pràctiquesbatxilleratquimica

Centre de Documentació i Experimentació en Ciències i Tecnologia

Determinació de la temperatura de fusió - 1 -

1. Determinació de la temperatura de fusió

Objectius • Determinar la temperatura de fusió d’una substància pura mitjançant els mètodes de

macrofusió i el de microfusió. • Aplicar aquest mètode per investigar si una substància desconeguda és pura o no.

Introducció Quan un sòlid s’escalfa canvia d’estat i passa a líquid. La temperatura a la qual canvia d’estat és la temperatura de fusió. Quan aquest líquid es va refredant, torna a convertir-se en el sòlid que teníem al començament. La temperatura de solidificació és la mateixa que la de fusió. Cada substància pura té la seva temperatura de fusió-solidificació, la qual és constant mentre dura el canvi d’estat.

Material i Equipament

Equipament − Tubs d’assaig, un d’ells amb la mostra de

substància sòlida − Termòmetre (fins a 150ºC) − Vas de precipitats de 250 cm3 per al bany

d’aigua − Bec de Bunsen, trespeus i reixeta − Suport i pinces per agafar el tub − Tub de vidre en forma de capil·lar

Reactius i altres materials − Substàncies a investigar La substància a investigar pot ser inflamable!

Ulleres de seguretat.

Primera part: Determinació de la temperatura de fusió. Obtenció de la gràfica temperatura-temps del canvi d’estat

Muntatge i execució de l'experiència 1a Fes el muntatge indicat en la figura 1. 2a Escalfa l’aigua del vas de precipitats fins que vegis que la substància en el tub d’assaig s’ha tornat líquida. Apaga el foc. 3a Mentre es va refredant, pren nota cada 30 segons de la temperatura, fins que vegis que s’ha solidificat. 4a Fes la gràfica de la temperatura en funció del temps. 5a Localitza en la gràfica el tram horitzontal que correspon a la temperatura del canvi d’estat: sòlid ⇔ líquid

Figura 1: determinació de la temperatura de fusió 6a Quina és la temperatura de fusió?

termómetre

tub d'assaig amb la mostra



Conclusions

Qüestionari 1. Compara la gràfica temperatura-temps obtinguda amb la d’altres companys. Si tots heu investigat la mateixa substància, fixa’t en els següents detalls:

a) Heu trobat la mateixa temperatura de canvi d’estat? b) La longitud dels trams horitzontals és la mateixa? Si no ho és, com ho

expliqueu? 2. Coincideixen els valors de temperatura de fusió trobats amb els dos procediments? 3. És correcte afirmar que la temperatura de canvi d’estat és una propietat característica de les substàncies pures?

Mètode de microfusió

Muntatge i execució de l'experiència 1b. Amb cura, agafa el tub capil·lar i acosta un dels seus extrems un instant a la flama del Bunsen, just perquè quedi tancat per aquest extrem. Espera que es refredi. Dins el tub capil·lar hi has de posar una petita quantitat de la substància problema. Pots donar uns copets amb el capil·lar sobre la taula per ajudar a la introducció de la mostra. Si cal, demana ajut al/la professor/a. 2b. Lliga el capil·lar al termòmetre amb una goma elàstica o un fil, i fes el muntatge indicat en la figura 2. 3b. Comença a escalfar amb suavitat el tub d’assaig, tot observant atentament l’instant en què la substància dins el capil·lar es torna líquida. En aquest moment has de llegir la temperatura del termòmetre. Aquesta és la temperatura de fusió.

Figura 2: temperatura de fusió en microescala

4b. Repeteix l’experiment amb una altra mostra per assegurar-te del resultat. 5b. Quina és la temperatura de fusió? 6b. Compara el valor trobat amb aquest mètode amb el trobat amb l’anterior procediment.

termómetre

tub d'assaig gran amb aigua

capil·lar amb la mostra



Segona part: És una mescla o una substància pura? Muntatge i execució de l'experiència 1c. El/la professor/a et proporcionarà una substància per investigar si és una mescla o una substància pura. Quin muntatge i quines mesures faràs per esbrinar-ho? Dibuixa el muntatge. Un cop comprovat pel/per la professor/a, fes les mesures que creguis necessàries. 2c. Escriu un breu informe que respongui a la pregunta: “La substància desconeguda és una substància pura o és una mescla”? Qüestionari En un experiment de laboratori quatre alumnes escalfen cadascú un sòlid fins a ebullició. Mesuren la temperatura a intervals de temps regular. Amb les dades recollides fan una gràfica temperatura-temps i obtenen els resultats següents: Justifiqueu: a) Algun alumne ha treballat

amb la mateixa substància? Per què a l’alumne 4 li surt una corba tan diferent si sabem que ha treballat correctament.)

2

1

3

4

temps escalfant

temperatura



Determinació de la temperatura de fusió Material per al professorat

Orientacions didàctiques

Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions (fent dos dels tres procediments) ! 1/2 hora per al qüestionari (que es pot fer a casa) Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de 4t d’ESO i de batxillerat

Orientacions metodològiques Si els alumnes són de 4t d’ESO, convé que facin el procediment a i el c. Els alumnes de batxillerat poden fer el procediment b i, si es considera convenient, el c.

Orientacions tècniques Substàncies pures que es poden fer servir: • 1,4-diclorobenzè o paradiclorobenzè (comercialment “POLIL”). Fon a 52ºC. • Naftalè. Fon a 80ºC.

Feu servir guants Productes tòxics i inflamables.

Com a capil·lars es poden utilitzar els que vénen ja fets en el comerç. Es serveixen en tubs de 100 capil·lars i el preu és econòmic. Mescles: barrejar en diferents proporcions els productes anteriors. El procés de refredament en el procediment a és molt lent, convé accelerar-lo afegint aigua freda en petites dosis al vas de precipitats. Per posar la substància dins el tub capil·lar, s’agafa una mica de pols de la substància (si cal es tritura en un morter) i s’introdueix en el capil·lar. Es donen cops suaus en la base del capil·lar per aconseguir que quedi en la part inferior. Gestió dels residus: No se’n generen. Els tubs d’assaig amb les substàncies s’etiqueten degudament i es guarden per reutilitzar-les amb altres grups d’alumnes.

TÒXIC



Conclusions

Respostes al qüestionari 1. Compara la gràfica obtinguda amb la d’altres companys. Si tots heu investigat la mateixa substància, fixa’t en els següents detalls: la longitud dels trams horitzontals és la mateixa? Si no ho és, com ho expliqueu? No tenen perquè tenir igual longitud, depèn de la quantitat de substància emprada i de la quantitat de calor subministrada per unitat de temps. 3. És correcte afirmar que la temperatura de canvi d’estat és una propietat característica de les substàncies pures? Sí. La coincidència de valors amb el mètode de microfusió indica que és una propietat que no depèn de la quantitat emprada. 4. En un experiment de laboratori quatre alumnes escalfen cadascú un sòlid fins a ebullició... Algun alumne ha treballat amb la mateixa substància? Els alumnes 2 i 3. Per què a l’alumne 4 li surt una corba tan diferent si sabem que ha treballat correctament? La substància analitzada és una mescla.

Criteris d’avaluació Es pot emprar la següent graella on es van valorant les tasques procedimentals que és desitjable que els alumnes sàpiguen realitzar.

Procediment Tasques SÍ NO Realització de l’experiència

Treballa de manera autònoma sense demanar ajut?

Mesura Repeteix les mesures més d’una vegada? Comunicació Redacta l’informe amb claredat? Seguretat Es posa les ulleres de seguretat? Conclusions Les obté sense demanar ajut?

A més cal avaluar la qualitat de les respostes al qüestionari.


Ebullició i variació de la temperatura d’ebullició amb la pressió

- 1 -

2. Ebullició i variació de la temperatura d’ebullició amb la pressió

Objectius • Trobar la temperatura d’ebullició d’una substància pura • Comprovar que la temperatura d’ebullició depèn de la pressió

Introducció Quan un líquid s’escalfa convenientment, canvia d’estat i passa a gas. Per les substàncies pures, aquesta és la temperatura d’ebullició. Quan aquest gas es va refredant, torna a convertir-se en el líquid que teníem al començament. La temperatura de liquació és la mateixa que la d’ebullició. Cada substància pura té la seva temperatura d’ebullició, la qual és constant mentre es fa el canvi d’estat a condició que la pressió sigui sempre la mateixa.

Equipament

Equipament − Tub d’assaig gran amb tap de dos forats − Tub de goma per connexions − Termòmetre (fins a 150ºC) − Bec de Bunsen − Suport i pinces per agafar el tub − Trompa d’aigua o bomba per fer el buit amb

tub de goma per buit − Fragments de ceràmica porosa − Accés a un baròmetre


Procediment a: Determinació de la temperatura d’ebullició d’un líquid

Muntatge i execució de l'experiència 1a. Fes el muntatge indicat en la figura de la dreta, posant aigua destil·lada al tub d’assaig fins a 1/3 aproximadament. Afegeix un tros de ceràmica, que facilitarà una ebullició suau. Tapa el tub amb el tap de dos forats, per un d’ells hi passa el termòmetre, l’altra forat permetrà la sortida de vapor a l’atmosfera. 2a. Escalfa amb suavitat el tub i pren nota de la temperatura cada 30 segons. Continua fent lectures del termòmetre un parell de minuts després que l’aigua hagi començat a bullir. Apaga el foc. 3a. Pren nota de la lectura del baròmetre. 4a. Fes la gràfica de la temperatura en funció del temps en què s’ha anat refredant i localitza el tram horitzontal que correspon al canvi de fase.

termómetre

tub d'assaig gran amb aigua

ceràmica porosa



- 2 -

Procediment b: La temperatura d’ebullició depèn de la pressió

Muntatge i execució de l'experiència 1a. Fes servir el mateix muntatge que en el procediment a, connectant ara el tub de vidre que travessa el tap a una bomba de buit o a una trompa d’aigua. Has de fer servir un tub de goma de parets més gruixudes que el normal. 2b. Engega la bomba de buit o la trompa d’aigua. Si no coneixes aquest aparell, el/la professor/a t’indicarà com s’ha de fer. 3b. Comença a escalfar el tub amb suavitat. No hi ha necessitat de fer lectures del termòmetre a intervals regulars. El que cal és que et fixis bé en el moment que l’aigua del tub comença a bullir i llegir llavors la temperatura del termòmetre. A l’interior del tub d’assaig, la pressió ja no és com abans l’atmosfèrica, sinó que ha disminuït. Pren nota de la temperatura a què has aconseguit fer bullir l’aigua disminuint la pressió.

Conclusions

Qüestionari 1. En la gràfica de la temperatura en funció del temps d’escalfament, ha d’haver-hi un

tram horitzontal que correspon a la temperatura d’ebullició de l’aigua. a) Correspon a 100ºC? b) Si no és així, quins factors han influenciat perquè l’aigua no bulli a 100ºC?

2. Proposa una explicació que justifiqui el fet que en disminuir la pressió, l’aigua

disminueix la seva temperatura d’ebullició. 3. La gràfica de la dreta indica

la variació de la temperatura d’ebullició amb la pressió atmosfèrica. La pressió està en unitats de kPa (la pressió atmosfèrica “normal” és de 101,3 kPa). Fes servir aquesta gràfica per calcular aproximadament la pressió dins el tub quan ha començat a bullir l’aigua.

4. Pots indicar alguna aplicació de la tècnica de destil·lar a pressió menor de

l’atmosfèrica? 5. Les “olles a pressió” estalvien temps de cocció Per què hi ha estalvi de temps?

