炎色反応とは｜元素ごとの色と波長、覚え方と分析・花火での使い道

炎色反応とは、金属元素を含む物質を炎に入れたとき、元素ごとに決まった色の光が出る現象です。炎の熱でエネルギーの高い状態に押し上げられた電子が元の状態に戻るとき、そのエネルギー差に当たる波長の光を出すため、色を見れば含まれる元素の見当がつきます。

代表的な色はリチウムの赤、ナトリウムの黄、カリウムの赤紫、銅の青緑、カルシウムの橙赤、ストロンチウムの深紅、バリウムの黄緑です。リチウム・ナトリウム・カリウムは原子そのものの光で色が決まり、カルシウム・ストロンチウム・銅は炎の中でできる小さな分子の光が色の主役になります。

後半は花火の発色剤と塩素供与剤、ナトリウムランプ、炎光光度計・原子吸光・ICP 発光分析へのつながりを扱います。

炎色反応の仕組み：励起した電子が元に戻るときに出す光

原子の電子は、原子核のまわりの決まったエネルギーの状態にしかいられません。いちばん安定した状態を基底状態といい、炎の熱を受けて電子が一段高い状態へ移ることを励起と呼びます。

励起した電子は長くとどまれず、ナトリウムの黄色を出す状態ではおよそ16ナノ秒（1億分の1.6秒）で元に戻ります。このとき受け取ったエネルギーを光として手放すので、炎に試料が入っている間は励起と発光が絶えず繰り返され、色のついた炎として見えます。

図1：励起と発光、原子の光と分子の光

電子が高い状態から戻るときの光が炎の色になり、原子なら細い線、分子なら幅のある帯として現れます。

※分子の帯の位置と幅は形を示すための模式です。元素ごとの値は表1 を見てください。

光のエネルギーは波長に反比例するので、戻るときのエネルギー差が大きいほど青や紫、小さいほど赤の光になります。原子ごとに電子の状態の並び方が違い、エネルギー差も決まっているため、出てくる光の波長も元素ごとに決まります。

1つの原子が出す光は、プリズムや分光器で分けると何本かの細い線に分かれ、これを輝線スペクトルと呼びます。1860年にはブンゼンとキルヒホッフが炎色反応と分光器を組み合わせ、それまで知られていなかった青い線からセシウムを発見しました。

ただし、炎の中で光るのは原子だけではありません。カルシウムやストロンチウム、銅は炎の中で水酸化物や塩化物の小さな分子をつくり、その分子の幅のある帯状の光が色の主な出どころになるとされます。目に見える炎の色は原子の線と分子の帯を合わせたもので、光る分子の量は炎の条件で変わります。

熱いものが温度に応じて光る温度放射とは、ここが違います。ろうそくの橙色はすすの粒の温度で決まる光ですが、炎色反応の光は元素の種類で波長が決まり、温度が変わっても色の位置は動きません。2つの光り方の違いは温度放射とルミネセンスの違いで詳しく比べています。

炎色反応を示す元素と色・波長の一覧、観察のやり方

炎色反応がはっきり見えるのは、出す光が目に見える範囲（およそ380〜780 nm）にあり、しかもガスバーナーの炎で分解して原子になりやすい元素です。主にアルカリ金属とアルカリ土類金属、それに銅などが当てはまり、鉄やアルミニウムはふつうの炎ではほとんど色がつきません。

元素	炎の色	原子の主な光の波長	炎の色を主に出しているもの
リチウム（Li）	赤	670.8 nm（赤）	Li 原子
ナトリウム（Na）	黄	589.0・589.6 nm（黄）	Na 原子
カリウム（K）	赤紫	766.5・769.9 nm（深い赤）と 404.4・404.7 nm（紫）	K 原子
セシウム（Cs）	青紫	455.5・459.3 nm（青）	Cs 原子
カルシウム（Ca）	橙赤	422.7 nm（紫）	CaOH などの分子（622 nm 付近の帯）
ストロンチウム（Sr）	深紅	460.7 nm（青）	SrCl・SrOH などの分子
バリウム（Ba）	黄緑	553.5 nm（黄緑）	Ba 原子と BaCl などの分子
銅（Cu）	青緑	324.8・327.4 nm（紫外）、可視は 510.6・515.3・521.8 nm（緑）	CuCl（青）・CuOH（緑）などの分子

