Pruebas de llama y niveles de energía cuantizados para Química HSC

Dos soluciones salinas transparentes pueden parecer casi idénticas. Introduce en una llama azul de Bunsen un asa de alambre limpia que contenga una de ellas y puede emitir un destello amarillo intenso. Prueba la otra y quizá observes un color lila.

Antes de continuar, predice lo siguiente: si los electrones dentro de las especies metálicas pudieran tener cualquier energía, ¿esperarías unos pocos colores característicos o una distribución continua de colores?

Esperarías una distribución continua. Sin embargo, determinados iones metálicos producen colores de llama característicos. Esta observación apunta a una de las ideas más importantes de la estructura atómica: las energías de los electrones están cuantizadas.

01Por qué una llama puede revelar niveles de energía

Empecemos por lo que realmente hace la llama.

Cuando se coloca una pequeña cantidad de una sal metálica en una llama caliente, el disolvente se evapora y la sal se calienta intensamente. La energía de la llama se transfiere a las partículas formadas a partir de la sal.

Algunos electrones absorben esta energía.

Un electrón puede pasar entonces de un estado de menor energía a uno de mayor energía. A esto lo llamamos excitación.

La disposición de mayor energía normalmente no dura mucho. El electrón vuelve a un estado de menor energía y libera energía en forma de radiación electromagnética.

Si esa radiación tiene una longitud de onda dentro de la región visible, vemos un color.

La secuencia básica es:

1. La llama suministra energía.
2. Un electrón absorbe energía.
3. El electrón pasa a un nivel de energía permitido más alto.
4. El electrón vuelve a un nivel más bajo.
5. La diferencia de energía se libera como un fotón.

La palabra importante es permitido.

Los electrones no pueden poseer cualquier valor posible de energía.

02La energía cuantizada significa «escalones», no una rampa

Imagina una escalera.

Puedes estar en el escalón 2 o en el escalón 3. No puedes estar en el escalón 2,63 flotando de algún modo entre ambos.

Este es un primer modelo útil para los niveles de energía de los electrones. Los escalones representan energías permitidas. Subir requiere absorber energía. Bajar libera energía.

La analogía tiene una limitación importante. Los niveles de energía de los electrones no son estantes literales ni anillos físicos sobre los que se sitúa un electrón. La mecánica cuántica describe los electrones mediante orbitales y distribuciones de probabilidad. La escalera es solo un modelo para representar el hecho de que sus energías son discretas.

Si necesitas repasar cómo se distribuyen los electrones antes de continuar, consulta Configuración electrónica para Química HSC: átomos e iones.

Supongamos que un electrón se mueve entre dos niveles con energías \(E_{\text{high}}\) y \(E_{\text{low}}\). La energía liberada es

\[
\Delta E = E_{\text{high}} – E_{\text{low}}
\]

donde \(\Delta E\) es la diferencia de energía en julios, J.

Esa energía se libera como un fotón.

La energía del fotón es

\[
E = hf = \frac{hc}{\lambda}
\]

donde:

• \(E\) es la energía del fotón en julios, J
• \(h\) es la constante de Planck, \(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s}\)
• \(f\) es la frecuencia en hercios, Hz
• \(c\) es la velocidad de la luz, \(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1}\)
• \(\lambda\) es la longitud de onda en metros, m

Por tanto, la diferencia de energía dentro de la especie emisora determina la longitud de onda del fotón.

Una diferencia de energía mayor produce un fotón de mayor energía. Los fotones visibles de mayor energía tienen frecuencias más altas y longitudes de onda más cortas, hacia el extremo azul y violeta del espectro visible.

Una diferencia menor produce un fotón de menor energía y mayor longitud de onda, hacia el extremo rojo.

Esta es la relación:

niveles de energía -> diferencia de energía -> energía del fotón -> longitud de onda -> color observado

03Por qué distintos iones metálicos producen colores diferentes

Esta es la predicción clave.

Supongamos que dos iones metálicos diferentes tuvieran exactamente el mismo conjunto de niveles de energía electrónicos. ¿Qué esperarías de su emisión?

