Khi rắc một nắm muối vào đống lửa trại, ngọn lửa thoáng chuyển sang màu vàng, còn pháo hoa trên bầu trời đêm rực lên những sắc đỏ, xanh lá và xanh lam. Đằng sau hiện tượng màu sắc thay đổi tùy theo chất được cho vào lửa là nguyên lý hóa học rằng mỗi nguyên tố có màu ánh sáng đặc trưng. Thí nghiệm nhận biết nguyên tố kim loại trong mẫu chỉ bằng màu ngọn lửa chính là “phép thử ngọn lửa (Flame Test)”.
Nói một cách đơn giản, phép thử ngọn lửa chỉ “hiện tượng ánh sáng có màu đặc trưng của từng nguyên tố xuất hiện khi đưa nguyên tố kim loại hoặc hợp chất của nó vào ngọn lửa, hoặc phương pháp phân tích sử dụng hiện tượng này để nhận biết nguyên tố”. Vì có thể phỏng đoán thành phần chỉ bằng một ngọn lửa mà không cần thiết bị đắt tiền, đây là thí nghiệm quen thuộc trong phòng thí nghiệm trường học, nhưng nguyên lý của nó còn liên quan đến cả cấu trúc nguyên tử và tính chất của ánh sáng.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu ý nghĩa của phép thử ngọn lửa và nguyên lý tạo màu, màu ngọn lửa của từng nguyên tố, lịch sử phát hiện nguyên tố mới và ứng dụng trong pháo hoa, cùng phương pháp thí nghiệm và những hạn chế.
Phép thử ngọn lửa: dấu vân tay ánh sáng riêng của từng nguyên tố
Phép thử ngọn lửa là gì?
Từ lâu, các nhà giả kim đã biết rằng màu ngọn lửa thay đổi tùy theo chất được đưa vào lửa. Tuy nhiên, ngọn lửa thông thường vốn có sắc cam và vàng, nên khi hòa lẫn với màu do mẫu phát ra thì rất khó phân biệt.
Người giải quyết vấn đề này là nhà hóa học Robert Bunsen thuộc Đại học Heidelberg ở Đức. Bunsen thiết kế một loại đèn đốt tạo ra ngọn lửa sạch gần như không màu bằng cách điều chỉnh lượng không khí và khí đốt trộn với nhau; đèn đốt Bunsen này đến nay vẫn được dùng làm dụng cụ tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm. Vì trên nền ngọn lửa không màu chỉ có màu do mẫu phát ra hiện lên rõ ràng, từ đó phép thử ngọn lửa trở thành một phương pháp phân tích đáng tin cậy.
Trong phép thử ngọn lửa, yếu tố quyết định màu sắc là nguyên tố kim loại có trong hợp chất, chứ không phải toàn bộ hợp chất. Dù là natri clorua hay natri nitrat, nếu có natri thì đều xuất hiện ngọn lửa màu vàng như nhau.
Nguyên lý tạo màu ngọn lửa và màu sắc của từng nguyên tố
Màu ngọn lửa bắt nguồn từ chuyển động của electron trong nguyên tử. Có thể chia quá trình này thành ba giai đoạn.
(1) Hấp thụ năng lượng
Khi nhận nhiệt từ ngọn lửa, electron của nguyên tử kim loại hấp thụ năng lượng và chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn trạng thái ban đầu. Trạng thái này được gọi là trạng thái kích thích.
(2) Phát xạ ánh sáng
Do trạng thái kích thích không bền, electron nhanh chóng trở về trạng thái năng lượng thấp ban đầu và phát ra ánh sáng với năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái.
(3) Màu sắc đặc trưng
Vì khoảng cách giữa các bậc năng lượng mà electron có thể chiếm giữ khác nhau ở từng nguyên tố, bước sóng ánh sáng phát ra cũng khác nhau tùy nguyên tố. Sự khác biệt này thể hiện thành sự khác nhau về màu ngọn lửa.
Màu ngọn lửa của một số nguyên tố tiêu biểu như sau.
- Natri (Sodium): màu vàng đậm. Phát ra ánh sáng mạnh có bước sóng khoảng 589 nm.
- Liti (Lithium): màu đỏ đậm.
- Kali (Potassium): màu tím nhạt.
- Canxi (Calcium): màu đỏ ngả cam.
- Stronti (Strontium): màu đỏ thẫm rực rỡ.
- Đồng (Copper): màu xanh lam lục.
- Bari (Barium): màu vàng lục nhạt.
