硫燃烧的颜色

作者涂华民(河北师范大学化学与材料科学学院 石家庄 050024)

正交硫的熔点为386 K左右，燃点505.35 K，沸点为717.6 K左右。在加热作用下液化、气化，相对低温的硫蒸气中存在多种硫的同素异形体，不同硫分子呈现的颜色分别为：

S₂(g)蓝紫色，S₃(g)腥红色，S₄(g)无色，S₆(g)红棕色或橙红色，S₇黄色，S₈(g)橙色或黄色，S₉正黄色，S₁₀淡黄绿色，S₁₂淡黄色，S₁₄黄色，S₁₈柠檬黄色，S₂₀淡黄色，S_x黄色。

在S₈、S₇、S₆……分子的基态稳定构型中，其分子链中最弱分子链首先被电子碰撞离解后，均可生成小于S₅的分子碎片。在继续解离这些小于S₅的分子碎片过程中，所需离解能最大的过程是将S₂分子离解成2个硫原子的过程，其离解能为4.46eV；其次是S₃分子被离解成S₂分子和S原子的过程，其离解能为2.18 eV(568.7nm，黄绿)。

硫燃烧时的温度超过了1073 K，因此燃烧的是硫蒸气。把一种气体加热到一定高温就可以导致气体的热电离，由火焰产生离子就是一种化学电离。

由于在1073 K以上温度时，S₂分子占硫蒸气物质的量分数的92%以上，而S₂是一种极不稳定的分子，在低密度等离子体(主要为电子)的作用下，S₂从基态X³∑_g^- 激发到B₃Σ_u^-激发态，吸收谱带位于300~600 nm的蓝绿光波段。

S₂分子的电子光谱中除里德伯带系外，只有1个强度足够大的进行式带系(从一个电子态的某一振动能级到另一个电子态所有的振动能级跃迁产生的所有谱带)，S₂对可见光的吸收为草黄色或蓝色。

硫在空气和氧气中燃烧

硫蒸气中的次要成分为S₃ (>950 K)，也可能存在S₃分子在高温下跃迁到激发态，然后离解为S₂分子的B₃Σ_u^-激发态和基态S原子。S₃(¹A₁)→S₂(X³∑_g^-) S(³P_g)，激发能1.92 eV，补色为蓝绿色；三重态的第３激发能2.39 eV，补色为紫红色。

考虑到S₂分子是在含硫的火焰或者在硫的电离过程中形成的，硫在空气中燃烧，由于氧气只占21%左右，温度不很高，燃烧也可能不十分完全，反应较为温和，所以火焰颜色为淡蓝色。

硫在氧气中燃烧，反应剧烈，放出能量多，有利于S₂、S₃的激发、解离，况且大能量的电子也可以把它的动能传递给氧原子，使氧处于激发态。激发单线态的氧¹Δ_g比正常的三线态³∑_g^-高0.94 eV，¹∑_g^-比³∑_g^- 高1.63 eV，退激发时发射出浅绿色或深红色的光：O e-*→ O* e-，O*→O 光。与此同时，在高温条件下，SO₂ O → SO₃的反应放射强烈的紫外线，在低温时则看不到由于SO₃生成引起的紫外线放射。以上多种因素的共同作用，导致硫在氧气中燃烧，火焰呈现明亮的蓝紫色。

影响火焰颜色的因素很多，如物质本身的性质、氧气是否充足、燃烧时温度的高低等。众所周知，燃烧是一个非常激烈的情况，火焰中有很多不稳定的物种存在，况且在很高的温度下，部分物种可能劈裂为多种自由基，就是说火焰是混合了高温气体的固体小颗粒及等离子体状态的物质，更加深入详细的机理研究，有待原位分析技术或探针取样技术的实质性突破等。

与硫的燃烧类似，甲烷、丙酮等不完全燃烧时火焰呈现黄色，在完全燃烧时火焰呈现蓝色。