T e m p e ra tu ra / ºC

Pre

ssió

/ kPa

70 .0 75 .0 80 .0 85 .0 90 .0 95 .0 100 .030.0 0

35.0 0

40.0 0

45.0 0

50.0 0

55.0 0

60.0 0

65.0 0

70.0 0

75.0 0

80.0 0

85.0 0

90.0 0

95.0 0

1 00.0

01 05.0

01 10.0

0

a 101,3 kPa l’aigua bull a 100ºC



- 3 -

Ebullició i variació de la temperatura d’ebullició amb la pressió Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions ! ½ hora per al qüestionari (que es pot fer a casa)

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de 4t d’ESO i de batxillerat

Orientacions metodològiques En el cas d’alumnes de batxillerat, el procediment a es pot suprimir (el qüestionari es comença per la qüestió 2). El procediment b es pot substituir per la següent demostració que ha de fer el professor/a: Demostració qualitativa que la temperatura d’ebullició disminueix en disminuir la pressió Els pots de cuina amb vàlvula per fer-hi el buit poden servir per veure el fenomen que la temperatura d'ebullició és funció de la pressió. Es posa dins el pot aigua molt calenta però sense que bulli. En fer el buit, l'aigua es posa a bullir a una temperatura menor que la que té a pressió atmosfèrica.

Orientacions tècniques

El laboratori ha de disposar d’un baròmetre, millor de mercuri. Convé ajudar l’alumnat si han d’emprar unitats de pressió diferents de les del SI. Vegeu el protocol 387 del CDECT “Experiències amb gasos” per a la demostració amb el pot de buit.

Pot sense tapar amb aigua molt calenta. La bomba de buit està al costat

Disminuint la pressió amb la bomba de buit, l’aigua es posa a bullir



- 4 -

Conclusions

Resultats esperats Difícilment els alumnes arribaran a tenir aigua que bulli exactament a 100ºC. Amb una trompa d’aigua la disminució de pressió que és pot aconseguir depèn del flux d’aigua que surti de l’aixeta. En general, es pot fer bullir aigua a uns 70ºC.

Respostes al qüestionari 1. En la gràfica de la temperatura en funció del temps d’escalfament, ha d’haver-hi un tram horitzontal que correspon a la temperatura d’ebullició de l’aigua. Correspon a 100ºC? Si no és així, quins factors han influenciat perquè l’aigua no bulli a 100ºC? Difícilment es veu clarament que l’aigua bull a exactament 100ºC. Hi ha molts factors: l’aigua no és destil·lada, el termòmetre no està posat de manera que el bulb estigui en contacte alhora amb aigua líquida i aigua gas i, evidentment, que la pressió no sigui 101,3 kPa (760 mm Hg). 2. Proposa una explicació que justifiqui el fet que en disminuir la pressió, l’aigua disminueix la seva temperatura d’ebullició L’explicació dependrà de si són alumnes d’ESO o de batxillerat, en el primer cas haurien de fer servir el concepte de pressió de vapor. 4. Pots indicar alguna aplicació de la tècnica de destil·lar a pressió menor de l’atmosfèrica? Destil·lació al buit del cru del petroli en les refineries amb estalvi d’energia per escalfar. Obtenció d’etanol de puresa superior al 96% (vegeu la introducció al treball pràctic “destil·lació fraccionada”). 5. Les “olles a pressió” estalvien temps de cocció. Per què hi ha estalvi de temps? Augmenta la pressió dins l’olla i, per tant, la temperatura d’ebullició i el procés de cocció és més ràpid (intervenen en els detalls de la resposta massa conceptes de bioquímica dels aliments per entrar-hi). Criteris d’avaluació Es pot emprar la següent plantilla on es van apuntant els passos procedimentals que és desitjable que els alumnes dominin:

Pas del procediment

Acció SÍ NO Tots

Treballa de manera autònoma sense demanar ajut?

Redacta l’informe amb claredat? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat? QÜESTIONS Les respon sense demanar ajut?

A més es controla la qualitat de les respostes al qüestionari.


Com es pot determinar la solubilitat d’una sal i la seva variació amb la temperatura - 1 -

4. Com es pot determinar la solubilitat d’una sal i la seva variació amb la temperatura

Objectius • Determinar si una sal és molt o poc soluble a una determinada temperatura. • Determinar la solubilitat d’una sal a una temperatura determinada. • Investigar si la solubilitat d’una sal depèn de la temperatura i, si és així, com en

depèn.

Introducció Anomenem sals les substàncies iòniques que s’obtenen per combinació d’un àcid i una base. La majoria de les sals són solubles en aigua, algunes molt poc i d’altres molt. La solubilitat es mesura en massa de solut dissolta en una determinada massa o volum de dissolvent. En aquest treball pràctic has de resoldre les tres qüestions següents: Qüestió 1: Com esbrinar si una sal és poc soluble o molt soluble? Qüestió 2. Com es pot determinar quantitativament la solubilitat d’una sal? Qüestió 3: Com podem investigar si la solubilitat depèn de la temperatura i, si és així,

de quina manera en depèn. Procediment Planificació Per trobar una resposta a cada una de les qüestions és necessari que pensis el mètode que faràs servir. Disposes de: Tres sals, etiquetades A, B i C, i a més del material següent:

Si cal, també pots fer servir vasos de precipitats i algun altre estri que consideris necessari.

tubs d'assaig

balança

termòmetre espàtula

bec de Bunsen



Qüestió 1: Com pots saber si les sals A, B i C són molt, poc o gens solubles en aigua? • Pensa un mètode i posa’l per escrit. No comencis a treballar si no tens el vist-i-plau

del professor o professora. Qüestió 2: Com pots determinar la solubilitat de les sals que són solubles? Pensa un mètode i posa’l per escrit. Contrasta les teves idees amb les dels teus

companys i companyes de grup. Pots demanar una primera ajuda al professor o professora. No comencis a treballar si no tens el seu vist-i-plau.

Qüestió 3: Com pots investigar si la solubilitat de les sals varia amb la temperatura? I en el cas que variï, com varia? • Pensa un mètode per investigar-ho i escriu-lo. Pots demanar una segona ajuda al

professor o professora. No comencis a treballar si no tens el seu vist-i-plau.

Realització de l’experiència: Adquisició i enregistrament de les dades Pren nota de les teves observacions i de les mesures quantitatives que hagis fet en forma d’anotacions, taules de dades i si cal de gràfiques.

Conclusions

Anàlisi de les dades, resultats i avaluació dels resultats Qüestió 1: - Són les tres sals A, B i C igual de solubles en aigua a una determinada

temperatura? (en la resposta especifica a quina temperatura aproximada ho has investigat).

- Ordena les tres sals segons la seva solubilitat: molt soluble, poc soluble, quasi insoluble.

Qüestió 2: • Quina és la solubilitat de cada una de les sals que has investigat? Si només has

determinat la solubilitat d’una d’elles, anota també el valor de la solubilitat de la sal obtinguda per un altre grup.

• Pregunta al teu professor o professora quines són les substàncies A, B i C i busca el valor de la seva solubilitat en una taula de dades. Hi ha molta diferència entre el valor que has obtingut i el que indica la taula?

• En cas que siguin apreciablement diferents, quines creus que són les causes de l’error o errors que has pogut cometre?

• Calcula l’error relatiu que has comès. Qüestió 3: - La solubilitat de cada una de les sals varia amb la temperatura? - Si la resposta a la pregunta anterior és afirmativa, indica si la solubilitat augmenta

o disminueix amb la temperatura. - Fes una gràfica de la solubilitat de la sal o les sals que has investigat en funció de

la temperatura.



- La gràfica de l’esquerra mostra la solubilitat de diverses sals en funció de la temperatura. La solubilitat està indicada en massa de solut que es dissol en 100 g d’aigua. Hi ha cap de les substàncies que has investigat que tingui una variació de solubilitat semblant?

Informe Redacta un informe que descrigui les qüestions plantejades, el mètode que has seguit, els resultats obtinguts i la resposta a cada una de les qüestions plantejades. Avalua el resultat obtingut i l’error que hagis pogut cometre en les determinacions experimentals. Fes-ho separadament per a cada una de les qüestions. Qüestionari 1. Fent servir les teves paraules, dóna una definició de solubilitat d’una sal. 2. A partir de la gràfica de solubilitat-temperatura anterior respon la següent qüestió: què passarà si tenim una dissolució saturada de nitrat de potassi a 70ºC i la deixem refredar fins a 20ºC? 3. Tenim una mescla de dos sòlids: sulfat de potassi i nitrat de potassi. Suggereix un mètode per separar-los basat en la diferent solubilitat d’aquestes dues sals.



Com es pot determinar la solubilitat d’una sal i la seva variació amb la temperatura

Material per al professorat


Temporització ! 1/2 hora per a la planificació i discussió del procediment a seguir ! 1 hora per posar en pràctica el procediment i recollir les dades ! 1/2 hora per analitzar les dades i avaluar-ne els resultats Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de primer de batxillerat (qüestió 2 i 3 ) i de 4t d’ESO (qüestions 1 i 2 i la primera part de la 3). Orientacions metodològiques El guió de les tres petites investigacions es presenta amb un cert grau d’obertura, tot i que amb l’ajut del material que es pot fer servir i les preguntes-guia que trobareu a continuació. Com que aquest pot ser un dels primers treballs pràctics de química que realitzin els alumnes de batxillerat, convé que el/la professor/a ho tingui present i intervingui sempre que ho consideri necessari, per guiar els alumnes. Convé dedicar temps a la discussió dels mètodes suggerits pels diferents grups d’estudiants i valorar-ne els avantatges i inconvenients de cada un d’ells (especialment en la qüestió 2). Després es pot decidir aplicar el mètode que es consideri més adient o deixar que cada grup faci el que ha proposat un cop revisat pel professor o professora. També és interessant assignar una sal a cada grup en la resolució de les qüestions 2 i 3, de manera que entre tots els grups investiguin totes les sals proposades. Les tres sals que es poden fer servir són: nitrat de potassi (A), clorur de sodi (B) i sulfat de potassi (C) (vegeu gràfica de solubilitats).També es pot substituir el sulfat de potassi per una sal totalment insoluble com el carbonat de calci (C). Qüestió 1: Com investigar la solubilitat d’una sal a una determinada temperatura

Procediment qualitatiu que es pot utilitzar a temperatura ambient.



Qüestió 2: Com pots determinar la solubilitat de les sals que són solubles?

Mètode A

Un mètode pot ser pesar una mostra d’entre 2 a 5 g de sal (mesurats exactament), col·locar-la en un erlenmeyer o en un vas i, amb una bureta, anant abocant petits volums d’aigua fins aconseguir la dissolució total de la sal, agitant després de cada addició. Es pot fer una primera prova ràpida per veure quin volum d’aigua es necessita aproximadament i una segona fent addicions més petites en apropar-se al volum d’aigua posat anteriorment. Mètode B

Un altre mètode pot ser mesurar un volum determinat d’aigua, per exemple, 20 cm3, mitjançant una proveta o una bureta i abocar-lo en un vas. A continuació pesem exactament una quantitat determinada de la sal, per exemple, uns 10 g, i anem afegint-la en petites quantitats mitjançant una espàtula, agitant després de cada addició, fins aconseguir que la dissolució quedi saturada, de la qual cosa ens adonarem perquè queda un petit excés de sal sense dissoldre. En finalitzar tornem a pesar la massa de la mostra de sal que resta i per diferència obtenim la massa de la sal dissolta. El petit excés de sal afegida per assegurar-nos que la dissolució és saturada es pot dissoldre afegint amb una bureta la mínima quantitat d’aigua per dissoldre-la. Aquest petit volum se suma al mesurat inicialment. Mètode C Una variant del mètode B consisteix a filtrar la dissolució i evaporar el filtrat a sequedat en una càpsula, prèviament pesada, després d’afegir l’excés de sal. La massa de la sal precipitada un cop, ben seca ens dóna la sal dissolta en el volum inicial d’aigua. Cal tenir en compte que en dissoldre el nitrat de potassi la dissolució es refreda considerablement, per això caldrà fer-ho notar als estudiants i fer que mesurin amb un termòmetre la temperatura a la qual estan mesurant la solubilitat o bé que introdueixen el recipient en un bany tèrmic a temperatura ambient (un vas de 500 ml ple d’aigua). L’error més probable del mètode A és passar-se en l’addició d’aigua, suposant que la resta de sal que queda és perquè la dissolució està saturada, quan en realitat encara no ho està i si afegíssim més temps s’acabaria dissolent. Per contra, l’error més probable del mètode B és dissoldre menys sal de la que es pot dissoldre, suposant que ja està saturada quan encara no ho està. A més d’aquest error pot haver-hi el de la falta de control de la temperatura, ja que la dissolució es refreda en dissoldre la sal, especialment la de nitrat de potassi.

