La Chimica per la Luce

Un percorso didattico attraverso la storia delle reazioni chimiche sfruttate dall’uomo per ottenere luce

XXVI Congresso Nazionale dellaSocietà Chimica Italiana

Paestum, 10-14 Settembre 2017

Progettazione della lezione

Contesto: classe 4° Istituto Tecnico(Indirizzo Chimica, Materiali e Biotecnologie)

Prerequisiti:• Conoscere la struttura atomica della materia;• Conoscere il fenomeno della combustione;• Saper distinguere tra trasformazioni chimica e fisica;• Aver acquisito il concetto di energia chimica e saperlo analizzare durante una

trasformazione chimica;• Saper rappresentare i composti attraverso le loro formule di struttura;• Saper investigare e bilanciare le reazioni chimiche, in particolare quelle di

ossidoriduzione.

Competenze:• Collegare la struttura di una molecola alla sua

energia interna e alla capacità di svilupparecalore e luce;

• Interpretare i fenomeni alla basedell’emissione della luce in base al contesto eal tipo di trasformazione coinvolta.

1) La combustione dei composti organici

• Olio, cere e gas illuminante: i combustibili

• La chimica fisica della combustione

• Attività di problem solving: A cosa è dovuta la fiamma?

• La lampada ad acetilene

• In laboratorio: il colore del fuoco e il saggio alla fiamma

2) La chimica inorganica al servizio della luce

• L’ossidazione del fosforo bianco e le differenze strutturali tra fosforo bianco e fosforo rosso

• L’ossidazione del magnesio per i flash e i fuochi d’artificio

• L’incandescenza dell’ossido di calcio e le luci della ribalta nel teatro

• Il tungsteno e la lampadina elettrica di Edison

3) La chemiluminescenza

• I diversi tipi di luminescenza

• La bio- e la chemiluminescenza

• La chemiluminescenza in chimica analitica

• In laboratorio: Sintesi del Luminol e ricerca di tracce di sangue

1° PARTE:

LA COMBUSTIONE DEI COMPOSTI

ORGANICI

Gli oli:Gli oli sono trigliceridi formati da acidi grassi poliinsaturi alunga catena.

Es. olio di oliva (trigliceridecon acido oleico)

Le cere:Le cere sono esteri di acidi grassi saturi (o insaturi) a lungacatena con alcoli a lunga catena.

Es. cera d’api (palmitato di triacontanolo )

Il gas illuminante:Il gas illuminante è una miscela di gas composta da idrogeno(H2), metano (CH4), monossido di carbonio (CO) e etilene(C2H6) prodotta dalla distillazione del litantrace.

Le lampade ad olio, le candele e i lampioni a gas

I combustibili

Combustibili

Fossili (Non rinnovabili)

Gas naturale

Petrolio e derivati

Carbone e derivati

Alternativi (Rinnovabili)

Biocarburanti

Idrogeno

Dalla realtà alla chimica: Lezione n°1A

Oli, cere, etilene e metano sono combustibili.Cosa sono i combustibili? Che cos’è la combustione?

I combustibili sono composti (che di solitocontengono C e/o H) che reagiscono con uncomburente (sostanza contenente elementi aelevata elettronegatività come N, O, F) liberandouna grande quantità di energia.Sono combustibili: idrocarburi, alcoli, carboidrati,lipidi ma anche H2, N2H4, metalli….

Quali sono i combustibili che generano piùcalore??Quali danno invece più luce??

La combustione

Le combustioni sono reazioni di ossidoriduzione in cuiun composto si ossida (combustibile) mentre un altrosi riduce (comburente).Per superare la barriera dell’energia d’attivazioneserve una fonte d’innesco.

Le combustioni sono reazioni fortementeesotermiche (ΔH < 0).

CHE RELAZIONE C’E’ TRA CALORE E LUCE??

Combustione del metano• In difetto d’ossigeno:

2CH4 + 3O2 2CO + 4H2O + caloreΔH = -608.7 KJ/mol T < 800°C

• In eccesso di ossigeno:CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + caloreΔH = -891.0 KJ/mol T > 900°C

Quali sono le condizioni in cui si ottiene più luce??

1. Presenza/assenza di ossigeno: osservare le differenze della fiamma del Becco Bunsen quando il cannello è aperto o chiuso;

2. Caratteristiche del combustibile (rapporto C/H): osservare le differenze tra la fiamma ossidrica e la fiamma ossiacetilenica.

