炎色反応とは、アルカリ金属やアルカリ土類金属、銅などの金属元素を含む物質を炎の中に入れて強く熱すると、各元素特有の色を示す現象です。この反応は金属の定性分析や、花火の着色、陶芸の釉薬など、様々な分野で利用されています。高校化学で学習する重要な項目であり、大学受験でも頻出のテーマとなっています。
参考）炎色反応の覚え方は？（語呂合わせ）炎色反応一覧と原理まとめ …
炎色反応が見られる元素は限られており、発光する電磁波が赤外線や紫外線ではなく可視光である場合のみ、色のついた炎を観察できます。また、ガスバーナーの炎で容易に熱分解が起こり、ばらばらの原子になりやすいことも必須条件です。身近な例では、花火が夜空で美しい色彩を放つのも、この炎色反応の原理を利用したものです。
参考）炎色反応実験｜さとうかよこ（きらら舎）
高校化学で覚えるべき炎色反応は主に7種類の金属元素です。以下に各元素と炎の色を一覧表でまとめます。
参考）【高校化学基礎】「炎色反応とは」
| 元素名 | 元素記号 | 炎の色 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| リチウム | Li | 赤色（深紅色） |
陶芸の釉薬にも使用される炭酸リチウムが原料 |
| ナトリウム | Na | 黄色 |
食塩（塩化ナトリウム）で観察可能 |
| カリウム | K | 紫色（赤紫色） |
ミョウバンなどに含まれる |
| 銅 | Cu | 青緑色（緑色） | 銅線や10円玉で確認できる |
| カルシウム | Ca | 橙色（橙赤色） | 貝殻（炭酸カルシウム）などに含まれる |
| ストロンチウム | Sr | 紅色（深紅色） |
花火の赤色に使用される |
| バリウム | Ba | 黄緑色 | 花火の緑色を作る |
これらの元素は、塩化物などの化合物の形で炎色反応の実験に用いられます。塩化物イオンが存在すると、きれいな発色が得られやすいという特徴があります。
炎色反応の元素と色の組み合わせを覚えるために、有名な語呂合わせがあります。最も定番とされるのは「リアカー無きK村」を基本とした語呂合わせです。
参考）【炎色反応】色一覧や仕組み、具体例、操作など
完全版の語呂合わせ：
「リアカー 無き K村 動力 借りよう と するも貸してくれない。馬力 で行こう！」
この語呂合わせの構成は以下の通りです。
この語呂合わせを使うことで、元素記号と炎の色をセットで記憶できます。他にも「リーナカスストバリ」など様々なバリエーションがありますので、自分が覚えやすいものを選ぶと良いでしょう。
参考）【語呂合わせ】炎色反応の覚え方とリアカー無きk村以外補完 -…
炎色反応が起こる仕組みは、原子レベルでの電子のエネルギー変化によって説明できます。高温の炎の中に金属化合物を置くと、熱エネルギーによって解離し原子化（バラバラの原子）されます。
参考）https://katakago.sakura.ne.jp/chem/flame/genri.html
原子は原子核とその周りを回る電子で構成されており、電子は決まった軌道（電子殻）を回っています。原子が加熱されると、電子は熱エネルギーを吸収して、通常より外側の電子軌道に移動します。この状態を「励起状態」と呼びます。励起した電子は不安定なため、すぐに元の安定した軌道（基底状態）に戻ります。
参考）https://www.ncsm.city.nagoya.jp/cgi-bin/visit/exhibition_guide/exhibit.cgi?id=S519amp;key=%E3%81%AF
この際、電子は吸収していたエネルギーを光として放出します。内側の軌道と外側の軌道でのエネルギー差が光となって現れるのです。重要なのは、このエネルギー差が元素の種類によって決まっており、それが特定の波長（色）の光として観察されるという点です。私たちの目と脳は、この波長の違いを光の色の違いとして認識しています。
参考）炎色反応の仕組みと覚えやすいゴロ合わせ！！【理科講師直伝】｜…
陶器や食器の美しい色彩は、炎色反応と密接に関連した金属化合物の発色メカニズムによって生み出されます。陶芸の分野では、釉薬（ゆうやく）と呼ばれるガラス質の皮膜に金属酸化物を配合することで、多彩な色合いを実現しています。
参考）灰釉（はいゆう・かいゆう）とは？木灰が生む“天然ガラス釉”の…
釉薬には銅、鉄、コバルト、クロムなどの金属化合物が着色剤として使用されます。例えば、銅化合物は緑色から青色の発色をもたらし、鉄分は酸化状態によって黄褐色や青緑色に変化します。焼成時の温度や雰囲気（酸化焼成か還元焼成か）によって、同じ金属化合物でも異なる色調が引き出されるのが特徴です。
参考）https://www.aichisr.jp/content/files/seikahoukoku/2019/5S1_201904071.pdf
