Liekkikokeet ja spektrit

1. Magnesiumin palaminen

Magnesiumnauhaa kuumennetaan kaasupolttimen liekissä, kunnes magnesium syttyy. Kuvassa magnesium palaa.


Kuva © A.J. Meixner		emittoida = lähettää (säteilyä), absorboida = sitoa (säteilyä), imeä itseensä jne.
Valkoinen valo hajoaa prismassa tai hilassa jatkuvaksi spektriksi, joka sisältää kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia.

a) Kuuman, valoa emittoivan kappaleen lämpötilaa voidaan karkeasti arvioida sen väristä. Päättele alla olevan kuvan pohjalta, kumpi on kuumempi punahehkuinen vai valkohehkuinen metallikappale?	Vastaus a
b) Magnesium palaa hyvin kirkkaalla valkoisella liekillä. Myös palamistuotteet ovat valkohehkuisia. Millainen on liekin lämpötila?	Vastaus b
c) Mitä reaktiotuotetta tai -tuotteita syntyy?	Vastaus c

2. Spektrit

1 nm = 10^–9 m ja 1 Å = 10^–8 m

Alkuaineita on mahdollista tunnistaa niiden synnyttämien absorptio- ja emissiospektrien perusteella. Metalli-ionien ja värillisten aineiden kvantitatiivisessa määrityksessä käytetään usein hyväksi absorptiospektrejä.

d) Vertaa natriumin absorptio- ja emissiospektriä. Mitä huomaat emissio- ja absorptiospektrin viivoista? Selitä ilmiö!

Vastaus d

3. Eräiden ionien liekkivärit

Yksinkertainen kvalitatiivinen ionien tunnistaminen voi tapahtua liekkikokeiden avulla ilman, että ionien lähettämää valoa hajotetaan spektriksi.

Liekkikokeessa tarvitaan mahdollisimman väritön ja suhteellisen kuuma liekki, esimerkiksi kaasupolttimen valaisematon liekki, joka syntyy, kun polttimen ilmaraot ovat auki ja liekki saa hyvin ilmaa. Liekki on silloin sinertävä ja päivänvalossa tuskin erottuva.

Joillakin metalli-ioneilla on tunnusomainen väri, joka saadaan näkyviin, kun metallisuolaa (usein kloridia tai karbonaattia) viedään kromi-nikkelilangan, platinalangan kärjessä tai pienellä spatelilla liekin kuumimpaan osaa. Liekki voidaan värjätä myös suihkuttamalla metalli-ioneja sisältävää liuosta liekkiin.

Na⁺

Sr²⁺

Ba²⁺

Cu⁺
mukana Cl

Muita liekkivärejä:

Li⁺ punainen

K⁺ violetti (näkyy huonosti)

Ca²⁺ oranssi

Tutki alkuaineiden emissio- ja absorptiospektrejä esimerkiksi seuraavilta www-sivuilta.

J	http://chemistry.beloit.edu/BlueLight/pages/elements.html emissio- ja absorptiospektrit, aallonpituudet nanometreinä nm (mov-esitys uuteen kokoikkunaan) http://javalab.uoregon.edu/dcaley/elements/Elements.html emissio- ja absorptiospektrit, aallonpituudet saa näkyviin näpäyttämällä spektriviivaa, arvot ovat ångströmeinä Å (Java-sovellus eri ikkunaan)

e) Natriumin liekin väri on keltainen. Natriumin emissiospektrissä on hyvin voimakas keltainen kaksoisviiva 589 nm:n kohdalla. Mikä emissioviiva selittää litiumin liekin punaisen värin? (Katso edellisten linkkien spektrisivuilta.)	Vastaus e
f) Volframia käytetään hehkulampuissa. Hehkulampun valo ei aivan vastaa päivänvaloa väriltään. Mitä puutteita volframin lähettämässä valossa on? Tutki voframin spektrejä.	Vastaus f
g) Miten liekin väri syntyy? Selitä atomin rakenteen pohjalta.	Vastaus g

Liekkikokeita DVAction (mov-video eri ikkunaan)
Ionit esitellään järjestyksessä: K⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Na⁺, Li⁺

Tehtävä: Spektrit

Laboratorio: Demonstraatioita ja muita kokeita \| Sisältö
Kirjasto: Valo ja elektroniverhon rakenne		Lisätietoa: Ilotulitteet

OPH Etälukion kemia

a)
a)	Valkohehkuinen metallikappale on kuumempi, koska valkoinen valo sisältää kaikkia valon aallonpituuksia, siis myös korkeaenergiasempaa vihreää ja sinistä valoa.

b)
b)	Lämpötila on hyvin korkea — jopa 2400 °C.

c)
	Koska magnesium palaa, syntyy oksidia
	2 Mg + O₂ 2 MgO
	Myös magnesiumnitridiä voi syntyä:
	3 Mg + N₂ Mg₃N₂

d)
d)	Viivat ovat kohdakkain. Aine absorboi samansuuruisia energiakvantteja kuin emittoi, sillä kvantin suuruuden määrää elektronin siirtyminen kuorelta toiselle. Koska kvantit ovat samansuuruisia myös aallonpituudet ovat spektrissä samoja.

e)
e)	Litiumin emissiospektrissä on vahva punainen viiva: 6713 Å eli 671 nm.

f)
f)	Volframin (W) emittoimassa valossa on hyvin monia aallonpituuksia, mutta kellanvihreän alueella on aukko 522 — 550 nm (5219 — 5501 Å). Hehkulampun valo on hieman "lämpimämpää", oranssimpaa kuin päivänvalo. Volframia käytetään lampuissa myös siksi, että se kestää lujuuttaan menettämättä korkeita lämpötiloja. Volframin sulamispiste on 3422 °C. Hehkulampun langan säteily vastaa likimain lämpötilaa 2200 °C, auringonvalon 6200 °C.

g)
g)	Kun suolaa viedään liekkiin, se sulaa ja osittain höyrystyy. Höyryyn joutuneet ionit virittyvät, ts. niiden elektroniverhossa tapahtuu elektronien siirtymistä ylemmille energiatasoille. Viritystila ei kuitenkaan jää pysyväksi vaan elektroni putoaa takaisen alemmalle energiatasolle emittoiden ylimääräisen energiansa valokvanttina eli fotonina. Fotonin energiasta riippuu, millaisena valona aistimme emission. Koska eri aineiden atomien rakenne ja siis elektroniverho on erilainen, eri atomeista (ioneista) emittoituvien fotonien energia vaihtelee ja on kullekin aineelle tyypillinen.