図2：目に見える光の帯と各元素の原子の光

原子の線は元素ごとに決まった位置に立ち、Li・Na・K は線の色がそのまま炎の色になります。

※数字は nm。カルシウムの原子の線（423 nm）は紫ですが、炎の橙赤色は 622 nm 付近の分子の帯が主です。ストロンチウムの原子の線（461 nm）も青で、深紅色は塩化物などの分子が出します。

観察には、白金線（ニクロム線でも代わりになる）の先を小さな輪にして使います。白金はそれ自体が炎に色をつけず、塩酸にも侵されにくいので、試料を替えるたびに洗って繰り返し使えます。手順は次のとおりです。

図3：白金線を使った炎色反応の観察手順

いちばん大事なのは最初の洗浄で、ここを省くと前の試料やナトリウムの色が混ざります。

STEP 1塩酸で洗って空焼きする白金線を濃塩酸に浸してから外炎で焼く。炎に色が出なくなるまで繰り返す

STEP 2試料をつける試料の水溶液、または塩酸で湿らせた固体を線の先の輪につける

STEP 3外炎に入れる色の薄い外炎の縁に差し入れる。内側の青い部分（内炎）は温度が低く、色が出にくい

STEP 4色を見るカリウムは青いコバルトガラスを通し、ナトリウムの黄色を吸わせてから見る

STEP 5試料ごとに洗い直す次の試料の前に STEP 1 に戻る。洗っても色が残る線は替える

※濃塩酸は刺激の強い蒸気を出すので、ドラフト（局所排気装置）の中か換気のよい場所で、保護めがねを着けて扱います。

試料を塩酸で湿らせるのは、金属の塩化物は気化しやすく、炎の中で原子や分子になりやすいためです。銅のように塩化物になって初めて強く色が出る元素もあり、洗浄と同じ塩酸がここでも役に立ちます。

いちばん困るのがナトリウムの混入で、手の汗やガラス器具、ほこりに含まれるわずかな量でも黄色がはっきり出て、ほかの色を隠してしまいます。カリウムの赤紫はとくに隠されやすいため、青いコバルトガラスでナトリウムの黄色を吸収させてから観察します。

身の回りの炎色反応：花火・発炎筒とナトリウムランプ

台所でみそ汁がふきこぼれると、ガスの青い炎が一瞬黄色くなります。汁に含まれる食塩のナトリウムによる炎色反応で、塩化物でも炭酸塩でも炎の中で同じナトリウム原子になるため、化合物の種類によらず同じ黄色が出ます。

黄色が強く目立つのは、ナトリウムの光が目の感度の高い黄色の位置にあるうえ、食塩がどこにでもあるためです。金属ナトリウムを食塩からつくる工程はナトリウムの溶融塩電解（ダウンズ法）で紹介しています。

打ち上げ花火の色も炎色反応で、一般に赤はストロンチウムやカルシウムの化合物、緑はバリウム、青は銅、黄はナトリウムの化合物で出し、ほかの色はこれらを混ぜてつくります。自動車に積む発炎筒の赤い光も、主にストロンチウム化合物の発色です。

トンネルの橙色の照明として使われてきた低圧ナトリウムランプは、炎ではなく放電でナトリウムの蒸気を光らせますが、出てくるのは炎色反応と同じ 589.0・589.6 nm の光です。ほぼ1色の光で物の色は見分けにくいものの、効率は約175 lm/W と実用光源でとくに高い値です。

霧の中でも見やすいことから道路照明にも広がり、少し白っぽい高圧ナトリウムランプは天井の高い工場やスポーツ施設にも使われてきました。いまの工場照明は LED への切り替えが進んでおり、その流れは蛍光灯の2027年末製造禁止と工場のLED化でまとめています。

炎色反応の覚え方：「なぜその色か」で3つに分ける

炎色反応の色は語呂合わせで覚える方法が広く知られていますが、色を出しているのが原子か分子かで3つに分けると、理由と一緒に覚えられます。分け方は、原子1個の線で決まるもの、炎の中でできた分子が色を決めるもの、その両方が混ざるものの3つです。