酸化焼成では空気が十分に供給され、釉薬中の鉄分が酸化第二鉄として安定し、黄褐色や飴色に発色します。一方、還元焼成では酸素供給を制限することで鉄分が酸化第一鉄となり、青磁のような青緑色を示します。織部釉は酸化焼成で緑色、還元焼成で赤色（辰砂）に変化し、黄瀬戸は酸化で黄色、還元で青色（青磁）になるなど、焼成方法の違いで多様な表情が生まれます。
陶器の表面に現れる発色は、粘土中に含まれる金属元素の酸化度合いによって表現されており、高温焼成時に金属酸化物が化学反応することで色や光沢感が生まれます。灰釉（はいゆう）のように、木灰に含まれるカルシウムやカリウムなどの成分が長石や陶土と融合し、天然ガラスとも言える美しい皮膜を形成する技法もあります。
備前焼のような伝統的な焼き物では、釉薬を施さずに焼成しますが、薪に含まれるカリウムと粘土が反応し、強還元雰囲気と冷却過程での表面酸化によって茶褐色などの多彩な色彩が現れます。このように「土と炎の芸術」とも称される陶芸は、金属元素の炎色反応原理と深く結びついた技術なのです。
参考）研究内容 Reserch
炎色反応は学校の理科室だけでなく、家庭のキッチンでも安全に観察できます。基本的な実験方法として、蒸発皿やアルミカップに無水エタノールまたはメタノールを入れ、そこに金属化合物を少量加えて点火する方法があります。
身近な材料としては、食塩（塩化ナトリウム）で黄色、重曹（炭酸水素ナトリウム）で黄色、ミョウバン（カリウム化合物）で紫色、銅線で緑色、貝殻（炭酸カルシウム）で橙色などが観察できます。押し入れ用の吸湿剤（塩化カルシウム）やホウ砂も炎色反応の観察に利用できます。
実験を成功させるコツとして、部屋を暗くすることで炎の色が見やすくなります。また、試料として1mol/Lの水溶液とメタノールを約1：1の比で混ぜた混合溶液を使用すると、綿自身が燃えるタイミングを調整でき、より鮮やかな発色が得られます。
参考）家庭でトライ!! キッチンで炎色反応 ： 日本化学会 化学だ…
綿棒を使った簡便な方法も開発されており、金属元素を含む試薬に市販の燃料用アルコールを混合し、綿球の大きな綿棒を用いることで炎色反応の持続時間を約20秒と長くできます。この方法なら、炎色の比較が簡単に行え、探究的な活動も可能になります。
参考）綿棒を用いた簡便な炎色反応の観察実験
注意点として、メタノールを使用する場合は引火の可能性があるため安全管理が必要です。また、点火した後にアルコールを継ぎ足さないこと、火が消えたことを確認してから片付けることなど、基本的な安全対策を守りましょう。
参考）https://kindai.repo.nii.ac.jp/record/19950/files/AN10074306-20180228-0031.pdf
炎色反応は私たちの日常生活の様々な場面で活用されています。最も身近な例が花火です。花火の美しい色彩は、高温で燃える火薬に炎色反応を示す元素成分を少量加えることで実現されています。
具体的には、赤色にはストロンチウム化合物やカルシウム化合物、黄色にはナトリウム化合物、緑色にはバリウム化合物、青色には銅化合物が使われます。他の色はこれらを混ぜて作り出します。花火では原子発光だけでなく、燃焼中に反応生成したSrCl（深紅色）、BaCl（緑色）、CuCl（青色）などの分子発光も色彩を豊かにしています。
参考）https://www.ncsm.city.nagoya.jp/exhibit_files/pdf/S519.pdf
陶芸や食器製作においても、炎色反応の原理を応用した発色技術が重要な役割を果たしています。釉薬に配合される金属化合物が高温焼成時に特有の色を発し、美しい器を生み出します。青色の折り紙に使われている銅や、ゴマに含まれているカリウムなど、微量でも炎色反応が観察できるほど敏感な反応であるため、元素の検出反応としても利用されています。
1860年にドイツのブンゼンとキルヒホッフが炎色反応と分光器を使って新元素セシウムを発見したことからも分かるように、科学的な元素分析の手法としても歴史的に重要な役割を果たしてきました。現代でも、炎色反応は定性分析の基礎技術として教育現場や研究現場で活用され続けています。
参考）https://www.ncsm.city.nagoya.jp/cgi-bin/visit/exhibition_guide/exhibit.cgi?id=S519amp;key=%E3%81%82
名古屋市科学館の炎色反応展示ページでは、炎色反応の一覧表や花火への応用について詳しく解説されており、子供から大人まで楽しく学べる内容となっています。
化学だいすきクラブの「キッチンで炎色反応」では、家庭にあるものを活用した安全な実験方法が紹介されており、自由研究のテーマとしても最適です。
教科書.comの炎色反応解説ページでは、語呂合わせや原理の詳細がイラスト付きで分かりやすくまとめられており、受験勉強にも役立ちます。
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