Cada elemento, cuando sus átomos reciben suficiente energía, emite luz en un conjunto de longitudes de onda que le es exclusivo. Ese hecho sustenta una cantidad sorprendente de ciencia moderna: es así como se determina la composición de las estrellas sin salir de la Tierra, cómo se descubrió el helio en el espectro del Sol décadas antes de que fuera hallado en nuestro propio planeta, y cómo se mide hoy la contaminación por metales en el agua potable y en los efluentes industriales.
La prueba de la llama es la aplicación más antigua y sencilla del principio. Calentar una sal metálica en la llama de un mechero suministra energía a los electrones más externos del metal, elevándolos a orbitales de mayor energía. El estado excitado es inestable y, en cuestión de nanosegundos, el electrón vuelve a caer, liberando la diferencia de energía en forma de un solo fotón. Debido a que los niveles de energía permitidos de un átomo son fijos y característicos, la energía del fotón —y, por lo tanto, el color de la luz— es una firma del elemento que lo produjo.
En este laboratorio calentarás cuatro sustancias no identificadas sucesivamente e identificarás cada una por el color que imparte a la llama. La prueba es rápida, no requiere prácticamente ningún equipo y, para un puñado de metales, es completamente concluyente. También conocerás sus limitaciones, que son tan instructivas como sus éxitos.
Objetivos Educativos
Familiarización con el entorno del laboratorio
- Identifique la disposición y el equipo del laboratorio de la prueba de llama, incluido el mechero Bunsen y su control de encendido, las posiciones numeradas de las sustancias, y las espátulas y pinzas utilizadas para transferir las muestras.
Uso de equipo de protección y manejo seguro de una llama abierta
- Usa gafas de seguridad y una bata de laboratorio, y reconoce los pictogramas de peligro en cada botella de reactivo antes de manipularla.
- Comprender por qué una muestra se introduce en la llama con una espátula o con pinzas en lugar de con la mano, y por qué se utiliza solo una pequeña cantidad.
Correcta ejecución de una prueba de llama
- Enciende el mechero, toma una pequeña muestra de la sustancia e introdúcela en la parte más caliente de la llama.
- Observe y describa el color producido inmediatamente, ya que los colores de la llama son transitorios y se desvanecen a medida que se consume la muestra.
Interpretación de un color de emisión como evidencia
- Comparar un color observado con un conjunto de referencia para identificar el metal presente.
- Distinga una identificación segura de una ambigua, y señale qué pares de elementos esta prueba no puede separar.
Relación entre el color y la estructura atómica
- Explica la emisión de luz basándote en la excitación de los electrones y su retorno a niveles de energía inferiores, y relaciona el color observado con la amplitud de la banda prohibida correspondiente.
Reconocer las limitaciones de un método cualitativo
- Explica por qué la prueba identifica el metal pero no aporta información sobre el anión, y por qué un emisor fuerte puede enmascarar a uno más débil en una mezcla.
Protocolo
Método para probar la reacción de una sustancia a la llama
- Encienda el quemador usando el botón rojo en la base del tubo.
- Tome una muestra de polvo de una sustancia a ensayar con la espátula (sustancias 1 a 4).
- Exponga la sustancia a la llama del mechero.
- Coge una tira de magnesio con las pinzas (sustancia 5).
- Exponga la cinta de magnesio a la llama del quemador.
- Apaga el fogón.
- El color de la llama se encuentra en la tabla; en la sección de resultados.
- Compara el color de la llama con los colores de referencia, como los que se presentan a continuación.
El color emitido durante la combustión de ciertas sustancias
Blanco = Magnesio
Violeta = Yoduro de potasio
Verde = Sulfato de cobre
Naranja dorado = Nitrato de hierro
Rojo brillante = Cloruro de litio
Resultados esperados
Colores esperados de la llama. En la tabla siguiente se enumeran las cinco sustancias que hay en este laboratorio y lo que cada una de ellas debería mostrar al exponerse a la llama.
| Sustancia | Metal | Color previsto de la llama | Emisión principal |
|---|---|---|---|
| Cloruro de litio | Li+ | rojo carmesí | 670,8 nm (1,85 eV) |
| Yoduro de potasio | K+ | de lila pálido a violeta | 766,5 / 769,9 nm (1,62 eV) |
| Sulfato de cobre | Cu2+ | de verde a azul verdoso | ≈ 515 nm (2,41 eV) |
| Nitrato de hierro | Fe3+ | chispas de color dorado anaranjado | muchas líneas muy juntas en todo el espectro visible |
| Magnesio | Mg | un destello blanco brillante | emisión continua de metal en combustión |
Por qué una llama produce un color en absoluto. Los electrones de un átomo solo pueden ocupar determinados niveles de energía discretos. La energía térmica de la llama hace que un electrón exterior pase de su estado fundamental a un nivel superior; se dice entonces que el átomo está excitado. Ese estado persiste solo unos pocos nanosegundos antes de que el electrón vuelva a su estado inicial, y la diferencia de energía se disipa en forma de un único fotón: ΔE = Esuperior − Ebajar = hν = hc/λ, donde h = 6,626 × 10−34 J·s, c = 2,998 × 108 m/s, donde ν es la frecuencia y λ la longitud de onda. Reescribiendo la ecuación en función de la magnitud realmente observada: λ = hc/ΔE.