Fiamma del becco Bunsen con cannello

aperto o chiuso.

Fiamma ossidrica (H2 + O2)

Fiamma ossiacetilenica

(C2H2 + O2)

ATTIVITA’ DI PROBLEM SOLVING A SCOPERTA GUIDATA

Che cos’è la fiamma? A cosa è dovuta?

La luce gialla è il risultato dell’incandescenza delle particelle di fuliggine

Le particelle solide difuliggine emettonoluce gialla-bianca, sicomportano comecorpi neri. Questofenomeno è dettoincandescenza.

La luce blu è ilrisultato dellachemiluminescenza,di specie radicalichecome CH*, OH*, C2*.

«È il carbone che ci da questa piacevole luce»

«Non è magnifico capire come stiaavvenendo un tale processo, e in qualemodo delle cose sporche come il carbonepossano diventare incandescenti?Vedete che tutte le fiamme luminosecontengono queste particelle solide; tutte lecose che bruciano e che produconoparticelle solide durante la combustione,come nella candela, o subito dopo lacombustione, come nel caso della polvereda sparo e della limatura di ferro, tuttequante ci danno questa magnifica epiacevole luce»

Michael Faraday, «La Storia Chimica di una Candela», Londra, 1861

La lampada ad acetilene

La lampada ad acetilene (anche detta lampada a carburo)fu inventata agli inizi del Novecento e fu utilizzata a lungodagli speleologi e dalle persone per andare in bicicletta onei campi.

L’acetilene viene generato mediante la reazione:

CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2

L’acetilene brucia reagendo con l’ossigenoemanando un’intensa luce bianca:

2C2H2 + 5O2 4CO2 + 2H2O + luce e calore

Etano• Formula: C2H6

• Geometria: tetraedrica• carbonio: sp3

• C-C: 105 Kcal/mol• Non reattivo: densità

elettronica uniforme

Etene (o etilene)• Formula: C2H4

• Geometria: planare• carbonio: sp2

• C=C: 140 Kcal/mol• Reattivo: densità

elettronica sul C=C

Etino (o acetilene)• Formula: C2H2

• Geometria: lineare• carbonio: sp• C≡C: 200 Kcal/mol• Esplosivo: alta densità

elettronica sul C≡C

Dalla realtà alla chimica: Lezione n°1BL’acetilene produce una fiamma che ha la temperatura più alta di tutte (3300°C). Come mai?? Si può collegare la reattività alla struttura??

2° PARTE:

OSSIDAZIONE E INCANDESCENZA DI

COMPOSTI INORGANICI

La scoperta del fosforo

The Alchymist, in Search of thePhilosopher's Stone, DiscoversPhosphorus.Joseph Wright of Derby, 1795

Il fosforo (dal greco «Portatore di Luce»)fu scoperto dal chimico tedesco HennigBrand nel 1669, mentre cercava didistillare i sali residui ottenutidall'evaporazione dell'urina.

Ossidazione del fosforo

P4 + O2 PxOy + luce + calore La reazione è talmenteviolenta che viene sfruttataancora oggi, purtroppo,nelle «bombe al fosforo». Ifumi che si sviluppano(anidride fosforica efosforosa) sono fortementetossici.

a) Il fosforo bianco ha struttura tetraedrica con un angolo di legame di 60°. Questastruttura è molto instabile, di conseguenza il fosforo bianco è estremamentereattivo.

b) Il fosforo rosso invece è formato da tanti tetraedri legati covalentemente tra loro;questo fa sì che l’angolo di legame P-P-P sia di 100° e che la molecola sia molto piùstabile e molto meno reattiva.

Dalla realtà alla chimica: Lezione n°2Il fosforo esiste in natura in tre diverse forme allotropiche:• stessa formula molecolare • diversa formula di struttura• diversa reattività

L’ossidazione del magnesio per i flash

Il magnesio brucia all’aria emanando una intensaluce bianca. La reazione coinvolta è:

2 Mg + O2 2MgO + luce + calore

Per questo motivo il magnesio venneutilizzato dai primi fotografi per fare i flash.Inizialmente vennero commercializzati deinastri di magnesio in delle appositeconfezioni: tirando fuori il nastro, questoveniva attivato e si ossidava emanando lacaratteristica luce bianca.

