Beeinflussen der Flammenfarbe - ChidS

Beeinflussen der Flammenfarbe
Protokoll A02
Reaktionsgleichung
Na ∆ Na ∗ − h∙ν Na
Zeitbedarf
Vorbereitung: 3 min.
Durchführung: 3 min.
Nachbereitung: 5 min.
Chemikalienliste
Edukte
Chemikalien Summenformel Menge R-Sätze S-Sätze
Gefahrensymbole
Schuleinsatz
Lithiumchlorid LiCl (s) 1 g 22-36/38 - Xn S1
Natriumchlorid NaCl (s) 1 g - - - S1
Kaliumchlorid KCl (s) 1 g - - - S1
Methanol CH 3 OH (l) 15 mL
11-23/24/25- 7-16-
39/23/24/25 36/37-45
F, T S1
Gefahrensymbole
Materialien und Geräte
3 Porzellanschalen/Abdampfschalen, Messpipette (mind. 5 mL), Peleusball, Feuerzeug & Glimmspan
oder langes Streichholz
Versuchsaufbau
Abb. 1: Versuchsaufbau

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Durchführung
Augenschutz
benutzen
Schutzhandschuhe
benutzen
Schutzkleidung
benutzen
In die Abdampfschalen werden jeweils 2 g eines Alkalisalzes gegeben. Anschließend werden die Salze
mit jeweils 5 mL Methanol versetzt. Nun wird der Holzspan und mit ihm das Methanol in den
Abdampfschalen entzündet. Dann werden die einzelnen Flammen beobachtet.
Beobachtungen
Das Methanol in der Abdampfschale mit dem Lithiumchlorid beginnt sofort nach dem Entzünden mit
roter Flamme zu brennen. In den anderen Schalen brennt das Methanol zunächst mit blauer Flamme.
Nach ca. 30 Sekunden färbt sich die Flamme in der Abdampfschale mit Natriumchlorid intensiv gelb
und in der Schale mit Kaliumchlorid blau-violett. Nach ca. 1 ½ Minuten erlöschen die Flammen.
Abb. 2: Flammenfärbungen während der Durchführung
Entsorgung
Das Methanol ist vollständig verbrannt. Die Rückstände der Salze in den Abdampfschalen werden
über dem Ausguss mit Leitungswasser ausgewaschen.
Fachliche Analyse
Bestimmte Elemente des Periodensystems erzeugen eine Färbung der nichtleuchtenden
(rauschenden) Bunsenbrennerflamme oder, wie in diesem Versuch, der eigentlich blauen Flamme
des Methanols. Diese Färbungen sind für einige Elemente charakteristisch. Anhand dieser
Flammenfärbungen können Verbindungen auf die Anwesenheit bestimmter Elemente hin analysiert
werden, was man sich in der qualitativen Analyse zunutze macht.

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Tabelle 1: Liste der Flammenfärbung ausgewählter Elemente [1]
Element
Lithium
Natrium
Kalium
Rubidium
Cäsium
Calcium
Strontium
Barium
Bor (als Borsäure)
Blei
Arsen
Kupfer
Flammenfärbung
karminrot
intensiv gelb
violett
rotviolett
rotviolett
ziegelrot
karminrot
fahlgrün
grün
fahlblau
fahlblau
grün
Die Färbungen sind auf die Anregung der entsprechenden Atome, genauer: deren Elektronen
zurückzuführen. Aufgrund der thermischen Energiezufuhr durch das brennende Methanol werden
die Valenzelektronen auf ein höheres Energieniveau angehoben. Sie verweilen dort jedoch nur
geringe Sekundenbruchteile und fallen quasi sofort wieder in ihren Ausgangszustand zurück.
Abb. 3: Schematische Darstellung eines Natriumatoms nach dem Bohrschen Schalenmodell. Gezeigt
sind das Anregen (links) und Zurückfallen (rechts) eines Valenzelektrons des Natriums durch
thermische Energiezufuhr mit den zugehörigen Reaktionsgleichungen.
Dabei geben sie die vorher aufgenommene thermische Energie in Form von Strahlung einer
bestimmten Wellenlänge (in Abb. 3 als gelbe Wellenlinie dargestellt), welche oft im Bereich des
sichtbaren Lichts liegt, wieder ab (Emission). Der Betrag der Energie entspricht dabei genau der
Differenz der beiden Energiezustände.
Sind mehrere Elemente anwesend, die eine Färbung hervorrufen, so kann es sein, dass einige Farben
verdeckt werden. Vor allem Natrium erzeugt eine so intensive Gelbfärbung, dass neben ihm kaum
andere Elemente identifiziert werden können. Um diese doch nachzuweisen, wird ein Spektroskop
benutzt und die Elemente können anhand ihrer Spektrallinien erkannt werden.

