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图1.卡塔尔世界杯烟花(来源CCTV5截图)

2022年11月20日，卡塔尔世界杯开幕式，五彩缤纷的烟花齐聚卡塔尔上空竞相绽放，盛大且绚丽的烟花表演一经出场瞬间吸引了全球范围内大量观众为之赞叹(图1)。不同的烟花形状各异、大不相同，有的似流星、有的似树形、还有许多种异形；它们五颜六色，有绿色、有红色还有紫色等。在我国每逢佳节盛事，都会举行盛大的烟花表演，那么烟花为什么会有这么多的颜色呢？

一、揭开烟花颜色各异的奥秘

究其原因，这是因为烟花在制作过程中会向其中添加一些金属盐，这些金属盐在与空气接触进而燃烧时就会产生各种各样的颜色，例如，红色的烟花中一般会添加钙盐和锶盐、黄色的烟花中往往添加的是钠盐，添加钾盐和锂盐的烟花通常是紫红色、添加铜盐的烟花是绿色。为什么不同种金属会有不同种颜色呢？这就是化学中著名的“焰色反应”也叫作“焰色试验”[1]。那么什么是焰色反应呢？

图2.几种常见金属的焰色(来源于百度百科)

二、焰色反应

1.发现

西方的很多化学史料中记载，“焰色反应”的最早发现者是德国的知名化学家马格拉夫，其在1758年一次实验中，发现苏打使火焰呈黄色，锅灰碱使火焰呈紫色。据我国有关史料记载，最早可以追溯到南北朝时梁代道教的著名思想家、炼丹家、医学家陶弘景首先发现 “焰色反应”这一现象。陶弘景在其著作《本草经集注》中硝石篇中明确提到：“先时有人得一种物，其色理与朴硝(Na₂SO₄·10H₂O)大同小异，如握盐雪不冰，强烧之，紫青烟起，仍成灰。不停沸如朴硝，云是真硝石(KNO₃)也。”其中所记载的紫青烟起应是钾盐所特有的性质。

2.概念

焰色反应是指某一些金属及其由它们组成的化合物在没有颜色的火焰中燃烧呈现出特殊颜色的反应。在这里需要强调的是，焰色反应不属于化学变化，是物理变化，这是因为它没有生成新物质。

3.原理

如图2所示，为几种常见金属进行焰色反应时的颜色，我们可以看到不同金属进行焰色反应时，所呈现的颜色不同，这是为什么呢？该用什么机理去解释呢？

图.3左，钠原子结构示意图；右，简化的亚布斯能级图

这里以钠原子为例，钠原子位于第三周期第一主族，原子序数为11，钠原子的电子排布式为[Na]1s²2s²2p⁶3s¹最外层有一个电子，结构式如图3 左所示。当钠及其盐在空气中燃烧时，钠原子的最外层电子会吸收能量，促使电子从基态跃迁至激发态，处于激发态的电子能量是比较高的，是不稳定的。因此处于激发态的电子又会回到基态，这势必会多出来一部分的能量，于是这一部分能量又会以光的形式释放出来(如图3 右所示)。释放出来的光波长如果落在可见光(380－750 nm)范围内，就会呈现出不同的颜色(如表1，可见光范围内不同波长对应的颜色)。钠原子最外层电子(3s)跃迁，最强的是3s→3p之间的跃迁，对应的两种波长落在589.0和589.6 nm附近，位于黄色区范围，因此呈现出黄色，同时，它也是钠的特征双线。钾元素的电子跃迁位于可见光红光区域(对应于4s→4p)或可见光紫色区域(对应于4s→5p)，因此钾元素的焰色反应呈现出紫红色。同理，不同的金属元素电子跃迁所发出的特征谱线不同，因此也就呈现不同的颜色。

表1. 可见光范围内不同波长对应的颜色

三、应用

焰色反应在生活中有着举足轻重的应用。在军事上使用的红色信号弹中通常含有锶元素如碳酸锶(SrCO₃)、氧化锶(SrO)、硝酸锶[Sr(NO₃)₂]等、绿色信号弹通常含有氧化镉(CdO)、二氯化钡(BaCl₂)等、黄色信号弹通常是含有钠元素。在钢铁分析上，测定低合金钢中的钨元素通常选用ICP－AES法，通过分析其发出的特征光谱线的亮度，从而可以得知钢铁中钨的百分含量。在烟花制造行业中，通过将不同的金属元素及发色剂通过特定的工艺进行加工后，可以制得各种不同颜色、不同效果的烟花。同时利用焰色反应可以鉴别一些使用常规方法不能鉴定的金属元素。

图4.左，不同颜色的信号弹.                                 右，小烟花