Primera ajuda • Per determinar la solubilitat de una sal pots partir d’una massa determinada

de sal i mesurar el volum necessari d’aigua per dissoldre-la just fins que la dissolució quedi saturada o bé partir d’un volum determinat d’aigua i mesurar la massa de la sal que cal afegir fins que la dissolució quedi saturada.

• Com mesuraràs la massa de solut? • Com mesuraràs el volum d’aigua? • Com pots estar segur que la dissolució està saturada? • Cal mantenir constant alguna variable durant la determinació de la

solubilitat?



Qüestió 3: La solubilitat depèn de la temperatura? De quina manera en depèn? Per a resoldre la primera qüestió o la segona de forma qualitativa es pot col·locar una quantitat suficient de cada sal (uns 10 g) en tres tubs d’assaig amb 10 cm3 d’aigua, degudament retolats, de tal manera que després d’agitar quedi sal sense dissoldre. Els tres tubs s’introdueixen en un vas de 500 ml ple d’aigua. S’escalfa l’aigua mitjançant un bec de gas i s’observa en cada tub si es dissol més sal a mesura que augmenta la temperatura. Uns grups poden fer servir el nitrat de potassi (A), uns altres el clorur de sodi (B) i uns altres el sulfat de potassi (C).

Es pot fer servir el següent procediment:

Tercera ajuda. Procediment 1. Prepara 5 tubs d'assaig ben nets. Numera’ls. 2. Pesa diferents mostres de KNO3, de manera que els

tubs continguin les quantitats indicades la taula de l’esquerra.

3. Afegeix a cada tub 10 cm3 d'aigua destil·lada. 4. Col·loca la gradeta amb els tubs en un bany d’aigua a

70ºC (vas de precipitats de 500 ml) durant uns 10 minuts, de manera que tots assoleixin uns 70ºC.

5. Passats els 10 minuts, treu els tubs del bany d’aigua (PRECAUCIÓ: els tubs estan molt calents!). Deixa’ls en una gradeta i espera que es vagin refredant.

6. Observa’ls mentre es van refredant. A mesura que la temperatura disminueix, s’aniran formant cristalls de KNO3 en els diferents tubs. En l’instant que en un tub apareixen els primers cristalls, mesura la temperatura, posant un termòmetre dins el tub. Pren nota de la temperatura en una taula de dades (taula 2). Neteja el termòmetre després de cada ús.

Tub Volum d’aigua/

cm3 massa KNO3 / g Temperat. en començar

a cristal·litzar / ºC 1 10 2 2 10 4

7. Fes una taula de dues columnes: la massa de KNO3 i la temperatura de cristal·lització. Amb aquestes dades dibuixa una gràfica solubilitat-temperatura, posant la massa de solut en 10 cm3 d'aigua a l'eix d'ordenades i la temperatura a l'eix d'abscisses.

Segona ajuda • La primera qüestió requereix un muntatge que permeti visualitzar alhora si la

solubilitat varia o no apreciablement amb la temperatura. • La segona qüestió requereix repetir la determinació de la solubilitat a diferents

temperatures Ho faràs només amb una o dues de les sals? • En lloc d’augmentar la temperatura de la dissolució és més fàcil escalfar primer

fins a una temperatura d’uns 70ºC i després deixar refredar la dissolució, anotant la temperatura a la qual comença a cristal·litzar cada sal.

Quantes mesures creus que seran necessàries?

Tub massa KNO3 / g 1 2 2 4 3 6 4 8 5 10



Propostes de recerca Els alumnes poden dur a terme diferents investigacions: a) Té el mateix significat químic la frase : “el magnesi dissolt en dissolució d’àcid” que

“la sal de cuina dissolt en aigua”? Intervenen tècniques com saber planificar, separar per evaporació i conceptes com el de reacció química.

b) Són els gasos solubles en aigua? Com expliques el que passa en obrir una ampolla d’una beguda carbònica que ha estat agitada prèviament?

Per un treball pràctic sobre la solubilitat dels gasos en un líquid, vegeu l’experiment de solubilitat de l’amoníac en aigua en el T. P. “Obtenció i propietats de l’amoníac” Gestió dels residus: les dissolucions dels tubs d’assaig es poden llençar a la pica.

Conclusions

Resultats esperats Qüestió 1 La solubilitat de les sals varia de més a menys en l’ordre següent: nitrat de potassi, clorur de sodi i sulfat de potassi. Qüestió 2 A la temperatura de 20ºC les solubilitats de cada sal són les següents: solubilitat (nitrat de potassi) = 28 g / 100 g d’aigua solubilitat (clorur de sodi) = 32 g / 100 g d’aigua solubilitat (sulfat de potassi) = .... g / 100 g d’aigua Qüestió 3 La solubilitat del nitrat de potassi augmenta molt ràpidament amb la temperatura, mentre que la del clorur de sodi quasi no varia i la del sulfat de potassi varia gairebé linealment. Els estudiants poden comparar les gràfiques solubilitat-temperatura que obtenen amb la que es troba representada en el seu guió de pràctiques. La variació de la solubilitat amb la temperatura permet diferenciar substàncies amb solubilitats similars a temperatura ambient i també comprendre el fonament de la cristal·lització fraccionada.

Respostes al qüestionari 1 Fent servir les teves paraules, dóna una definició de solubilitat d’una sal. En la resposta, haurien de fer constar la paraula saturació o bé especificar que és la màxima quantitat de sal que es dot dissoldre. 2 A partir de la gràfica solubilitat-temperatura respon la següent qüestió: què passarà si tenim una dissolució saturada de nitrat de potassi a 70ºC i la deixem refredar fins a 20ºC? Cristal·litzaran uns 85 g de KNO3 3 Tenim una mescla de dos sòlids: sulfat de potassi i nitrat de potassi. Suggereix un mètode per separar-los basat en la diferent solubilitat d’aquestes dues sals. El mètode s’ha de basar en la diferent solubilitat de las dues sals. Com que la solubilitat es va fent més diferent a mesura que augmenta la temperatura, podria fer-se servir una cristal·lització fraccionada, amb filtració en calent.



Criteris d’avaluació Pot observar-se com raonen els alumnes les qüestions de disseny del procediment; identificació de la temperatura com la variable independent; identificació de la massa de solut que es dissolt en una quantitat d’aigua com la variable dependent; ús de xifres significatives...


Com es pot determinar la massa atòmica relativa del magnesi? - 1 -

5. Com es pot determinar la massa atòmica relativa del magnesi?

Objectiu • Determinar la massa atòmica relativa del magnesi

Introducció Quan el magnesi reacciona amb l’àcid clorhídric es produeix gas hidrogen:

Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) Com que per cada mol d’àtoms de magnesi reaccionants es forma un mol de molècules de gas hidrogen, podem escriure:

)('''

2

)(

2 HMA

HdmolèculaunadmassaMgdeàtomundmassa

r

Mgr==

mm

2H

Mg

Ar representa la massa atòmica relativa del magnesi i Mr la massa molecular relativa de l’hidrogen. Si coneixem els valors de les masses de magnesi que reacciona (mMg) i d’hidrogen que es forma (mH2), com que Mr(H2) = 2,0, podem calcular Ar(H2). Com que en el cas de gasos és més fàcil mesurar el volum, podem mesurar el volum d’hidrogen que es desprèn i després calcular la massa a través de la densitat o de l’equació dels gasos ideals.

Material i Equipament (per fer el procediment A)

Equipament − Matràs erlenmeyer de 100 cm3 amb tap

foradat − Bureta o tub de recollida de gasos

graduat − Proveta de 50 cm3 − Recipient gran o cristal·litzador − Tubs de vidre en colze de 90º − Suport i pinces − Accés a un baròmetre i a un

termòmetre

Reactius i altres materials − Magnesi, cinta − Dissolució HCl 1 mol.dm-3

Ulleres de seguretat

Procediment A Disseny i realització de l’experiència 1. Pensa el muntatge experimental que et permeti fer reaccionar el magnesi amb una dissolució d’àcid clorhídric i alhora recollir l’hidrogen que es desprèn i mesurar-ne el volum. Pots utilitzar el material que creguis convenient de la llista anterior. Recorda els mètodes de recollida de gasos que has pogut estudiar en cursos anteriors. 2. Quina quantitat de magnesi creus que és adequat utilitzar? 3. Quin volum i concentració d’àcid clorhídric creus que és adequat utilitzar?

IRRITANT



4. Com es pot evitar al màxim possible que la introducció del magnesi no faci que es perdi gas hidrogen? 5. Fes un breu esquema del muntatge i comenta’l amb el teu professor o professora. Si cal fes servir el full d’ajut. 6. Posa en pràctica el procediment i pren les mesures necessàries. 7. Recull i neteja el material emprat.

Material i Equipament (per fer el procediment B)

Equipament − Tub de recollida de gasos o bureta de

50 cm3 amb tap de goma foradat − Proveta de 250 cm3 − Proveta de 10 cm3 − Vas de precipitats de 500 cm3 − Suport i pinces de bureta − Accés a un baròmetre i a un

termòmetre

Reactius i altres materials − Dissolució d’àcid clorhídric concentrat del

36% en massa − Magnesi, cinta (0,025g) − Tros de gasa i fil de cosir resistent

Ulleres de seguretat i guants. PREACUCIÓ ESPECIAL AMB L’ÀCID CONCENTRAT!

Procediment B

Muntatge i execució de l'experiència 1. Necessites un tros de cinta de magnesi que pesi 0,025 g. El professor o professora te’l subministrarà (per tenir un tros d’aquesta massa, es mesura 1,00 m de cinta i es pesa. Es talla proporcionalment a la massa desitjada). 2. Agafa el tros de cinta de Mg, embolica’l amb una mica de gasa i fes-ne una bossa que has de lligar amb una mica de fil de cosir. Deixa un tros de fil d’un pam de llarg penjant (figura 1).

Figura 1 3. Prepara un vas de precipitats de 500 cm3 amb aigua fins a les ¾ parts. Omple també la proveta de 250 cm3 amb aigua.

Posa’t les ulleres de seguretat i els guants.

4. Subjecta el tub de gasos o la bureta al suport. Mesura ara 10 cm3 d’HCl concentrat amb la proveta petita i posa’ls en el tub. Aquesta operació és convenient fer-la en una vitrina amb extractor.

CORROSIU

cinta de Mg dins una bossa

de gasa

fil



5. Acaba d’omplir fins a la boca el tub de recollida de gasos amb aigua destil·lada. Ho has de fer deixant caure l’aigua a poc a poc (millor que vagi lliscant per les parets del tub), de manera que quedin dues capes, la inferior d’HCl concentrat. (Figura 2).

