炎色反応：花火を見ながら思うこと(1)

夏の風物詩である花火。私も今年、浴衣を着て花火大会に行ってきた。夜空に咲く色とりどりの花火はとてもきれいだった。そんな花火を見ながら、この色を出しているのは炎色反応によるものなんだよなぁと考えていた。こんなことを考えながら花火を見るのは理系の性だろうか・・・せっかくなのでこの際、炎色反応について調べてまとめてみた。

炎色反応とは
炎色反応とは”炎の中にある種の金属を入れると、金属元素特有の色を示す反応のことである。”(wikipediaより)
ちなみに炎色反応は英語でFlame TestやFlame Reactionと呼ばれる。
反応の原理は、次のとおりである。高温の炎の中に金属粉末や金属化合物を置くと、熱エネルギーによって金属が原子化される。そのとき、熱エネルギーによって電子が励起され、基底状態から外側の電子軌道に遷移する。励起した電子は基底状態に戻るときにエネルギーを光として放出する。この光が可視領域にあるとき、炎色反応が観察される。
さて、この原理を理解するには、高校化学の範囲を超えて、量子力学、量子化学の世界に一歩足を踏み入れる必要がある。筆者が高校生だったときは量子力学や量子化学の話も少しだけ授業か予備校で習った(当時はそれが量子力学や量子化学の世界への第一歩だと気づいていなかった)のだが、今はどうなのだろう。物理や化学が得意な高校生は知っているかも。
炎色反応の原理を理解するためには電子殻と電子軌道を理解する必要がある。次は電子殻と電子軌道について説明する。