorbierte Energie freisetzt.

Die freigesetzte Energie wird in Form von Licht abgegeben. Das emittierte Licht hat eine charakteristische Energie und damit Wellenlänge, die mit den Energieniveaus des Atoms korreliert. Sichtbares Licht, also das Licht, das der Mensch mit seinen Augen sehen kann, reicht von etwa 400 nm bis 700 nm im elektromagnetischen Spektrum.

Atomare Absorptionen und Emissionen sind diskrete Wellenlängen, die als Linien bezeichnet werden. Diese Linien sind einzigartige Merkmale eines Elements, wie z. B. ein Barcode, und können zur Identifizierung des Elements verwendet werden.

Emissionstest für Metallflammen

Bei der Prüfung der Flammenemission von Metallen wird eine Metallprobe in eine Flamme gelegt. Die Flamme liefert die Energie, um Elektronen auf ein höheres Energieniveau anzuregen. Wenn sich die Elektronen wieder in den Grundzustand entspannen, wird Licht mit einer spezifischen Energie emittiert, die relativ zu den Energieniveaus der Atome in der Probe ist. Da verschiedene Atome unterschiedliche Energieniveaus haben, ist die von einer Probe absorbierte und abgegebene Energie und damit die Wellenlänge spezifisch für die Probe.

Metalle haben charakteristische atomare Emissionswellenlängen im sichtbaren Bereich, die durch visuelle Inspektion leicht bestimmt werden können. Zum Beispiel hat Lithium eine rote Farbe, Natrium eine gelbe Farbe, Kalium eine rosa-violette Farbe und Barium eine gelbgrüne Farbe.

Während atomare Emissionen diskrete Wellenlängen oder Linien sind, enthalten die meisten Metallproben nicht nur das Metall, sondern auch verschiedene Metallionen, Oxide und Salze. Da jedes Atom eine charakteristische Wellenlänge des Lichts absorbiert und emittiert, enthält das absorbierte und emittierte Licht aus dem Flammentest einen Bereich von Wellenlängen. So können Atomabsorptions- und Emissionsspektren für die Probe mit einem Spektralphotometer gemessen werden.

Die Wellenlängen und Formen der Spektren sind für jede Substanz einzigartig. Zum Beispiel hängt die relative Intensität von Merkmalen im Spektrum von der Konzentration der Spezies ab. Die absoluten Intensitäten sind abhängig von der Entfernung von der Probe zum Spektralphotometer.

Referenzen

1. Kotz, J.C., Treichel Jr., P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemie und chemische Reaktivität. Belmont, Kalifornien: Brooks/Cole, Cengage Lernen.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chemie: Die molekulare Natur von Materie und Veränderung. Boston, MA: McGraw Hill.
3. Harris, D.C. (2015). Quantitative chemische Analyse. New York, NY: W.H. Freeman und Company.