PRACTICA 4: ESPECTRO A LA FLAMA

Adrian Mizrain Ramrez Garca | Silvano Rodrigo Ramos Morones | Perla Gabriela Santos Navarro | Noira Odette Garca Toriz | Fernando Becerra |Julio Cesar Bueno Moya |

QUMICAPRACTICA 4: ESPECTRO A LA FLAMA

INTRODUCCIN La prctica de Espectros de la flama es un escenario de aprendizaje que ayuda a desarrollar y aplicar los conceptos de la Teora Atmica y de esta manera comprender la naturaleza de la materia.Un tomo es capaz de absorber diferentes tipos de energa, trmica y luminosa especialmente, que le conducen a una serie de estados excitados. Estos estados poseen unas energas determinadas y caractersticas de cada sustancia. Existe una tendencia a recuperar con rapidez el estado fundamental. La consecucin de "volver al equilibrio" se puede realizar a travs de choques moleculares (prdida de energa en forma de calor) o a travs de la emisin de radiacin. Puesto que los estados excitados posibles son peculiares de cada especie, tambin lo sern las radiaciones emitidas en su desactivacin. El color es un fenmeno fsico asociado a distintas longitudes de onda en la zona visible del espectro electromagntico. Su percepcin es un proceso neurofisiolgico muy complejo.Un espectro atmico de emisin est compuesto por una o varias longitudes de onda debido a que los electrones de los tomos ocupan ciertos niveles de energa, al pasar los electrones de un nivel a otro de energa inferior, emiten la diferencia en forma de radiacin y sta es registrada en el espectro como una serie de lneas.El espectro a la llama de los metales es el de emisin. Al realizar un ensayo a la llama, ciertos elementos imparten un color caracterstico, dicha coloracin es causada por un cambio en los niveles de energa de algunos electrones.Al absorber energa (calentando) el tomo, los electrones suben a niveles de energa superiores, pero existe una tendencia a recuperar el estado fundamental emitiendo radiacin caracterstica de cada elemento. Si dicha radiacin est en el rango del visible se observan colores caractersticos. Estas llamas coloreadas permiten detectar cualitativamente elementos en mezclas.

ANTECEDENTES.

La espectroscopia surgi con el estudio de la interaccin entre la radiacin y la materia como funcin de la longitud de onda (). En un principio se refera al uso de la luz visible dispersada segn su longitud de onda, por ejemplo por un prisma. Ms tarde el concepto se ampli enormemente para comprender cualquier medida en funcin de la longitud de onda o de la frecuencia.

Por tanto, la espectroscopia puede referirse a interacciones con partculas de radiacin o a una respuesta a un campo alternante o frecuencia variante (). Una extensin adicional del alcance de la definicin aadi la energa (E) como variable, al establecerse la relacin E=h para los fotones. Un grfico de la respuesta como funcin de la longitud de onda (o ms comnmente la frecuencia) se conoce como espectro. La espectrometra es la tcnica espectroscpica para tasar la concentracin o la cantidad de especies determinadas. En estos casos, el instrumento que realiza tales medidas es un espectrmetro o espectrgrafo.

Mtodos espectromtricos

Segn la naturaleza de la excitacin medida:

Electromagntica. Interacciones de la materia con radiacin electromagntica como la luz. De electrones. Interacciones con haces de electrones. De masa. Interaccin de especies cargadas con campos magnticos y/o elctricos, dando lugar a un espectro de masas. Acstica. Frecuencia de sonido. Dielctrica. Frecuencia de un campo elctrico externo. Mecnica. Frecuencia de un estrs mecnico externo, por ejemplo una torsin aplicada a un trozo de material.

Segn el proceso de medida

La mayora de los mtodos espectroscpicos se diferencian en atmicos o moleculares segn si se aplican a tomos o molculas. Junto con esta diferencia, se pueden distinguir los siguientes tipos de espectrometra segn la naturaleza de su interaccin:

De absorcin.

