FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICO - MATEMÁTICAS Experimento: Espectro de gases Equipo α-pulpo Alma Elena Piceno Martínez Luke Goodman Ernesto Benítez Rodríguez 2012 F Í S I C A M O D E R N A C O N L A B O R A T O R IO
Introducción Desde el siglo XVII sabemos, con los trabajos de Newton y Huygens, que la radiación electromagnética se desvía al atravesar un medio de densidad distinta, a la del medio en que viajaba; sufre una dispersión. Resulta que sus componentes de distintas longitudes de onda se desvían con diferente ángulo, por lo que al salir del medio que atraviesan salen las componentes separadas y se pueden identificar los diferentes colores que muestran. La longitud de onda de la radiación puede ser desde muy pequeña, en el caso de la llamada radiación gamma, hasta muy grande en las ondas de radio. Las radiaciones que van desde el violeta (alrededor de 400nm) al rojo (alrededor de unos 700nm) forman el espectro visible, las radiaciones de longitud de onda inferior al violeta se llaman radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma por orden decreciente en la longitud de onda. Las radiaciones de longitud de onda superior al rojo son las denominadas infrarrojo, microondas y ondas de radio, por orden creciente en la longitud de onda. En determinadas condiciones, los cuerpos emiten energía en forma de radiación. También los cuerpos absorben la radiación que emiten otros cuerpos. El espectro es resultado de la separación de los componentes de distinta longitud de onda de la radiación electromagnética. Los espectros pueden ser de emisión o de absorción y cada uno de ellos a su vez puede ser continuo o discontinuo (de bandas o rayos). Los espectros de emisión se obtienen a partir de la radiación emitida directamente sobre el cuerpo. Los espectros de emisión continuos se obtienen al pasar la luz de un cuerpo incandescente a través de un prisma óptico. Los espectros de emisión discontinuo los producen gases o vapores a elevadas temperaturas. Los rayos proceden de emisiones de átomos excitados, mientras que los de banda proceden de las moléculas excitadas. En ambos casos la emisión de rayas o bandas se debe a la liberación de exceso de energía que poseen los átomos o moléculas excitadas, en forma de radiación electromagnética, cuya frecuencia caracteriza al átomo o molécula que la emite. Los espectros de absorción se forman cuando una radiación electromagnética compuesta pasa a través de un cuerpo y este la absorbe total o parcialmente. Cuando la absorción es total en un rango de frecuencias, se obtiene un espectro continuo porque faltan todas las radiaciones absorbidas entre dos frecuencias distintas. Cada uno de los elementos químicos tiene su propio espectro de emisión; y esto sirve para identificarlo. Algunos ejemplos de espectros de emisión:
Diremos que el hidrógeno emite, dentro del visible, en una cierta longitud de onda del naranja (6560 Å), en el azul (4858 Å), añil (4337 Å) y violeta (4098 Å). El sodio (Na) emite en el amarillo (bandas de longitudes de onda de 5896 Å y 5890 Å). El neón (Ne) emite en el espectro visible en las longitudes de onda de 6402 Å (naranja), 5852 Å (amarillo) y 5400 Å (verde). El calcio emite en la longitud de onda del espectro visible 6162 Å (amarillo-naranja), 4454 Å y 4435 Å (color añil) y 4226 Å (violeta). El mercurio (Hg) emite radiación en dos longitudes de onda del visible: 5460 Å (color verde) y 4358 Å (color añil). Los cuerpos también absorben radiación emitida desde otros cuerpos, eliminando del espectro de radiación que reciben aquellas bandas absorbidas, que quedan de color negro. También ocurre con la absorción, que unos cuerpos absorben la radiación de unas determinadas longitudes de onda y no absorben la radiación de otras longitudes de onda, por lo que cada cuerpo, cada elemento químico en realidad, tiene su propio espectro de absorción, correspondiéndose en la mayoría de los casos con su espectro de emisión.
Objetivos Observar el espectro de emisión de algunos gases y, comparándolo con los espectros de los elementos conocidos, determinar de qué gas se trata. Desarrollo Materiales Rejilla de difracción Tubos espectrales Fuente de voltaje Soporte Variac Se montaron uno a uno los tubos espectrales en el soporte, usando la fuente de voltaje y el variac se calentaron hasta que comenzaron a emitir radiación. A continuación, usando las rejillas de difracción se observó el espectro de la luz emitida. Resultados y Análisis Se observaron en total seis gases, de los cuales se muestra una imagen de su espectro a continuación, y se hace una comparación con los espectros encontrados en la literatura, así como su identificación. Gas 1.
Comparándolo con el espectro del hidrógeno podemos observar que estos espectros son muy parecidos, comparten las mismas líneas principales; emitiendo principalmente en la parte azul del espectro y en una longitud de onda correspondiente al rojo. Ilustración 1. Espectro de emisión del hidrógeno. Gas 2. Notemos que este gas emitió en casi toda la región visible del espectro, predominantemente en la región azul de este. El espectro más parecido a éste que se encontró en la literatura fue el del argón; notemos que este gas emite en muchas longitudes de onda visibles, mayormente en la región azul del espectro, como nuestro gas a identificar. Ilustración 2. Espectro de emisión del argón.
Gas 3. Encontramos que este espectro es muy parecido al del neón; notablemente se emitió principalmente en la región roja y amarilla del espectro, con unas cuantas líneas verdes y otro grupo marcado en el azul. Ilustración 3. Espectro de emisión del neón. Gas 4. Sabíamos de antemano que este gas se trataba de ozono, no nos fue posible encontrar el espectro de emisión del ozono para poder hacer una comparación adecuada. Sin embargo, si encontramos
el espectro de emisión del oxígeno, y podemos ver que el espectro que observamos es notablemente similar a éste. Gas 5. Ilustración 4. Espectro de emisión del oxígeno. Observemos las siguientes imágenes encontradas del espectro de emisión del mercurio notamos que hay en ellas dos líneas importantes, una en el azul y otra en el verde, además de algunas otras líneas; comparando ahora con el espectro del gas visto podemos notar que la mayoría de las líneas coinciden con esta, pudiéndose observar tanto la línea azul como la verde, también una emisión en el morado y otra en el amarillo que se pueden encontrar en la primera imagen del espectro mostrada. Así concluimos que este gas se trata de mercurio. Ilustración 5. Espectro de emisión del mercurio. Referencias Espectros atómicos. casanchi.com/fis/espectros/espectros01.htm#2 El espectro de la radiación. personales.ya.com/casanchi/did/er.htm