Experimento 7.0. Espectros atómicos de iones metálicos.

28 de junio de 2000

OBJETIVOS

Objetivo experimental

Observar las propiedades espectrales en el visible de cationes metálicos para correlacionarlos con su estructura electrónica.

Tiempo requerido

Aproximadamente cuatro horas.

Conocimientos necesarios

Manejo del mechero de Bunsen. Espectro electromagnético en el Visible. Modelo atómico de Bohr. Configuración electrónica.

Antecedentes teóricos

Durante el siglo XIX se realizó el estudio de las descargas eléctricas dentro de tubos de vidrio al vacío. Los rayos producidos en el electrodo negativo recibieron el nombre de rayos catódicos, y los tubos de vidrio se llamaron tubos de rayos catódicos. Plücker (1859), Hittorf (1869) y Crookes (1886) demostraron que los rayos catódicos son desviados por campos magnéticos y eléctricos, producen sombras y mueven pequeñas masas, producen fluorescencia. También son repelidos por placas con carga negativa y atraidos por placas con carga positiva. Esta radiación de partículas cargadas negativamente recibieron el nombre de electrones.

Cuando se coloca un gas dentro de un tubo de rayos catódicos, y se aplica un voltaje, se produce una emisión de luz. Gases diferentes emiten luz de colores diferentes. En 1885, Johan Balmer observó que las frecuencias de emisión se ajustaban a una relación matemática, que dio origen posteriormente al concepto de líneas espectrales en el visible (niveles de energía), que fueron explicadas en 1900 por Max Plank mediante la energía de un oscilador (radiante o fotón). Aún cuerpos o materiales que no emiten luz, sí emiten energía radiante (radiación de cuerpo negro). Plank propuso que la radiación de cuerpo negro está asociada a cambios discretos (paquetes), no continuos, de energía, llamados cuantos, de acuerdo con la relación

DE = hn, 2hn, 3hn,...

donde h es la constante de Planck y n es la frecuencia del oscilador.

En 1913 Niels Bohr utilizó la teoría cuántica de Planck para introducir el concepto de que las emisiones y absorciones de luz del átomo de hidrógeno corresponden a cambios cuantizados de energía de los electrones dentro del átomo. El estado más bajo de energía de un electrón se denomina estado basal (p.ej., n = 1); si el electrón está en un nivel de energía más elevado (n = 2), entonces el átomo está en estado excitado.

Material necesario

2. Por equipo

Asa de cultivo 1

Botella lavadora 1

Espátula 1

Mechero de Bunsen 1

Pipetas Pasteur con bulbo 3

Vasos de precipitados de 50 ml 6

Vidrio de reloj de 5 cm 1

Soluciones

1. Por grupo

Agua destilada.

Muestras de cloruros metálicos, alcalinos, alcalinotérreos o de transición.

PROCEDIMIENTO. Verificado

Equipo de protección.

Ojos.

Anteojos de policarbonato o monogógles sin ventilación.

Protector facial de cara completa.

Piel.

Guantes de neopreno.

Ropa de algodón.

Respiratorio.

Entendido

No respire los vapores.

Precauciones especiales. Verificado

Baño de ojos disponible.

Regadera de seguridad disponible.

Extinguidor de polvo químico, CO₂ o gas halón (Tipo ABC).

Entendido

Lave abundantemente después de usar los reactivos.

TENGA UBICADO O A LA VISTA Y AL ALCANCE EL EQUIPO DE EXTINCION DE FUEGO.

Método

1. Experimento.

Con la espátula tome unos pocos cristales de cada una de los cloruros metálicos y deposítelos en sendos vasos de precipitados limpios y secos.

Encienda el mechero de Bunsen y abra la esprea para obtener una flama azul claro.

Coloque los cristales sobre el vidrio de reloj. Con el asa de cultivo tome algunos cristales, colóquelos en la flama y observe el color emitido por el plasma metálico.

Anote los resultados.

Coloque un par de gotas de agua sobre los cristales remamentes en el vidrio de reloj. Tome la solución con el asa de cultivo, coloque el asa en la flama y observe el color emitido por el plasma metálico.

Anote los resultados.

Repita el procedimiento con todas las sales metálicas disponibles.

Registro de resultados

Elabore una tabla de metal vs color de la emisión.

Elabore una tabla de los colores del espectro Visible vs n (frecuencia), l (longitud de onda) y E (energía).

ESPECTRO DISCRETO

violeta azul verde amarillo naranja rojo

ESPECTRO CONTINUO

Discusión

Desarrolle la configuración electrónica de cada uno de los metales estudiados. Si se utilizaron sales del mismo metal en diferente estado de oxidación, elabórela para cada uno de los iones estudiados.

Identifique los orbitales presentes en cada ion en estudio.

Elabore una tabla de los colores del espectro Visible vs catión metálico.

Compare su tabla de elementos metálicos con las Tablas de Elementos de la literatura (p.ej., Periódica o Cuántica).

Relacione n, l y E con el color emitido por cada catión metálico.

Estime la influencia del estado de oxidación en el incremento o disminución de la energía en los elementos en estudio.

Revise los valores de energía de ionización de cada elemento estudiado y contrástelos con la energía de la flama del mechero de Bunsen.

Referencias

Atkins, P.W. 1986. Fisicoquímica. 3a ed. Addison-Wesley. Delaware, USA.

Barrow, G.M. 1996. Physical Chemistry. 6^th ed. Mc Graw Hill Co., NY, USA.

Brown, T.L., Le May, H.E y Bursten, B.E. 1991. Chemistry The Central Science. 5^th ed. Prentice-Hall. New York, USA.

Burke, J. What´s in a Name? Connections Sci. Am. April 1996.

Levine, I.N. 1995. Physical Chemistry. 4^th ed. Mc Graw Hill Co., N.Y, USA.