Podrían producir el mismo conjunto de energías de fotón y, por tanto, las mismas longitudes de onda.

Pero distintos elementos tienen diferentes cargas nucleares y diferentes configuraciones electrónicas. Por ello, sus energías electrónicas permitidas son diferentes. Las diferencias entre sus niveles de energía también son distintas.

Esto da lugar a diferentes longitudes de onda de emisión características.

En una prueba de llama escolar, los colores que se observan habitualmente incluyen:

Considera esta tabla como una guía experimental, no como un conjunto de colores de pintura perfectamente fijos. Lo que realmente observes depende de la concentración, la contaminación, las condiciones de la llama y tu propia percepción del color.

Hay otro detalle útil. Dos sales que contienen el mismo ion metálico suelen producir colores de llama similares. El cloruro de sodio y el nitrato de sodio, por ejemplo, contienen ambos \(\mathrm{Na}^{+}\).

El anión ha cambiado, pero la emisión característica del sodio permanece.

Por eso las pruebas de llama se utilizan principalmente como evidencia sobre el componente metálico de la sal.

04Un color de llama no significa una sola longitud de onda

Es tentador imaginar que una llama de sodio produce una única longitud de onda amarilla y nada más.

Eso es demasiado simple.

Un átomo o ion puede tener muchos niveles de energía permitidos. Los electrones pueden experimentar varias transiciones diferentes, por lo que pueden emitirse fotones con distintas energías.

Un espectroscopio separa la luz emitida según su longitud de onda. En lugar de ver un único color de llama mezclado, se observa una serie de líneas de emisión brillantes.

Cada línea corresponde a una energía de fotón determinada y, por tanto, a una diferencia de energía concreta.

Esto constituye una evidencia más sólida de los niveles de energía cuantizados que el color de la llama observado a simple vista por sí solo.

Si las energías de los electrones formaran un intervalo continuo, esperarías una distribución continua de energías emitidas. Las líneas discretas muestran que solo se producen determinadas diferencias de energía.

05¿Qué está emitiendo realmente la luz?

Para Química HSC, resulta útil describir una prueba de llama en términos de electrones de las especies metálicas que absorben energía y posteriormente liberan fotones al pasar a niveles de energía más bajos.

En una llama real ocurren algunos procesos químicos adicionales.

Primero se evapora la solución. La sal disuelta se convierte en especies gaseosas, y la alta temperatura puede producir una mezcla que contenga átomos, iones y otras especies pequeñas. La especie emisora exacta depende del elemento y de las condiciones de la llama.

Por tanto, afirmaciones como «el ion \(\mathrm{Na}^{+}\) hace que la llama sea amarilla» son una forma abreviada útil de identificar el ion metálico presente originalmente en la muestra. No deben interpretarse como si dentro de la llama no existiera nada excepto iones \(\mathrm{Na}^{+}\) aislados.

La conclusión central no cambia: la emisión característica se produce porque los electrones solo pueden desplazarse entre determinados estados de energía permitidos.

06La idea errónea más tentadora: el color de la llama procede del calor

Un estudiante podría razonar así:

Una llama caliente brilla, así que quizá el sodio haga que la llama esté más caliente y el potasio haga que esté más fría.

Parece razonable, pero predice un mecanismo incorrecto.

Si el color estuviera determinado principalmente por el cambio de temperatura de la llama provocado por la muestra, entonces las sustancias a temperaturas similares deberían mostrar colores similares.

Sin embargo, distintas sales metálicas colocadas en la misma llama pueden producir diferentes colores característicos.

La llama de Bunsen proporciona la energía. La estructura electrónica de la especie metálica determina las longitudes de onda características emitidas.

También resulta útil distinguir entre dos tipos de producción de luz:

• Un objeto caliente puede producir un espectro térmico amplio y continuo.
• Los átomos y iones excitados pueden producir líneas de emisión discretas.

Una prueba de llama se basa en el segundo efecto para identificar iones metálicos.

07Cómo realizar una investigación útil mediante pruebas de llama

Una prueba de llama práctica parece sencilla, y precisamente por eso una técnica descuidada puede arruinarla.