Usa el rango de los espectros electromagnticos en los cuales una sustancia absorbe. Incluye la espectrometra de absorcin atmica y varias tcnicas moleculares, como la espectrometra infrarroja y la resonancia magntica nuclear (RMN).

De emisin.

Usa el rango de espectros electromagnticos en los cuales una sustancia irradia (emite). La sustancia primero debe absorber la energa. Esta energa puede ser de una variedad de fuentes, que determina el nombre de la emisin subsiguiente, como la luminescencia.

De dispersin.

Mide la cantidad de luz que una sustancia dispersa en ciertas longitudes de onda, ngulos de incidencia y ngulos de polarizacin. El proceso de dispersin es mucho ms rpido que el proceso de absorcin/emisin. Una de las aplicaciones ms tiles es la espectroscopia Raman.

Espectrgrafos

Esquema de un espectrmetro de rejilla

Un espectrgrafo es un instrumento que transforma una forma de onda de dominio temporal entrante en un espectro de frecuencia, o generalmente en una secuencia de tales espectros. Hay varias clases de mquinas a las que se llama espectrgrafos, segn la naturaleza precisa de las ondas.

Existen diferentes tipos de espectrometra como son:

Espectrometra de absorcin, de fluorescencia, de rayos X, de emisin de plasma, de chispa o arco, visible, ultravioleta, infrarroja, raman, de resonancia magntica nuclear (rmn), de fotoemisin, mssbauer y otros.

El tipo que se realiza en esta prctica es la espectrometra de llama.

Las muestras de solucin lquidas son aspiradas en un quemador o una combinacin de nebulizador/quemador, desolvatadas, atomizadas, y a veces excitadas a un estado electrnico de energa ms alta. El uso de una llama durante el anlisis requiere combustible y oxidante, tpicamente en forma de gases. Los gases combustibles comunes que se usan son el acetileno (etino) o el hidrgeno. Los gases de oxidante suelen ser el oxgeno, el aire, o el xido nitroso. Estos mtodos son a menudo capaces de analizar elementos metlicos en partes por milln, billones, o posiblemente rangos ms bajos de concentracin. Son necesarios detectores de luz para detectar la luz con informacin que viene de la llama.

El anlisis a la llama es uno de los primeros ensayos que se hacen sobre una sustancia. Los nicos elementos que no dan color a la llama son el Berilio y el Magnesio. Ya en 1659, Johann Glauber observ que el color de la llama indica qu metales estn presentes.A Bunsen y Kirchhoff (cientficos alemanes del siglo XIX) mientras observaban, desde unos 80 km de distancia, un incendio en el puerto de Hamburgo, se les ocurri hacer pasar por un prisma la luz que vena del incendio. Vieron una luz amarilla intensa como la que haban observado al quemar sodio. Pronto encontraron una explicacin: lo que estaba ardiendo era un almacn de salazones. Si era posible deducir la presencia de sodio a distancia observando la luz de las llamas, tambin sera posible deducir la composicin del Sol y de las estrellas simplemente analizando la luz que recibimos de ellas.Algunos metales como el potasio y el estroncio se emplean en dar color a los fuegos artificiales. Los fuegos artificiales fueron monocromos hasta el siglo XIX, ya que se utilizaba el sodio casi en exclusiva. Se necesitaron determinados adelantos qumicos para introducir los colores vivos. As, la introduccin del color rojo se encuentra estrechamente ligada a la historia del descubrimiento de los elementos qumicos, concretamente del estroncio, que es, an en la actualidad uno de los componentes bsicos en la fabricacin de los fuegos.