Figura 2 6. Posa la bossa amb el tros de Mg dins el tub de manera que pengi a pocs centímetres de profunditat i tapant el tub amb el tap foradat, procura que aguanti bé el fil que havies deixat amb un pam de llarg. (Figura 3). Figura 3

7. Ràpidament, tapa amb un dit el forat del tap i capgirant el tub, deixa’l invertit dins el vas de precipitats de 500 cm3. A partir d’ara, l’àcid concentrat més dens es difondrà ràpidament fins arribar al magnesi i començarà la reacció generant hidrogen que anirà desplaçant l’aigua del tub de recollida de gasos. (Figura 4).

Figura 4 8 Espera que tot el magnesi hagi reaccionat. Ara has de mesurar el volum d’hidrogen generat. Per fer la mesura a la pressió atmosfèrica, has de traslladar el tub sense girar-lo i tapant amb un dit el forat del tap, fins la proveta amb aigua. Un cop hagis submergit l’extrem del tub treus el dit i vas submergint-lo dins la proveta fins que els nivells d’aigua del tub i el de la proveta coincideixin. Segurament es vessarà una mica d’aigua. Procura no fer massa mullader. Aleshores llegeixes el volum de gas hidrogen recollit. (Figura 5).

Figura 5

10 cm3 HCl conc. 10 cm3 HCl conc i acabar d'omplir d'aigua

nivells d'aigua iguals

Hidrogen



9. Pren nota del volum d’hidrogen, de la pressió atmosfèrica i de la temperatura ambient. 10. Recull i neteja el material emprat.

Conclusions Anàlisi de les dades, càlculs i avaluació del resultat Pots fer un càlcul aproximat de la massa d’hidrogen que contenia el tub de recollida de gasos sabent que la densitat del gas en condicions estàndard (25ºC i 1 atm) és de 0,082 g/dm3 Un càlcul més exacte requereix utilitzar les dades de la pressió atmosfèrica, la temperatura del laboratori i el volum d’hidrogen, i emprar l’equació general d’estat dels gasos. 1. Calcula la massa d’hidrogen obtinguda per qualsevol de les dues vies proposades. 2. Aplica la fórmula indicada en la introducció per calcular la massa atòmica relativa del magnesi. 3. Compara el valor obtingut amb el que figura en una taula de masses atòmiques relatives. Quin error relatiu has comès? 4. Quines creus que poden ser les causes d’aquest error? Qüestionari 1. En recollir el gas hidrogen sobre aigua, has de recordar que l’espai que aparentment ocupa només el gas hidrogen també està ocupat per vapor d’aigua. D’on procedeix aquest vapor? Quina correcció cal fer per calcular la pressió parcial de l’hidrogen sec? 2. Per què cal situar el tub amb hidrogen de manera que el nivell d’aigua del tub sigui el mateix que el d’aigua de la proveta? 3. En el tub de gasos del muntatge del procediment A es recull hidrogen o una mescla d’hidrogen i d’aire, procedent de l’erlenmeyer i els tubs de connexió? En qualsevol cas, té això algun efecte en les mesures realitzades?



Com es pot determinar la massa atòmica relativa del magnesi? Material per al professorat


Temporització ! ½ hora per a la planificació de l’experiment a seguir ! 1 hora per a l’experimentació d’un dels procediments i els càlculs ! ½ hora per a les conclusions i la posada en comú Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de primer o de segon de batxillerat. Si són alumnes de segon es pot utilitzar l’equació dels gasos en el càlcul del volum i fer la correcció de la pressió de vapor de l’aigua. Si són alumnes de primer és millor fer un càlcul aproximat a partir de la densitat de l’hidrogen ha condicions estàndard, tot i que convé fer notar l’aproximació que s’està realitzant. Orientacions metodològiques L’experiment serveix per adonar-se de com es van trobar en els segles passats els valors d’algunes masses atòmiques relatives. La investigació es presenta en dues versions, el procediment A més obert, i el procediment B més tancat. Si es vol, es pot fer que uns grups segueixin el procediment A i d’altres el B. En aquest cas, els estudiants als quals es proposi el mètode B convé que a nivell de disseny, encara que no de realització, passin pel mètode A, per tal que es puguin plantejar les qüestions que se’ls presenta. Un cop finalitzada la realització de l’experiència i fets els càlculs és convenient que cada un dels grups expliqui a classe el mètode seguit i els resultats obtinguts per tots ells. Convé comparar i avaluar a classe aquests resultats i discutir les possibles fonts d’error que s’han pogut cometre.

Full d’ajut per al procediment A

Muntatge i execució de l'experiència

Posa’t les ulleres de seguretat

1. Munta el dispositiu de la figura 1. La bureta o el tub per recollir gasos han de quedar plens d’aigua. 2. Pesa 0,05 g de cinta de magnesi (el millor és mesurar un tros de cinta de 1,0 m i després d’haver-la pesat, es calcula la longitud que correspon a aquesta massa). 3. Mesura amb la proveta 50 cm3 de la dissolució d’HCl 1 mol.dm-3 i posa’ls en el matràs erlenmeyer. Acaba d’omplir el matràs amb aigua destil·lada. Destapa l’erlenmeyer just el temps per posar-hi dins el tros de cinta de magnesi. 4. Espera que tot el magnesi hagi reaccionat. Ara has de mesurar el volum d’hidrogen generat. Per fer la mesura a la pressió atmosfèrica, has de traslladar el tub o la bureta sense girar-lo i tapant-ne la boca amb un dit, fins la proveta amb aigua. Un cop hagis submergit l’extrem del tub treus el dit i vas submergint-lo dins la proveta fins que els nivells d’aigua del tub i el de la proveta coincideixin. Segurament es vessarà una mica d’aigua. Procura no fer massa mullader. Aleshores llegeixes el volum de gas hidrogen recollit. (Figura 2)



Figura 1 Figura 2 El muntatge del procediment A es pot millorar introduint un tub o embut de decantació en el tap de l’erlenmeyer (cal utilitzar llavors un tap de dos forats). Es posa el tros de magnesi dins de l’erlenmeyer, es tapa l’erlenmeyer i s’aboca la dissolució d’HCl a través de l’embut de decantació. D’aquesta manera s’eviten les fuites d’hidrogen. Si s’utilitza una bureta invertida en lloc d’un tub de recollida de gasos, cal tenir en compte el volum que queda comprès entre la clau i la primera divisió, que no es troba graduat. Es pot mesurar aquest volum, prèviament, omplint-lo amb l’aigua abocada des d’una pipeta graduada. Gestió dels residus: poden llançar-se a la pica.

Conclusions

Resultats esperats El procediment B acostuma a donar resultats més propers al valor real que el procediment A, excepte si aquest es perfecciona mitjançant la utilització d’un embut de decantació per abocar-hi la dissolució d’àcid clorhídric. Són d'esperar resultats amb errors relatius inferiors al 5 % si es treball amb cura.

Respostes al qüestionari 1 En recollir el gas hidrogen sobre aigua, has de recordar que l’espai que aparentment només ocupa el gas hidrogen també està ocupat per vapor d’aigua. D’on procedeix aquest vapor? Quina correcció cal fer per calcular la pressió parcial de l’hidrogen sec? El vapor d’aigua procedeix de l’evaporació de l’aigua del tub de recollida de gas. Se suposa que passa el temps suficient perquè s’aconsegueixi la pressió de vapor d’equilibri. La pressió d’hidrogen sec es pot calcular a partir de l’equació:

50

40

30

20

10

0

HCl(aq)

cinta de Mg

nivells d'aigua iguals

Hidrogen



pressió d’hidrogen sec = pressió de la mescla – pressió de vapor d’aigua La pressió de la mescla és igual a la pressió atmosfèrica si s’ha fet la igualació de nivells. La pressió de vapor d’aigua a la temperatura en què s’ha fet la mesura del volum es pot consultar en un llibre de dades. 2 Per què cal situar el tub amb hidrogen de manera que el nivell d’aigua sigui el mateix que el d’aigua de la proveta? Per assegurar-nos que la pressió del gas és igual a l’atmosfèrica. 3 En el tub de gasos del muntatge del procediment A es recull hidrogen o una mescla d’hidrogen i d’aire, procedent de l’erlenmeyer i els tubs de connexió? En qualsevol cas, té això algun efecte en les mesures realitzades? Es recull també aire, però això no modifica els càlculs realitzats ja que la quantitat d’aire és equivalent a la de l’hidrogen que pot quedar en l’erlenmeyer i els tubs. En les mateixes condicions de pressió i temperatura desplaçat ocupa el mateix volum que ocuparia l’hidrogen. El volum en els gasos no depèn del tipus de gas sinó de la quantitat de gas (llei d ‘Avogadro). Criteris d’avaluació Els criteris d’avaluació, si s’ha seguit el procediment A han de tenir en compte la planificació portada a terme pels estudiants a través de les respostes a les qüestions numerades que s’hi proposen. Cal valorar-les més si les responen abans de consultar els quadres d’ajut. En el cas del procediment B comptarà més la habilitat a seguir les instruccions per a la realització de les mesures. En qualsevol dels dos procediments cal tenir en compte la seguretat mostrada en la manipulació del material i dels productes de risc com l’àcid clorhídric, la correcció en els càlculs (un ús correcte de les xifres significatives) i l’ avaluació del resultat obtingut i de les fonts d’error que s’hagin pogut cometre.


Com es pot determinar la fórmula empírica de l’aigua? - 1 -

6. Com es pot determinar la fórmula empírica de l’aigua?

Objectius • Determinar experimentalment la fórmula de l’aigua mitjançant una electròlisi. • Comprovar la importància d’un disseny acurat en la realització d’un experiment.

Introducció És sabut que la fórmula de l'aigua és H2O, però com quasi tot en química, és el resultat de nombroses determinacions experimentals amb mesures molt acurades. Un mètode per a determinar la fórmula d'un compost com l'aigua, es descompondre’l en els seus elements -hidrogen i oxigen- mitjançant l'electròlisi. Es pot mesurar el volum dels dos gasos produïts i trobar a partir d'ells la relació de les quantitats obtingudes. D’acord amb el model cinètic dels gasos, el volum que ocupen és proporcional al nombre de molècules de gas que contenen a les mateixes condicions de pressió i temperatura. Per tant, la relació entre els volums dels gasos que s’obtenen ha de ser el mateix que la relació entre les molècules o mols de molècules de cada gas. Com que les fórmules moleculars de l’hidrogen i de l’oxigen són H2 i O2 respectivament, la relació entre el nombre de mols de molècules d’un i d’un altre serà igual a la relació entre el nombre de mols d’àtoms. Com que aquests àtoms provenen de la descomposició de les molècules d’aigua, la relació entre el nombre de mols d’àtoms d’hidrogen i d’oxigen obtinguts ens permet conèixer la relació entre els àtoms d’hidrogen i d’oxigen que hi ha a l’aigua, és a dir, la fórmula de l’aigua. Encara que amb aquest experiment no puguis demostrar exactament que la fórmula de l'aigua és H2O, no hauràs estat perdent el temps. Hauràs comprovat que en el treball experimental es necessita constància en la feina, dispositius de mesura acurats, observar amb atenció, sentit comú i, sovint, imaginació perquè un experiment sigui satisfactori.


Equipament - Font d'alimentació 6 V c.c. - Elèctrodes de platí (2) - Recipient per fer l'electròlisi - Tubs d'assaig - Cables de connexió i pinces - Proveta de 10 cm3 - Regle

Reactius i altres materials - Àcid sulfúric, dissolució 2 mol.dm-3

Ulleres de seguretat quan es manipuli l’àcid sulfúric

CORROSIU



Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Usa els elèctrodes, el recipient, els tubs d'assaig i els cables per muntar l'aparell d'electròlisi que es mostra en la figura 1.

