为什么镁的焰色反应无色，但燃烧时发白光？
镁的焰色反应和燃烧时发白光，这两个现象虽然都与镁有关，但其背后的原理却有所不同，也因此呈现出截然不同的视觉效果。要理解这一点，咱们得从化学反应的本质和能量的传递方式说起。
焰色反应：能量激发下的电子跃迁
首先，我们来聊聊焰色反应。这是一种非常经典的化学定性分析方法，利用的是物质在高温下发出特征性颜色的现象。简单来说，当我们在火焰中加热某些金属盐时，金属原子中的电子会吸收能量，从较低的能级跃迁到较高的能级。但这种“兴奋”的状态是不稳定的，电子会很快地回到原来的基态，并将吸收的能量以光的形式释放出来。
关键在于，这个能量差是量子化的，也就是说，电子只能跃迁到特定的能级，释放的光的能量（也就是光的波长）也是特定的。不同的金属原子，其电子能级的结构不同，因此释放出的光的波长也不同，我们看到的颜色也就不同。比如，钠会发出黄光，钾会发出淡紫色光，铜会发出绿色光等等。
那么，为什么镁在焰色反应中是无色的呢？
这主要是因为镁原子在被火焰加热时，其电子跃迁释放出的光，其波长主要集中在紫外区。人眼对可见光敏感，而紫外线是我们肉眼看不见的。这就好像一个人嗓门很大，但说的却是我们听不到的频率，别人听不到，我们也就觉得他“没声音”。
虽然镁原子确实会发生电子跃迁并发出光，但这些光对我们来说是“隐形”的。在焰色反应的实验操作中，我们往往会使用铂丝或者镍铬丝蘸取待测物质，然后置于酒精灯或本生灯的火焰中。这些火焰本身会发出一些杂色光（比如酒精灯的火焰主要是黄色，因为酒精中可能含有少量钠杂质）。如果镁的焰色反应本身颜色不明显，或者发出的光恰好在我们看不见的区域，那么在火焰的背景光下，我们就很难分辨出镁的“颜色”了。
燃烧时发白光：物质本身的剧烈氧化反应
现在，我们再来看看镁燃烧时发出的耀眼白光。这又是另一回事了。
镁的燃烧，严格来说，是镁（Mg）与空气中的氧气（O₂）发生剧烈氧化反应，生成氧化镁（MgO）的过程。这个反应的化学方程式是：
2Mg + O₂ → 2MgO
这个反应是一个放热反应，而且放出的热量非常大。当镁条在空气中被点燃时，会迅速升温，反应会越来越剧烈。
为什么这种剧烈反应会发出白光呢？
这里涉及到的发光机制和焰色反应的电子跃迁有所不同，或者说，是“黑体辐射”的效应在起主导作用，并伴随着其他发光过程。
1. 高温发光（黑体辐射）： 任何物质在足够高的温度下，都会发出可见光，这是由于物质内部粒子的热运动引起的。温度越高，粒子运动越剧烈，辐射出的电磁波的能量就越大，波长就越短。当镁燃烧时，局部温度可以达到非常高（甚至可能超过2000°C），在这个温度下，生成的氧化镁粒子和未反应的镁粒子都会发出非常强的可见光。这种发光与黑体辐射的规律非常相似，它是一个连续光谱，包含了从红到紫的各种可见光，当这些可见光以相对均匀的强度混合在一起时，我们看到的就是白光。
2. 化学发光： 镁的燃烧不仅仅是简单的加热发光，它本身也是一个化学发光的过程。在燃烧过程中，镁原子和氧原子之间发生化学键的形成，这个过程会释放大量的能量。一部分能量以热能的形式散失，但另一部分能量可以以光子的形式被直接发射出来。这种由化学反应直接产生的发光，我们称之为化学发光。
在镁燃烧的例子中，这种化学发光和高温发光可能是协同作用的。化学反应释放的能量将产物（MgO）颗粒加热到极高的温度，使其发出强烈的白光。同时，反应本身也可能产生一些激发态的粒子，它们在回到基态时也释放出光。
总结一下，为什么会有这样的差异：
焰色反应（无色）：
机制： 主要依赖于金属原子中电子的能级跃迁。
发光特点： 释放的光是离散的，对应着特定的电子跃迁能量差，即特定的波长。
镁的情况： 镁的电子跃迁释放的光谱主要在紫外区，人眼看不见。
燃烧发白光：
机制： 主要由剧烈的氧化反应产生的高温引起的黑体辐射，并可能伴有化学发光。
发光特点： 发出的光是连续光谱，包含了各种可见光，混合后呈现白色。
镁的情况： 燃烧产生极高的温度，将生成的氧化镁等物质加热到发出全可见光谱的程度。
简单类比一下：
焰色反应就像是某些音乐器（比如一种特殊的电子琴）只能发出特定的、高亢的音符，如果我们听不到这个音域的音乐，就说它“没声音”。
而燃烧发白光，就像是发生了一场盛大的烟火表演。烟火中的化学物质在剧烈燃烧时，不仅产生高温，而且会将能量以各种颜色（也就是各种波长）的光的形式释放出来，最终混合成我们看到的绚丽的白色或彩色光芒。
