Si selezioni qui per un avviso importante
Colori "caldi" (saggi alla fiamma)
Le fiamme colorate
Quando si cucina la pasta, la prima operazione da compiere è far bollire l’acqua. Capita talvolta (o spesso, a seconda
della distrazione del cuoco) che l’acqua bollisca, esca oltre il bordo della pentola e cada sulla fiamma prodotta dal
fornello a gas. In tal caso, se l’acqua è salata, la fiamma assume immediatamente un colore giallo molto intenso, che
cessa dopo poco. Che cosa è successo? La colorazione gialla è dovuta al sodio, presente nel sale da cucina (cloruro
di sodio, NaCl). Nel sale solido, il sodio è presente sotto forma di ioni sodio (Na+), di carica elettrica
positiva (cationi); il cloro è presente sotto forma di ioni cloruro (Cl-), di carica elettrica negativa
anioni). I cationi e gli anioni sono fortemente associati gli uni agli altri, perché cariche elettriche opposte si
attraggono a causa della forza elettrostatica. Quando il sale è sciolto in acqua, invece, gli ioni positivi e negativi non
si attraggono più, perché l’acqua forma uno "schermo" (processo di solvatazione) intorno a
ciascuno di essi, e quindi gli ioni Na+ e Cl- possono praticamente muoversi liberamente nel liquido,
indipendentemente gli uni dagli altri.
Che cosa accade quando una soluzione di cloruro di sodio viene introdotta, accidentalmente o intenzionalmente, in una fiamma a
temperature quindi molto elevate? Il calore fornito dalla fiamma provoca una serie di processi, fra i quali si ha la trasformazione
degli ioni in atomi, per cui nella fiamma vengono generati atomi di sodio.
Gli atomi sono formati da un nucleo carico positivamente intorno al quale si trova, ad una certa distanza, un mantello di
elettroni in numero tale da compensare esattamente la carica positiva del nucleo: in ogni atomo di sodio sono presenti 11
elettroni.
Se la temperatura della fiamma è abbastanza alta, il calore produce un altro fenomeno: esso viene assorbito dagli atomi e
per questo gli elettroni del mantello più lontani dal nucleo se ne allontanano (eccitazione). Gli elettroni
però possono allontanarsi (o avvicinarsi, quando è possibile) al nucleo solo a salti, come se salissero o scendessero
una scala. Di conseguenza non possono rimanere, per così dire, "sospesi" fra un "gradino" e
l&rsquoaltro, ma devono risiedere su un gradino o un altro gradino a seconda della quantità di energia assorbita dall&rsquo
atomo. I gradini vengono chiamati orbitali.
Dunque affinché un elettrone possa saltare da un orbitale (gradino) più vicino al nucleo ad uno più lontano
l’atomo deve assorbire esattamente la quantità di energia, che corrisponde alla "distanza" tra i due
gradini. Tuttavia, dopo questi salti elettronici gli atomi tendono a restituire l’energia assorbita lasciando che
l&rsquoelettrone ritorni all’orbitale (gradino) di partenza (rilassamento). Anche in questo caso, l’energia
restituita da ogni atomo corrisponde alla "distanza" tra i due gradini e quindi avrà un valore ben definito e
viene quindi rilasciata come un "pacchetto" (quanto di energia). Uno dei modi in cui l’energia viene
liberata nel corso del rilassamento è l’emissione di radiazione elettromagnetica, cioè di luce. Questo
processo si chiama emissione atomica. In funzione dell’energia restituita dagli atomi durante il rilassamento, la luce
emessa avrà ’colori’ diversi a seconda del tipo di atomi.
| Litio e Stronzio | rosso cardinale e rosso brillante |
| Sodio | giallo-arancio |
| Bario | verde |
| Rame | blu-verde |
Per il sodio la luce emessa è gialla, per altri elementi può essere rossa, verde o blu per altri ancora la
"luce" può essere invisibile all’occhio umano. Che cosa è accaduto allora nella fiamma del fornello
a gas sulla quale il cuoco disattento ha lasciato cadere acqua salata? È successo che gli atomi di sodio formatisi nella
fiamma sono stati eccitati dall’energia termica fornita dalla fiamma stessa e poi hanno restituito questa energia sotto forma
di luce gialla.
La pirotecnia
Il fenomeno dell’emissione della luce nelle fiamme è alla base della pirotecnia, ovvero l’arte del fuoco. Nei
fuochi di artificio, l’energia termica necessaria a formare atomi e poi ad eccitarli in modo che possano emettere luce
colorata durante il rilassamento è fornita dalla combustione della polvere pirica. La polvere pirica e la pirotecnia hanno
origini antiche e spesso avvolte nella leggenda. Secondo le prime testimonianze scritte, la polvere pirica era già nota in
Cina attorno al 1000 d.C., ma probabilmente era diffusa nella regione già da tempo. Nel XIII secolo fu introdotta in Europa,
probabilmente dagli arabi.
Dal punto di vista chimico la combustione della polvere pirica è un altro esempio di ossidazione, in cui un
combustibile (la sostanza che brucia) e un comburente (la sostanza che determina la combustione, ovvero
l’agente ossidante) reagiscono tra loro. A differenza di combustioni come quelle della benzina in un motore, della carta, del
legno, dello zucchero, in cui il comburente è l’ossigeno dell’aria, nella polvere pirica si impiegano agenti
ossidanti solidi piuttosto energici, che fanno parte della miscela stessa. In questo modo la reazione evolve velocemente, in modo
esplosivo, liberando molta energia sotto forma di calore.
Nei fuochi d'artificio la polvere pirica è mescolata con composti che contengono elementi metallici come litio, sodio,
calcio, stronzio, bario, rame (sostanzialmente gli stessi riportati nella tabella precedente). L’energia liberata dalla
combustione della polvere pirica decompone questi composti, produce gli atomi degli elementi metallici e li eccita. I colori
suggestivi e spettacolari dei fuochi d’artificio derivano, almeno in parte, dalla luce prodotta dal fenomeno di emissione atomica,
descritto prima. A questo si affianca il fenomeno dell’incandescenza, cioè l’emissione di luce dovuta al
forte riscaldamento di solidi (come nelle lampadine a filamento). Per esempio, il magnesio brucia nella fiamma e forma un composto
con l’ossigeno (ossdido di magnesio, MgO). L’ossido di magnesio rimane solido, sotto forma di particelle solide, anche
nelle fiamme dei fuochi d’artificio (infatti fonde a temperatura molto alta, circa 2800 °C). A causa del forte
riscaldamento queste particelle solide diventano incandescenti ed emettono un’intensa luce bianca. Per questo il magnesio
è impiegato in pirotecnia per la produzione di lampi bianchi.
Cosa vediamo oggi
Nell’esperimento proposto verranno mostrate fiamme colorate prodotte in modo molto semplice, riscaldando direttamente nella
fiamma di un bruciatore sali di sodio, rame e altri metalli. Inoltre, una piccola e vivace sorpresa colorata…
Avviso importante
Questa scheda è puramente illustrativa. L’Università di Padova avverte che essa
non deve essere usata come fonte di informazioni per eseguire o far eseguire gli esperimenti descritti.
Chiunque utilizzi le informazioni contenute nella scheda per questo o qualunque altro scopo lo fa
sotto la propria, piena ed esclusiva responsabilità. L’Università di Padova non
risponde di eventuali errori ed omissioni nelle informazioni riportate nella scheda né di
alcuna conseguenza derivante da qualunque tipo di uso di tali informazioni.
Torna all'inizio
segnala questo sito ad un amico