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燃燒是可燃物與氧化劑之間發生氧化還原反應時的一種快速放熱發光的過程。比如木頭或者蠟燭燃燒會產生黃色的火焰，我們炒菜時用的天然氣或者液化石油氣燃燒則產生藍色的火焰。那麼，為什麼這些火焰會有不同的顏色呢？
在燃燒時，有兩種不同的發光機理。第一種是一種普適性的發光方式——黑體熱輻射[1]。任何物體，甚至包括人體，都在實時向外發光，而所發出光的顏色與物體的溫度有關。根據維恩位移公式，在黑體輻射中，物體的溫度越高，所發光的波長就越短——也就是越偏藍；而溫度越低，所對應的波長就越紅移。日常生活中大多數的可燃物，比如紙張、蠟燭、木頭等，在燃燒時，其火焰的溫度達到了1300 K[2]左右，而此時所對應的顏色是黃色；當燃燒基本結束後，其剩下的灰燼溫度已經低至900 K左右，所對應的顏色則是紅色[3]。這也是為什麼燃燒時主要是黃色的火焰而且最後的灰燼是紅色的。
這時候可能會有觀察力豐富的朋友說，蠟燭或者木頭在燃燒時，火焰底部是藍色的，是否說明底部火焰的溫度要更高呢？還有天然氣或者液化石油氣燃燒時也是藍色的，應該就說明溫度很高吧？實際上，如果希望通過黑體輻射放出藍光的話，需要溫度達到10000 K以上[4]，而在地球上的燃燒，基本不可能達到這個溫度，甚至都不可能接近。比如日常能產生的最高溫度氧炔焰，也只有3600 K左右[3]。那麼，這些火焰又為什麼是藍色的呢？
蠟燭燃燒時，底部火焰呈藍色而上部火焰呈黃色
CIE1931色度圖與黑體輻射軌跡（又叫做普朗克軌跡）。由此可見，如果需要 黑體輻射進入到藍色區域，需要溫度高於10000 K。圖片來源：維基百科
這時候，我們不得不提及另一種發光機理，電子輻射躍遷。當一些原子或者自由基被激發時，它們其中的電子會被激發到較高的不穩定能級，而當這些電子返回到基態時，就會釋放出特定波長的光。這類發光機理在實驗室中的一種應用就是焰色反應。大多數金屬原子的發光都在可見光區域，並且都有自己的特徵顏色，因此可以利用灼燒樣品觀察顏色來判斷該樣品中是否存在某種金屬離子。比如鈣是磚紅色，銅是綠色，鉀是紫色，鈉是金黃色[5]。這也是為什麼如果灑了一些氯化銅到火焰上時，被灑到了區域的火焰就變成了綠色了。正是利用這種性質，我們才可以看到五顏六色的焰火。
而當天然氣、液化石油氣或者氧炔焰燃燒時，顯然其中不會含有金屬離子，可是為什麼也是藍色的呢？天然氣的主要成分是甲烷，液化石油氣的主要成分是丙烷、丁烷，而氧炔焰的燃料是乙炔：它們都是含有碳有機物。在燃燒過程中，這些含碳的有機物會發生很多自由基反應，從而生成諸如CH*或者C2*之類的自由基[3]。這些自由基的發射光譜就是在藍光和綠光區域，因此總體呈現藍色[6]。
一些自由基的發射光譜。其中Swan Bands就是烴類化合物發射光譜。圖片來源：維基百科
那麼在實際的燃燒過程中，顏色是由哪種機理所決定的呢？第一種機理（黑體輻射）在有固態物質時會更加明顯，比如說當燃燒不夠充分產生煤煙時。而第二種機理，則在氣態或者等離子體態時更加明顯，比如低分子量烷烴充分燃燒時。下面讓我來具體分析一下兩種不同的情況。
對於蠟燭的燃燒，其火焰底部是藍色的，而上部是黃色的。蠟燭的主要成分是石蠟，一些碳數18到30的烴類混合物。由於分子量較大，燃燒必定會不夠充分。在燃燒時，其底部是氣化的烴類化合物不充分燃燒，此時主要是氣態，那麼主要是第二種機理，因此呈現藍色；隨後因為燃燒不夠充分，產生的煤煙逐漸上升並繼續燃燒，而此時第一種機理佔主導。煤煙由於黑體輻射而發出黃色的光，因而上部火焰呈黃色。在這種情況下，底部火焰因為燃燒不如上部充分，所以藍色火焰的溫度低於黃色火焰的溫度。
而對於天然氣、液化石油氣或者氧炔焰這種，當氧氣充分時，它們充分燃燒不會產生煤煙，因此僅呈現自由基發射光譜所表達出來的藍色；而當氧氣不充分時，它們仍然會產生煤煙從而使得火焰顏色呈黃色。化學實驗室中使用的本生燈現在是使用天然氣或者液化石油氣當燃料的。當空氣孔關閉時，燃燒不充分，火焰是黃色的；隨著逐漸打開空氣孔，燃燒愈發充分，火焰也逐漸轉變成為藍色。在這種情況下，由於黃色火焰是不充分燃燒導致的，所以藍色火焰的溫度高於黃色火焰的溫度。
總結：
高分子量的含碳有機物燃燒，燃燒必定不充分，因此底部將是自由基產生的過程呈藍色；雖然必然產生煤煙，所以上部分火焰是黑體輻射的黃色。
低分子量的含碳有機物燃燒，當氧氣充足時燃燒充分，所以火焰整體都是自由基的顏色——藍色；而當氧氣不充足時，燃燒不充分會導致火焰呈黃色——這時候可要小心了，不充分燃燒可能會產生有毒的一氧化碳的，在家炒菜時遇到黃色的火焰可要當心啦。
參考[1]^https://en.wikipedia.org/wiki/Black-body_radiation
[2]^這是熱力學溫度，數值減去273就是攝氏度溫度數值
[3]^abchttps://en.wikipedia.org/wiki/Flame
[4]^https://en.wikipedia.org/wiki/Planckian_locus
[5]^https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%84%B0%E8%89%B2%E5%8F%8D%E5%BA%94
[6]^https://en.wikipedia.org/wiki/Swan_band
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