Come fare un saggio alla fiamma

Il saggio alla fiamma è un ben noto test qualitativo utilizzato in chimica per aiutare a determinare l’identità o la possibile identità di uno ione metallo o metalloide trovato in un composto ionico. Se il composto viene posto nella fiamma di un bruciatore a gas, potrebbe esserci un colore caratteristico emesso che è visibile ad occhio nudo. Non tutti gli ioni metallici danno colori alla fiamma. Pertanto, i saggi alla fiamma vengono utilizzati per identificare la presenza di un numero relativamente piccolo di ioni metallici in un composto. In questo articolo vedremo come effettuare in sicurezza un saggio alla fiamma.

Questo articolo descrive come eseguire un saggio alla fiamma per una serie di ioni metallici e illustra brevemente come si presenta il colore della fiamma. Non tutti gli ioni metallici danno colori alla fiamma. Per i composti di elementi del Gruppo 1 della tavola periodica, i test alla fiamma sono di solito il modo più semplice per identificare quale metallo hai. Per altri metalli, di solito ci sono altri metodi semplici che sono più affidabili, ma il test della fiamma può dare un suggerimento utile su dove cercare.

Fiamme colorate di stronzio, cesio, sodio e litio.

Come effettuare il test in pratica

Pulisci il filo di platino oppure di nichelcromo (una lega di nichel-cromo) immergendolo in acido cloridrico concentrato (fai molta attenzione e indossa dei guanti) e poi tenendolo su una fiamma calda di un bruciatore Bunsen e poi risciacqua con acqua distillata o deionizzata. Ripeti l’operazione fino a quando il filo non produce alcun colore nella fiamma (se c’è un’esplosione di colori, vuol dire che non l’hai pulito a sufficienza). Quando il filo è pulito, immergilo in una piccola quantità del solido o liquido da testare, in modo che un po’ si attacchi al filo. Ora riposiziona il filo sulla fiamma.

In pratica, realizza con il filo un anello che attaccherai sulla cima di una bacchetta. Se hai più anelli, utilizza un anello diverso per ogni test. L’anello pulito viene immerso in una polvere o in una soluzione di un sale ionico (di metallo). Il cappio va posizionato sempre nella parte chiara o blu della fiamma del bruciatore a gas. Nota il colore della fiamma e abbina il colore a quello fornito dalle apposite tabelle.

Esecuzione di un saggio alla fiamma

Un metodo alternativo per eseguire il saggio alla fiamma è usare delle stecche di legno. Immergi le stecche di legno in acqua distillata durante la notte. Versa l’acqua e risciacqua le stecche con acqua distillata più pulita. Fai attenzione a non contaminare le spaccature con composti del sodio, come il sudore dalle tue mani. I tamponi di cotone possono essere utilizzati inumidendo le estremità con acqua. Immergi il tampone nella sostanza da testare e posizionalo sulla fiamma del bruciatore a gas. Utilizza un tampone diverso per ogni test. Questo è un modo molto economico per fare un saggio alla fiamma.

Se il colore della fiamma è debole, è spesso utile immergere nuovamente il filo nell’acido e rimetterlo nella fiamma come per pulirlo. Ciò dovrebbe produrre un lampo di colore molto breve ma intenso. In effetti, ci sarà sempre una traccia di arancio nella fiamma se usi il nichel-cromo. Il platino è molto meglio da usare ma è di gran lunga più costoso. Se hai un pezzo particolarmente sporco di filo di nichelcromo, puoi tagliarne l’estremità. Non lo fare con il platino! L’acido cloridrico diluito può essere usato al posto dell’acido concentrato per motivi di sicurezza, ma non sempre fornisce colori di fiamma così intensi.

Il saggio va fatto ponendo il campione (a destra) su una fiamma azzurra (a sinistra). 

Nei saggi alla fiamma, gli ioni sodio possono contaminare un campione e produrre una fiamma di colore giallo che maschera il colore di altri ioni. Se viene usato un pezzo di vetro blu cobalto, il vetro blu assorbirà il colore giallo e la fiamma dell’altra sostanza potrà essere vista. Il vetro blu cobalto ha in realtà un doppio effetto: filtra la fiamma gialla causata dalla contaminazione del sodio ed espande la capacità di vedere le tonalità viola e blu (ioni di potassio) sotto la luce fluorescente.

I colori forniti nelle tabelle o nelle figure per interpretare il test alla fiamma rappresentano soltanto una guida. Quasi tutti, infatti, vedono e descrivono i colori in modo diverso. Ad esempio, viene usata più volte la parola “rosso” per descrivere colori che possono essere molto diversi tra loro. Altre persone usano parole come “carminio” o “cremisi” o “scarlatto” per descrivere meglio il colore, ma non tutti conoscono le differenze tra queste parole, in particolare se la loro prima lingua non è l’italiano.

Alcuni esempi di colori ottenuti con vari ioni metallici.

Cosa fai se hai un colore rosso fiamma per un composto sconosciuto e non sai quale dei vari rossi è? Ottieni campioni di composti noti di litio, stronzio, etc. E ripeti il ​​saggio alla fiamma, confrontando i colori prodotti da uno dei composti noti e il composto sconosciuto fianco a fianco fino a quando non avrai una buona corrispondenza. In questo modo eviterai di cadere in interpretazioni “personali” del colore osservato, in quanto si tratterà semplicemente di fare un confronto fra due colori.

Le sostanze che danno un esito positivo al saggio alla fiamma sono: acetato di sodio, cloruro di sodio, carbonato di idrogeno sodico, carbonato di sodio, cloruro di litio, cloruro di potassio, nitrato di calcio, solfato di calcio, carbonato di calcio, acido borico e cloruro di ammonio. Amido di mais, glucosio, saccarosio, solfato di magnesio daranno invece un saggio alla fiamma negativo.

Alcuni esempi di colori ottenuti con vari composti chimici.

AVVERTENZE. Utilizza sempre le necessarie tecniche di sicurezza. Indossa occhiali approvati per resistere agli spruzzi di sostanze chimiche pericolose (l’acido cloridrico lo è, tanto più quando è concentrato, e non va assolutamente toccato né con le mani né con altre parti del corpo): puoi trovare questi occhiali ad es. qui. Indossa, oltre agli occhiali adeguati per proteggere gli occhi, un paio di guanti in lattice (ad es. tipo quelli da cucina) e un grembiule chimico. Pratica il saggio alla fiamma sempre sotto la supervisione di un adulto.

L’origine dei colori nel saggio alla fiamma

Se ecciti un atomo o uno ione con un riscaldamento molto forte, gli elettroni possono essere promossi dal loro normale stato non eccitato in orbitali più alti. Quando cadono ai livelli più bassi (in una sola volta o in più passaggi), l’energia viene rilasciata sotto forma di luce. Ognuno di questi salti implica che una quantità specifica di energia venga rilasciata come energia luminosa, e ad ogni salto corrisponde a una particolare lunghezza d’onda (o frequenza) della radiazione elettromagnetica prodotta.

L’eccitazione e diseccitazione degli atomi fortemente riscaldati.

Come risultato di tutti questi salti, verrà prodotto uno spettro di linee, alcune delle quali saranno nella parte visibile dello spettro. Il colore che vedrai sarà una combinazione di tutti questi singoli colori. Nel caso degli ioni sodio (o di altri metalli), i salti comportano energie molto elevate, e ciò provoca linee che cadono nella parte ultravioletta (UV) dello spettro, che i tuoi occhi non possono vedere.

I salti che puoi vedere nei saggi alla fiamma provengono da elettroni che cadono da un livello più alto a un livello più basso negli atomi di metallo. Dunque, le transizioni di elettroni che producono linee nello spettro visibile riguardano gli atomi, non gli ioni. Perciò se, per esempio, metti su una fiamma del cloruro di sodio (il comunissimo sale da cucina) – che contiene ioni di sodio – da dove provengono gli atomi?

Nella fiamma calda, alcuni ioni sodio recuperano i loro elettroni per formare nuovamente atomi di sodio neutri. Un atomo di sodio in uno stato non eccitato ha la struttura 1s2 2s2 2p6 3s1, ma all’interno della fiamma ci saranno tutti i tipi di stati eccitati degli elettroni. Il familiare colore della fiamma giallo-arancio brillante del sodio deriva da elettroni promossi che cadono dal livello 3p1 al loro normale livello 3s1.

Origine del colore alla fiamma nel caso dell’atomo di sodio.

Le dimensioni esatte dei possibili salti in termini energetici variano, naturalmente, da un metallo all’altro. Ciò significa che ogni diverso metallo avrà un diverso modello di linee spettrali e quindi un diverso colore della fiamma, il che rende interessante e utile questo tipo di test. I colori della fiamma sono prodotti dal movimento degli elettroni negli ioni metallici presenti nei composti chimici.

Ad esempio, uno ione sodio in uno stato non eccitato ha la configurazione elettronica 1s2 2s2 2p6. Quando riscaldati, gli elettroni acquisiscono energia e possono essere eccitati in uno qualsiasi degli orbitali vuoti di energia superiore – 7s, 6p, 4d – o qualsiasi altro, a seconda della quantità di energia che un particolare elettrone sembra assorbire dalla fiamma. Poiché ora l’elettrone si trova a un livello più alto e più energicamente instabile, ricade al livello originale, ma non necessariamente in una transizione.