図4：色の理由で分ける炎色反応の3グループ

どこから色が来るかを押さえると、例外に見える元素も理由で説明できます。

原子1個の光：Li 赤・Na 黄・K 赤紫1族のアルカリ金属。外側の電子1個が上がって戻る光で、線の色がそのまま炎の色になる原子の線

分子の光：Cu 青緑・Ca 橙赤・Sr 深紅炎の中で塩化物や水酸化物の分子をつくり、その帯の光が色を決める。原子の線は紫外や紫・青にある分子の帯

両方が混ざる：Ba 黄緑原子の 553.5 nm の黄緑に、塩化物の分子の緑の帯が重なる線＋帯

色が見えない：Be・Mg・Fe・Al など光が紫外線の側にある、または炎の温度では原子になりにくい炎色反応なし

Li 赤・Na 黄・K 赤紫：原子1個の光で色が決まる

1族のアルカリ金属は外側の電子が1個だけで、炎の熱でもその電子が簡単に上の状態へ上がります。戻るときの光がそのまま可視光の線になるので、リチウムは 670.8 nm の赤、ナトリウムは 589.0・589.6 nm の黄色の炎になります。

カリウムの強い線は目の感度が低い 766.5・769.9 nm の深い赤にあり、404 nm 付近の紫の線も出るため、淡い赤紫（資料によっては紫）に見えるとされます。3つとも色の中心は原子の線です。1族の性質の傾向はアルカリ金属の性質と反応式で整理しています。

Cu 青緑・Ca 橙赤・Sr 深紅：炎の中でできる分子が光る

この3つは、原子のいちばん強い線と炎の色が一致しません。カルシウム原子の線は 422.7 nm の紫、ストロンチウムは 460.7 nm の青ですが、炎の中では水酸化物や塩化物の分子（CaOH、SrCl・SrOH）ができ、その赤い側の帯が主に色を決めます。

カルシウムの橙色の帯が CaOH によることは、1950年代からの炎の分光の研究（Gaydon、1955年）で調べられています。

その裏づけとして、ナトリウムやカリウムを測る炎光光度計でカルシウムを測るときは、原子の 423 nm ではなく、CaOH の帯の 622 nm を使います。2族の中で色が変わる理由はアルカリ土類金属の性質の違いで、ベリリウム・マグネシウムとの比較とともに扱っています。

銅は原子の強い線が紫外線（324.8・327.4 nm）にあり、銅線だけを炎に入れても色はほとんどつきません。塩素があると塩化銅（CuCl）の分子が青く、水酸化物の CuOH が緑に光り、両方が混ざって青緑に見えます。銅の性質は典型元素と遷移元素の違いで扱っています。

この性質を逆に使うのがバイルシュタイン法で、焼いた銅線に試料をつけて炎に入れ、緑〜青の色が出ればハロゲンが含まれていると判断します。塩化ビニルなどを燃やすと有害な気体が出るため換気が欠かせず、ハロゲンを沈殿で確かめる方法はハロゲン化銀の性質と分析での使い道で紹介しています。

Ba 黄緑：原子の 553.5 nm と塩化バリウム分子の緑

バリウムは、原子のいちばん強い線の1本が 553.5 nm の黄緑にあり、そこに塩化物の分子（BaCl）の緑の帯が重なります。原子の線と分子の帯がどちらも緑の近くにあるため、黄緑という色になります。

2族を上から並べると、ベリリウムとマグネシウムは色なし、カルシウムが橙赤、ストロンチウムが深紅、バリウムが黄緑と変わります。色の理由をこの3グループで押さえておけば、語呂がなくても、花火に Sr・Ba・Cu が選ばれる理由まで一続きで説明できます。

実際の現場では：花火の発色剤と塩素供与剤

花火の色を出す星（火薬の粒）は、色のもとになる発色剤に、燃やすための酸化剤と燃料、固めるための結合剤を組み合わせてつくります。発色剤は赤がストロンチウム、緑がバリウム、青が銅の化合物で、硝酸塩や炭酸塩、酸化物などが使われます。