Figura 1: electròlisi de l’aigua Assegura’t que els elèctrodes queden dins dels tubs d'assaig, de manera que els gasos que s'obtinguin quedin atrapats dins els tubs d'assaig. Aquesta manera de recollir un gas s'anomena "recollir per desplaçament d'aigua". L'elèctrode connectat al pol negatiu de la font d'alimentació permet l'obtenció d'hidrogen. L'elèctrode connectat al pol positiu de la font d'alimentació permet l'obtenció d'oxigen.


2. L'aigua pura és mala conductora del corrent i la seva electròlisi és molt lenta. Per això cal afegir entre 3 i 4 cm3 de dissolució d'àcid sulfúric que actua de catalitzador i accelera la reacció. Usa la proveta per mesurar el volum de dissolució d'àcid sulfúric. Quan l'hagis afegit al recipient, remena amb suavitat els tubs, per facilitar la dissolució de l'àcid. 3. Posa en marxa la font d'alimentació de c.c. i observa el que passa en els elèctrodes. Pren notes de possibles millores en el disseny del muntatge. Quan vegis que en un dels tubs s'ha obtingut un volum de gas igual a la meitat aproximada del volum total del tub, pots desconnectar la font d'alimentació. 4. Mesura a quina longitud de cada tub està ocupada per gas. Fixa’t si els dos tubs són exactament iguals en diàmetre i en la forma arrodonida del fons dels tubs. Si els dos tubs que has emprat tenen el mateix diàmetre, la proporció en alçades és igual a la proporció en volums dels gasos que contenen.

cables aïllats que acaben amb un elèctrode de platí

tubs d’assaig per recollir els gasos formats

vas de precipitats

Font d’alimentació



Conclusions

Anàlisi de les dades Podem considerar que ambdós gasos estan a la mateixa pressió i temperatura. Si considerem els dos tubs iguals, per tant que les alçades són proporcionals als volums, pots fer un càlcul de la proporció entre els mols d’àtoms de gas hidrogen i els mols d’àtoms de gas oxigen. Planteja els teus càlculs de manera ordenada. Qüestionari 1. La fórmula de l'aigua és H2O, la quals cosa significa 2 mols d’àtoms d’hidrogen per cada mol d’àtoms d’oxigen. Quina fórmula has obtingut tu? En el cas que no hagis obtingut exactament aquest valor 2:1, raona quines són les fonts d’error que has pogut cometre. 2. Has mesurat l'alçada de gas recollit a cada tub i l'has considerat proporcional al volum de gas. Com ha de ser la secció dels tubs perquè aquesta suposició sigui correcta? 3. La part arrodonida final dels tubs acostuma a ser de dimensions irregulars. Pots idear una manera de mesurar el volum de gas que es troba únicament a la part recta del tub? 4. Com deus saber, alguns gasos són solubles en aigua (pensa per exemple que si l'oxigen no fos soluble, els peixos no podrien respirar!) Com pot influir això en els resultats? Pots suggerir alguna solució a aquest problema?



Com es pot determinar la fórmula empírica de l’aigua? Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de 4r d’ESO i de 1r de batxillerat (els alumnes de 4r d’ESO que no hagin estudiat el concepte de quantitat de substància hauran de limitar-se a observacions qualitatives sense fer la part d’anàlisi de dades).

Orientacions metodològiques L’objectiu d’aquest treball pràctic és aprendre un mètode per determinar fórmules empíriques i desenvolupar les habilitats procedimentals per disseny d’un experiment. L’experiment no té per objectiu arribar a trobar exactament la fórmula empírica de l’aigua, sinó aprendre la tècnica i reflexionar sobre com pot ser millorada. L’activitat es pot desenvolupar de la següent manera: 1- Una discussió prèvia a l’aula sobre el millor mètode de recollir un gas que es forma en una reacció química. 2- Fer l’electròlisi i observar el que passa. 3- Obligar a discutir de quina manera el resultat obtingut ve afectat pel que han observat, per exemple: podria ser que una part, pot ser petita, del gas entorn de l’ànode es dissolgui en aigua, la qual cosa explicaria que no es puguin recollir en el tub. 4- A continuació portar-los a suggerir modificacions en el muntatge (vegeu “respostes al qüestionari”). Al final hi ha uns gràfics perquè si el professor/a ho considera oportú, els alumnes trobin la massa de gas a partir de l’alçada d’aquest en el tub. Si es disposa d’un voltàmetre de Hoffmann, es pot usar per comparar els resultats, però sempre després que els estudiants hagin fet l’experiment. Propostes de recerca Els estudiants que desitgin ampliar els continguts procedimentals, poden fer un altre experiment de determinació d’una fórmula empírica, com és la del MgO

Orientacions tècniques Els elèctrodes descrits en el material de l’alumnat són fils de platí d’entre un i dos centímetres soldats a cables de connexions. La soldadura s’ha de protegir bé segellant-la amb adhesiu tipus Araldite® per tal que el contacte amb l’aigua acidulada junt amb el pas de corrent no l’oxidi. També es poden fer senzills “voltàmetres” amb vasos de plàstic i dos elèctrodes de platí que travessen el fons del vas. Cada elèctrode es passa pel forat d’una agulla de cosir, que es clava a l’interior del fons del vas. Es deixa que només el fil de platí quedi dins el vas. Se segella després amb un adhesiu. L’agulla que sobresurt per la part inferior serveix per connectar els cables a la font d’alimentació.



Conclusions

Resultats esperats No s’obté exactament la relació 2:1. Però els estudiants hàbils s'hi aproximen molt.

Respostes al qüestionari 2. Has mesurat l'alçada de gas recollit a cada tub i l'has considerat proporcional al volum de gas. Com ha de ser la secció dels tubs perquè aquesta suposició sigui correcta? Secció igual. 3. La part arrodonida final dels tubs acostuma a ser de dimensions irregulars. Pots idear una manera de mesurar el volum de gas que es troba únicament a la part recta del tub? Un problema important com és l’extrem final arrodonit dels tubs, es pot solucionar bé omplint prèviament el fons del tub amb cera fosa per tenir un fons pla o bé substituint el tub d’assaig per tub de vidre o metacrilat, tapat amb tap de goma. 4. Com deus saber, alguns gasos són solubles en aigua (pensa per exemple que si l'oxigen no fos soluble, els peixos no podrien respirar!) Com pot influir això en els resultats? Pots suggerir alguna solució a aquest problema? S’obté menor quantitat d’oxigen que l’esperada (de fet la solubilitat de l’oxigen en aigua a temperatura ambient és molt baixa, i l’error no és gaire important). Saturar prèviament l’aigua d’oxigen engegant l’electròlisi uns minuts abans de començar a recollir els gasos. Criteris d’avaluació Donat que aquest treball pràctic és per a estudiants que inicien els estudis de química, convé fixar-se en la manera com resolen les qüestions procedimentals


Com es pot determinar la massa molar d’un gas i d’una substància volàtil?

- 1 -

7. Com es pot determinar la massa molar d’un gas i d’una substància volàtil?

Objectius • Determinar la massa molar d’un gas, aplicant la hipòtesi d’Avogadro. • Determinar la massa molar d’una substància volàtil, aplicant la hipòtesi d’Avogadro.

Introducció Amadeo Avogadro, un físic italià del s. XIX, va seguir el següent raonament: El fet que a pressió constant, el volum de qualsevol gas és directament proporcional a la seva temperatura, implica que si disposem de recipients d’igual volum amb gasos diferents, tots a igual temperatura, han de tenir el mateix nombre de partícules. En aquest treball pràctic has de fer servir el raonament o “hipòtesi d’Avogadro”, en la primera part per trobar la massa molar d’un gas desconegut i en la segona part per trobar la massa molar d’un vapor obtingut a partir d’un líquid volàtil. Per això primer cal que trobis una relació matemàtica senzilla entre les masses de dos gasos i les seves masses molars.

Primera part: determinació de la massa molar d’un gas

Disseny del procediment i execució de l'experiència 1. Suposa que tens dos gasos A i B en recipients d’igual volum (imagina dues xeringues), ambdós recipients en estar un al costat de l’altre, podem assegurar que estan a igual temperatura i com que els èmbols de les dues xeringues estan immòbils, els gasos estan sotmesos a la mateixa pressió, que serà la de l’atmosfera. Escrivint l’equació d’estat per cada gas, has de demostrar que tots dos gasos contenen el mateix número de mols: nA = nB 2. A partir d’aquesta igualtat, has d’arribar a la següent:

B

A

MM=

B

A

mm (MA i MB són les masses molars dels gasos A i B)

3. Suposa que coneixes la massa molar d’un gas (l’aire, per exemple) i vols determinar la massa molar del butà. Pensa un procediment per fer aquesta determinació. Escriu el procediment i especifica el material necessari i tots els passos a seguir, especialment les magnituds que caldrà mesurar i les que s’han de mantenir constants. Suposa que el recipient és una xeringa de 60 cm3 de volum. 4. Has tingut en compte que per saber la massa d’un gas cal pesar el recipient buit i després amb el gas? Si no ho has fet, suggereix ara, com es podria fer. 5. Compara el teu procediment amb el que et proporcionarà el full d’ajut. La comparació la pots fer copiant i completant un quadre com el següent: Pas del procediment suggerit pel/per la professor/a

El meu procediment Comentari (indica quin consideres millor)



- 2 -

6. Un cop tinguis el vist-i-plau, ja pots seguir els passos del procediment.

Conclusions

Anàlisi de les dades 1. Calcula la massa molar del gas butà, fent servir la formula que relaciona masses de gas amb masses molars. L’aire té una massa molar mitjana de 28,8 g.mol-1 2. Per saber l’error relatiu de la teva mesura, calcula la massa molar del butà, a partir de la seva formula i d’una taula de masses atòmiques relatives. Quin és l’error relatiu de la mesura que has fet? Ampliació: Si tens ocasió pots determinar la massa molar d’altres gasos com el diòxid de carboni. En aquest cas cal que et plantegis abans la manera com ompliràs una xeringa amb el CO2. Dissenya el procediment, però no comencis a fer res fins a tenir el vist-i-plau del/de la professor/a. Si cal, pots demanar ajut.

Segona part: determinació de la massa molar d’una substància volàtil.

Disseny del procediment i execució de l'experiència El mètode anterior (consulta els apartats 1 i 2 de la primera part) es pot aplicar, amb alguns canvis, a la determinació de la massa molar de substàncies líquides volàtils. El canvi fonamental és que cal tenir un recipient, un matràs per exemple, amb la substància en estat gasós havent-la escalfat fins que s’evapori totalment. Suposa que tens:

Per aconseguir tenir el matràs ple amb el gas format per evaporació d’una mica de líquid, el matràs es tapa amb paper d’alumini ben lligat amb una goma elàstica i amb un forat petit per permetre escapar l’excés de gas. 1. Dissenya el procediment per determinar la massa molar d’un líquid desconegut, X, sabent que la comparació la faràs amb un altre líquid volàtil de massa molar coneguda (l’etanol). Escriu un procediment per fer aquesta determinació. Especifica el material necessari i tots els passos a seguir, especialment les magnituds que caldrà mesurar.

Líquids inflamables!

matràs erlenmeyer bany d'aigua calenta un flascó amb etanol i l’altre amb el líquid a determinar la massa molar

LIQUID

INFLAMABLE



- 3 -

2. No comencis a fer res fins a tenir el vist-i-plau del/de la professor/a. Si cal, pots demanar un full d’ajut. Un cop tinguis el vist-i-plau, ja pots seguir els passos del procediment.

