炎色反応で・・・

質問

硫酸銅水溶液をメタノールとまぜて脱脂綿に含ませ、ガスバーナーで燃やすという方法でやってみたところ、銅特有の緑色が出ました。（ここまではいいのですが）その後、色が変化して目にも鮮やかな青色が出ました。なぜこのようなことが起こるのでしょうか、不純物でも混じっていたためでしょうか。

回答No.5

DexMachina

すみません、前回の回答、回答画面を開いたままで置いていたため、No.3の回答と被ってしまいました。
失礼致しました。

> 緑が混じっているような色には見えません。

機構の可能性としては、幾つか考えられると思います。

1)暫く(ご質問の例では2秒ほど)加熱を受けた後では、電子が熱励起する際に得るエネルギーが
　大きくなるため、2つ(以上)ある励起状態のうち低い方(→緑の原因)に収まることができなくなる。
2)実際には緑の炎色反応も出ているが、それ以上に青の炎色反応を起こす電子の比率が高くなり、
　緑が覆い隠された。
3)軌道の対称性か何かによって(?)、同じ1電子が励起状態から基底状態に戻る場合に発する光の強度が、
　緑の場合よりも青の場合の方が大きかった。

2秒というのは確かに短い気もしますが、炎色反応が出ている以上、皿の方もそれなりに温められていた可能性はあると思います。
「青色光+緑色光＝青色光」については、星(恒星)や照明などの光の「色温度」を考えれば、納得して戴けるのではないでしょうか。
(シリウスなどの青い星も必ずしも青色光だけを出しているわけではなく、補色の黄色や、緑・赤など、青より低いエネルギーの光も出しています。要は、「より比率が高い・強度が強い光」を眼で捉えているのではないか、と)

お礼

丁寧なご説明ありがとうございます。やっぱりそう考えることになるんですね。
では今度皿に置かずにやってみて、それでも青が出たらまた質問します。

回答No.4

DexMachina

少なくとも私が高校に在校していた時には、銅の炎色反応の色は緑(青緑)と習いました。
(「リヤカーなき～」の憶え方で、銅は「動力(Cu緑)」と当てられていましたし)
但し、打ち上げ花火で緑を出す場合はバリウムを使い、銅は青を出す場合に使われます。

炎色反応は、それぞれの金属イオンで、電子が熱で励起後、基底状態に戻る際にそのエネルギーを光として放出する現象です。
一方、励起状態はひとつしかないわけではなく、エネルギーさえ与えれば、より高い凖位に電子が遷移することも可能です。その事実を踏まえた上で、
　1)緑に対して青はより短波でエネルギーが高い光であること
　2)花火では青に見えること
　3)今回のご質問の件では最初に緑だったのが後から青になったこと
を考えると、銅には通常の加熱条件でとることができる励起状態が2つあって、低温状態ではよりエネルギー凖位の低い励起状態のみにしかなれないために緑の炎色反応を、より高温になるとそれより一段上の励起状態にもなるため青色の炎色反応をそれぞれ示す、ということなのではないかと思います。
(低温の炎では「緑」、中程度で「緑+青」で「青緑」、更に高いと「青」主体、と)

お礼

No.3の方ともども、ありがとうございます。２つの励起状態をとりうるということのようですね。
ただ、（補足になりますが）ガスバーナーを使ったのは点火の時の一瞬だけで、メタノールを含んだ脱脂綿に火が点いたらすぐに皿に移して観察しました。マッチで点けても同じだと思います。ガスバーナーからエネルギーをもらって・・・ということではないようです。
また、前半の緑色から２秒ほどかけて青色と入れ替わりますが、その後は緑が混じっているような色には見えません。緑っけのない青色です。２つの励起状態のうち、完全に一方のみということがありうるのでしょうか。
これらの点について、まだひっかかっています。

回答No.3

noname#62864

No.2です。これまた想像ですが・・・
仮に、Naの混入以外の原因を考えるとするなら、以下のことが言えると思います。
すなわち、炎色反応の発色は各原子における電子の軌道間の遷移に対応しています。
しかし、その遷移は１種類だけではなく、何種類か起こっています。
したがって、通常は何種類かの色の混ざり合ったものが見えていることになります。
これらの色の混ざり合う割合は温度によって変化するはずです。
すなわち、外部から加えられるエネルギーが大きくなるほど、エネルギー差の大きい軌道間の遷移の割合が大きくなり、短波長の光が強くなってくるものと考えられます。
波長の長さの比較では黄＞緑＞青の順序になっていますので、加熱時間が長くなるほど高温になり、それにしたがって色が緑から青に変化すると考えることもできるのではないでしょうか。
ガスバーナーで加熱すると、アルコールランプなどと比較して高温になりやすいことも関係があるかもしれません。

たとえば、花火の銅塩を混ぜると、緑ではなく青色の発色が見られますが、これも温度と関係があるのではないでしょうか。

回答No.2

noname#62864

私は銅の炎色反応は「青」と覚えましたが、調べてみると「青緑」と書かれたものが多くあります。

想像ですが・・・
一般に、こうした実験の際にNaが混入していることが多くあり、そのためにNaが存在するうちは、その影響で黄色の発色も起こりますので、結果的に青と黄色が混ざった青緑になるのではないでしょうか。
その後、Naが完全に消費されてしまうと、Cuのみによる青色の炎色反応が見られるようになったのではないでしょうか。

お礼

ありがとうございます。
その可能性も考えたのですが、今までCuでは緑色の炎しか見たことがなかったもので・・。
・・ということは、高校の教科書とかに載っている写真の緑色の炎はNaが混合しているための色ということでしょうか。

回答No.1

shiva999

銅の炎は緑で、メタノールは青い炎だったと思います。

補足

説明不足ですみません。ほかの一般的な金属（Li,Na,Ca,K,Ba,Sr）も同じ方法でやりました。もちろんメタノールだけを燃やした色も見ました。
Cuの場合だけ反応の後半に色が変化し、メタノールの、ボヤッとした青色ではなく、明光下でもまぶしいくらいの鮮やかな（水色に近い）青色に変化します。