Saggio alla fiamma

TITOLO: Saggio alla fiamma.

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.

STRUMENTI: 7 vetrini da orologio;

1 beker;

1 filo di metallo legato ad un'asticella;

Becco bunsen.

DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI

Vetrini da orologio: piccoli vetri concavi che servono per contenere piccole dosi di un elemento;

Beker: piccola caraffetta di vetro che serve per contenere gli elementi liquidi;

Becco bunsen: tubo di metallo con due fori in basso, su cui si può girare un anello pure con due fori uguali per regolare il calore della fiamma che fuoriesce dalla parte superiore del tubo metallico. La fiamma è il "prodotto2 di una reazione chimica detta combustione. In questo tipo di reazioni vi sono due reagenti: un combustibile (sostanza o miscela di sostanze) e un comburente (nella maggior parte dei casi si tratta di ossigeno). Questa reazione produce certi prodotti tra cui vi è anche il calore (nel caso del becco bunsen l'equazione della reazione è: CH₄+2O = CO₂+2H₂O+calore) e per questo è detta endotermica. A seconda, poi, della percentuale di reagenti che viene a contatto cambia il colore e il calore emesso dalla fiamma: se, nel nostro caso il metano, reagisce con un'alta quantità di ossigeno la fiamma sarà tendente all'azzurro e ugualmente calda in tutte le sue parti; se, invece, il metano reagisce con una bassa quantità di ossigeno il colore sarà tendente all'arancione-rosso e non sarà calda uniformemente in tutte le sue parti. Queste diversità si riscontrano dal fatto che, nel primo caso, il carbonio ha la possibilità di reagire quasi completamente, mentre nel secondo il carbonio non reagisce completamente e "stagna" nella parte centrale della fiamma. La fiamma, infatti, si divide in due parti: quella esterna detta "parte ossidante" e quella interna detta "parte riducente" poco ricca di ossigeno ma ricca di gas incombusti (questo è anche uno dei motivi per cui nelle auto si installa la marmitta catalittica che ha proprio la funzione di bruciare i gas incombusti che altrimenti provocherebbero un inquinamento ambientale maggiore). 

MATERIALI

PROCEDIMENTO

Sterilizzare il filo di metallo passandolo nella fiamma;

Pulire il filo di metallo nell'acido cloridrico in modo da rendere possibile la presa dell'elemento in questione;

Prelevare dal vetrino da orologio una piccola quantità (per evitare che non "bruci" completamente) di uno degli elementi con il filo inumidito;

Portare il filo nella parte ossidante della fiamma (parte esterna) e attendere che la fiamma, dopo essersi colorata, torni incolore;

Prendere nota del colore assunto dalla fiamma per ogni elemento preso in considerazione;

Sterilizzare di nuovo il filo nella fiamma;

Passare il filo nell'acido cloridrico per inumidirlo e ripetere il procedimento dal punto 3.

DATI RACCOLTI

INTRODUZIONE: La struttura elettronica degli atomi oggi considerata è il cosiddetto "modello atomico a livelli": gli elettroni di carica negativa compiono il loro movimento attorno al nucleo, che è di carica positiva contenendo protoni, disposti su diversi livelli a distanze diverse dal nucleo stesso e con precisi valori di energia (si parla di "energia quantizzata" in quanto può assumere solo determinati valori). Di questo movimento attorno al nucleo non posso determinare la traiettoria e per questo non si parla più di orbite ma di "orbitali", regioni di spazio dove ho più possibilità di trovare un elettrone. Ognuno dei 7 livelli ha un numero massimo di elettroni e vengono riempiti in modo ordinato partendo da quello più vicino al nucleo fino a quello più esterno. Ogni livello, poi, si divide in sottolivelli che possono contenere un numero massimo di elettroni (st.s:2; st.p:6; st.d:10; st.f:14). Prima si riempie il sottolivello 1s, e così, abbiamo completato il primo livello; poi il sottolivello 2s e il 2p che completano il secondo livello; poi il sottolivello 3s, il 3p, il 4s e il 3d: questo succede perché per energia 3d dovrebbe trovarsi al terzo livello ma la sua distanza dal nucleo è maggiore di quella di 4s che quindi si riempie prima facendo si che i due livelli si intersechino. In pratica si riempie prima, il primo sottolivello del livello successivo, e poi l'ultimo del livello precedente. Gli elettroni più esterni di un atomo sono detti "elettroni di valenza".

ANALISI ED INTERPRETAZIONE DEI 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.

La luce visibile dal nostro occhio ha proprio come limiti di visibilità la luce rossa e quella violetto; radiazioni con una maggiore o minore lunghezza d'onda non sono visibili dal nostro occhio se non con particolari strumenti (occhiali a raggi infrarossi). I diversi tipi di onde sono rappresentati nello "spettro elettromagnetico":

microonde, onde radio, onde TV, raggi infrarossi - luce visibile - raggi ultravioletti, raggi x, raggi g

CONCLUSIONI

Conoscendo il colore della luce emessa da ogni elemento siamo in grado di riconoscerlo anche senza poterlo analizzare da vicino. Questo è l'esempio dei pianeti: in base al colore della luce che emettono siamo ugualmente in grado di decifrare con abbastanza precisione di che elementi sono fatti pur non potendo andare di persona a prelevare un campione della sua superficie.