Conclusions

Anàlisi de les dades 1. Calcula la massa molar del líquid desconegut, fent servir la fórmula que relaciona masses de gas amb masses molars. L’etanol té una massa molar de 46 g.mol-1 2. Demana al professor/a quin era el líquid desconegut, per saber la seva massa molar real. Calcula l’error relatiu de la mesura que has fet.

Qüestionari 1. En cap de les determinacions hem necessitat saber el volum del recipient, per què no és necessària aquesta mesura? 2. Fes una llista amb suggeriments per millorar el procediment per tal de minimitzar l’error de la mesura de la massa molar. 3. Aquest mètode ja no es fa servir actualment en la determinació de masses molars de gasos o líquids volàtils. Mira si el teu llibre de química explica quin és el mètode actualment emprat en els laboratoris d’anàlisi.



- 4 -




Temporització ! ½ hora per a la preparació i disseny a l’aula del procediment ! 1 hora l’experimentació i les conclusions (fent una de les dues parts)

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat

Orientacions metodològiques El/la professor/a pot decidir si fer una qualsevol de les parts proposades o les dues en funció del temps que hi vulgui dedicar i del material de què disposi. En qualsevol cas la discussió prèvia sobre el fonament teòric és imprescindible. El qüestionari és el mateix per a tots dos procediments Disseny del procediment per a la primera part (full d’ajut per l’alumne/a) Material i Equipament

Equipament − Xeringa de 60 cm3 (la gradació d’aquestes

xeringues arriba fins als 50 cm3), preparada tal com s’indica en el pas 1ª

− Un clau d’uns 5 cm de llarg − Tub de goma (4 cm) acoblat a la xeringa amb

pinça metàl·lica per tancar el tub − Balança, sensibilitat 0,01 g

Reactius i altres materials − Butà (d’una bombona petita)

Procediment 1ª Preparació de la xeringa per fer mesures quantitatives

amb gasos: Estirar l’èmbol de la xeringa fins el volum de 50 cm3. Amb la punta d’unes tisores es forada l’èmbol just a ran del cilindre de la xeringa, per aquest forat es passa un clau, de manera que així és pot fixar l’èmbol en un volum determinat. Acoblar a la xeringa el tub de goma amb la pinça metàl·lica. Vegeu figures 1 i 2.

2ª Treure el clau, obrir la pinça metàl·lica i baixar l’èmbol a

volum zero. Tancar el tub de goma amb la pinça i fent força (caldrà l’ajut d’algú) estirar l’èmbol per tal de fer el buit fins que es pugui passar el clau pel forat fet en l’èmbol. Ara, es pesa el conjunt: això és la massa de la xeringa buida.

Figura 1: preparació de la xeringa

GAS

INFLAMABLE



- 5 -

3ª Obrint la pinça, es deixa entrar aire, es torna a tancar la pinça (no s’ha de tocar el clau) i es pesa altra vegada. La diferència entre aquesta massa i l’anterior és la massa d’aire.

4ª Per omplir de gas butà, es suficient connectar el tub de goma a la sortida

de gas d’un bec tipus “labo-gas”, l’èmbol està baixat i es va ajudant a pujar fins que es pot posar el clau que fixa el volum. Cal fer-ho prop d’una finestra oberta o en un indret amb bona ventilació.

5ª Posar la pinça metàl·lica tancant la xeringa i pesar-ho. La diferència entre

aquesta massa i la de la xeringa buida és la massa de butà. 6ª Aplicar la fórmula deduïda a partir de la hipòtesi d’Avogadro. En el disseny que es demana als alumnes és improbable que hagin pensat en els detalls de la preparació de la xeringa indicats més amunt, l’important però és que indiquin clarament les diferents pesades que caldria fer. Per omplir la xeringa amb diòxid de carboni caldria generar el gas amb el mateix muntatge que l’indicat en el T.P “Obtenció i propietats de l’amoníac”.

Figura 2: el dispositiu complert Consulteu a més: http://mattson.creighton.edu/Microscale_Gas_Chemistry.html. Hi trobareu fotografies de l’experiment amb informació complementària (en anglès). Disseny del procediment per a la segona part (full d’ajut per l’alumne/a) Material i Equipament

Equipament − Matràs erlenmeyer de 100 cm3 − Vas de precipitats de 500 cm3 − Suport, pinça, cèrcol i reixeta − Comptagotes o pipeta − Bec de Bunsen − Paper d’alumini, goma elàstica i agulla per

foradar l’alumini − Balança, sensibilitat 0,01 g

Reactius i altres materials − Etanol − Acetona (líquid problema)


Procediment 1ª Pesa l’erlenmeyer, el tros de paper d’alumini que servirà per tapar-lo i la goma elàstica, tot

junt. 2ª Posa en l’erlenmeyer uns 4 cm3 del líquid problema. Tapa la boca del matràs amb paper

d’alumini ben lligat per la goma elàstica i amb una agulla forada en centre del paper, això permetrà escapar vapors del líquid, en escalfar-lo

Posa’t les ulleres de seguretat.

clau

pinça

LIQUID

INFLAMABLE

http://mattson.creigton.edu/Microscale_Gas_Chemistry.html



- 6 -

3ª Col·loca el matràs dins un bany d’aigua bullent. (Figura 3). Escalfa fins que vegis que pel forat ja no surten més vapors i que en el matràs tot el líquid s’ha evaporat. Apaga el foc i treu el matràs del bany d’aigua. Vés amb compte de no cremar-te. Fes servir una pinça per agafar el matràs.

4ª Quan el matràs s’ha refredat a la

temperatura ambient, observaràs que s’ha condensat una mica del vapor que omplia el matràs. No treguis el paper d’alumini. Eixuga el matràs per fora amb paper i pesa el conjunt.

5ª Repeteix els passos 1a a 4a amb l’etanol,

líquid del que coneixem la seva massa molar.

Figura 3: muntatge per determinar la massa molar d’un líquid volàtil

Orientacions tècniques Les xeringues descrites aquí es troben en qualsevol farmàcia. El volum total és de 60 cm3.

Conclusions

Resultats esperats La massa d’aire que conté una d’aquestes xeringues és d’uns 0,07 g. L’error relatiu amb el primer mètode (un mètode en microescala) és inferior al 5 %. El segon mètode (útil per a líquids volàtils) dóna errors relatius més alts.

Respostes al qüestionari 1. En cap de les determinacions hem necessitat saber el volum del recipient, per què no és necessària aquesta mesura? Hem fet servir la hipòtesi d’Avogadro. 2. Fes una llista amb suggeriments per a millorar el procediment per tal de minimitzar l’error de la mesura de la massa molar. L’error el dóna la pesada (cal una balança d’elevada sensibilitat). Caldria treballar amb mostres de gasos sense humitat. Els gasos haurien de ser mostres pures. Caldria assegurar-se que realment els volums són iguals… 3. Aquest mètode ja no es fa servir actualment en la determinació de masses molars de gasos o líquids volàtils. Mira si el teu llibre de química explica quin és el mètode actualment emprat en els laboratoris d’anàlisi. L’espectroscòpia de masses.



- 7 -

Criteris d’avaluació Es pot emprar la següent plantilla on es van apuntant els passos procedimentals que és desitjable que els alumnes dominin:

Pas del procediment

Acció SÍ NO

1 i 2 Sap arribar a l’expressió

B

A

MM=

B

A

mm ?

Indica correctament les mesures que cal fer (pesades, etc.)? 3 Indica clarament quines magnituds s’han de mantenir invariables

(pressió, volum, temperatura)?

5 Fa una crítica del seu procediment? 6 Repeteix les mesures més d’una vegada? 6 Calcula l’error relatiu? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat?

Fa els càlculs sense demanar ajut? CÀLCULS Fa ús correcte de les xifres significatives?


Com es pot calcular la constant d’Avogadro?

- 1 -

8. Com es pot calcular la constant d’Avogadro?

Objectius • Fer una estimació del valor de la constant d’Avogadro. • Analitzar les fonts d’error més importants del mètode proposat.

Introducció La idea bàsica del mètode és la següent: si sabem el volum d’un mol de molècules, V cm3/mol d’una substància i el volum d’una única molècula d’aquesta substància, v

cm3/molècula, el quocient: molmolècules/lacm3/molècu

cm3/mol N v

V = serà el nombre de molècules en

un mol, que és el valor de la constant d’Avogadro. La substància que es fa servir és l’àcid oleic. El problema està a trobar per una part quin volum ocupa un mol de molècules d’àcid oleic i per l’altre, el volum d’una única molècula. Per trobar el volum V d’un mol de molècules d’àcid oleic: Ho has de fer a partir de les dades següents:

Per trobar el volum v d’una molècula d’àcid oleic: Quan es deixa caure una microgota d’àcid oleic sobre un gran superfície d’aigua, l’àcid oleic s’extén formant una pel·lícula de tal manera que totes les molècules queden flotant juntes a la superfície, més o menys així: Molècules d’àcid oleic tal com es col·loquen en la superfície de l’aigua. Realment no tenen forma cúbica, però per fer càlculs ens és còmode suposar-ho La pel·lícula d’àcid oleic es tan fina que el seu gruix és el d’una molècula! Aquesta propietat ens permetrà fer un càlcul aproximat del volum d’una molècula. Ho has de fer a partir de les dades següents:

Fórmula de l’àcid oleic: C17H33COOH Líquid de densitat 0,890 g/cm3

Necessites trobar: •El volum de la microgota d’àcid oleic que s’ha deixat caure sobre l’aigua (aquest serà el volum de totes les molècules d’àcid que floten sobre l’aigua) • La superfície de la pel·lícula • El gruix, que pots calcular per la fórmula Volum = superfície x gruix Si saps el gruix, com que hem suposat que les molècules tenen forma cúbica, pots trobar el volum d’una molècula



- 2 -


Equipament − Recipient gran, per exemple un cristal·litzador − Pipeta o comptagotes − Tros de tela de mussolina o de cotó molt fi − Làmina de plàstic transparent − Retolador − Paper mil·limetrat

Productes i altres materials − Dissolució d’àcid oleic en pentà (0,5 g d’àcid en

1 L de pentà) − Talc en pols Pentà: inflamable

Procediment

Execució de l'experiència 1. Comença per posar aigua en un recipient de superfície gran (ha de ser molt més gran que un vas de precipitats) i quan l’aigua del recipient estigui perfectament quieta el recobreixes amb pols de talc passats a través d’una tela de mussolina (igual que fan els pastissers quan posen sucre glaç damunt un pa de pessic). 2. La primera dificultat a superar és deixar caure una microgota d’àcid oleic sobre una superfície d’aigua. Manipular una microgota és tan difícil que es recorre a un truc: es fa servir una dissolució molt diluïda d’àcid oleic en pentà. Per què el pentà? Perquè és un líquid que s’evapora molt ràpidament i quan es deixen caure unes gotes d’aquesta dissolució sobre l’aigua, el pentà s’evapora en qüestió de segons i deixa la pel·lícula d’àcid oleic del gruix d’una molècula. El que has de fer, per tant, és deixar caure amb un comptagotes, unes poques gotes, sabent exactament quantes, de dissolució d’àcid oleic en pentà (0,5 g d’àcid en 1 L de pentà). Pren nota del nombre de gotes que has deixat caure. Podràs distingir perfectament la taca d’àcid oleic perquè és la superfície que queda lliure de pols de talc. Procura que la taca sigui gran, però que en cap cas toqui les parets del recipient. Si passa això, has de buidar-ho tot, netejar bé amb aigua i detergent i tornar a començar. 2. Ara has de trobar un sistema per calcular la superfície de la taca d’oli. Fes servir la làmina de plàstic transparent per “calcar” la forma de la taca i el paper mil·limetrat. 3. Una altra dificultat a superar és saber quin és el volum de la taca o capa monomolecular d’àcid oleic. El que has de fer és calibrar el comptagotes o pipeta que has fet servir, de manera que puguis saber:

a) el volum d’una gota de dissolució d’àcid oleic en pentà b) el volum d’àcid oleic que forma la capa monomolecular (recorda hi ha 0,5 g

en 1 L de pentà) Compta les gotes que hi ha en un volum concret, per exemple 1 cm3

4. Ordena les dades que has anat prenent: Nombre de gotes que han caigut formant la taca o capa monomolecular Superfície de la taca o capa monomolecular Volum de la capa monomolecular

LIQUID

INFLAMABLE

àcid oleic

talc



- 3 -

5. Amb les dades del volum d’un mol d’àcid oleic i del volum d’una molècula, calcula el nombre de molècules en un mol.

Conclusió

Anàlisi de les dades 1. Calcula el volum V d’un mol de molècules d’àcid oleic. 2. - Apunta el nombre de gotes en 1 cm3 de la dissolució d’àcid oleic en pentà. Calcula el volum d’una gota de dissolució.