色を濃くする役目を担うのが塩素供与剤で、過塩素酸塩や塩素を含む有機物から炎の中に塩素を供給します。前の章で見たとおり、深紅の SrCl、緑の BaCl、青の CuCl はどれも塩化物の分子なので、塩素が足りないと狙った分子ができず、色がくすみます。

図5：花火の色ができるまで

発色剤の金属と塩素供与剤の塩素が炎の中で出会い、色を出す分子になります。

※具体的な配合や量は扱いません。煙火（花火）の製造は火薬類取締法で許可が必要です。

いちばん難しいのは青で、色のもとになる CuCl の分子をうまく炎の中に保たないと鮮やかな青になりません。白は別の仕組みで、アルミニウムなどの金属粉が酸化剤と激しく燃えて高温になり、温度放射でいろいろな波長が混ざった白い光を出します。

塩素を使うことには課題もあります。過塩素酸塩は甲状腺の働きを妨げる有害な物質で、塩化ビニルのような塩素を含む有機物は燃えるとダイオキシン類などの有害な化合物をつくりうると、ミュンヘン大学のグループは指摘しています。

同グループは2014年に、塩素を使わずヨウ化銅（CuI）を光らせて青を出す混合物を報告しました。塩素の化学はハロゲン単体の性質と工業での使い道、過塩素酸の強さは塩素のオキソ酸の酸の強さと酸化力で扱っています。

分析の現場では：炎光光度計・原子吸光・ICP 発光分析

炎色反応は目で見る定性分析ですが、光の強さを分光器で測れば、元素がどれだけ含まれるかまで分かります。ここから発展した装置は3つあり、炎で光らせて測るのは炎光光度計だけで、原子吸光は光を吸わせ、ICP 発光分析は炎の代わりにプラズマを使います。

図6：炎色反応から元素分析の装置へ

光らせ方と、光の何を測るかの違いで、得意な場面が分かれます。

炎色反応炎で光らせ、色を目で見る。元素の見当をつける定性分析

炎光光度計炎で光らせ、決まった波長の光の強さを測る。Na・K を手早く定量

原子吸光元素ごとのランプの光を炎の中の原子に吸わせ、減った量を測る。1〜数元素を確実に

ICP 発光分析アルゴンのプラズマで光らせ、多くの元素の線を同時に測る

※装置の一般的な原理と使い分けは JIS K 0121（原子吸光分析通則）・JIS K 0116（発光分光分析通則）が定めています。

炎光光度計：ナトリウム・カリウムを炎の光で測る

炎光光度計は、試料を霧にして炎に吹き込み、フィルターで選んだ波長の光の強さを測る装置です。ナトリウムの 589 nm、カリウムの 766 nm の光が濃度に応じて強くなることを使い、あらかじめ濃度の分かった標準液で引いた検量線から濃度を読みます。

血液中のナトリウム・カリウムは炎光光度法でも測れますが、日常の臨床検査ではイオン電極法が現場の方法として広く使われています。2018年のブラジルの研究（175検体）では、両方法でナトリウム・カリウムの平均値に有意な差はありませんでした。

原子吸光：炎の中の原子に光を吸わせて測る

原子吸光分析は、炎色反応とは逆向きの仕組みです。炎の中で原子にした試料に、測りたい元素と同じ元素のランプの光を通すと、原子は自分が出すのと同じ波長の光を吸うので、光が減った量から濃度が分かります。

カルシウムなら原子の 422.7 nm の光を使い、炎光光度計の 622 nm とは使う光が違います。アルカリ金属は炎の中でイオンになりやすく感度が落ちるため、別のアルカリ金属の塩を加えてイオン化を抑えるのが定石です。

ICP 発光分析：プラズマで多くの元素を同時に

ICP 発光分析（ICP-OES）は、炎の代わりに高周波で保つアルゴンのプラズマに試料を吹き込み、元素ごとの線の強さを測ります。多くの元素を同時に、mg/L から µg/L までの広い濃度範囲で測れるため、鉄鋼や銅の成分、工程水や洗浄水の管理など品質管理の現場で広く使われています。