Una investigación adecuada utiliza primero soluciones conocidas de sales metálicas y después compara una muestra desconocida con esas observaciones.

Un método típico es:

1. Enciende un mechero Bunsen y ajústalo para producir una llama azul no luminosa.
2. Limpia un asa de alambre de nicromo o platino utilizando ácido clorhídrico según indique el procedimiento de tu laboratorio.
3. Coloca el asa limpia en la llama.
4. Comprueba que no produce ningún color de llama apreciable.
5. Sumerge el asa en una solución de una sal metálica.
6. Coloca la muestra en la región caliente de la llama.
7. Observa y registra el color de la llama.
8. Limpia cuidadosamente el asa antes de analizar la siguiente solución.
9. Repite las mediciones para que una observación inusual no se acepte basándose únicamente en un ensayo.

El orden es importante.

Si analizas sodio y después introduces la misma asa sucia directamente en una solución de potasio, puede quedar una pequeña cantidad de sodio. La emisión amarilla del sodio es intensa y puede ocultar el color lila mucho más débil que intentabas observar.

Esto no es un detalle técnico insignificante. Puede cambiar tu conclusión.

08Cómo evaluar correctamente la investigación

Una evaluación no debería limitarse a decir que «puede producirse un error humano». Esa frase prácticamente no aporta información.

Identifica la debilidad concreta, explica qué efecto podría tener sobre el resultado y propone una mejora dirigida específicamente a ese problema.

Contaminación entre muestras

Problema: Los iones metálicos que quedan en el alambre después de un ensayo anterior pueden pasar a la siguiente muestra o a la llama.

Efecto: El color observado puede contener emisiones de más de un metal. La contaminación por sodio es especialmente problemática porque su emisión amarilla puede ser muy intensa.

Mejora: Limpia cuidadosamente el asa entre muestras y caliéntala en la llama hasta que no se observe ningún color característico. También se pueden utilizar asas separadas para distintas soluciones.

Una llama amarilla y luminosa del mechero Bunsen

Problema: Cerrar la entrada de aire produce combustión incompleta y partículas de carbono incandescentes.

Efecto: La llama ya parece amarilla y brillante, lo que dificulta distinguir una prueba de sodio y hace más difícil observar otros colores.

Mejora: Utiliza una llama azul no luminosa.

Cantidades diferentes de muestra

Problema: Un asa transporta mucha más solución que otra.

Efecto: Un color de llama puede parecer mucho más brillante simplemente porque hay más material emisor presente.

Mejora: Utiliza la misma asa y un método de inmersión uniforme. Mantén controladas las concentraciones de las soluciones siempre que sea posible.

La valoración del color es subjetiva

Problema: Palabras como «rojo», «carmesí» y «rojo anaranjado» dependen del observador y de las condiciones de iluminación.

Efecto: Los colores similares pueden confundirse, especialmente en muestras desconocidas.

Mejora: Compara directamente las muestras desconocidas con patrones conocidos en las mismas condiciones. Mejor aún, utiliza un espectroscopio para poder comparar posiciones de longitudes de onda en lugar de nombres de colores.

El sodio puede ocultar otros iones

Problema: Una mezcla puede contener una pequeña cantidad de sodio junto con otro ion.

Efecto: La intensa emisión amarilla puede dominar lo que percibe el ojo.

Mejora: Utiliza análisis espectroscópico para resolver longitudes de onda separadas. En algunas prácticas, un filtro azul de cobalto puede reducir la apariencia del amarillo del sodio y hacer que la emisión lila del potasio sea más fácil de observar, pero no convierte la prueba de llama en una medición perfectamente selectiva.

09La fiabilidad, la validez y la exactitud son conceptos diferentes

Estas palabras suelen incluirse en los informes de prácticas como si significaran lo mismo.

No es así.

Repetir una prueba de llama con una contaminación grave puede hacerla más fiable mientras sigue siendo inválida.

Por ejemplo, imagina que un asa contaminada con sodio produce una llama amarilla tres veces al analizar potasio. Esos resultados son coherentes. También son engañosos.