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Wenn weißes Licht durch ein Prisma gelenkt und anschließend auf einen Detektor gestrahlt wird, so
dehnt es sich zu einem breiten Streifen aus, in welchem jede Farbe des Regenbogens, also das
gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts zu sehen ist (Abb. 4).
[5, Seite 278]
Abb. 4: Das elektromagnetische Spektrum. Der Bereich des sichtbaren Lichtes ist hervorgehoben.
Dieses Abbild wird kontinuierliches Spektrum genannt, da hier alle Farben ohne scharfe Abgrenzung
ineinander übergehen. Werden Gase oder Dämpfe von Elementen oder Verbindungen erhitzt und
das abgestrahlte Licht durch ein Prisma geleitet, so ergibt sich ein Linienspektrum
(diskontinuierliches Spektrum). Hier sind nur bestimmte farbige Linien zu sehen, die einer genau
definierten Wellenlänge entsprechen. Jedes Element zeigt ein für sich charakteristisches
Linienspektrum. So hat z.B. Natrium eine gelbe Doppellinie bei 589,3 nm, Kalium besitzt eine rote
Doppellinie bei 768,2 nm und eine violette Doppellinie bei 406,0 nm (siehe Abb. 5).
Abb. 5: Linienspektrum eines Natrium-Kalium-Gemischs [1]
Liegen nun beide Atome in einer Verbindung vor, können sie anhand ihrer Spektrallinien erkannt
werden, während bei der Untersuchung der Flammenfärbung nur das Natrium nachweisbar wäre, da
es die violette Färbung des Kaliums überdeckt.
Bei einem Spektrometer wird das Licht einer Leuchtquelle (die erhitzte Probe) zunächst durch einen
Spalt geleitet, um einen geraden Lichtstrahl zu erhalten. Dieser trifft dann auf ein Prisma, durch
welches er in seine Spektralfarben aufgegliedert wird, welche dann einzeln aus dem Prisma wieder

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austreten. Sie gelangen nebeneinander auf einen Collector (photographische Platte) welche die
Spektrallinien abbildet. Dort können ihre Wellenlängen abgelesen und so die in der Probe
enthaltenen Elemente identifiziert werden.
[6, Seite 65]
Abb. 6: Schematischer Aufbau eines Spektrometers
Die Färbungseffekte der Elemente werden vor allem für bengalische Feuer und in der Feuerwerksund
Pyrotechnik verwendet [4, 8a] .
Leider ist die Flammenfarbe in der Abdampfschale mit dem Natriumchlorid nur im Live-Experiment
als intensiv gelb zu erkennen. Auf dem Foto bzw. in dem Video hat sie eine eher gelb-orange
Färbung, die der Rotfärbung durch das Lithiumchlorid etwas zu nahe kommt und das Unterscheiden
erschwert. Vermutlich ist dieser Effekt auf die Videokamera zurückzuführen, welche den genauen
Farbton nicht erfassen konnte.
Methodisch didaktische Analyse
Einordnung
Nach dem hessischen Lehrplan G8 ist der Versuch in die Stufe 8G.2 im Thema „Ordnung in der
Vielfalt, Atombau und Periodensystem“ und in das Unterthema „2.4 Alkalimetalle“ einzuordnen. Hier
sollen die Eigenschaften der Alkalimetalle besprochen werden und als fakultativer Inhalt wird die
Flammenfärbung genannt. Die Schüler sollten dafür mit dem Aufbau von Atomen und dem
Schalenmodell vertraut sein (dies wird ebenfalls in der 8. Klasse besprochen). Auch besteht ein
schöner Bezug zur Lebenswelt der Schüler, da die Flammenfärbungen für Feuerwerke und in der
Pyrotechnik eingesetzt werden. Als Versuchsvariante bieten sich einfache Salzlösungen an, welche
mit Sprühflaschen in die Bunsenbrennerflamme geblasen werden, wobei ein farbiger Feuerball
entsteht und der Einsatz des giftigen Methanols verhindert würde. Um in den Eigenschaften der
Alkalimetalle weiterzugehen, könnte im Anschluss ein Versuch zur Reaktivität in Wasser folgen.

