Cada element, quan s'aporta prou energia als seus àtoms, emet llum a un conjunt de longituds d'ona que li pertany exclusivament. Aquest fet sustenta una quantitat sorprenent de la ciència moderna: és així com es determina la composició de les estrelles sense sortir de la Terra, com es va descobrir l'heli a l'espectre del Sol dècades abans de trobar-lo al nostre propi planeta, i com es mesura actualment la contaminació per metalls a l'aigua potable i als efluents industrials.
La prova de la flama és l'aplicació més antiga i senzilla del principi. Escalfar una sal metàl·lica a la flama d'un cremador subministra energia als electrons més exteriors del metall, elevant-los a orbitals d'energia més alta. L'estat excitat és inestable, i en nanosegons l'altra vegada l'electró cau, alliberant la diferència d'energia com a fotó únic. Com que els nivells d'energia permesos d'un àtom són fixos i característics, l'energia del fotó —i per tant el color de la llum— és una signatura de l'element que l'ha produït.
En aquest laboratori escalfareu quatre substàncies no identificades successivament i identicareu cadascuna a partir del color que confereix a la flama. La prova és ràpida, no requereix gairebé cap equip i, per a un grapat de metalls, és completament concloent. També en trobareu les limitacions, que són tan instructives com els seus èxits.
Objectius educatius
Familiarització amb l'entorn del laboratori
- Identifiqueu la disposició i l'equipament del laboratori de proves a la flama, inclòs el encenedor de Bunsen i el seu control d'encesa, les posicions numerades de les substàncies, i les espàtules i les pinces utilitzades per transferir les mostres.
Ús d'equips de protecció i manipulació segura d'una flama oberta
- Porteu ulleres de seguretat i una bata de laboratori, i reconegueu els pictogrames de perill de cada pot de reactiu abans de manipular-lo.
- Compreneu per què s'introdueix una mostra a la flama amb una espàtula o amb unes pinces en lloc de fer-ho amb la mà, i per què se n'utilitza només una petita quantitat.
Execució correcta d'una prova a la flama
- Encengueu el cremador, prengueu una petita mostra de la substància i introduïu-la a la part més calenta de la flama.
- Observeu i descriviu el color produït immediatament, ja que els colors de la flama són transitoris i s'esvaeixen a mesura que la mostra es consumix.
Interpretar un color d'emissió com a evidència
- Compareix un color observat amb un conjunt de referència per identificar el metall present.
- Distinguiu una identificació segura d'una de dubtosa, i indiqueu quins parells d'elements aquest test no pot separar.
Connectar el color amb l'estructura atòmica
- La emissió de llum es produeix quan els electrons d'un àtom absorbeixen energia i passen a un nivell d'energia superior, anomenat estat excitat. Com que aquest estat és inestable, l'electró torna aviat al seu nivell d'energia original o inferior (estat fonamental). Quan l'electró cau de nou, l'excés d'energia s'allibera en forma d'un paquet de llum anomenat fotó. El color de la llum observada depèn directament de la grandària del salt energètic (la diferència d'energia entre els dos nivells). Segons la relació de Planck, l'energia del fotó emès és directament proporcional a la seva freqüència i inversament proporcional a la seva longitud d'ona. Un salt d'energia gran emet llum amb una longitud d'ona més curta (f freqüència més alta), la qual cosa produeix colors cap al final del blau i el violeta de l'espectre. Per contra, un salt d'energia petit emet llum amb una longitud d'ona més llarga (freqüència més baixa), la qual cosa produeix colors cap al final del taronja i el vermell.
Reconeixement dels límits d'un mètode qualitatiu
- Expliqueu per què la prova identifica el metall però no diu res de l'anió, i per què un emissor fort pot emmascarar un de més feble en una barreja.
Protocol
Mètode per provar la reacció d'una substància a la flama
- Encén el cremador amb el botó vermell a la base del tub.
- Preneu una mostra de pols d'una substància a provar amb l'espàtula (substàncies 1 a 4).
- Exposeu la substància a la flama del cremador.
- Agafeu una tira de magnesi amb les pinces (substància 5).
- Exposeu el filferro de magnesi a la flama del cremador.
- Apaga el foc.
- El color de la flama es troba a la taula; a la secció de resultats.
- Compareu el color de la flama amb els colors de referència, com els que es presenten a continuació.
El color que s'emet durant la combustió de certes substàncies
Blanc = Magnesi
Violeta = Iodur de potassi
Verd = Sulfat de coure
Or-taronja = Nitrat de ferro
Vermell brillant = Clorur de liti
Resultats previstos
Colors de flama esperats. La taula següent llista les cinc substàncies emmagatzemades en aquest laboratori i què ha de mostrar cadascuna en ser introduïda a la flama.