Por tanto, «repetirlo tres veces» no constituye por sí solo una evaluación completa.

10¿Qué puede demostrar realmente una prueba de llama?

Una prueba de llama puede aportar evidencia de que un determinado ion metálico está presente.

Normalmente no puede demostrar de manera concluyente que el ion está presente basándose únicamente en el color.

¿Por qué no?

En primer lugar, algunos colores son similares. Tanto el litio como el estroncio producen colores rojos que pueden ser difíciles de distinguir a simple vista.

En segundo lugar, las mezclas son difíciles de analizar. Una emisión intensa puede ocultar otra.

En tercer lugar, la contaminación puede producir un color falso.

En cuarto lugar, el ojo humano combina varias longitudes de onda en un único color percibido.

Por tanto, una conclusión sólida sería:

La llama amarilla observada es coherente con la presencia de iones de sodio.

Una conclusión científicamente más débil sería:

La llama amarilla demuestra que la muestra es cloruro de sodio.

La prueba de llama no ha identificado el anión, y la observación por sí sola puede no identificar de manera única el catión.

11Las pruebas de llama como evidencia para los modelos atómicos

El resultado importante de una prueba de llama no es la tabla de colores.

Es el patrón que hay detrás de los colores.

Diferentes elementos producen determinadas longitudes de onda de emisión. Un espectroscopio las resuelve en líneas discretas en lugar de en un arcoíris continuo.

Por tanto, cualquier modelo atómico útil debe explicar dos observaciones:

• los electrones no pueden poseer cualquier energía
• los distintos elementos tienen diferentes conjuntos de energías permitidas

El modelo de Bohr incorporó la idea de niveles de energía discretos. Fue especialmente eficaz para el hidrógeno.

Los modelos cuánticos más avanzados sustituyen las órbitas electrónicas circulares simples por orbitales. En Química HSC, la notación spdf y los electrones de valencia proporcionan la siguiente capa de esta descripción.

El modelo sencillo de la escalera sigue siendo útil, pero la descripción detallada de esa escalera se vuelve mucho más compleja.

12Preguntas y soluciones

Pregunta 1

Un estudiante analiza una muestra limpia y observa una llama amarilla intensa. Los posibles iones metálicos son \(\mathrm{Na}^{+}\), \(\mathrm{K}^{+}\) y \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

¿Qué ion es más coherente con la observación? Explica la observación utilizando niveles de energía electrónicos.

Solución 1

El ion más coherente con la observación es \(\mathrm{Na}^{+}\).

Los compuestos de sodio producen característicamente una llama amarilla intensa en condiciones típicas de una prueba de llama.

La energía de la llama excita electrones de las especies de sodio y los lleva a estados de energía permitidos más altos. Cuando los electrones vuelven a estados de menor energía, se emiten fotones.

Las energías de los fotones satisfacen

\[
\Delta E = hf = \frac{hc}{\lambda}
\]

Solo se permiten determinadas diferencias de energía, por lo que se emiten determinadas longitudes de onda. Las emisiones visibles intensas del sodio se encuentran en la región amarilla, lo que produce el color observado.

El color de la llama constituye evidencia coherente con la presencia de sodio, en lugar de una prueba absoluta basada únicamente en el color.

Pregunta 2

Un estudiante analiza cloruro de sodio, \(\ce{NaCl}\), y nitrato de sodio, \(\ce{NaNO3}\). Ambos producen llamas amarillas muy similares.

Otro estudiante afirma que, por tanto, la prueba de llama debe estar identificando los iones cloruro y nitrato.

Explica por qué esta conclusión es incorrecta.

Solución 2

La conclusión es incorrecta porque la especie común a ambas muestras es el ion sodio, \(\mathrm{Na}^{+}\), no el anión.

Los dos compuestos contienen aniones diferentes:

\[
\mathrm{Cl}^{-}
\]

y

\[
\ce{NO3-}
\]

pero ambos contienen \(\mathrm{Na}^{+}\).

