[個人寫作]酒類的焰色小測試－小蟑螂的土土小窩

古斯塔夫和本生(圖片引自維基共享資源).jpg

圖片：古斯塔夫與本生合照(圖片引自維基共享資源)

作者：嚴融怡

1859年，古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)與羅伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunsen)確認了金屬鹽類在火焰中加熱會釋放出的光譜可運用作為識別該元素存在的重要特徵。這便是著名的焰色反應(Flame test)。金屬或其鹽類參與燃燒時，原子核外的電子吸收一定程度能量，可從基態躍遷到較高能量的激發態，之後由激發態的電子重新回到基態時，會以特定波長的光譜線形式釋放原先所吸收的能量，從焰色反應實驗中所看到的各別火焰顏色，就是光譜譜線的顏色。分析化學也從焰色反應開始後來一系列嶄新的各類光譜的發展，其中吸收光譜的研究更讓人類得以了解宇宙各天體的能量分布情形。

簡易焰色反應(氯化鈣和硫酸銅粉末的燃燒).jpg

圖片：簡易的金屬離子焰色反應實驗(以鋁罐頂部作為燃燒匙，加入少許棉花和95%的工業用酒精，燃燒氯化鈣和硫酸銅粉末所各自呈現的磚紅色與青綠色的火焰顏色)

通過哈勃太空望遠鏡觀察到的吸收光譜(引自維基共享資源).jpg

圖片：透過哈勃太空望遠鏡所觀測的吸收光譜(圖片引自維基共享資源)

酒類的雜質焰色法測試分析是一種簡易但不精確的方法，大致在十九世紀金屬離子的焰色法被發展出來之後，也被調酒師和製酒工人所發展出來(十九世紀末到二十世紀初曾有一段可怕的假酒、雜質摻入酒盛行時期)。雜質焰色法的發展是為了試圖解決驗酒人員的嗅覺疲勞問題，但沒多久就因為不精確而被廢棄了。這是因為經常作為雜質的有機物質─它們由非金屬元素所組成。非金屬元素的原子構造不同於金屬元素，除了鹵素等少數非金屬元素，經常並沒有顯著的焰色差異反映在可見光(原子能階差不在可見光區)。而且很多不同的有機物質其實都只是碳、氫、氧的不同組合，在概念上也不同於無機化合物。不過酒精焰色分析用於分析酒類雜質的這一古老方法在晚近以來倒是又被一些網紅再度炒熱起來。事實上，在製酒業，焰色反應仍是重要的分析方式，但主要使用於金屬離子或金屬離子與有機物複合物的含量分析，而不是針對純有機雜質的分析。例如在歐洲，焰色分析仍然經常使用在葡萄酒的銅與有機物複合物的測試上，這是因為銅是紅酒管制限值的元素。但是環境當中有時來自於土壤或設施管理上的銅元素，仍有可能進入累積在葡萄當中，並進入所製造的紅酒當中。其中波爾多液(bouillie bordelaise)是一個重要的銅元素來源，波爾多液是是硫酸銅和熟石灰以不同比例配製成的藍色膠體懸浮液，這是從十九世紀開始就被廣泛使用的殺真菌劑。自十九世紀末期於法國波爾多地區的葡萄酒莊首先使用，之後逐漸推廣於其他地區並使用至今。至於有機雜質(特別是甲醇含量)的檢測分析則主要是使用氣相層析法(較為精確)以及其他簡易的測試盒(速測)等等。

Hogarths Gin Lane (created 1750–1751)(引自維基共享資源).jpg

圖片：十八世紀琴酒生產的時代(圖片引自維基共享資源)