- Apunta el nombre de gotes que han caigut sobre l’aigua. Calcula el volum de dissolució que has deixat caure sobre l’aigua. - Calcula el volum d’àcid oleic que ha quedat formant la capa monomolecular. (recorda que has fet servir una dissolució de 0,5 g d’àcid oleic en 1 L de pentà) - Apunta la superfície que ocupa la capa monomolecular. Calcula el gruix de la capa. - Calcula el volum v d’una molècula, suposant que totes tenen forma cúbica.

3 Fes un càlcul del valor de la constant d’Avogadro amb les dades que has trobat. Qüestionari 1. El valor correcte de la constant d’Avogadro és de 6,02.1023 molècules/mol. Malgrat que porti el seu nom, no va ser Avogadro qui va fer el càlcul sinó l’alemany Joseph Loschmidt. Has trobat un valor que s’hi aproximi? Quantes vegades menor o major és el número que has trobat? 2. Canviaria molt el resultat si es considerés que les molècules tenen forma esfèrica? 3. De les diferents mesures que has fet, quina consideres que és la que implica un error més gran? 4. El pentà no és el únic líquid que es pot fer servir en aquest experiment. Suggereix quatre propietats que ha de tenir un possible substitut.



- 4 -




Temporització ! ½ hora per a la preparació a l’aula del treball experimental ! ½ hora per a l’experimentació ! 1 hora per a les conclusions (a casa)


Orientacions metodològiques Tal com indica el títol, l’objectiu no és trobar el valor de la constant d’Avogadro, sinó veure com es pot fer una estimació de l’ordre de magnitud de la constant a partir de mesures de magnituds senzilles. El professorat haurà de guiar els passos de manera que en cap moment no es perdi de vista l’esquema procedimental:

Orientacions tècniques La dissolució d’àcid oleic en pentà es prepara pesant 0,50 g d’àcid oleic en una balança de sensibilitat 0,01 g i dissolent-los en 1 L de pentà. El pentà resulta car i es pot substituir per etanol. En aquest cas, l’evaporació és més lenta i en ser soluble en aigua, pot ser que una mica d’àcid oleic formi una emulsió amb l’aigua, de manera que ja no quedi en forma d’una capa monomolecular. La tela de mussolina no és fàcil de trobar, un fulard anirà igual de bé. Per mesurar la superfície de la taca d’àcid oleic, es col·loca per damunt del cristal·litzador una làmina de transparències o un plàstic qualsevol que sigui transparent i es dibuixa el contorn amb un retolador. Després es posa la làmina sobre un paper mil·limetrat. Gestió dels residus: Poden llençar-se a la pica.

Càlcul del volum d’un mol de molècules (es fa servir el concepte de quantitat de substància)

Càlcul del volum d’una molècula (es necessita fer una sèrie de suposicions i aprendre diferents habilitats)

nombre de molècules/mol



- 5 -

Conclusions

Resultats esperats Simulació d’un càlcul: El volum d’un mol de molècules d’àcid oleic V = 317 cm3/mol Nombre de gotes de dissolució emprades per fer la capa = 2 gotes dissolució Nombre de gotes en 1cm3 = 30 gotes dissolució Volum de dissolució = 0,667 cm3 Volum d’àcid oleic que forma la capa monomolecular = 3,75.10-4 cm3 (es considera que la dissolució és de 0,56 cm3 àc. oleic / 103 cm3 dissolució) Superfície de la capa = 615 cm2 (mesurada pel mètode indicat en l’apartat “orientacions tècniques”) Gruix de la capa = 6,10.10-7 cm Volum d’una molècula (forma cúbica) v = 2,27.10-19 cm3

Estimació del valor de la constant d’Avogadro: v

V lacm3/molècu

cm3/mol = 1,40.1021 mol-1

Unes 400 vegades més petit del valor correcte. L’error és molt elevat, només es pot fer una estimació de l’ordre de magnitud. El valor acceptat per la constant, amb nou xifres significatives és: 6,02176462.1023 mol-1 ( http://physics.nist.gov/cuu/Units/background.html )

Respostes al qüestionari 2. Canviaria molt el resultat si es considerés que les molècules tenen forma esfèrica? El volum d’una molècula seria aproximadament la meitat. No canviaria l’ordre de magnitud. 3. De les diferents mesures que has fet, quina consideres que és la que implica un error més gran? La mesura de la superfície, si es dóna per descomptat que la dissolució està ben preparada. 4. El pentà no és el únic líquid que es pot fer servir en aquest experiment. Suggereix quatre propietats que ha de tenir un possible substitut. Ha de ser un bon dissolvent de l’àcid oleic; s’ha d’evaporar fàcilment, no s’ha de dissoldre en l’aigua, no ha de reaccionar ni amb l’àcid oleic ni amb l’aigua. Criteris d’avaluació Encara que el disseny procedimental es deixa poc obert, caldrà vetllar perquè els alumnes tinguin cura dels següents passos, que es poden anar apuntant en la següent plantilla:

Pas del procediment

Acció SÍ NO

Tots Expressa amb claredat els passos del procediment que vol seguir?

2 Proposa un mètode factible per calcular la superfície? Repeteix les mesures diverses vegades?

Els fa sense demanar ajut? CÀLCULS Fa ús correcta de les xifres significatives?

http://physics.nist.gov/cuu/Units/background.html

!

" # $ % & $ $ ' !! $( )*!

− ' !

− ##

− # +( ,

− -../

− 0!+,

+ ..1,

!

− 2 $ 3

45"

678

#

$%$&

' 9 3*9 8 !! 9: ($;<.=<.5%>

? $ ( * 90 : % 9&2%$9 & $ ! * ) 3 9 % '!$*9$99? !$ +'(,/29 3

%

/

! ""#

;2 5?* 7 ) *9 09 *!*9: <@ /;

A B$ %

9 (

: ) #

9

*

;

)*

"::+& !,CA 9 9 : * C/D! A CE !3:3FF( :)FF:

<

+

,-

:

%./$&

;'& F

0

& $ E* 9 09 9 ! : ' B

4 G +77,$9 $2;

+ ,$ H+ , * ! )

&

8 ) +E8-7$0$ # E I/ ;; J J,$ * $?'+A-D $=;J.# EI/;J=JJ.,

0 * $ * 5 $ :

=

8 * / ' 7 $< . $ A *:: ( 4: !$*$ ! 8* : %+ ,J.K?*$ $ : $ E** A*:: *

1

!

' 93# (L 6 &%

!*

A 9 9 : * C$% & # '( & &2D! $ A C) *


Difusió dels gasos - 1 -

10. Difusió dels gasos

Objectius • Emprar la teoria cinèticomolecular per fer una predicció de la velocitat de difusió dels

gasos. • Comprovar experimentalment la predicció feta.

Introducció 1. Fem servir clorur d’hidrogen i amoníac perquè són dos gasos que en reaccionar formen uns fums blancs de clorur d’amoni sòlid, que ens permeten observar en quin punt es troben els gasos. Farem servir la teoria cinèticomolecular per demostrar que les velocitats quadràtiques mitjanes de les molècules dels gasos NH3 i HCl estan en la relació:

47,13 =HCl

NH

VV

2. I a partir d’aquesta relació predirem la distància a què es trobaran els gasos, que difonen des dels extrems d’un tub d’1 m de llargària


Equipament − Tub de vidre o polimetacrilat transparent de 0,5

m de llarg i entre 2 cm i 2,5 cm de diàmetre − 2 taps per al tub: un d’ells amb un forat, l’altre

amb dos forats − Dues xeringues de 10 mL − Cotó o llana de vidre

Reactius i altres materials − Dissolució concentrada de HCl − Dissolució concentrada de NH3

Gasos irritants Ulleres de seguretat

Procediment

Muntatge i realització de l'experiència Fes el següent muntatge:


1. Diposita una mica de cotó en cada un dels extrems del tub. Tapa’l amb els taps.

CORROSIU

NH3 HCl

CORROSIU

TÒXIC



2. Fes una predicció del lloc aproximat dins el tub on es formarà el núvol de fums blans de NH4Cl(s), tenint en compte la relació de velocitats quadràtiques mitjanes d’aquests dos gasos. 3. Xucla amb una de les xeringues 1 cm3 de la dissolució concentrada de HCl i amb l’altra xeringa, xucla 1 cm3 de la dissolució concentrada de NH3. Col·loca les xeringues en els forats dels taps, tal com es mostra en l’esquema 4. Injecta, amb suavitat i al mateix temps, els líquids de manera que mullin els trossos de cotó. El tap amb dos forats serveix per mantenir constant la pressió dins el tub i que no saltin els taps en injectar els líquids. 5. Espera que es formi el núvol blanc de clorur d’amoni i comprova si la teva predicció era correcta. 6. En acabar, renta amb força aigua el tub i els taps.

Conclusions 1. Per fer la predicció t’has basat en raonaments qualitatius o has fet càlculs? En qualsevol cas, calcula a quina distància dels extrems d’un tub d’1 m de longitud es formaria el núvol de clorur d’amoni. 2. Quin grau de desviació hi ha entre la predicció que has fet i el valor que has mesurat? A què l’atribueixes? 3. Malgrat que les molècules dels gasos es mouen a velocitats elevades, deus haver observat que la formació del clorur d’amoni no és instantània. A què atribueixes que es tardi un cert temps a formar-se el núvol?



Difusió dels gasos Material per al professorat


Temporització ! 30 minuts per l’experimentació i les conclusions


Orientacions metodològiques Aquest experiment el pot fer el/la professor/a com a demostració, aprofitant les qüestions per què els alumnes vagin raonant el que veuen.

Orientacions tècniques L’experiment es pot fer més espectacular si es fa passar el feix d’un làser per el segon forat d’un dels taps i s’enfosqueix una mica la sala o es posa un fons negre darrera el tub. Inicialment no es veurà el feix, però de cop el raig es fa visible en impactar amb les partícules en suspensió del clorur d’amoni que es va formant.

Gestió dels residus: Només cal rentar bé el tub i llençar els cotons als residus sòlids

Conclusions

Resultats esperats Per un tub de 0,5 m de longitud el núvol s’ha de formar a uns 30 cm del cotó amarat amb amoníac.