Por tanto, sus colores de llama característicos similares aportan evidencia de que la emisión importante está asociada con las especies metálicas derivadas del sodio.

El error tentador consiste en suponer que todas las partes de un compuesto contribuyen por igual al color visible de la llama. En las pruebas de llama cualitativas habituales, el color característico se utiliza principalmente para identificar el catión metálico.

El resultado tampoco permite distinguir entre cloruro de sodio y nitrato de sodio. Se necesitaría otra prueba para identificar el anión.

Pregunta 3

Una línea de emisión de una muestra metálica calentada tiene una longitud de onda de \(520\ \text{nm}\).

Calcula la energía de un fotón. Aparece una segunda línea a \(680\ \text{nm}\). Sin calcular su energía exacta, indica qué línea corresponde al mayor cambio de energía electrónico y explica por qué.

Solución 3

El fotón de \(520\ \text{nm}\) tiene una energía de aproximadamente \(3.82 \times 10^{-19}\ \text{J}\), y representa el mayor cambio de energía.

Primero convierte la longitud de onda:

\[
520\ \text{nm}
= 5.20 \times 10^{-7}\ \text{m}
\]

Utiliza

\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]

y sustituye:

\[
E
= \frac{(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s})(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1})}
{5.20 \times 10^{-7}\ \text{m}}
= 3.82 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Por tanto,

\[
E = 3.82 \times 10^{-19}\ \text{J por fotón}
\]

La línea de \(520\ \text{nm}\) corresponde a un mayor cambio de energía que la línea de \(680\ \text{nm}\).

Como

\[
E = \frac{hc}{\lambda}
\]

la energía del fotón es inversamente proporcional a la longitud de onda. Por tanto, la longitud de onda más corta de \(520\ \text{nm}\) debe tener una mayor energía de fotón y corresponder a una mayor diferencia entre niveles de energía electrónicos.

Pregunta 4

Un estudiante realiza pruebas de llama en este orden:

1. solución de sodio
2. solución de potasio
3. solución de calcio

El asa de alambre se sumerge en ácido clorhídrico entre muestras, pero el estudiante no calienta el asa para comprobar que esté limpia. Las tres muestras parecen amarillas.

El estudiante repite todo el procedimiento tres veces y obtiene el mismo resultado en cada ocasión.

Evalúa la investigación. Tu respuesta debe distinguir entre fiabilidad y validez y proponer una mejora útil.

Solución 4

La investigación puede ser repetible, pero la evidencia no tiene suficiente validez para respaldar la conclusión de que las tres muestras contienen sodio.

Obtener el mismo resultado amarillo tres veces aporta cierta evidencia de fiabilidad, porque la observación es coherente.

Sin embargo, el procedimiento presenta un grave problema de contaminación. Limitarse a sumergir el asa en ácido clorhídrico no demuestra que se hayan eliminado todos los restos de sodio. Como el sodio produce una emisión amarilla muy intensa, incluso una pequeña cantidad transferida a ensayos posteriores podría ocultar la esperada llama lila del potasio o la llama rojo anaranjada del calcio.

Esto amenaza la validez porque la investigación ya no está cambiando únicamente la muestra metálica prevista. Los residuos de la muestra anterior se han convertido en una variable no controlada.

Una mejora útil consiste en limpiar el asa y después calentarla en la llama antes de cada muestra. El asa no debería producir ningún color de llama característico antes de analizar la siguiente solución.

Utilizar asas limpias separadas para diferentes muestras reduciría aún más la contaminación cruzada.

El error importante es suponer que unos resultados repetidos deben ser correctos. Un error sistemático puede producirse de forma constante, de modo que repetir el mismo método defectuoso puede generar datos muy coherentes pero engañosos.

Pregunta 5

Una solución desconocida produce una llama amarilla intensa cuando se observa a simple vista. Un estudiante concluye:

La solución contiene iones de sodio y ningún otro ion metálico.

A continuación se utiliza un espectroscopio. Aparecen líneas amarillas intensas de sodio, pero varias líneas más débiles también coinciden con un espectro de referencia del potasio.