所以，焰色反应的“无色”是因为其发光机制在特定条件下，其光芒“藏”在了我们看不见的紫外区。而燃烧的“白光”则是因为其本质上是一种高温的、能量密集型的化学反应，将能量以可见光光谱中几乎所有颜色的组合形式释放出来，在我们眼中就成了耀眼的白光。
焰色反应：能量激发下的电子跃迁
首先，我们来聊聊焰色反应。这是一种非常经典的化学定性分析方法，利用的是物质在高温下发出特征性颜色的现象。简单来说，当我们在火焰中加热某些金属盐时，金属原子中的电子会吸收能量，从较低的能级跃迁到较高的能级。但这种“兴奋”的状态是不稳定的，电子会很快地回到原来的基态，并将吸收的能量以光的形式释放出来。
关键在于，这个能量差是量子化的，也就是说，电子只能跃迁到特定的能级，释放的光的能量（也就是光的波长）也是特定的。不同的金属原子，其电子能级的结构不同，因此释放出的光的波长也不同，我们看到的颜色也就不同。比如，钠会发出黄光，钾会发出淡紫色光，铜会发出绿色光等等。
那么，为什么镁在焰色反应中是无色的呢？
这主要是因为镁原子在被火焰加热时，其电子跃迁释放出的光，其波长主要集中在紫外区。人眼对可见光敏感，而紫外线是我们肉眼看不见的。这就好像一个人嗓门很大，但说的却是我们听不到的频率，别人听不到，我们也就觉得他“没声音”。
虽然镁原子确实会发生电子跃迁并发出光，但这些光对我们来说是“隐形”的。在焰色反应的实验操作中，我们往往会使用铂丝或者镍铬丝蘸取待测物质，然后置于酒精灯或本生灯的火焰中。这些火焰本身会发出一些杂色光（比如酒精灯的火焰主要是黄色，因为酒精中可能含有少量钠杂质）。如果镁的焰色反应本身颜色不明显，或者发出的光恰好在我们看不见的区域，那么在火焰的背景光下，我们就很难分辨出镁的“颜色”了。
燃烧时发白光：物质本身的剧烈氧化反应
现在，我们再来看看镁燃烧时发出的耀眼白光。这又是另一回事了。
镁的燃烧，严格来说，是镁（Mg）与空气中的氧气（O₂）发生剧烈氧化反应，生成氧化镁（MgO）的过程。这个反应的化学方程式是：
2Mg + O₂ → 2MgO
这个反应是一个放热反应，而且放出的热量非常大。当镁条在空气中被点燃时，会迅速升温，反应会越来越剧烈。
为什么这种剧烈反应会发出白光呢？
这里涉及到的发光机制和焰色反应的电子跃迁有所不同，或者说，是“黑体辐射”的效应在起主导作用，并伴随着其他发光过程。
1. 高温发光（黑体辐射）： 任何物质在足够高的温度下，都会发出可见光，这是由于物质内部粒子的热运动引起的。温度越高，粒子运动越剧烈，辐射出的电磁波的能量就越大，波长就越短。当镁燃烧时，局部温度可以达到非常高（甚至可能超过2000°C），在这个温度下，生成的氧化镁粒子和未反应的镁粒子都会发出非常强的可见光。这种发光与黑体辐射的规律非常相似，它是一个连续光谱，包含了从红到紫的各种可见光，当这些可见光以相对均匀的强度混合在一起时，我们看到的就是白光。
2. 化学发光： 镁的燃烧不仅仅是简单的加热发光，它本身也是一个化学发光的过程。在燃烧过程中，镁原子和氧原子之间发生化学键的形成，这个过程会释放大量的能量。一部分能量以热能的形式散失，但另一部分能量可以以光子的形式被直接发射出来。这种由化学反应直接产生的发光，我们称之为化学发光。
在镁燃烧的例子中，这种化学发光和高温发光可能是协同作用的。化学反应释放的能量将产物（MgO）颗粒加热到极高的温度，使其发出强烈的白光。同时，反应本身也可能产生一些激发态的粒子，它们在回到基态时也释放出光。
总结一下，为什么会有这样的差异：
焰色反应（无色）：
机制： 主要依赖于金属原子中电子的能级跃迁。
发光特点： 释放的光是离散的，对应着特定的电子跃迁能量差，即特定的波长。
镁的情况： 镁的电子跃迁释放的光谱主要在紫外区，人眼看不见。
燃烧发白光：
机制： 主要由剧烈的氧化反应产生的高温引起的黑体辐射，并可能伴有化学发光。
发光特点： 发出的光是连续光谱，包含了各种可见光，混合后呈现白色。
镁的情况： 燃烧产生极高的温度，将生成的氧化镁等物质加热到发出全可见光谱的程度。
简单类比一下：
焰色反应就像是某些音乐器（比如一种特殊的电子琴）只能发出特定的、高亢的音符，如果我们听不到这个音域的音乐，就说它“没声音”。
