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Metallionen und ihre Flammenfärbung

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Chemie-Team
Metallionen und ihre Flammenfärbung
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Grundlagen zum Thema Metallionen und ihre Flammenfärbung

Inhalt

Metallionen und ihre Flammenfärbung – Chemie

Ein Feuerwerk besteht aus vielen bunten Farben. Doch wie kommen die unterschiedlichen Farben bei einem Feuerwerk zustande? Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und einige weitere Metalle erzeugen unterschiedliche Farben beim Beflammen – abhängig davon, um welches Element es sicht handelt. Doch wie genau kommt es überhaupt zu der unterschiedlichen Flammenfärbung? In diesem Lerntext erfährst du auf einfache Weise erklärt, wie die Flammenfärbung verschiedener Metallionen zustande kommt.

Was sind Alkalimetalle? Was sind Erdalkalimetalle?

Die Alkalimetalle sind im Periodensystem in der I. Hauptgruppe und die Erdalkalimetalle in der II. Hauptgruppe zu finden. Dazu gehören:

Alkalimetalle Erdalkalimetalle
Lithium $\ce{Li}$ Beryllium $\ce{Be}$
Natrium $\ce{Na}$ Magnesium $\ce{Mg}$
Kalium $\ce{K}$ Calcium $\ce{Ca}$
Rubidium $\ce{Rb}$ Strontium $\ce{Sr}$
Caesium $\ce{Cs}$ Barium $\ce{Ba}$
Francium $\ce{F}$ Radium $\ce{Ra}$

Wie kommt es zur Flammenfärbung? – Erklärung

Alle Elemente senden bei sehr hohen Temperaturen irgendwann Licht aus. Es gibt jedoch einige Elemente, die schon bei den Temperaturen einer Flamme ein Licht aussenden. Dann spricht man von der Flammenfärbung. Beim Erhitzen verschiedener Elemente oder Ionen in einer farblosen Flamme wird Licht spezifischer Wellenlängen abgeben, welches für jedes Element charakteristisch ist. Die Flammenfärbung entsteht also durch die Energieumwandlung von Wärmeenergie zu Strahlungsenergie. Aber wie entstehen die Farben? Dabei wechseln Valenzelektronen vom Grundzustand in ein höheres Energieniveau. Diese Elektronen fallen dann wieder vom angeregten Zustand in den Grundzustand zurück und geben dabei Licht (Photonen) mit einer bestimmten Wellenlänge ab. Dieses Licht wird für uns Menschen dann je nach Wellenlänge als eine andere Farbe empfunden. Licht mit der Wellenlänge $\ce{380 nm}$ empfinden wir beispielsweise als violett und Licht mit $\ce{750 nm}$ als rot.

Flammenfärbung der Metalle

In diesem Abschnitt schauen wir uns anhand von Tabellen und Bildern genauer an, welche Flammenfärbungen bei den Ionen der Metalle zustande kommen können. Die charakteristische Flammenfärbung kann übrigens auch als Nachweis dienen. An ihr kann also abgelesen werden, um welches Element es sich handelt.

Flammenfärbung der Alkalimetalle

In der folgenden Tabelle sind die verschiedenen Alkalimetalle und deren charakteristische Flammenfärbungen aufgelistet.

Alkalimetalle Farbe der Flamme
Flammenfärbung Lithium $\ce{Li}$ (karmin)rote Flamme
Flammenfärbung Natrium $\ce{Na}$ gelbe Flamme (leuchtend)
Flammenfärbung Kalium $\ce{K}$ violette Flamme
Flammenfärbung Rubidium $\ce{Rb}$ rotviolette Flamme
Flammenfärbung Caesium $\ce{Cs}$ blauviolett, lila Flamme

Warum hat Natrium eine gelbe Flamme? Versuch Flammenfärbung Alkalimetalle

Über das Alkalimetall Francium gibt es kaum Erkenntnisse über physikalische Eigenschaften. Francium ist radioaktiv und man kann nur äußerst geringe Mengen davon herstellen und die Isotope sind zudem sehr instabil. Aus diesem Grund kann keine Aussage über die Flammenfärbung bei Francium gemacht werden.

Flammenfärbung der Erdalkalimetalle

In der folgenden Tabelle sind die verschiedenen Erdalkalimetalle und deren charakteristische Flammenfärbungen aufgelistet.

Erdalkalimetalle Farbe der Flamme
Flammenfärbung Beryllium $\ce{Be}$ keine Flammenfärbung
Flammenfärbung Magnesium $\ce{Mg}$ keine Flammenfärbung
Flammenfärbung Calcium $\ce{Ca}$ orangerote Flamme
Flammenfärbung Strontium $\ce{Sr}$ rote Flamme
Flammenfärbung Barium $\ce{Ba}$ grüne Flamme
Flammenfärbung Radium $\ce{Ra}$ karminrote Flamme

Warum ist die Flamme Orange? Reaktionsgleichung Flammenfärbung Erdalkalimetalle

Bei Beryllium und Magnesium kommt keine Flammenfärbung zustande, da das emittierte Licht nicht im Bereich des sichtbaren Lichtes liegt.

Weitere Flammenfärbungen einiger Metalle

In der folgenden Liste sind noch einige weitere Metalle und ihre Flammenfärbungen aufgelistet.

Metalle Farbe der Flamme
Flammenfärbung Kupfer $\ce{Cu}$ bläulich-grüne Flamme
Flammenfärbung Aluminium $\ce{Al}$ helle, weiße Flamme
Flammenfärbung Eisen $\ce{Fe}$ orange, helle Flamme
Flammenfärbung Blei $\ce{Pb}$ fahlblaue Flamme
Flammenfärbung Zink $\ce{Zn}$ helle, bläulich bis gelbliche Flamme
Flammenfärbung Cobalt $\ce{Co}$ blassviolette Flamme

Das weisse oder gelbe, helle Licht der Wunderkerzen wird zum Beispiel durch Aluminium oder Eisen erzeugt.

Das Video Metallionen und ihre Flammenfärbung

In diesem Video wird dir mit einem Experiment eine Erklärung für Kinder gegeben, welche unterschiedlichen Flammenfärbungen bei Alkali- und Erdalkalimetallen auftreten. Mit der Versuchsanleitung wird dargestellt, wie man diese Flammenfärbungen von Elementen überprüfen und unterscheiden kann. Du weißt nun, welche Farbe charakteristisch für welches Element ist und, dass zum Beispiel Natriumchlorid eine leuchtend gelbe Flammenfärbung aufweist.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zum Thema Flammenfärbungen, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Metallionen und ihre Flammenfärbung

Hallo! Vielleicht hast du dich schonmal gefragt, warum Silvesterraketen ein so schönes, buntes Feuerwerk liefern? Es leuchtet in vielen verschiedenen Farben wie Rot, Grün, Blau, Gelb, Violett und Weiß. Alle diese Farben werden durch Metallsalze und ihre typischen Flammenfärbungen erzeugt. Was das ist und wie das genau funktioniert, wollen wir uns jetzt einmal ansehen.

Alkalimetalle und Erdalkalimetalle

Die Farben vom Feuerwerk werden also durch die Metallsalze erzeugt, die in den Feuerwerkskörpern enthalten sind. Das helle, weiße Licht wird zum Beispiel durch Magnesiumsalze erzeugt, während die bunten Farben durch Natrium, Kalium, Calcium und durch andere Alkalimetalle bzw. Erdalkalimetalle erzeugt werden.

Schauen wir uns zunächst an, wo du die verschiedenen Metalle im Periodensystem finden kannst. Die Alkalimetalle stehen in der ersten Hauptgruppe. Die wichtigsten sind Lithium, Natrium, Kalium und Rubidium. Die Erdalkalimetalle stehen in der zweiten Hauptgruppe. Hierzu gehören Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium.

Experiment Flammenfärbung

Diese Metalle zeigen nun oft sehr charakteristische Flammenfärbungen, die oft auch in der Analytik als Hinweis genutzt werden, um Metalle in unbekannten Proben zu ermitteln.