JUSTIFICACINEl estudio experimental de los espectros tiene una utilidad prctica y terica ya que sirve para identificar las radiaciones caractersticas de cada elemento qumico convenientemente excitado. La presencia de tales radiaciones es independiente de que el elemento est solo, mezclado, o combinado con otros elementos; sus rayas espectrales son siempre las mismas y ningn otro elemento las puede emitir.Adems la espectroscopia proporciona la mayor parte de la informacin sobre los niveles energticos en tomos y molculas. Estos niveles corresponden a los posibles estados de distribucin de los electrones en la corteza atmica. Esta informacin se obtiene mediante el estudio de la absorcin y emisin de radiacin electromagntica por parte de la materia.

OBJETIVOS DE LA PRCTICA.1. Reconocer la presencia de determinados metales por el color que aparece al exponer sus compuestos a la llama de un mechero.2. Producir fuegos de distintos colores.3. Explicar los espectros.

MATERIALES Mechero Bunsen o camping gas Varilla de fierro Placa de porcelana.

PRODUCTOS (RADIOACTIVOS USADOS).Sales de distintos compuestos: Cloruro de Potasio Cloruro Cprico Cloruro de sodio Cloruro de Cobalto Cloruro de Estroncio Cloruro de Bario

METODOLOGA: La tcnica utilizada para el experimento de Espectros a la Flama fue la observacin simple de diferentes sales al contacto de la flama. El procedimiento de la prctica se realiz de la siguiente manera:1.- Se prepar el mechero2. Se preparan las sales en la placa de porcelana3.- Se limpia el asa de la varilla de fierro.4.- Se introduce la varilla en una muestra del primer compuesto: cloruro de potasio y se dirige hacia la llama de un mechero Bunsen. 5. Se observa y registra la coloracin caracterstica del elemento utilizado, es decir las radiaciones de cada compuesto.6.- Posteriormente se limpia con cido clorhdrico la varilla y se sigue el mismo procedimiento con los dems sales de distintos compuestos.

RESULTADOSAl trmino del desarrollo de la prctica de la exposicin de las sales al contacto de la flama arrojo los siguientes resultados:

1. Con el Cloruro de Potasio 2. Con el Cloruro Cprico Se obtuvo el Color: morado (en la parte baja) el Color: Verde azulado

3. Con Cloruro de sodio 4. Con Cloruro de cobaltoEl color: Rosa El color: naranja con chispas

5. Con el Cloruro de estroncio 6. Con el Cloruro de bario El color: Naranja rojizo el color: amarillo y desprendi una bola de fuego

ANLISIS DE LOS RESULTADOS.

Los reactivos que utilizamos eran cloruros, los cuales son un componente neutro, estos compuestos pueden ser alterados debido a la contaminacin o grado de impureza que pueden tener La llama de butano, adems de su efecto calorfico y luminoso, acta como reactivo qumico sobre las sales voltiles de algunos compuestos, dando lugar a una coloracin caracterstica que sirve para identificar la presencia de algunos tipos de elementos.

Aqu juega un papel muy importante la combustin, puesto que si se lleva a cabo con exceso de aire se produce una llama oxidante que har que los componentes del combustible ardan totalmente, por lo que resultara incolora, y de lo contrario si se realiza con defecto de aire, por su parte es incompleta y produce una llama reductora, esta llama es poco calorfica y brillante. En esta prctica fue ms recomendable utilizar la llama menos calorfica para poder observar de mejor manera el espectro de emisin de los reactivos. Los tomos son capaces de absorber energa de distintas fuentes, en el caso prctico que nos ocupa, de un mechero a gas.

El color resultante, es debido a que los tomos absorben energa, pasando as a un estado sobrebreexcitado, este exceso se equilibra en forma de luz de una longitud de onda caracterstica, lo que nos deja un espectro.

