Simulation: Flammenfärbung und Linienspektrum

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Wie funktioniert die Flammenfärbungsprobe?

Ein Magnesiastäbchen (ein dünnes Stäbchen aus Magnesiumoxid) wird in die Lösung eines Salzes getaucht und dann in die nicht-leuchtende, heiße Bunsenbrenner-Flamme gehalten. Die Salzkristalle werden in der Flamme verdampft; die Metall-Ionen werden dabei angeregt und geben Licht in einer ganz bestimmten Farbe ab – der Flammenfärbung.

Jedes Metall-Ion hat seine charakteristische Farbe: Natrium gelb, Lithium karminrot, Kalium violett, Calcium ziegelrot, Strontium karminrot, Barium fahlgrün, Kupfer blaugrün. Daher ist die Flammenfärbungsprobe ein einfacher Nachweis für bestimmte Kationen. Die Natrium-Färbung ist sehr intensiv und überdeckt schwächere Farben – im Labor benutzt man dann ein Kobaltglas, das das gelbe Natriumlicht herausfiltert.

Linienspektrum oder Regenbogen?

Schickt man das Licht einer farbig brennenden Flamme durch ein Spektroskop, sieht man kein durchgehendes Farbband, sondern einzelne, scharfe Linien auf schwarzem Hintergrund – bei genau bestimmten Wellenlängen. Eine gewöhnliche Glühlampe sendet dagegen alle Wellenlängen aus: Im Spektroskop entsteht ein lückenloser Regenbogen.

Lage und Anzahl der Linien sind für jedes Element so charakteristisch wie ein Fingerabdruck. Mit dieser Spektralanalyse kann man Stoffe noch in winzigsten Spuren nachweisen – und sogar die Zusammensetzung weit entfernter Sterne bestimmen.

Woher kommen die einzelnen Linien?

Die Elektronen eines Metall-Ions können sich nur auf ganz bestimmten Energiestufen aufhalten – nicht auf beliebigen Werten dazwischen. Die Wärme der Flamme hebt ein Elektron auf eine höhere Stufe (Anregung). Dort bleibt es nur kurz und fällt sofort zurück. Beim Rücksprung gibt es die Energie als Lichtquant ab.

Die Farbe dieses Lichts hängt vom Abstand zwischen den Energiestufen ab: großer Abstand → blaues/violettes Licht (hohe Energie, kurze Wellenlänge), kleiner Abstand → rotes Licht (niedrige Energie, lange Wellenlänge). Weil jedes Element eigene Abstände hat, sendet es seine eigenen, charakteristischen Wellenlängen aus – das ist der Grund für das Linienspektrum.

Hinweis zur Darstellung: Das gezeigte Modell ist stark vereinfacht. Reale Teilchen haben mehrere Energiestufen mit element-spezifischen Abständen; die hier gezeigten Abstände sind nur relative Größen und veranschaulichen das Prinzip.

Für Fortgeschrittene: Ionen oder Atome?

Genau genommen läuft in der Flamme ein Zwischenschritt ab: Die Hitze spaltet das Salz (Thermolyse), und aus den Metall-Ionen entstehen ungeladene Metall-Atome. Erst diese Atome werden angeregt und senden das Licht aus. Für die Deutung der Flammenfärbung genügt die Betrachtung auf Ionen-Ebene: Die Farbe ist für das jeweilige Metall dieselbe.