Flammenfärbung

Grundprinzip und Flammprobe

Die Flammenfärbung, auch Spektralanalyse genannt, dient zum Nachweis chemischer Elemente oder ihrer Ionen. Bei dieser Nachweisreaktion, der Flammprobe, wird eine Stoffprobe in einer farblosen Flamme erhitzt. Dabei sendet sie Licht mit Wellenlängen aus, die für das jeweilige Element charakteristisch sind. Aus der beobachteten Farbe oder den Spektrallinien kann deshalb auf Bestandteile der Probe geschlossen werden.

Die Probe wird beispielsweise auf einem Platindraht oder einem Magnesiastäbchen in die farblose Flamme eines Bunsenbrenners gehalten. Die intensive gelbe Flammenfärbung von Natrium kann andere Farben überdecken. Natrium tritt häufig als Verunreinigung auf, etwa in Form von Kochsalz aus eingetrocknetem Wasser. Ein Kobaltglas filtert die gelbe Natriumfarbe heraus.

Ein Spektroskop ermöglicht eine sicherere Unterscheidung, beispielsweise zwischen den ähnlichen Flammenfärbungen von Kalium und Rubidium. Die Flammenfärbung ist vom Leuchten einer Gasentladung zu unterscheiden, obwohl auch Gasentladungsröhren charakteristische Farben und Spektren aussenden. Stoffe mit Flammenfärbung werden außerdem in der Pyrotechnik eingesetzt. Die Flammenspektroskopie wurde von Bunsen und Kirchhoff entwickelt; mit ihrer Hilfe fanden sie neue Elemente.

Physikalische Erklärung

Die Flammenfärbung beruht auf der Umwandlung von Wärmeenergie in Strahlungsenergie. In der Flamme wird ein Salz beim Verdampfen zunächst atomisiert, also in Atome überführt. Die Wärmeenergie hebt Elektronen, besonders Valenzelektronen, auf ein höheres Energieniveau. Das Atom befindet sich dann in einem angeregten Zustand.

Meist innerhalb von 10^{−8} bis 10^{−9} Sekunden fallen die Elektronen auf energieärmere Niveaus zurück. Dabei wird Energie als Photon, also als Lichtquant, abgegeben. Bei jedem Elektronensprung entsteht ein Photon mit einer genau festgelegten Energie und damit einer bestimmten Wellenlänge. Jeder Elektronenübergang entspricht daher einer charakteristischen Spektrallinie. Der Rückweg kann auch stufenweise über mehrere Energieniveaus verlaufen, wobei jeder Schritt Licht einer bestimmten Wellenlänge, Farbe und Energie erzeugt.

Die Quantenenergie hängt von der Differenz zwischen den Energieniveaus ab. Da diese Differenzen für jedes Element verschieden sind, unterscheiden sich auch die Frequenzen und Farben der ausgesendeten Photonen. Im Allgemeinen findet dabei keine chemische Reaktion statt.

Alle Elemente senden bei hohen Temperaturen Licht aus. Elemente mit einer Flammenfärbung tun dies jedoch bereits bei den Temperaturen einer gewöhnlichen Flamme. Viele Verbindungen der Ionen eines Elements zeigen dessen typische Flammenfärbung, aber nicht alle: Bariumsulfat färbt die Flamme grünlich, Bariumphosphat dagegen nicht.

Alkali- und Erdalkalimetalle

Alkalimetalle und ihre Salze besitzen folgende charakteristische Flammenfärbungen:

• Lithium: rot, mit Linien bei 670,8 und 610,0 nm.
• Natrium: gelb, bei 589,3 nm.
• Kalium: violett, bei 768,2, 687,0 und 404 nm.
• Rubidium: rot, bei 780 und 421 nm.
• Caesium: blauviolett, bei 458 nm.

Typische Erdalkalimetalle und ihre Salze zeigen ebenfalls kennzeichnende Farben:

• Calcium: ziegelrot, bei 622 und 553,3 nm.
• Strontium: rot, mit mehreren roten Linien sowie Linien bei 604,5 und 460,7 nm.
• Barium: grün, bei 524,2 und 513,7 nm.

Weitere charakteristische Färbungen

Auch andere Metalle, Halbmetalle und ihre Salze können charakteristische Flammenfarben zeigen:

• Gallium: violett, bei 417,2 und 403,3 nm.
• Indium: violettblau, bei 452,1 nm.
• Thallium: grün, bei 524,2 und 513,7 nm.
• Kupfer: grün.
• Blei, Arsen und Antimon: fahlblau.
• Vanadium und Molybdän: fahlgrün.
• Selen: bläulich.
• Tellur: fahlblau in der Reduktionszone und grün in der Oxidationszone.
• Bor als Borsäuretrimethylester: grün.
• Europium: rot.
• Radium: karminrot.

Einige Elemente wurden nach der Farbe ihrer beobachteten Spektrallinien benannt: Caesium nach dem lateinischen Wort für himmelblau, Rubidium nach dem lateinischen Wort für dunkelrot und Indium nach seiner indigoblauen Spektrallinie.

Anwendungen und genauere Verfahren

Die Flammenfärbung kann bei der Beilsteinprobe verwendet werden. Zur schnellen Unterscheidung unbekannter Kunststoffe dient außerdem die Brennprobe: Ein Stück des Materials wird in eine Gasflamme, etwa die eines Feuerzeugs, gehalten. Untersucht werden das Verhalten und Aussehen der Flamme, Rauch oder Ruß, der Geruch des Verbrennungsabgases und die Brandrückstände. Da das Material dabei verbrannt wird, zählt die Brennprobe zu den zerstörenden Werkstoffprüfungen.

Die Beurteilung einer Flammenfarbe mit dem Auge kann durch Spektroskopie beziehungsweise Atomemissionsspektrometrie ergänzt und verbessert werden. Ein Spektrometer trennt Spektrallinien wesentlich besser als das Auge und erfasst auch nicht sichtbare Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, beispielsweise bei der IR- oder UV/VIS-Spektroskopie. Neben der Wellenlänge lassen sich die Intensität und die Breite der Spektrallinien bestimmen. Dadurch werden eine quantitative Analyse, also die Bestimmung von Mengen, und weitere Zustandsanalysen möglich.