Cosa fare se non si ha un bruciatore Bunsen

Il saggio alla fiamma utilizza un bruciatore Bunsen, o becco Bunsen. Un bruciatore Bunsen, che prende il nome da Robert Bunsen, è un comune pezzo di attrezzatura da laboratorio (acquistabile ad es. qui) che produce una singola fiamma a gas aperto, che viene utilizzata per il riscaldamento, la sterilizzazione e la combustione. Il gas può essere gas naturale (che è al 98% circa metano) o un gas di petrolio liquefatto, come propano, butano o una miscela di entrambi in piccole bombole. Esso massimizza la temperatura e minimizza la luminosità.

Un tipico bruciatore o becco Bunsen. Ne puoi trovare diversi ad es. qui.

La maggior parte dei banchi da laboratorio sono dotati di più ugelli per gas collegati a una fonte di gas centrale, nonché ugelli per il vuoto, per l’azoto e per il vapore. Il gas quindi fluisce attraverso la base attraverso un piccolo foro nella parte inferiore della canna e viene diretto verso l’alto. Ci sono aperture aperte sul lato del fondo del tubo per ammettere l’aria nel flusso usando l’effetto Venturi e il gas brucia nella parte superiore del tubo una volta acceso da una fiamma o una scintilla. I metodi più comuni per accendere il bruciatore utilizzano un fiammifero o un accendino.

In un bruciatore Bunsen, la quantità di aria miscelata con il flusso di gas influenza la completezza della reazione di combustione. Meno aria produce una reazione incompleta e quindi più fredda, mentre un flusso di gas ben miscelato con aria fornisce ossigeno in quantità stechiometrica e quindi una reazione completa e più calda. Il flusso d’aria può essere controllato aprendo o chiudendo le aperture della fessura alla base della canna, simile nella funzione allo starter di un carburatore.

Se il collare nella parte inferiore del tubo viene regolato in modo che più aria possa mescolarsi con il gas prima della combustione, la fiamma brucerà più calda, apparendo di conseguenza di colore blu. Se i fori sono chiusi, il gas si mescolerà solo con l’aria ambiente nel punto di combustione, cioè solo dopo essere uscito dal tubo in alto. Questa miscelazione ridotta produce una reazione incompleta, producendo un giallo più freddo ma più luminoso, che viene spesso chiamato “fiamma luminosa”.

Variazione di colore di una fiamma Bunsen a seconda del flusso d’aria.

La fiamma gialla è luminosa a causa di piccole particelle di fuliggine nella fiamma, che vengono riscaldate fino all’incandescenza. La fiamma gialla è considerata “sporca” perché lascia uno strato di carbonio su qualunque cosa stia riscaldando. Quando il bruciatore è regolato per produrre una fiamma calda e blu, può essere quasi invisibile su alcuni sfondi. La parte più calda della fiamma è la punta della fiamma interna, mentre la parte più fredda è l’intera fiamma interna.

Aumentando la quantità di flusso di gas combustibile attraverso il tubo aprendo la valvola a spillo si aumenterà la dimensione della fiamma. Tuttavia, a meno che non venga regolato anche il flusso d’aria, la temperatura della fiamma diminuirà perché una maggiore quantità di gas viene ora miscelata con la stessa quantità di aria, facendo morire di fame la fiamma dell’ossigeno. La parte più calda della fiamma di Bunsen, che si trova appena sopra la punta della fiamma primaria, raggiunge circa 1.500 °C.

Ma come possiamo fare se non abbiamo un bruciatore Bunsen perché, ad esempio, vogliamo fare l’esperienza a casa? In questo caso possiamo usare il fornello del gas più piccolo della nostra cucina, ma togliendo il coperchio piatto soprastante (non il “fungo” sottostante). In questo modo avremo una fiamma calda e blu vagamente simile a quella di un bruciatore Bunsen, anche se meno sottile.

Il motivo per cui non è opportuno usare la fiamma di una candela o di altri combustibili diversi da questi fin qui citati (come ad esempio un bruciatore ad alcool) è che Il colore ci parla della temperatura di una fiamma. Il nucleo interno della fiamma di una candela, ad esempio, è di colore azzurro, con una temperatura di circa 1400 °C). Questa è la parte più calda della fiamma. Il colore all’interno della fiamma diventa giallo, arancione e infine rosso. Più si raggiunge dal centro della fiamma della candela, più bassa sarà la temperatura. La parte rossa è a circa 800 °C.

Le varie zone della fiamma di una candela.

I colori arancione, giallo e rosso in una fiamma non si riferiscono solo alla temperatura del colore. Anche le eccitazioni di gas svolgono un ruolo importante nel colore della fiamma. Uno dei principali componenti di una fiamma di candela che brucia è la fuliggine, che ha una composizione complessa e diversificata di composti del carbonio. La varietà di questi composti crea un intervallo praticamente continuo di possibili stati quantici ai quali gli elettroni possono essere eccitati.