| Substància | Metall | Color esperat de la flama | Emissió principal |
|---|---|---|---|
| Clorur de liti | Li+ | vermell carmí | 670,8 nm (1,85 eV) |
| Iodur de potassi | K+ | lila pàl·lid a violeta | 766,5 / 769,9 nm (1,62 eV) |
| Sulfat de coure | Cucu2+ | de verd a verd blavós | ≈ 515 nm (2,41 eV) |
| Nitrat de ferro | Fe3+ | espurnes daurat-taronja | moltes línies estretament espaiades a través de l'espectre visible |
| Magnesi | Mg | llamp de llum blanca brillant | emisió contínua de metall cremant |
Per què una flama produeix un color. Els electrons d'un àtom només poden ocupar determinats nivells d'energia discrets. L'energia tèrmica de la flama promou un electró extern des del seu estat fonamental fins a un nivell superior; es diu llavors que l'àtom està excitat. Aquest estat persisteix només durant uns quants nanosegons abans que l'electró torni a baixar, i la diferència d'energia s'emporta en forma d'un sol fotó: ΔE = Esuperior − Ebaixar = hν = hc/λ, on h = 6,626 × 10−34 J·s, c = 2,998 × 108 m/s, ν és la freqüència i λ la longitud d'ona. Reordenat per a la quantitat realment observada: λ = hc/ΔE.
Un exemple pràctic. L'emissió característica del sodi és a 589 nm. L'energia d'un fotó d'aquests és ΔE = (6,626 × 10−34 × 2.998 × 108) / (589 × 10−9) = 3,37 × 10−19 J, que és 2,10 eV quan es divideix per 1,602 × 10−19 J/eV. Això correspon a la transició 3p → 3s de l'àtom de sodi. Com que aquest salt energètic és una propietat fixa del sodi, la longitud d'ona també és fixa, i el groc és reproduïble fins a una fracció de nanòmetre, la qual cosa és precisament el que fa que el mètode sigui analíticament útil.
Per què els colors difereixen entre els elements. Cada element té la seva pròpia disposició de nivells d'energia, determinada per la seva càrrega nuclear i per com els seus electrons es mafen entre si. Un interval més gran entre els nivells implicats proporciona un fotó més energètic i, per tant, una longitud d'ona més curta, desplaçada cap al blau; un interval més petit proporciona una longitud d'ona més llarga, desplaçada cap al vermell. L'electró extern del potassi és el menys retingut dels metalls d'aquest laboratori, de manera que produeix el fotó de menor energia a 766 nm; la transició del potassi — *error de context, mantenim copper com a coure* — la transició del coure implica un interval molt més gran i emet en el verd.
Dues substàncies que trenquen el patró. El ferro no mostra un únic color net: emet un nombre molt gran de línies estretament espaiades per tot l'espectre visible, que l'ull integra en espurnes d'un color daurat i taronja. El magnesi és diferent una altra vegada —el metall mateix crema, i la llum blanca brillant prové de l'òxid de magnesi incandescent produït, una emissió tèrmica contínua que abasta tot el rang visible en lloc d'un conjunt de línies discretes. Tots dos són identificables, però pel caràcter de la llum més que pel seu tonalitat.
Per què el sodi és un nosa. L'emissió de sodi és excepcionalment intensiva, i el sodi està present com a contaminant traça gairebé a tot arreu: en la vidreria, en la pols, a la pell. Per tant, apareix un lleuger tint groc en moltes flames tant si el sodi és la substància sotmesa a prova com si no, i pot arribar a emmascarar completament el color lila, molt més feble, del potassi. En un laboratori professional, el remei clàssic és observar la flama a través de vidre blau de cobalt, que absorbeix el groc i deixa passar el violeta.
Resum de tasques per rang de qualificació
De 9è a 10è grau
- Enfocament els elements es poden identificar pel color que donen a una flama, i les observacions s'han de registrar amb promptitud i honestedat.
- Activitats: encengueu el cremador amb seguretat i seguiu les normes de manipulació de cada substància etiquetada; proveu cada desconeguda i registreu el color observat en una taula; identifiqueu cada substància comparant-la amb els colors de referència; anoteu qualsevol cas en què el color hagi estat ambigu i digueu per què.
11è curs
- Enfocament la llum com a evidència del comportament dels electrons, i la relació entre color i energia.
- Activitats: Col·loca cada color observat en l'espectre visible i ordena els desconeguts per energia del fotó; utilitza ΔE = hc/λ per calcular l'energia del fotó per a una longitud d'ona determinada; explica per què el clorur de liti i el sulfat de liti donen una flama idèntica; explica per què pot aparèixer un to groguenc en una flama que no conté cap sal de sodi.
12è curs / Nivell universitari
- Enfocament quantificació, i els límits d'un mètode analític qualitatiu.
- Activitats: Expliqueu la natura discreta de l'emissió en termes de nivells d'energia quantitzats, i indiqueu què implicaria en canvi un espectre continu; calculeu la longitud d'ona esperada a partir d'un salt energètic determinat i compareu-la amb el color observat; expliqueu la tendència de la longitud d'ona d'emissió en el liti, el sodi i el potassi en termes de càrrega nuclear i efecte pantalla; avalueu la fiabilitat del mètode per a una barreja de dos metalls i especifiqueu quina instrumentació caldria per resoldre'ls.
Equipament de laboratori
Instruments
- Bec d'en Bunsen
- Espàtules
- Pinces
- Ulleres de seguretat
- Bta de laboratori
Productes
- Sulfat de coure (pols)
- Nitrato de ferro (cristalls)
- Clorur de liti (en pols)
- Magnesi (trossos)
- Iodur de potassi (pols)