酒精灯火焰的分层奥秘：内焰与外焰颜色差异的化学原理

酒精灯的火焰呈现出明显的分层现象，通常分为内焰（焰心）和外焰（外层火焰），两者颜色差异显著（内焰偏黄、外焰偏蓝）。这种分层和颜色差异的本质是燃烧过程中不同区域的化学反应条件、温度分布以及物质状态的综合体现，其化学原理主要涉及以下几点：

酒精灯的火焰由内至外可分为三层：

• 焰心（内焰）：最内层，酒精蒸气浓度最高，但氧气供应不足。
• 中焰（还原层）：温度较高，存在部分未完全燃烧的碳颗粒。
• 外焰（氧化层）：最外层，氧气充足，燃烧最充分。

• 燃料富集但缺氧：内焰区域聚集了大量挥发的酒精蒸气（主要成分为乙醇，化学式 ( \ce{C2H5OH} )），但氧气供应不足，导致燃烧不充分。
• 碳颗粒的生成与发光：
  在缺氧条件下，乙醇发生不完全燃烧，生成碳单质（炭黑）或一氧化碳等中间产物： [ \ce{C2H5OH ->[O2不足] C（碳颗粒） + CO + H2O + 其他} ] 这些高温碳颗粒被加热至白炽状态（类似灯泡钨丝），发出黄白色可见光（黑体辐射原理）。这种发光现象称为炽热发光（incandescence），是内焰呈现黄色的直接原因。
• 温度较低：由于燃烧不充分，释放热量少，内焰温度较低（约300-500℃），进一步强化了碳颗粒的黄色发光（低温下黑体辐射波长偏长）。

• 充分氧化反应：外焰区域氧气充足，乙醇完全燃烧： [ \ce{C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O + 热量} ]
• 分子激发发光：
  高温下，反应生成的 ( \ce{CO2} )、( \ce{H2O} ) 以及空气中的 ( \ce{N2} ) 等分子被激发，电子跃迁释放能量时发出特定波长的光。其中以激发态 ( \ce{C2} )（双碳自由基）和 ( \ce{CH} )（甲基自由基）的蓝色光谱为主（波长约400-500nm），称为化学发光（chemiluminescence）。
• 高温与清洁燃烧：
  外焰温度最高（可达800-1000℃），但无固体颗粒物干扰，光线以气体分子发射的蓝光为主导。高温气体分子发射的连续光谱叠加后呈现淡蓝色（类似本生灯火焰）。

• 外焰温度 > 内焰温度：
  外焰因充分燃烧释放更多热量，温度远高于内焰（实验可用火柴梗横穿火焰验证：外焰处碳化更快）。
• 温度与颜色关联：
  • 内焰：低温 + 碳颗粒发光 → 黄光（低温炽热辐射）。
  • 外焰：高温 + 气体分子激发 → 蓝光（高温化学发光）。

• 碳颗粒的存在：
  用冷瓷片置于内焰中，可观察到黑色碳沉积（证明不完全燃烧）。
• 氧气供应对比：
  若用吹管向内焰吹入空气，内焰黄色减弱（碳颗粒被氧化），验证氧气对燃烧充分性的影响。

酒精灯火焰的颜色分层本质上是燃烧效率差异的体现：

• 内焰：缺氧导致不完全燃烧 → 碳颗粒炽热发光 → 黄色。
• 外焰：富氧条件下完全燃烧 → 激发态分子发光 → 蓝色。
  这一现象生动展示了化学反应条件（如氧化剂浓度）、产物状态（固态颗粒 vs 气态分子）和能量释放形式（炽热辐射 vs 化学发光）对宏观颜色的影响。

小知识：蜡烛火焰分层原理类似，但因含碳量更高的石蜡燃烧，其黄色内焰更显著。而氢气等纯净燃料燃烧仅见蓝色火焰（无碳颗粒生成）。