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Aufwand
Der zeitliche Aufwand ist sehr gering, sowohl beim Aufbau als auch bei der Durchführung und der
Nachbereitung. Die Theorie könnte etwas länger dauern. Der Geräte- und Chemikalienaufwand ist
ebenfalls sehr gering und es werden nur Standardmaterialien bzw. -chemikalien benötigt.
Durchführung
Der Versuch funktioniert sehr gut. Da die Flammenfärbungen im Live-Experiment wesentlich besser
zu unterscheiden sind, sollte das Video eher als eine Vorlage für den Lehrer dienen, um zu sehen, wie
der Versuch durchgeführt werden kann. Laut HessGISS dürfen die Schüler mit dem giftigen Methanol
arbeiten. Allerdings wäre die unter Punkt „Einordnung“ erwähnte Variante für Schülerversuche
besser geeignet, da das Methanol dann keine Rolle spielt.
Im Internet gibt es darüber hinaus auch Handspektrometer zu bestellen, welche dann selbst
zusammengebaut werden und mit denen auch die ungefähren Wellenlängen der Spektrallinien
bestimmt werden können [8b] .
Fazit
Ein schöner, schneller Versuch zur Darstellung des Einflusses der Alkalimetalle auf die Flammenfarbe.
Literaturangaben
Versuchsquellen
[a] Seidl, M.: Chem-Page.de. Zu finden unter URL: http://www.chempage.de/index.php?option=com_content&view=article&id=2474:flammenfaerbung&catid=26:feuerund-we&Itemid=186.
Letzter Zugriff am 11.04.2010.
[a] Georg-August-Universität Göttingen: Flammenfärbungen der Erdalkalimetalle. Zu finden unter
URL: https://lp.uni-goettingen.de/get/text/2072. Letzter Zugriff am 11.04.2010.
Sekundärliteratur
[1] FIZ CHEMIE (Fachinformationszentrum Chemie GmbH): Encyclopedia - ChemgaPedia. Zu finden
unter URL: http://www.chemgapedia.de. Letzter Zugriff am 09.04.2010.
[2] Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Chemie Gymnasialer Bildungsgang Jahrgangsstufen 7G
bis 12G. 2008. Zu finden unter URL:
http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?uid=3b43019a-8cc6-1811-f3efef91921321b2.
Letzter Zugriff am 09.04.2010.

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[3] Hollemann, A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Seiten 1260,
1273ff. 102., stark umgearbeitete und verbesserte Auflage. Berlin, New York: de Gruyter. 2008.
[4] Julius-Maximilians-Universität Würzburg: Bengalische Feuer. Zu finden unter URL: http://wwworganik.chemie.uni-wuerzburg.de/fileadmin/08020000/pdf/erlebnis/bengalische_feuer.pdf.
Letzter
Zugriff am 11.04.2010.
[5] Kuhn, W.: Physik 2. 1. Auflage. Braunschweig: Westermann Schulbuchverlag. 2000.
[6] Mortimer, C. E.: Chemie – Das Basiswissen der Chemie. 7., korrigierte Auflage. Stuttgart, New
York: Georg Thieme Verlag. 2001.
[7] Unfallkasse Hessen; Hessisches Kultusministerium: Hessisches Gefahrstoffinformationssystem
Schule - HessGISS. Version 13. 2008/2009.
[8a] Wich, P. (). Experimentalchemie.de. Letzter Zugriff am 09.04.2010 unter:
http://www.experimentalchemie.de/versuch-048.htm
[8b] Wich, P. (). Experimentalchemie.de. Letzter Zugriff am 09.04.2010 unter:
http://www.experimentalchemie.de/versuch-050.htm