Colori "caldi" (saggi alla fiamma) |
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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
dell’acqua fuoriesca 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 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 discreti, come se salissero o
scendessero una scala. Di conseguenza non possono rimanere, per così dire, "sospesi"
fra un "gradino" e l’altro, ma devono risiedere su un gradino o un altro gradino a
seconda della quantità di energia assorbita dall’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’elettrone 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 formadi luce gialla.
La pirotecnia
Il fenomeno dell’emissione della luce nelle fiamme è alla base della pirotecnia,
ovvero l’arte del fuoco. Nei fuochi d’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, sopra descritto. 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 vedremo 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.
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