La polvere per i Flash e per i fuochi d’artificio

Le reazioni coinvolte sono sempre reazioni diossidoriduzione, in cui l’agente ossidante è ilperclorato:

• 3KClO4 + 8Al → 4Al2O3 + 3KCl;• KClO4 + 4Mg → 4MgO + KCl.

Le luci della ribalta e l’incandescenza del CaO

Limelight = luci della ribalta: luce emessa dall’ossido dicalcio CaO (lime) portato all’incandescenza.

L’ossido di calcio veniva prodotto mediante decomposizionedel carbonato di calcio:

CaCO3 CaO + CO2

L’incandescenza dell’ossido di calcio venivaottenuta miscelando attraverso appositicannelli ossigeno e idrogeno nell’ apparecchiodi Drummond (una rudimentale fiammaossidrica).

3° PARTE:

LA CHEMI-

LUMINESCENZA

LUMINESCENZA

Bio- e chemoluminescenza:

Eccitazione chimica

Triboluminescenza:

Eccitazione meccanica come attrito

Elettroluminescenza:

Eccitazione per scarica elettrica

Foto-luminescenza:

Eccitazione da parte di radiazioni luminose

Fluorescenza:

La luce viene riemessa rapidamente

Fosforescenza:

La luce viene riemessa dopo un certo periodo

di tempo

La luminescenza

Dalla realtà alla chimica: Lezione n°3

La chemiluminescenza e la bioluminescenza delle lucciole

In alcune reazioni si formano dei prodotti P*che si trovano nello stato eccitato e chetornano allo stato fondamentale liberandofotoni di caratteristica energia.

A + B P* P + luce

Nelle lucciole la bioluminescenza è dovuta alla reazione di ossidazionedella luciferina in presenza di ATP, ioni Mg2+, catalizzata dall’enzimaluciferasi.

La chemiluminescenza e gli starlight

Il difenil ossalato reagisce con l’H2O2

generando l’1,2-diossietandione chedecompone a CO2 eccitando un pigmentofluorescente.Questo torna allo stato fondamentaleemettendo luce di un colore caratteristico.

La chemiluminescenza in chimica analitica

ANALISI QUANTITATIVE:

Esempio Determinazione del monossido d’azoto:

O3 + NO → NO2* + O2

NO2* → NO2 + luce

ANALISI QUALITATIVE:Esempio Ricerca di tracce di sangue con il Luminol.

ATTIVITA’ IN LABORATORIO Chemiluminescenza del Luminol e simulazione di una ricerca di tracce di sangue

Soluzione di Luminol

e NaOH

La soluzione acquosa èfortemente basica; inoltre ilLuminol è irritante.

Soluzione di K3[Fe(CN)6] e di H2O2

ATTIVITA’ IN LABORATORIOSintesi del Luminol per riduzione della 3-nitroftalidrazide

Sciogliere 3-nitroft. eNa2S2O4 in NaOH 3M,

scaldare a 100° x 5’

AggiungereCH3COOH.

ATTENZIONE: Si libera SO2

Filtrare il precipitato

giallo

Luminol

Grazie per l’attenzione!

DEADLINE: 24 SETTEMBRE 2017

La lampadina elettrica di Edison

1. «Come trovare un materiale che non fonda in seguito alsurriscaldamento elettrico?»

2. «Come fare in modo che non venga bruciato dall’ossigeno??».

1. Edison provò un'infinità di sostanze,fino a scegliere un filamento dicarbone. Nel 1903 venne introdotto ilTungsteno, il metallo con il più altopunto di fusione (3422 °C).

2. Edison brevettò anche il metodo perprodurre bulbi di vetro sotto vuoto (poisostituito dall’argon, gas inerte, e oggidai gas alogeni lampade alogene).

Gli elettroni degli ioni metallicipresenti nella legna, eccitatitermicamente, compiono unatransizione d’assorbimento.Questi cedono poi energialiberando fotoni concaratteristica lunghezza d’onda.

Nella legna ci sono soprattutto sodio,litio e calcio che danno al fuoco ilcaratteristico colore rosso.

ATTIVITA’ IN LABORATORIO

Perché il fuoco è rosso? Il “SAGGIO ALLA FIAMMA”