酒的主要組成為水和乙醇，其中乙醇為主要可燃物，也是決定燃燒火焰狀態的主要成因。燃燒的白酒火焰從內到外一般呈現藍色或黃色。要以火焰的顏色判定白酒品質有沒有受到其他有機物的影響其實並不容易。因為一般白酒類的燃燒焰色仍然非常相近。但是，焰色法其實仍可使用於快速簡易的雜質偵測，一般工業酒精常會添加各類變性劑(使產品不能食用，且變性劑不能以簡易方法去除，但不影響工業燃料用途)，因此常見的變性劑包括甲醇、甲苯、異丙醇等。而這些雜質如果因為假酒製程而滲入其中，或多或少會改變燃燒的效果，像是在科技大觀園所介紹彰化師大化學系楊水平老師的『化學咻聲瓶』實驗當中，咻聲瓶的氣態醇類點火燃燒時，焰色或是燃燒型態都會受到燃燒物質的不同而有差異。使用甲醇的反應會比乙醇快，焰色為藍色；而若是使用正丙醇或異丙醇，則聲音會有些微不同，反應會較慢且更易觀察，並產生藍色或黃色的火焰。關於化學咻聲瓶的實驗，筆者在和胡適國小明仁老師討論時，我們覺得這個實驗其實還有很多有趣而可能可以改良的地方，第一個是針對燃燒的速率，第二個是針對燃燒所發出的聲響，如果將來能夠設計一個輔助的裝置能夠針對不同特定單一醇類或混合醇類的燃燒速率作定量偵測；第二個是針對燃燒所發出的聲響，如果不同醇類的燃燒能夠釋放出相對應特定的聲音頻率，則這個聲音頻率也是可以作為定量的依據；那或許咻聲瓶能夠作為另一種簡易的酒類偵測裝置，可以補助古老的焰色簡易燃燒實驗的不足。此外，由於不同酒類的酒精濃度、沸點、以及因為內含物不同所影響的揮發性仍然會對燃燒的性質有所影響，其實在調酒業界仍有某些概略的、經驗上的酒類酒精濃度表提供燃燒調酒這類技法的參考使用。

大麴酒(酒精含量58%)燃燒時的藍色火焰.jpg

圖片：簡易酒類燃燒實驗測試大麴酒，顯示純藍色的焰色。
琹酒(酒精含量40%)燃燒時的略帶粉紅色和紫色的火焰.jpg

圖片：簡易酒類燃燒實驗測試琴酒，顯示帶有粉紅、紫色雜焰的藍色火焰。

在最近的實驗當中，筆者和學生以市售的琴酒與大麴酒沾濕棉花棒做了簡易的火焰顏色比較，還是可以發現兩者火焰上所呈現不太一樣的有趣情形，琴酒比較容易有一些粉紅色的雜色火焰，而大麴酒則為較純的藍色火焰。一方面確實也和酒精濃度不同有關，另一方面應該便是酒中其他的成分物質不同所致。

在實驗過程中小朋友發現琴酒和大麴酒雖然號稱烈酒，但是以它們沾濕棉花棒點燃後卻不會讓棉花棒燒焦，不像酒精燈的燈蕊會被燒焦而逐漸變短。反而棉花棒還能夠反覆沾濕並進行燃燒試驗，這是因為酒精燃點較低，棉花棒的燃點較高，加上這些烈酒裡面其實還含有不少的水分，以大麴酒來說約含有42%的水分，琴酒更是高達60%的水分；因此燃點低的酒精先行燃燒，而當中的水分卻也同時受熱蒸發並吸收帶走傳遞到棉花的熱量，看起來火焰包覆棉花，但真正燃燒的卻只有酒精，當棉花無法吸收充足熱量達到燃點時酒精卻燒完了，因此棉花能夠繼續保有其原狀，然後反覆使用。這是個有趣的過程，其實以前也有過魔術師以鈔票沾染酒類進行類似的燃燒展示，然後鈔票在燒完後依然維持完美如初。

參考資料與延伸閱讀：

1.化學咻聲瓶─科技大觀園

https://scitechvista.nat.gov.tw/c/Pcbn.htm

2.不同濃度酒精燃燒火焰奇特大PK ─中視新聞20160430

https://www.youtube.com/watch?v=xSEO0qtSBCU

3.不同顏色的美麗火焰【EP1實驗教學】LIS實驗室

https://www.youtube.com/watch?v=VhG2gYkh-r8

4.狂歡的太陽─美國休士頓太空與科學教育協會(HASSE)台北辦公室 IVICON ASIA

https://tw.spaceschool.org/2018/02/sun-2/

5.科學實驗:火龍捲+焰色反應 -Arno Chiang

https://www.youtube.com/watch?v=hs5xeOUI50A

6.火燒白酒，火焰為純藍色的酒是酒精酒?是真是假？ ─美酒招商網