El color que absorben los tomos es el mismo que refleja

La longitud de onda de la radiacin emitida depender, concretamente de la diferencia de energa entre los estados excitado y fundamental segn la frmula de Planck para las transciciones electrnicas(E= h.v)

Los reactivos que utilizamos exigan poca energa para ser excitados (presenta transiciones electrnicas poco enrgicas) esencialmente en la zona visible del espectro, es decir su luminiscencia o espectro de emisin se encontraban dentro de las longitudes de onda de la regin del visible, lo que llamamos colores

Comparativa de los colores establecidos para los metales y los que resultaron en nuestra prctica

EstablecidosEn la practicasmbolonombrecolorcolorkpotasiovioletamoradoCucobreAzul-verdosoAzul -verdosoNasodioamarillomoradoCocobaltoSrestronciorojoNaranja- rojizoBabarioVerde amarillentoamarillentoMgmagnesioBlanco intensoBlanco intenso

Nota: Una de las causas por las que el cloruro de sodio nos dio diferente color al establecido es que es una sal que fcilmente se contamina alterando el resultado.

Relacin del color con la longitud de onda y la frecuencia

nombrecolorLongitud de ondafrecuencia

potasiovioleta550nm5.454545455 x1014 hz

cobreAzul-verdoso510nm5.882352941 x1014hz

sodioamarillo580nm5.172413793 x1014hz

cobalto

estronciorojo750nm4 x1014hz

barioVerde amarillento575nm5.2117391304 x1014hz

magnesioBlanco intenso

Frmula para encontrar la frecuencia: v = C/ Potasio: v = 3x108 m/s / 5.50x10-7 m v= 5.454545455x1014 hz Cobre: v = 3x108 m/s / 5.10x10-7 m v= 5.882352941x1014hzSodio: v = 3x108 m/s / 5.80x10-7 m v= 5.172413793x1014hzCobalto: ?Estroncio: v = 3x108 m/s / 7.50x10-7 m v= 4x1014hzBario: v = 3x108 m/s / 5.75x10-7 m v= 5.2117391304x1014hzMagnesio : ?

Ordenado de mayor frecuencia

Cobre: longitud de onda 510nm frecuencia 5.882352941x1014hzPotasio: longitud de onda 550nm frecuencia5.454545455x1014 hz Bario: longitud de onda 575nm frecuencia 5.2117391304x1014hzSodio: longitud de onda 580nm frecuencia 5.172413793x1014hzEstroncio: longitud de onda 750nm frecuencia 4x1014hzCobalto: ?Magnesio : ?

Nota: como se puede observar en lo anterior entre mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa

CONCLUSIONES.En relacin al primer objetivo propuesto se reconoci la presencia de determinados metales al exponer sus compuestos a la llama de un mechero.En cuanto al segundo, se cumpli al observarse que cuando los metales o sus compuestos, se calientan fuertemente a temperaturas elevadas en una llama muy caliente, la llama adquiere colores brillantes que son caractersticos de cada metal. En cuanto al ltimo objetivo se conoce que el espectro de emisin se puede considerar nico para cada elemento, tiene una longitud de onda particular, su "huella", con lo que tenemos identificado dicho material.Adems cabe mencionar que el ensayo a la llama es rpido y fcil de ejecutar, y no requiere equipamiento alguno que no se encuentre generalmente en un laboratorio de qumica. A longitud de onda de un elemento es inversamente proporcional a la frecuencia del mismo, es decir, cuando la longitud de onda es mayor, la frecuencia es menor y viceversa.Cuando la longitud de ondas es menor, la frecuencia es mayor y el elemento tiene mucha energa y por lo contrario, cuando hay grandes longitudes de onda, el elemento tiene una frecuencia corta y poca energa.

BIBLIOGRAFIALister, Ted. (2002). Experimentos de Qumica clsica. Ed. Sntesis

Pea, Pedraza, Heriberto. Implementacin de un sistema bsico para Espectroscopia de gases atmicos Bistua: Revista de la Facultad de Ciencias Bsicas [en linea] 2004, 2 (julio - diciembre):[Fecha de consulta: 14 de septiembre de 2013] Disponible en:ISSN 0120-4211