一方で、ナトリウムなどイオン化しやすい元素がたくさん含まれると、プラズマの状態が変わってほかの元素の光の強さがずれます。標準液の濃度や添加剤をそろえ、装置を定期的に校正することが正しい値の前提で、考え方は計測器の校正周期の決め方と共通しています。

炎色反応のよくある質問

炎色反応を示さない金属はありますか？

あります。鉄やアルミニウムなどはふつうのガスバーナーの炎ではほとんど色がつかず、マグネシウムも原子の光が紫外線の側にあるため色が見えません。マグネシウムが燃えるときのまぶしい白い光は、高温の酸化マグネシウムの粒が出す温度放射で、炎色反応とは別の現象です。

なぜ白金線を使うのですか？

白金は炎で熱しても自分では色を出さず、塩酸にも侵されにくいので、洗って何度も使えるからです。学校や現場ではより安いニクロム線を使うこともあり、どちらも塩酸で洗って空焼きし、色が出ないことを確かめてから試料をつけます。

炎色反応だけで元素を確定できますか？

目で見るだけでは見当をつける段階までです。ナトリウムの黄色はごくわずかでも出てほかの色を隠し、リチウムとストロンチウムの赤のように似た色もあるため、確定には分光器で波長を確かめるか、炎光光度計や ICP 発光分析で測ります。

カリウムの炎色は紫ですか、赤紫ですか？

資料によって「紫」「淡紫」「赤紫」と書き方が分かれます。カリウムは深い赤の線と紫の線を出しますが、全体に淡い色で、ナトリウムが混ざると黄色に隠れます。コバルトガラス越しに見ると赤紫がかった色に見えるため、資料によって書き方が分かれます。

まとめ

炎色反応の色は、元素の電子の状態と、炎の中でできる分子という2つの理由で説明できます。元素の分類は金属元素と非金属元素の違い、分析を担う仕事は品質保証・品質管理とは、ほかの分析法はクロマトグラフィーの原理で解説しています。

出典

出典・参考資料（13件）を開く出典・参考資料を閉じる

• 炎色反応の仕組み・観察方法・色・波長・炎光分析：コトバンク「炎色反応」（日本大百科全書、世界大百科事典、百科事典マイペディア、化学辞典 第2版）
• 原子の光と分子の光、花火の色、銅とバイルシュタイン法、セシウムの発見：名古屋市科学館 展示解説「S519 炎色反応」
• 炎の中の分子発光（CaOH の橙色の帯）：A. G. Gaydon, Proc. R. Soc. Lond. A 231, 437（1955年）「Green and orange band spectra of CaOH, CaOD and calcium oxide」、同『The Spectroscopy of Flames』（Chapman & Hall）
• 原子の波長と遷移確率：NIST「Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data」（Li、Na、K、Cs、Ca、Sr、Ba、Cu）
• カルシウムを CaOH の 622 nm で測ること：Jenway「PFP7 Flame Photometer」取扱説明書
• 花火の青と塩素供与剤、塩素なしの青：ミュンヘン大学（LMU）化学・薬学部「Pyrotechnics: A new blue-light-emitter for fireworks」（2014年）
• ストロンチウムの用途（花火・信号炎）：USGS「Mineral Commodity Summaries 2026: Strontium」
• 煙火の製造許可：e-Gov 法令検索「火薬類取締法」
• ナトリウムランプ：コトバンク「ナトリウムランプ」（日本大百科全書、百科事典マイペディア）
• 血液中のナトリウム・カリウムの測定：日本臨床化学会「イオン電極法による血液中ナトリウム, カリウム, 塩素濃度測定の勧告法」臨床化学 22(4)（1993年）、Garcia ほか「Comparative analysis for strength serum sodium and potassium in three different methods: Flame photometry, ion-selective electrode (ISE) and colorimetric enzymatic」J Clin Lab Anal（2018年）
• ICP 発光分析とイオン化干渉：群馬県立産業技術センター「高周波誘導結合プラズマ発光分析におけるイオン化干渉の影響の確認」（2024年）
• カルシウムの原子吸光（422.7 nm）：ISO 9182（燐酸中のカルシウムの定量）
• 原子吸光のイオン化抑制：分析化学 53(3) ノート（J-STAGE）