Ánh sáng vàng của natri cũng dễ bắt gặp trong đời sống hằng ngày. Đèn natri chiếu sáng đường sá hay đường hầm bằng ánh sáng vàng chính là loại đèn sử dụng ánh sáng do nguyên tử natri phát ra. Nước canh trào ra khi đun khiến ngọn lửa bếp gas chuyển sang màu vàng cũng là do natri trong muối có trong nước canh.
Ngọn lửa giúp phát hiện nguyên tố mới và tô màu bầu trời đêm
Phép thử ngọn lửa đã vượt ra ngoài phạm vi một thí nghiệm đơn giản để trở thành công cụ tìm kiếm nguyên tố mới. Năm 1859, Bunsen cùng nhà vật lý Gustav Kirchhoff chế tạo một máy quang phổ dùng lăng kính để phân tách ánh sáng của ngọn lửa. Ngay cả những màu trông tương tự bằng mắt thường cũng hiện ra thành các vạch sáng ở những vị trí khác nhau đối với từng nguyên tố khi quan sát bằng máy quang phổ.
Những nguyên tố mới được tìm ra bằng máy quang phổ
Năm 1860, trong khi phân tích nước khoáng, hai người phát hiện hai vạch màu xanh da trời chưa từng thấy và đặt tên nguyên tố là xesi theo từ tiếng Latinh có nghĩa là “màu xanh da trời”. Năm sau, họ tìm ra rubidi nhờ dấu hiệu là vạch màu đỏ đậm. Như vậy, chính tên của các nguyên tố bắt nguồn từ màu ngọn lửa. Sau đó, tali với vạch xanh lá và indi với vạch chàm cũng được phát hiện bằng phương pháp này. Năm 1868, trong một lần nhật thực toàn phần, người ta quan sát thấy trong ánh sáng Mặt Trời một vạch màu vàng không khớp với bất kỳ nguyên tố nào đã biết; trước cả khi được tìm thấy trên Trái Đất, nguyên tố này đã được đặt tên là heli, theo từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là Mặt Trời.
Màu sắc của pháo hoa
Pháo hoa cũng sử dụng nguyên lý tương tự. Stronti tạo màu đỏ, bari tạo màu xanh lá, natri tạo màu vàng, còn hợp chất đồng tạo màu xanh lam. Trong số đó, màu xanh lam trong và đậm nhạy với nhiệt độ nên được các kỹ thuật viên pháo hoa xem là màu khó tạo ra nhất.
Cách tiến hành phép thử ngọn lửa và những hạn chế
Phép thử ngọn lửa ở trường học khá đơn giản. Nhúng dây platin hoặc dây nicrom vào axit clohidric loãng rồi nung trong ngọn lửa, làm sạch đến khi không còn xuất hiện màu; sau đó lấy mẫu lên dây, đưa vào phần ngoài có nhiệt độ cao của ngọn lửa và quan sát màu sắc.
Tuy nhiên, phép thử ngọn lửa có một số hạn chế rõ rệt.
(1) Sự gây nhiễu của natri
Ánh sáng vàng của natri rất mạnh nên chỉ cần lẫn một lượng rất nhỏ cũng che lấp các màu khác. Vì vậy, khi nhận biết màu tím của kali, người ta quan sát qua kính coban để lọc bỏ ánh sáng vàng.
(2) Màu sắc tương tự và tính chủ quan
Những màu thuộc nhóm đỏ như của liti, stronti và canxi rất khó phân biệt bằng mắt thường, và nhận định có thể khác nhau tùy người quan sát.
(3) Giới hạn về các nguyên tố có thể nhận biết
Không phải mọi kim loại đều tạo ra màu ngọn lửa rõ rệt, và việc đo chính xác lượng chất cũng khó thực hiện. Ngày nay, để phân tích thành phần một cách chính xác, người ta sử dụng các phương pháp phân tích bằng thiết bị như quang phổ phát xạ nguyên tử.
Phép thử ngọn lửa là thí nghiệm cho thấy bằng mắt thường rằng mỗi nguyên tố phát ra ánh sáng đặc trưng. Khi Bunsen và Kirchhoff phân tách ánh sáng ấy để quan sát, ngành quang phổ học đã mở ra, và nguyên lý này tiếp tục được ứng dụng để xác định thành phần của các thiên thể xa xôi qua ánh sáng sao.
Nghĩ đến việc ngay cả màu của một ngọn lửa cũng chứa đựng câu chuyện về nguyên tử chính là bước đầu tiên trong tư duy khoa học để hiểu thế giới vật chất vô hình.
