Flammenfärbung

Kräftig grüne Boratflamme.

Die Flammenfärbung ist eine Methode zur Analyse von Elementen oder deren Ionen. Die Methode beruht darauf, dass die Elemente oder Ionen in einer farblosen Flamme Licht spezifischer Wellenlängen abgeben, das für jedes Element charakteristisch ist. Die Flammenfärbung entsteht durch Energieumwandlung von Wärmeenergie zu Strahlungsenergie. Die Umwandlung kommt durch Valenzelektronen zustande, die durch die Wärmeenergie in einen angeregten Zustand gehoben werden und unter der Abgabe von Licht wieder zurückfallen. Stoffe mit Flammenfärbung finden aufgrund dieser in der Pyrotechnik Anwendung. Bei der Flammenfärbung wird die Stoffprobe meist einfach auf einem Spachtel in die farblose Flamme eines Bunsenbrenners gehalten. Aufgrund der Farbe kann nun auf die Ionen in der Probe rückgeschloßen werden.

Zu unterscheiden ist die Flammenfärbung von der Lichtabgabe der Edelgase, die auch auf einem angeregten Zustand basiert, welche aber durch Strom, nicht durch eine Flamme herbeigeführt wird.

Erklärung der Flammenfärbung

Alle Elemente senden bei hohen Temperaturen Licht aus, doch für Elemente, die eine Flammenfärbung aufweisen, geschieht dies schon bei den Temperaturen, die in einer Flamme herrschen.

Die äußersten Elektronen (Valenzelektronen) eines Atoms werden durch Zufuhr von Wärmeenergie (die in diesem Fall durch eine Verbrennung entsteht) auf ein vom Atomkern "weiter entferntes", nicht von Elektronen besetztes Energieniveau, in einen angeregten Zustand, gehoben. Diese Elektronen besitzen nun eine höhere "potentielle" Energie. Die negativ geladenen Elektronen fallen aber meist durch die Anziehung des positiv geladenen Atomkerns sofort wieder auf ein energieärmeres Energieniveau zurück. Die beim Zurückfallen frei werdende Energie wird als Photon (Lichtteilchen) abgegeben.

Das Zurückfallen der Elektronen auf energieärmere Energieniveaus kann auch stufenweise erfolgen. Bei jedem Zurückfallen dieses Elektrons auf ein energieärmeres Energieniveau gibt es nun Licht einer ganz bestimmten Farbe ab.

Farbe der Flammenfärbung

Element	Flammenfärbung
Antimon	fahlblau
Arsen	fahlblau
Barium	fahlgrün
Blei	fahlblau
Bor	kräftig grün
Cadmium	rot
Caesium	blau
Calcium	ziegelrot
Kalium	violett
Kupfer	grün, auch blau
Lithium	karminrot
Natrium	gelb ("natriumgelb")
Strontium	rot
Rubidium	tiefrot
Yttrium	rot

Die freigegebene Lichtenergie hängt von der Differenz der Energieniveaus (ΔE) ab. Diese Differenz ist für jedes Element unterschiedlich. Die Energie der Photonen bestimmt ihre Wellenlänge (λ) und damit Farbe, so ergibt sich die spezifische Flammenfärbung.

$\Delta E=h\cdot {\frac {c}{\lambda }}$
c = Lichtgeschwindigkeit
h = Plancksches Wirkungsquantum

Weist ein Element eine spezifische Flammenfärbung auf, dann weisen auch viele seiner Ionen in Verbindungen diese Flammenfärbung auf (Beispiel: Bariumsulfat weist eine grünliche Flamenfärbung auf, Bariumphosphat nicht). Sehr viele Elemente senden bei hohen Temperaturen sichtbare Spektrallinien aus. Einige Elemente wurden sogar nach der Farbe ihrer Flammenfärbung benannt: Caesium (lateinisch: blau) weist eine blaue Flammenfärbung auf, Rubidium (lateinisch: rot) eine rote Flammenfärbung. Die Verbindung Kupferchlorid weist eine besonders schöne azurblaue Flammenfärbung auf. Die rechte Tabelle zeigt die Flammenfärbung einiger Elemente.

Moderne Techniken

Bessere Möglichkeiten als die klassische Flammenfärbung mit Hilfe des Auges bieten spektroskopische Verfahren, die eine Art Weiterentwicklung dieser mit Hilfe von Messinstrumenten darstellen. Das Auge wird hier durch das Spektrometer ersetzt, welches die Lage der Spektrallinien sehr viel besser auflöst, sowie auch die nicht sichtbaren Bereiche des elektromagnetischen Spektrums je nach Spektroskopieart (z.B. IR- oder UV-Spektroskopie) zur Analyse nutzt. Außerdem ist es weit besser als das Auge in der Lage, die Stärke der Spektrallinien zu bestimmen, wodurch eine Quantitative_Analyse möglich wird.

Literatur

• W. Biltz, W. Fischer, Ausführung qualitativer Analysen anorganischer Stoffe, 16. Auflage, Harri Deutsch, Frankfurt am Main, 1976.
• G. Jander, E. Blasius, Einführung in das anorganisch chemische Grundpraktikum, 14. Auflage, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1995, ISBN 3-7776-0672-3

Weblinks

• Video mit der Flammenfärbung von Lithium, Natrium, Kalium, Strontium, Barium und Blei (benötigt MPEG-fähige Playersoftware und unterliegt nicht der GNU FDL!)
• Flammenfärbung und Boraxperle
• Linienspektren der Flammenfärbung einiger Elemente (Englischsprachig)