Für das Experiment benötigst du einen Bunsenbrenner, ein Magnesiastäbchen und Salze verschiedener Alkali- bzw. Erdalkalimetalle. Wir wollen uns nun genauer die Flammenfärbungen von Natriumchlorid, Lithiumchlorid, Kaliumchlorid, Calciumchlorid und Bariumchlorid ansehen.

Als erstes löst du die Salze jeweils in etwas Wasser. Anschließend tauchst du dein Magnesiastäbchen in die erste Lösung, also in die Natriumchloridlösung und hältst das Stäbchen in die Brennerflamme.

Du siehst nun eine leuchtend gelbe Flamme. Mit den anderen Salzlösungen machst du es nun genauso. Achte darauf immer ein neues Magnesiastäbchen zu benutzen, damit sich die Lösungen nicht vermischen und die Ergebnisse nicht verfälscht werden.

Die Flammenfärbung von Lithium ist karminrot und die von Kalium violett. Wenn du die Salzlösungen der Erdalkalimetalle in die Flamme hältst wirst du sehen, dass die Flamme sich bei Calciumchlorid rot verfärbt. Bariumsalze zeigen dagegen eine sehr charakteristische Grünfärbung

Neben den Alkali und Erdalkalimetallen zeigen aber auch einige Metalle der anderen Hauptgruppen oder auch Nebengruppen eine typische Flammenfärbung. Kupfer färbt die Flamme z.B. bläulich grün.

Du hast in unserem Experiment nun gesehen, dass es für einige der Metalle sehr charakteristische Flammenfärbungen gibt. Du siehst also bei unbekannten Proben ist dies eine gute Möglichkeit, einen ersten Hinweis auf ein Element zu bekommen. Wenn sich also eine Flammenfärbung zeigt, kannst du diesem Hinweis nachgehen und weitere, genauere Proben durchführen.

Anregung der Elektronen

Nun wollen wir uns ansehen, wie es dazu kommt, dass die Metalle in der Lage sind diese verschiedenen Flammenfärbungen zu erzeugen.

Wenn du die Lösung eines der Metalle erhitzt führst du Energie zu. Nun wechselt ein Valenzelektron vom Grundzustand in ein höheres Energieniveau. Wenn das Elektron vom angeregten Zustand wieder in den Grundzustand zurückfällt, wird die Energie wieder abgegeben. Je nach Energiebetrag wird Licht einer bestimmten Wellenlänge und somit einer bestimmten Farbe sichtbar und die Flamme erscheint farbig.

Zusammenfassung

Wir haben uns heute damit beschäftigt, wie die verschiedenen Farben im Feuerwerk entstehen können. Du weißt nun, dass Metalle und deren Flammenfärbungen diese Farben entstehen lassen und dass dies durch die Anregung von Elektronen erfolgt.

Wenn die angeregten Elektronen dann in den Grundzustand zurückfallen und dabei Licht einer bestimmten Wellenlänge abgeben, siehst du dies als eine bestimmte Farbe. Diese Eigenschaft kann in der Analyse von unbekannten Proben angewendet werden. Außerdem sorgt sie dafür, dass Feuerwerke in so vielen verschiedenen Farben leuchten können. Tschüs und bis bald.

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Sehr gut!!

    Von Jiyoon, vor mehr als 7 Jahren

Metallionen und ihre Flammenfärbung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Metallionen und ihre Flammenfärbung kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme die jeweilige Farbe der Flamme zu den Elementen.

    Tipps

    Überlege, worin der Unterschied zwischen Lithium und Calcium besteht.

    Lösung

    Die Flammenfärbung von Metallsalzlösungen ist nicht nur in Feuerwerkskörpern schön anzusehen, sondern auch eine gute Vorprobe zur Bestimmung der Metalle. Doch warum sind die Flammen so schön bunt? Der Hauptgrund dafür ist die Anregung der Elektronen. Erhitzt du eine Metallsalzlösung über dem Bunsenbrenner, dann wird Energie zugeführt. Dadurch wechselt ein Valenzelektron (Außenelektron) vom Grundzustand in ein höheres Energieniveau. Fällt dieses Elektron vom angeregten Zustand zurück in den Grundzustand, wird dabei wiederum Energie abgegeben. Je nach Energiebetrag wird Licht in einer bestimmten Wellenlänge und somit mit einer bestimmten Farbe sichtbar. Uns erscheint dann die Flamme farbig.