Un ejemplo resuelto. La emisión característica del sodio se produce a 589 nm. La energía de uno de estos fotones es ΔE = (6,626 × 10−34 × 2.998 × 108) / (589 × 10−9) = 3.37 × 10−19 J, que es 2,10 eV cuando se divide por 1,602 × 10−19 J/eV. Esto corresponde a la transición 3p → 3s del átomo de sodio. Como esa brecha de energía es una propiedad fija del sodio, la longitud de onda también es fija, y el amarillo es reproducible hasta una fracción de nanómetro, lo cual es precisamente lo que hace que el método sea analíticamente útil.
Por qué los colores difieren entre los elementos. Cada elemento tiene su propia disposición de niveles de energía, determinada por su carga nuclear y por cómo sus electrones se blindan mutuamente. Una brecha mayor entre los niveles involucrados produce un fotón más energético y, por lo tanto, una longitud de onda más corta, desplazada hacia el azul; una brecha menor produce una longitud de onda más larga, desplazada hacia el rojo. El electrón exterior del potasio es el menos retenido de los metales en este laboratorio, por lo que produce el fotón de menor energía a 766 nm; la transición del cobre implica una brecha mucho mayor y emite en el verde.
Dos sustancias que rompen el patrón. El hierro no muestra un solo color puro: emite una gran cantidad de líneas muy juntas en todo el espectro visible, que el ojo integra en chispas de color oro anaranjado. El magnesio es diferente de nuevo: el metal en sí arde, y la brillante luz blanca proviene del óxido de magnesio incandescente producido, una emisión térmica continua que abarca todo el rango visible en lugar de un conjunto de líneas discretas. Ambos son identificables, pero por el carácter de la luz en lugar de por su tono.
Por qué el sodio es una molestia. La emisión del sodio es excepcionalmente intensa, y el sodio está presente como un contaminante en trazas en casi todas partes: en la cristalería, en el polvo, en la piel. Por lo tanto, aparece un tenue tinte amarillo en muchas llamas, sea o no el sodio la sustancia bajo análisis, y este puede enmascarar por completo el color lila, mucho más débil, del potasio. En un laboratorio profesional, el remedio clásico es observar la llama a través de vidrio azul de cobalto, el cual absorbe el amarillo y deja pasar el violeta.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
- Enfoque: Los elementos se pueden identificar por el color que le dan a una llama, y las observaciones deben registrarse con prontitud y honestidad.
- Actividades enciende el quemador de forma segura y sigue las normas de manipulación de cada sustancia etiquetada; prueba cada sustancia desconocida y registra el color observado en una tabla; identifica cada sustancia comparándola con los colores de referencia; anota cualquier caso en el que el color haya sido ambiguo y explica por qué.
Undécimo grado
- Enfoque: la luz como evidencia del comportamiento de los electrones y la relación entre el color y la energía.
- Actividades coloque cada color observado en el espectro visible y clasifique los desconocidos por energía de fotones; use ΔE = hc/λ para calcular la energía del fotón para una longitud de onda dada; explique por qué el cloruro de litio y el sulfato de litio dan una llama idéntica; explique por qué puede aparecer un tinte amarillo en una llama que no contiene sal de sodio.
12.º curso / Nivel universitario
- Enfoque: cuantificación y los límites de un método analítico cualitativo.
- Actividades Explique la naturaleza discreta de la emisión en términos de niveles de energía cuantizados y establezca lo que implicaría un espectro continuo en su lugar; calcule la longitud de onda esperada a partir de una brecha energética indicada y compárela con el color observado; explique la tendencia en la longitud de onda de emisión en el litio, sodio y potasio en términos de carga nuclear y apantallamiento; evalúe la fiabilidad del método para una mezcla de dos metales y especifique qué instrumentación se requeriría para resolverlos.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Mechero de Bunsen
- Espátulas
- Pinzas
- Gafas de seguridad
- Bata de laboratorio
Productos
- Sulfato de cobre (en polvo)
- Nitrato de hierro (cristales)
- Cloruro de litio (en polvo)
- Magnesio (trozos)
- Yoduro de potasio (en polvo)