Fenomeni di emissione luminosa nei metalli e loro osservazione

Funzione del riscaldamento delle sostanze

1) Quale funzione ha il riscaldamento delle sostanze?

• Perché proprio grazie all’energia fornita dalla fiamma, gli elettroni possono compiere i salti quantici e dare colore diverso alla fiamma a seconda dell’elemento che le abbiamo posto sopra.
2) Da che cosa dipende il colore assunto dalla fiamma?

• Il calore della fiamma (energia termica) sollecita gli atomi e li induce ad emettere energia sotto forma di luce di colore caratteristico. La spiegazione del fenomeno è data dalla struttura dell’atomo. L’atomo è formato da un nucleo interno, piccolissimo, che contiene i protoni (positivi) e i neutroni (neutri); intorno al nucleo si muovono gli elettroni (negativi). Gli elettroni sono disposti in 7 gusci, ciascuno corrispondente ad un determinato livello di energia potenziale. Gli elettroni si dispongono nei gusci a partire dai più interni, con bassi livelli di energia, per poi passare a quelli più esterni a maggior energia. Ogni guscio può ospitare un numero fisso di elettroni. Quando agli atomi di una sostanza viene fornita energia sufficiente, alcuni elettroni possono assorbire energia e passare da un livello interno ad uno più esterno (stato eccitato). Gli elettroni eccitati tornano immediatamente al livello di partenza, richiamati dalla forza di attrazione del nucleo; nel fare ciò essi però emettono l’energia assorbita sotto forma di radiazione luminosa.

Colore relativo al metallo

3) 3) Perché possiamo affermare che il colore osservato è relativo al metallo e non al non- metallo?

• Possiamo affermare che il colore osservato è relativo al metallo e non al non-metallo poiché solo dopo aver passato il filo di Ni-Cr nella sostanza metallica per prelevarla e dopodiché esporla al calore della fiamma, si può notare il cambiamento di colore da arancione (NiCr) a varie sfumature dipendenti dal metallo utilizzato. Infatti se non si prelevasse tramite il filo (NiCr) la sostanza prescelta, la fiamma rimarrebbe del colore prodotto da esso. Inoltre ad ogni passaggio del filo in sostanze metalliche diverse, si può notare come anche il colore della fiamma cambi, dunque esso è collegato indubbiamente al variare del metallo e non al non-metallo che è sempre lo stesso.

Oltretutto una volta immerso il filo in HCl per far sì che la sostanza metallica si stacchi dalla superficie di quest'ultimo e sottoponendolo nuovamente al calore della fiamma, essa torna ad essere arancione.

Ossidazione e riduzione dei metalli?

4) I metalli in questione vengono ossidati o ridotti?

• In chimica si dice che un elemento chimico subisce ossidazione quando subisce una sottrazione di elettroni, che si traduce nell'aumento del suo numero di ossidazione. Si dice invece che un elemento chimico subisce riduzione quando esso acquisisce uno o più elettroni. Gli elettroni degli atomi si muovono anch’essi in livelli energetici definiti (quantizzati) e per passare da un livello energetico inferiore (più vicino al nucleo) ad un livello energetico superiore (più distante dal nucleo). Ogni molecola presenta tuttavia livelli energetici diversi e caratteristici e quindi, affinché un elettrone passi da un livello ad un altro, la molecola può assorbire solo ben precise quantità di energia e quindi solo certe radiazioni luminose. Quando un elettrone, illuminato da una radiazione opportuna, assorbe energia sotto forma di un fotone e passa ad un livello energetico superiore, si dice che effettua un salto quantico (o transizione elettronica) e la molecola passa ad uno stato eccitato. Le molecole che hanno assorbito energia, e si trovano in uno stato eccitato, sono in una situazione di instabilità che le porterà a riemettere tale energia.

Fenomeno prolungato della fiamma

5) Perché il fenomeno osservato non è istantaneo ma si prolunga e si ripete ad ogni nuova esposizione alla fiamma?

• Il fenomeno osservato si prolunga e si ripete ad ogni nuova esposizione alla fiamma poiché ogni qual volta che la sostanza metallica viene sottoposta al calore di essa, in base a quale metallo sia, la fiamma cambia colore proprio per la presenza di questo. Dunque ogni volta che si sottoporrà la sostanza alla fiamma essa si colorerà proprio per la presenza del metallo. Il fenomeno non è istantaneo poiché dopo aver esposto la sostanza alla fiamma essa deve assorbire l'energia e di conseguenza gli elettroni devono effettuare i salti quantici per poi tornare al livello di partenza. Ciò si ripeterà ogni qual volta si esporrà il metallo al calore della fiamma.

Relazione con l'energia di ionizzazione

6) Esiste qualche relazione tra il fenomeno osservato ed i valori delle energie di ionizzazione dei vari elementi visualizzate nel grafico?

• Il potenziale di ionizzazione dipende dall’atomo e in particolar modo alla sua configurazione elettronica. Dal grafico si può notare che il potenziale di ionizzazione prima aumenta e poi diminuisce, e questo schema si ripete. Il potenziale di ionizzazione più alto lo ha l'elio, perché gli elettroni sono più vicini al nucleo. La relazione che sussiste tra l'energia di ionizzazione e il fenomeno spiegato dipende dalla vicinanza degli elettroni al nucleo, infatti quanto più i salti avvengono fra orbite vicine al nucleo dell'atomo, tanto maggiore è la frequenza della corrispondente radiazione; e poiché le orbite più vicine al nucleo corrispondono anche a livelli energetici maggiori, ne consegue che, per esempio, quando da un atomo parte un raggio rosso, ciò significa che il salto è avvenuto fra due orbite più lontane dal nucleo che non quando da esso parte un raggio violetto.

Osservazione con lo spettroscopio

7) Quale differenza si nota nell'osservazione con lo spettroscopio della luce bianca e delle luci colorate delle fiamme?

• La luce bianca è composta da un gran numero di radiazioni elementari, ciascuna delle quali è caratterizzata dalla frequenza. Uno spettroscopio scinde il raggio di luce bianca in queste radiazioni elementari, le quali hanno un colore diverso a seconda della loro frequenza (quelle rosse hanno una frequenza molto bassa, invece quelle violette hanno frequenza alta). La luce bianca si può notare quando le molecole delle sostanze non hanno risonanze nel visibile e quindi non viene assorbito nessun colore. La differenza che subito colpisce è che mentre lo spettro che si viene a formare nello spettroscopio osservando la luce bianca è continuo (i colori sono sfumati con gradualità), lo spettro che si forma essendo le fiamme colorate è discontinuo (i colori sono ben separati gli uni dagli altri e formano delle righe).

Lunghezza d'onda della luce solare

8) Sulla base di quanto studiato, come si spiega la lunghezza d'onda indicata dallo spettroscopio per la luce solare?

• Poiché la luce del sole in pieno giorno risulta bianca, è l'insieme di diverse radiazioni con frequenze diverse, quindi lo spettro che appare è continuo.