Evalúa la conclusión original del estudiante y explica por qué las dos observaciones no son contradictorias.

Solución 5

La conclusión del estudiante de que el sodio es el único ion metálico presente no está justificada.

La llama amarilla intensa constituye una buena evidencia de que hay sodio presente. Sin embargo, una prueba de llama observada a simple vista no muestra de manera fiable todas las especies emisoras de una mezcla.

La emisión del sodio es extremadamente intensa y puede dominar el color percibido de la llama. Por tanto, puede haber potasio presente aunque su contribución lila sea difícil de observar.

El espectroscopio proporciona evidencia más detallada porque separa la radiación emitida según su longitud de onda. En lugar de combinar todas las longitudes de onda en un único color percibido, revela líneas de emisión individuales.

Por tanto, las observaciones son compatibles:

• el ojo detecta principalmente el amarillo intenso del sodio
• el espectroscopio detecta tanto el sodio como las emisiones más débiles del potasio

La suposición oculta en el razonamiento del estudiante era que «solo puedo ver un color» significa «solo hay un metal presente». Esa suposición no es válida para las mezclas.

Pregunta 6

Un modelo simplificado de una especie emisora contiene los siguientes niveles de energía permitidos:

\[
E_0 = 0
\]

\[
E_1 = 2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

\[
E_2 = 4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Supón que los electrones pueden realizar transiciones descendentes entre cualquier par de estos niveles.

Determina las tres posibles energías de fotón. Después calcula la longitud de onda producida por la transición de \(E_2\) a \(E_1\).

¿Produciría necesariamente cada transición posible un color de llama visible?

Solución 6

Las posibles energías de fotón son \(2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}\), \(2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}\) y \(4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}\). La transición de \(E_2\) a \(E_1\) produce luz con una longitud de onda de aproximadamente \(710\ \text{nm}\), y no todas las transiciones posibles tienen por qué ser visibles.

Para la transición \(E_1 \to E_0\):

\[
\Delta E
= 2.10 \times 10^{-19} – 0
= 2.10 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Para \(E_2 \to E_1\):

\[
\Delta E
= 4.90 \times 10^{-19} – 2.10 \times 10^{-19}
= 2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Para \(E_2 \to E_0\):

\[
\Delta E
= 4.90 \times 10^{-19} – 0
= 4.90 \times 10^{-19}\ \text{J}
\]

Para la transición \(E_2 \to E_1\),

\[
\lambda = \frac{hc}{E}
\]

por tanto,

\[
\lambda
= \frac{(6.626 \times 10^{-34}\ \text{J s})(3.00 \times 10^8\ \text{m s}^{-1})}
{2.80 \times 10^{-19}\ \text{J}}
= 7.10 \times 10^{-7}\ \text{m}
\]

Por tanto,

\[
\lambda = 710\ \text{nm}
\]

que está cerca del extremo rojo del espectro visible.

No todas las transiciones posibles producen necesariamente luz visible. Un fotón puede tener una longitud de onda en la región infrarroja o ultravioleta, o una emisión puede ser demasiado débil para contribuir de forma apreciable al color de llama observado.

Por eso, «no hay un color visible intenso» no significa «no se produjeron transiciones electrónicas». Un detector que mida longitudes de onda fuera de las que puede ver el ojo humano puede revelar información que una observación del color de la llama no detecta.

13Hacia dónde conduce esta idea

Una prueba de llama convierte una afirmación abstracta sobre la energía cuantizada en una predicción observable: determinadas sustancias emiten determinadas longitudes de onda porque sus electrones tienen determinadas diferencias de energía permitidas.

La siguiente pregunta es más detallada. ¿Por qué tienen los diferentes átomos esos niveles de energía concretos en primer lugar?

Esto te lleva desde la imagen sencilla de niveles discretos al estilo del modelo de Bohr hacia configuraciones electrónicas, subniveles y orbitales. Cuando puedes relacionar un espectro de emisión con la distribución de los electrones, las pruebas de llama dejan de ser un ejercicio de memorización de colores y se convierten en evidencia sobre la estructura atómica.