  • Beschreibe den chemischen Hintergrund zur Flammenfärbung.

    Tipps

    Überlege, wann ein Elektron im Grundzustand und wann im angeregten Zustand ist.

    Lösung

    Erhitzt du die Metallsalzlösung über der Brennerflamme, dann wird der Lösung Energie zugeführt. Die Elektronen werden dadurch angeregt und springen vom Grundzustand in den angeregten Zustand. Irgendwann fallen sie zurück in den Grundzustand und dabei wird ein bestimmter Energiebetrag in Form von Licht frei. Das Licht tritt in einer bestimmten Wellenlänge aus, die dann die sichtbare Farbe bestimmt.

  • Überprüfe, in welchem Glas sich welche Metallsalzlösung befindet.

    Tipps

    Überlege, welche Flammenfarbe zu welchem Element gehört.

    Lösung

    Beim Experimenten zur Flammenfärbung ist es besonders wichtig, sauber und vorsichtig zu arbeiten. Wenn analytische Methoden angewendet werden, ist es wichtig, reine Substanzen vorliegen zu haben, damit man auch eindeutige Ergebnisse erhalten kann. Die Substanzen dürfen sich also nicht miteinander vermischen, da sonst die Ergebnisse ungenau sein könnten und zu falschen Ergebnissen führen. Außerdem sollte immer beim Arbeiten mit dem Bunsenbrenner Vorsicht geboten sein und Schutzkleidung sowie Schutzbrille getragen werden. Eine Voraussetzung ist auch, die Farben zu den jeweiligen vorhandenen Stoffen zuordnen zu können.

  • Erschließe die Wellenlänge zu den Farben der Flammen.

    Tipps

    Nutze das Spektrum über der Aufgabe zur Hilfe.

    Überlege, welche Farbe zu welchem Element gehört.

    Lösung

    Das Spektrum, welches du über der Aufgabe siehst, hilft bei der Spektroskopie beispielsweise, die exakte Wellenlänge zu bestimmen. Der Bereich des sichtbaren Lichtes liegt zwischen 380 nm und 780 nm. Dazwischen befinden sich auch die Wellenlängen für die Flammenfärbungen. Die Farbflamme des Kupfers hat dabei z.B. eine Wellenlänge von 510 nm und erscheint uns deshalb blaugrün.

  • Erkläre den Versuchsaufbau zur Flammenfärbung.

    Tipps

    Überlege, wie die Flamme vor und nach dem Magnesiastab aussieht.

    Lösung

    Um Metalle voneinander unterscheiden zu können, brauchst du in der Schule einen Bunsenbrenner, ein Feuerzeug, eine Petrischale, Magnesiastäbchen und verschiedene Metallsalzlösungen. Zuerst füllst du die Metallsalzlösungen in verschiedene Petrischalen. Danach machst du den Brenner mithilfe des Feuerzeugs an und stellst ihn auf die blaue Flamme ein. Den Magnesiastab tauchst du in die Lösung und danach in die Flamme. Die Flamme wird sich dann dem Metall entsprechend verfärben.

  • Ermittle die Gleichung zur Berechnung der Energie.

    Tipps

    Die Wellenlänge hat einen griechischen Buchstaben als Formelzeichen.

    Lösung

    Mit dieser Formel kannst du die Energie berechnen, die beim Herunterfallen des Elektrons vom angeregten Zustand in den Grundzustand frei wird. Das $h$ steht für die plancksche Wirkungszahl oder Konstante. Sie hat immer den Wert $6,55 \cdot 10^{-34}$ Js. Das $c$ steht für die Lichtgeschwindigkeit und ist auch eine Konstante. Das Lambda ist das griechische Formelzeichen für die Wellenlänge. Mit dieser Formel kannst du auch durch Umstellen die Wellenlänge berechnen, wenn du die Energie gegeben hast.

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