而燃烧发白光，就像是发生了一场盛大的烟火表演。烟火中的化学物质在剧烈燃烧时，不仅产生高温，而且会将能量以各种颜色（也就是各种波长）的光的形式释放出来，最终混合成我们看到的绚丽的白色或彩色光芒。
所以，焰色反应的“无色”是因为其发光机制在特定条件下，其光芒“藏”在了我们看不见的紫外区。而燃烧的“白光”则是因为其本质上是一种高温的、能量密集型的化学反应，将能量以可见光光谱中几乎所有颜色的组合形式释放出来，在我们眼中就成了耀眼的白光。
网友意见
难道不是“因为焰色反应无色所以燃烧时发白光”吗？
讲到火焰焰色应该能想到黑体辐射和电子辐射跃迁，镁焰色反应无色所以就主要讨论前者。在黑体辐射中，随着温度不同，光的颜色各不相同。而镁在空气中燃烧能到1982°C，白色很正常。
国外无机教材中有个经典的问题“烟花加镁粉有什么用？”
2Mg + O₂ ----> 2MgO
产生亮光是因为该反应会产生大量热量。当镁温度急剧升高时，它将以光的形式放出能量（这也是太阳产生光的方式）。由于它以相对相等的比例发射所有可见波长，因此光看起来是白色的。但是，燃烧镁时要小心，因为镁也会产生紫外线（UV），如果凝视时间太长，可能会伤害您的眼睛。[1]
最后一句“镁也会产生紫外线（UV）”则和焰色反应相关，常见例子AES如下图[2][3]，说镁焰色反应无色，就因为发射的光波长主要在紫外区。
As well as being used as a fuel, powdered magnesium is added to fireworks and fl ares to maximize light output. As well as the magnesium producing an intense white light, illumination is increased by the incandescence of high-temperature MgO particles that are produced in the oxidation reaction.
更多细节可以参考下面的问题：
感谢 @Phosphates 的指正，这里有个细节问题，镁单质和镁离子的电子结构不同，不能用镁离子的焰色解释镁燃烧时的颜色[4]。比如解释太阳光谱时，Fraunhofer线中和镁相关的是两条靠得很近的绿色的谱线（Fraunhofer线：处于温度较低的太阳大气中的原子对更加炽热的内核发射的连续光谱进行选择吸收的结果）。
而镁燃烧是冷白光，一个可能的解释是镁燃烧发光的主要是高温的氧化镁，类似德拉蒙德光（ Drummond light）或钙光（calcium light）[5]。
这种照明设备出现在电灯发明之前，原理用氢氧焰灼烧石灰棒，石灰加热到白炽状态时会发出强烈的光，同时涉及了热致辐射和白炽发光（incandescence）。
参考
- ^ http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=2234#:~:text=When%20the%20magnesium%20gets%20really%20hot%2C%20it%20emits,a%20relatively%20equal%20rate%2C%20the%20light%20looks%20white-ish
- ^ https://www.qasac-americas.org/files/calcium-magnesium-sodium-and-potassium-by-icp-aes.pdf
- ^ Guidelines for Chemical Analysis Determination of the Elemental Content of Environment Samples using ICP-OES
- ^ https://www.physicsforums.com/threads/why-does-magnesium-carbonate-have-no-flame-color.905904/
- ^ https://baike.baidu.com/item/石灰光/22254956?fr=aladdin
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