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Versuche

Flammenfärbung

Ziel des Versuchs

  • Veranschaulichung verschiedener Emissionsspektren
  • Ermittlung typischer zur Flammenfärbung genutzter Stoffe 
Abb. 1 Versuchsaufbau von BUNSEN und KIRCHHOFF

Historie

Die Verwendung atomarer Linienspektren zur Identifizierung von Elementen in kleinsten Materialproben geht auf die Arbeiten des Chemikers Robert Wilhelm BUNSEN (1811 - 1899) und des Physikers Gustav Robert KIRCHHOFF (1824 - 1887) zurück.

Auf den Träger (E) brachte man den zu untersuchenden Stoff auf und erhitzte diesen mit dem Bunsenbrenner (D). Die für den Stoff typische Lichtemission wurde nun durch den Spektralapparat bestehend aus einem Spalt (S), dem Objektiv (B) und dem Prisma (F) spektral zerlegt und mit dem Fernrohr (C) beobachtet.

Auf diese Weise konnten BUNSEN und KIRCHHOFF die für die jeweiligen Stoffe typischen Linienspektren darstellen. Darüber hinaus gelang es BUNSEN mit diesem Apparat die Elemente Cäsium und Rubidium nachzuweisen.

BUNSEN und KIRCHHOFF schreiben in der Schrift über die ”Chemische Analyse durch Spektralbeobachtungen" (1860): "Es ist bekannt, dass manche Substanzen die Eigenschaft haben, wenn sie in eine Flamme gebracht werden, in dem Spektrum derselben gewisse helle Linien hervortreten zu lassen. Man kann auf diese Linien eine Methode der qualitativen Analyse gründen, welche das Gebiet der chemischen Reaktionen erheblich erweitert und zur Lösung bisher unzugänglicher Probleme führt. . . . . Die erwähnten Linien zeigen sich um so deutlicher, je höher die Temperatur und je geringer die eigene Leuchtkraft der Flamme ist."

Im Schlusswort schreiben BUNSEN und KIRCHHOFF: "Bietet einerseits die Spektralanalyse ein Mittel von bewunderungswürdiger Einfachheit dar, die kleinsten Spuren gewisser Elemente in irdischen Körpern zu entdecken, so eröffnet sie andererseits der chemischen Forschung ein bisher völlig verschlossenes Gebiet, das weit über die Grenzen der Erde, ja selbst unseres Sonnensystems, hinausreicht. Da es ausreicht, das glühende Gas um dessen Analyse es sich handelt, zu sehen, so liegt der Gedanke nahe, dass dieselbe auch anwendbar sei auf die Atmosphäre der Sonne und die helleren Fixsterne."

Dies bedeutet zum einen, dass die Spektralanalyse die Identifizierung von auf der Erde vorhandenen Stoffen zulässt. Zum anderen kann man aus dem Spektrum des Lichts, welches von der Sonne oder einem anderen Stern zu uns gelangt,  auch Aussagen über die Gase machen, die sich im Lichtweg zwischen Stern und Erde befinden (hierauf werden wir bei den Absorptionsspektren noch näher eingehen).

Prinzip des Versuchs

Abb. 2 Aufbau, Durchführung und Beobachtung bei der Färbung von Flammen mit einer Stoffprobe

Die Färbung von Flammen mit Stoffproben (z.B. Kochsalz) kannst du selbst durchführen. Die Animation in Abb. 2 zeigt den Aufbau, die Durchführung und die Beobachtung bei diesem Versuch.

Beobachtung

Je nach eingebrachter Probe ergeben sich die unterschiedlichsten Flammenfärbungen, die einem Fachmann sofort einen ersten Hinweis auf die Art der Probe geben. Für einen genauen Aufschluss müsste das Licht der gefärbten Flamme nun noch spektral zerlegt werden. Die folgenden Bilder zeigen typische Färbungen von Flammen.

Lithium (Li) Natrium (Na) Kupfer (Cu) Strontium (Sr)

Anwendung

Die entsprechenden chemischen Elemente werden in der Praxis z.B. in Feuerwerksraketen eingesetzt, um entsprechende Farbeffekte am Nachthimmel zu erzielen. Auch gibt es inzwischen sog. Feuerfarbenpulver zu kaufen, welches die Flammen eines Lagerfeuers bunt färbt. Aber Achtung: entsprechende Chemikalien sind in der Regel umwelt- und gesundheitsschädlich.

Bildnachweise
Lithium: Von Herge (Eigene Arbeit) [public domain], via Wikimedia Commons
Natrium: Von Søren Wedel Nielsen (Eigene Arbeit) [GFDL, CC-BY-SA-3.0 oder CC-BY-SA-2.5], via Wikimedia Commons
Kupfer: Von Herge (Eigene Arbeit) [public domain], via Wikimedia Commons
Strontium: Von Herge (Eigene Arbeit) [public domain], via Wikimedia Commons