焰色反应小史及其局限性

焰色反应是一种非常古老的定性分析法，早在我国南北朝时期，著名的炼丹家和医药大师陶弘景(456—563)在他的《本草经集注》中就有这样的记载“以火烧之，紫青烟起，云是真硝石(硝酸钾)也”。说明我国人民很早就知道用焰色反应鉴别硝酸钾。由于当时及以后的许多年里，生产力水平不高，这种方法一直没有得到广泛的应用及发展。
　　
　　到18世纪以后欧洲的近代化学时期，由于冶金、机械工业的巨大发展，要求提供数量更大，品种更多的矿石;同时，也为了降低生产成本，合理使用原材料及提高产品质量，因而对分析化学提出了新的要求。德国人马格拉夫(1709～1782)是这一时期的著名的定性分析化学家。他的一项重要的研究成果是观察到了植物碱(草木灰，即碳酸钾)与矿物碱(苏打，即碳酸钠)的区别。1762年他系统地对比了这2种碱转化生成的各种钾盐与钠盐的晶形、潮解性和溶解度，并发现钠盐和钾盐可以分别使火焰着上各自特征的焰色。从此以后利用焰色反应鉴别钾、钠盐就成为常用手段了。后来有不少人也注意到，有很多的盐类、氧化物在火焰中也能呈现不同的颜色，例如格梅林在1818年发现锂盐呈红色、铜盐呈绿色⋯⋯但却不明白其中的道理。而锂盐和锶盐都使火焰呈红色，这又影响了焰色反应检验物质的可靠性。
　　
　　19世纪中叶，德国著名化学家本生(1811～1899)设计制造了本生灯，它使煤气燃烧时产生几乎无色的火焰，温度高达两千多度。本生利用这种灯研究各种盐类在火焰中呈现不同焰色的现象，试图根据火焰中的彩色信号来检测各种元素。他同时点燃3盏煤气灯，并分别往每个灯焰中滴加食盐溶液。
　　
　　其中一滴是纯食盐溶液，另一滴混有锂盐，第三滴混有钾盐。结果3个火焰全呈黄色，看不出任何差别。显然是钠焰的黄色把其他的颜色掩盖了。本生又通过蓝色玻璃或靛蓝溶液作滤色镜观察火焰，发现黄色得以滤去，滴加纯食盐溶液的火焰变成无色，混有锂盐的食盐溶液火焰显深红色，混有钾盐的火焰呈紫色。后来他收集很多不同颜色的玻璃并配制许多不同颜色的溶液作为滤色材料试图提高焰色反应的选择性，来区别锂盐与锶盐在火中呈现的深红色，但没有成功。显然凭肉眼观察焰色来鉴别元素受到了很大的限制。直到现在，我们用焰色反应也只能有限地鉴别钾、钠等少数几种金属，用蓝色的钴玻璃来观察钾的焰色也来源于本生的试验。
　　
　　本生除了利用煤气火焰外，还利用煤炭火焰、氢氧焰、氢焰等。经过对焰色反应的详细研究后，他还发现一种元素即使处于不同的化合物中，即使在火焰中发生了化学变化，即使火焰的温度不同，即使所使用的火焰类型不同，但这些因素对某一元素的特征焰色都没有影响。
　　
　　焰色反应的局限性在于以肉眼观察颜色只是粗略的，像锂盐与锶盐焰色非常相近就无法判别。本生带着这个问题去请教物理学家基尔霍夫(1842～1887)。基尔霍夫谙熟光学，他们通力合作，于1859年研制出了第一台分光仪。他们非常仔细地纯化式样，使灼烧试样的火焰发出的光通过棱镜，得到不同元素的线状光谱，并发现各种元素都有自己特有的光谱线，就好像自己的名片。因而在焰色反应的基础上便建立起了发射光谱分析法。至于前已述及的锂盐与锶盐2元素，虽然凭肉眼观察，焰色十分相近，但在分光棱镜下却有着不同的线状光谱，2者难以区别的问题也就迎刃而解了。