Saggi alla fiamma

Saggi alla fiamma

Materiale:

• Spettroscopio
• Becco bunsen
• HCl
• Filo di platino

• Elementi:

Litio (Li)

Sodio (Na)

Potassio (K)

Cesio (Cs)

Stronzio (Sr)

Bario (Ba)

Rame (Cu)

Scopo dell'esperienza: osservare le diverse colorazioni che assume la fiamma ogni qual volta che ossida un diverso elemento chimico. In base, poi, ai risultati ottenuti trarre delle conseguenze sulla conurazione elettronica dei vari atomi degli elementi presi in considerazione; in particolare:

Verificare sperimentalmente il modello atomico di Bohr.

Verificare la natura ondulatoria degli elettroni.

Cenni teorici: il saggio alla fiamma è una semplice tecnica di analisi qualitativa per verificare la presenza di ioni di metalli alcalini, alcalino-terrosi e alcuni metalli di transizione.

Si basa sull'emissione di luce di determinate frequenze da parte degli atomi di un campione, eccitati per via termica.

In pratica, una piccola quantità di campione - o di una sua soluzione in acido cloridrico - viene posta su un filo di platino e immersa nella fiamma del becco di Bunsen. L'utilizzo di HCl (acido cloridrico) permette la reazione di doppio scambio con i sali da analizzare, portando alla formazione di cloruri che si osservano meglio durante lo svolgimento della colorazione alla fiamma.

Bohr ipotizzò che non tutte le orbite che l'elettrone poteva percorrere intorno al nucleo nell'atomo di idrogeno fossero permesse. In particolare egli ipotizzò che solamente alcune orbite, con particolari valori di energia, potessero essere occupate dall'elettrone. Ogni orbita, nel modello di Bohr, veniva di conseguenza caratterizzata dal valore di un particolare numero intero che ne determinava l'energia e che venne chiamato numero quantico. Quando l'elettrone saltava da un'orbita interna a una più esterna, l'atomo poteva assorbire la radiazione il cui fotone (e quindi la cui frequenza) corrispondeva alla differenza di energia tra le due orbite. Analogamente, quando l'elettrone tornava sull'orbita di partenza, l'atomo emetteva il fotone corrispondente. Sviluppando quantitativamente queste idee, Bohr fu in grado di riprodurre teoricamente i dati spettroscopici relativi all'idrogeno. Egli, in tal modo, forniva un ulteriore solido sostegno alle innovative idee di ck e di Einstein.

Procedimento:

Intingere il filo di platino (elemento che non partecipa all'esperienza) nell'HCl e metterlo a contatto con ognuno degli elementi sopraelencati. Avvicinarlo alla fiamma del becco bunsen e osservare da un'estremità dello spettroscopio i colori che appaiono.

Note: lo spettroscopio usato non ha permesso la piena individuazione degli spettri di emissione.

Interpretazione dati raccolti Quando noi scaldiamo il filo di metallo con l'elemento, forniamo energia e gli elettroni degli atomi passano da un livello all'altro; sul livello superiore rimangono per un istante per poi tornare in quello di partenza perdendo una certa quantità di energia (livello basso - fornisco energia sotto forma di calore - livello più alto per un istante - perde energia - livello più basso). L'energia ceduta dagli elettroni è sotto forma di luce ed è pari alla differenza tra il livello più basso e quello più alto occupato progressivamente dagli elettroni.

La luce è una radiazione o onda elettromagnetica che trasporta una certa quantità di energia; le onde sono dovute a una sequenza di campi magnetici ed elettrici variabili e non hanno bisogno di un mezzo in cui proarsi poiché si proano anche nel vuoto; la luce ha velocità costante (c=300.000 Km/s nel vuoto; più denso è il mezzo in cui si proa più lente è la luce). Ha due caratteristiche fondamentali: la "lunghezza d'onda" (l, distanza tra due punti in fase dell'onda) e la "frequenza" (n, quanti cicli d'onda arrivano in un secondo al ricevente). Lunghezza d'onda e frequenza sono inversamente proporzionali, mentre l'energia trasportata è direttamente proporzionale alla frequenza (maggiore è l'energia trasportata maggiore sarà stato il salto tra i livelli). Sono proprio la diverse l e n a determinare i diversi colori di una fiamma che vanno dal rosso al violetto seguendo i colori dell'iride (rosso, arancio, giallo, verde, azzurro, indaco, violetto).

Rosso Violetto

l > l

n < n

E < E

Se un elettrone compie una grande transizione tra i due livelli occupati, cede tanta energia e quindi avrà una grande frequenza (essendo n e E direttamente proporzionali) e si avvicinerà al violetto. Se la luce è rossa, invece, la sua n è bassa quindi avrà ceduto poco energia e la transizione tra i due livelli sarà stato più piccolo.

Conclusioni:

Gli elettroni nel modello atomico di Bohr occupano orbite privilegiate cioè quelle che non causano dispersione di energia (Stato fondamentale). Quando si fornisce energia sotto forma di calore gli elettroni saltano dall'orbita che occupano verso orbite più esterne rispetto al nucleo (Stato eccitato). Quando si cessa di fornire energia si ritorna allo stato fondamentale e l'energia fornita viene dispersa sotto forma di energia luminosa. Perciò gli elettroni oltre ad avere una natura corpuscolare hanno anche una natura ondulatoria perché solo le onde sono in grado di produrre energia luminosa sotto forma di onde elettromagnetiche.

Osservazioni: