化學問答(NO.4)煙花顏色是因為化學元素金屬化合物的焰色反應?

2021-01-22 中國數字科技館

1869年,俄羅斯化學家德米特裡·門捷列夫在總結前人經驗的基礎上,發現元素周期律並編制出元素周期表。2019年正值化學元素周期表150周歲生日,聯合國宣布2019年為「國際化學元素周期表年」。藉此契機,中國數字科技館聯合中國化學會特別推出「你問我答」活動,徵集大家關於化學元素或化學元素周期表的問題,我們會選取優質問題邀請專家回答,並於每周五通過中國數字科技館專題網頁和微信公眾號「中國數字科技館」公布答案。歡迎大家進入中國數字科技官網-化學元素周期表年專題站積極提問!

不知道該問些啥?先來看看大家都在問些什麼吧!

我是一名初中生。我想知道課本後面的元素周期表中有幾位是空的,現在已經發現了嗎?(從第113號到第118號元素名稱,都是打星號的。)

答:第113號到第118號元素已經發現,分別為Nh、Fl、Mc、Lv、Ts以及Og;相應的中文名稱為鉨(nǐ )、鈇(fū )、鏌(mò)、鉝(lì)、<石田>(tián)、 <氣奧>(ào)。113-118號元素均為人造放射性元素。其中Nh是一種不穩定的超重元素,其原子核包含113個質子和173個中子,由日本理化研究所於2004年9月28日,通過加速第30號元素Zn原子,轟擊第83號元素Bi原子得到;Fl是一種極易揮發的超重元素,在標準態下甚至呈氣態,表現出類似惰性氣體的特徵,同時也展現金屬性,於1998年12月在俄羅斯的杜布納聯合核研究所通過加速的Ca核轟擊Pu合成;Mc 、Lv均屬於弱金屬之一,分別於2003年8月及2000年7月由杜布納聯合核研究所和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室聯合組成的科學團隊合成;Ts屬於滷素之一,可能擁有類金屬屬性,該元素於2010年首次成功合成;Og是一種人工合成的稀有氣體元素,但是理論計算預測其可能具有不同於其他稀有氣體的高活性,由於相對論效應,該元素在標準態下可能為固體,其原子序數和原子量為所有已發現元素中最高的,是人類已合成的最重元素,於2002年被首次合成。(洪勳 中國科學技術大學)

為何說煙花的五顏六色是因為化學元素金屬化合物的焰色反應?據說未來有可能會開發出更加絢麗多彩的納米煙花和稀土煙花,納米技術具有小尺度效應,納米技術與火藥化學如何相結合產生關聯?

化學上將某些金屬或它們的化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現特殊顏色的反應叫做焰色反應。究其根本,焰色反應是物理變化。金屬元素原子在接受火焰提供的能量後,電子會從能量較低軌道躍遷到能量較高軌道,而能量較高軌道電子不穩定又會躍遷回低能量軌道,這時多餘能量會以光的形式釋放出來。不同元素原子結構不同,電子躍遷時能量變化也不同,因而會發出不同波長的光,在可見光區域,我們就會從火焰中觀察到每種元素特徵顏色。

「煙花」主要成分是黑火藥,其主要成分為硝酸鉀、硫磺和木炭粉等。除此之外還會加入一些發光劑和發色劑。發光劑主要是金屬鎂或金屬鋁的粉末,他們燃燒時會發出白熾強光。發色劑通常是一些金屬化合物,如氯化鈉、氯化鉀,重晶石,天青石等。含有不同金屬陽離子的化合物,燃燒時呈現不同的顏色。附幾種金屬發生焰色反應呈現的顏色:鋰離子-紫紅色,鋇離子-黃綠色,鈣離子-磚紅色,銣離子-紫色,鈉離子-黃色,鉀離子-淺紫色,鍶離子-洋紅色。

與傳統固體材料不同,納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等獨特性質。目前已有納米金屬粉在火藥中應用的研究,某些納米金屬粉對含能材料的分解具有催化作用。發展納米材料在火藥中的應用理論,對於提高火炸藥的性能,開發新型含能材料有著十分重要意義。(鄒曉新 吉林大學)

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