Respostes al qüestionari 1. Per fer la predicció t’has basat en raonaments qualitatius o has fet càlculs? En qualsevol cas, calcula a quina distància dels extrems d’un tub d’1 m de longitud es formaria el núvol de clorur d’amoni. A 60 cm del cotó amb NH3. 2. Quin grau de desviació hi ha entre la predicció que has fet i el valor que has mesurat? A què l’atribueixes? No s’obté exactament aquesta distància per diferents causes: és difícil que ambdós cotons quedin igual d’amarats; que s’injectin simultàniament...

LÀSER



3. Malgrat que les molècules dels gasos es mouen a velocitats elevades, deus haver observat que la formació del clorur d’amoni no és instantània. A què atribueixes que es tardi un cert temps a formar-se el núvol? El moviment de les molècules és l’atzar. Totes les direccions són igualment probables.


Desviant rajolins - 1 -

11. Desviant rajolins: Forces intermoleculars

Objectius • Determinar si les molècules d’un líquid són polars, per la desviació que experimenta

un rajolí de líquid que raja d’una bureta • Interpretar la polaritat de substàncies moleculars en funció de l’estructura de les

seves molècules.

Introducció Si un líquid està format per molècules polars, aquestes són atretes per un objecte carregat elèctricament com una vareta o regla de plàstic (per exemple de polietilè o de polimetacrilat).

Material i productes

Material − Buretes (5) − Vasos de precipitats de 100 cm3 (5) − Vareta o regle de plàstic, per exemple de

polietilè o de polimetacrilat − Drap de llana o tros de pell

Productes − Hexà i/o ciclohexà − Propanona (acetona) − Etanol − Aigua destil·lada

Alguns líquids poden dissoldre els plàstics

Procediment

Muntatge i realització de l'experiència Convé organitzar el treball en grups. Cada grup munta una bureta i l’omple amb un dels líquids. Així es pot fer una “roda d’experiments” 1. Un cop fixada en el seu suport, omple la bureta amb un dels líquids. Col·loca un vas de precipitats a sota per anar recollint el líquid que es deixarà caure. 2. Frega lleugerament el regle o la vareta de plàstic amb la llana o la pell. Obre la clau de la bureta i deixa que caigui un rajolí uniforme. 3. Acosta el plàstic al rajolí i observa si es desvia. (Procura que el rajolí caigui dins el vas!) 4. Si la bureta s’ha buidat, omple-la de nou amb el líquid que has recollit en el vas.

LIQUID

INFLAMABLE



5. Canvia de bureta i repeteix els passos amb un altre líquid. Observacions qualitatives Pren nota de quins líquids es desvien i quins no, així com de la seva fórmula estructural.

COMPOST FÓRMULA ESTRUCTURAL es desvia el rajolí? aigua etanol propanona hexà ciclohexà

Conclusions

Anàlisi de les dades i qüestionari • Classifica les substàncies que has investigat en substàncies amb molècules polars

o amb molècules no polars. • Indica en cada fórmula estructural els enllaços que són polars i raona si la

molècula és polar. • Les figures següents mostren la fórmula estructural de dues molècules que

presenten enllaços polars. La molècula de tetraclorometà és apolar, en canvi el triclorometà és una molècula polar. Busca una explicació a aquest fet.

Tetraclorometà Triclorometà



Desviant rajolins: Forces intermoleculars



Temporització ! 30 minuts per a l’experimentació i les conclusions


Orientacions metodològiques

Aquest experiment es pot fer en combinació amb el TPQ “Forces intermoleculars: viscositat dels alcohols”

Orientacions tècniques Si el regle de plàstic s'electritza massa, tots els líquids són desviats. Només s'ha d'electritzar lleugerament.

Alguns líquids poden dissoldre els plàstics. Subministreu petites quantitats de líquids, les suficients per omplir les buretes Eviteu flames a prop.

Gestió dels residus: No s’ha de llençar per la pica. Si els vasos i les buretes estaven nets, els líquids poden recuperar-se per a altres pràctiques. Altrament, es buida en un recipient especial per a residus orgànics, que es manté tapat. Les deixalleries i punts verds, admeten aquests residus com a dissolvents orgànics no clorats.

Conclusions

Resultats esperats i respostes al qüestionari Es desvien l’aigua, l’etanol i la propanona. Els grups O-H i C=O són els responsables. El tetraclorometà és una molècula simètrica i els dipols s’anul·len entre si, per això no presenta polaritat. Criteris d’avaluació Aquest T.P permet que els alumnes relacionin la polaritat d’una substància amb la seva estructura. Cal prestar atenció a si donen una correcta interpretació de la desviació dels rajolins.

! "#$"$ " "

%

"" " &! ''" ( )*!( "" " $" " $ " " "+

, ! "

'" "' ""(!+- ! ",!.( /!!"( $ 0!

" (" 1,&" 2 0! (/! , !( *!1,&"23(&!" , 0! " 3 !" ''" (" ""(" "+ , ( /$"'"./$"'".(/! )*!(3!'3(04"*50" "'"!"( /( )*!(*!/$"'"(!67 "$('"!"('0( , 0! 3"(( '+ "8*!'!&!"+ 3! )*!(-,"' 0! ' " !" $"" & ( ' - ,&"(" '6' "+!( ""

! "

! − 9"(""+!+(/""&"'− :− ;"(''"(<=''"

!+(/""&!+">""− ?(?!' "" 0"" ,""− :(@%A"%<A− !'"+'8"'"&!""

('"!"− ('"'(, (6%− 9 -*!!" #! ,)('"!"(B<"%%A

$ %& %@''" %@''"( %=@''" 1& 2%& ")(( )*!(&5#%@+!" ""%@''" 7" " -""'""1""2' ( ) *

CD

EFG

?7

EFG

?7

! "#$"$ " "

& +,-#-

% ' *! " $" "," ' " (0" ( )*!( "1&"6"@2" '"( ' "(,! "', !''!!0(' '"" $" ( )*!( " '"!" "+# %@''" 4 %@''"( %=@''" 1& 2!!("" '("+ "("',"@ '""&!E!!!*!HH"'''"*!!(!"*! )*!(I= !". ''! ! 0( ' $&" H H" , !0" ( "'"!" " $" !! ("" '( "+ "("',"@ '"" "("" !$-(/"J! E!" ('! ( "" ( '(! *! ! H"!- !" ', ',"'!'-" 0(*!H!(>"

••••% %./ .

••••" 0

1 ! " ( $ +$" ! $3 *! H ,! ," ("! "(("(

234

$ !H"('#" ","'(($" )*!(+ "" /(($""+ ",.! "("(" )*!(+$!*!

&!'H(6 (" " $" "!&" (!6 "+ " '"!" ''" !"

6' ".

EFG

?7

! "#$"$ " "

=

5 +,-#-

% $&" "$ " "( )*!(,"!$ ('"!" "

,)( /*!' '&"" ! !"&*!(!"!".#

! ('"!"" K"("%( ",) *!$ !3

'"" $ " "(( )*!(" *!''"!!&(0 !" /"("( ",)

= 7&&!! ",)('3 K("(+! '&""!

2.

*!! +.2.

;!! *! K+ " ," *! (" " "( % ('"!" *!!&'+ ","&5 !#

*50"#((K" "# ((&"$".#

*!!&''""" ","&5 !#

' ! *!!1

" ( ' " ' ( ,

( 6 %

K + " K 6 ( ( ' " ! "

! + J " " + ! " & " - "

! "#$"$ " "

& % '"!(!+(/""&"+ )*!(*!$"',!"'"".(

$ "(/$"'".'6' #'-%@+!" E! ( )*!( ! *! /$"'"- 3 -'("I E! ( ( )*!(

!*!"++-3" $"'"@'","-*! "'"!"( +"63I7*!0+"! $!'I "J!("@$ " , '( " !". ! ,". + /!!" ((!( 0! ( )*!(*!'(!$&"#

5 3 - L&M %@+!" L&M

"#$%& '$(

= !+&! 6( ('"!""+ !'"'(,

(( !+(/""&+$! !"&" /*!"&5#

! " "'". " +. "- <+$! &-,( "'"!",!.( '*!"'"6'"" "E!" $&! *! . ) HN" "! ( !+ (/""&'!J" ! -" ' *! "&!" G6!@ " /" (

! "#$"$ " "

<

"" *! )*!( *! '& '"' ( , $"& $"'"+$! "$ &-,"!"*!'"" 'O E!" $&! *! " '"!" *! "'" " &! ( J" +"6" 3.*!"""!&""+ +. 5 ," N! "'"L !&!"(! K"6!"+ K'.(( P1-

234

% '"! " $" '(. "+ ! " +&!# !$ +. ! ' +" $"" ('"!" ' *! /H" "(" " "+" " " '"!" 3+"6" ' " "(" )*!( E! H" "(" > ' " $"'"@I E! H"'$"!(('"!"3 $"I

E!*!( ,"&5. '"'6' " "(,0" "

$ " "( '-( %@+!" I# """ " /60"(, ! "

67 .%+$! &-,+&!"'" ( " "'". ( ("( ( /$"'".(" H #" " %@''" #

" E!" +" ' ""("!( " H I

+ E! . ,.! !!" ( "(" !(/"*! " H I "! " ,.! " ("(" 0! ""+ "+"(/$"'".I

"(" !" (/"*! 0! 3 ! &!' BQ ! " H &!3 3(/! &!' BQ ' 6' /%@''"( " 3 > $ - *! *!" '" &-,I*!0I

, ! "*!6' *! (!''"!("("*!+" '- /" , (' '*!0 0! (/"*!'.' ""' ""( / "8- &!'BQJ!(!@$( ",".( $ +(*!)"( "*!+"!"#RRR6MS" 'NMH(,"M''H ' ("" ! , *! " '! &5# , ! " "8 0! $" $ " "

' < % %< < = =< <

@

@

O

T

%

%

%

%O

%T

O

T

@

@

O

T

%

%

%

%O

%T

O

T

=

! "#$"$ " "

O

! .

3

' 4 3 -484 9.4 4 : ;;<<<- ;.; .; ;-:

= >('0("*!+" '-$ ,"!"'"$&".!"6'0" U !"$" " 6'0" U !"$"# % H" " ' " /6'". = !

(("""("'"*!0'!&!(!""*!'" *! "'"'" " ! " +" !" $&". ' " *! (' ( ("" "+!"&"'",""(".( ',@H"6)"+3HH"'(," &!"+ !("("'"

"$&".#" '(!"+ /" !" '('"+""!(>,"+ 4"*!""%H" =!" '" /6'". ! ," " +" " "" (!6'" /"! "

1#04- !(+"6 " ! ( (/7 ," " '" '" 1$"2 " 6'

U !"!( *!0$ (1$"(/! )*!(2

1 - .=&6? @"

: ;;<<<- ;;;; :

A

!".( "J!*!$3""!+"""*! " !*!''!'(,"+ 1B'=C&

/' !+(/""&"+ )*!((6"!"++ "(/"&!" 7"'/'"!'" (!'*!0""+(/" &!" '"!"7"'&!('3( /" " '*!"(" "++ "(/"". " &!(( !+

! "#$"$ " "

L

1B'= C & 7 !+'""("' '" +">""!$"(<=/" ,"(,'"!'6' #=A<ALA

7" !"(/"*!'"!/"'"&" , "' """ ,""/'"! '" ( ! "' " ," $ &!" ' "@ "'&!" '"+"

A *!"&"'" "' , ',"(".$3,$ /%@+!" '- '*!0 . )*!( ( "" " *!" &!" : ('" (/"*! !+- "+3 ' , "+ ''"" 1""2 %@''"

" % % %

3./ .

( /H"( 8"" "'"+!(!''" ' " (! &- *! "3 "'" (6" '! $( "("*!(!"( $&- "

2

+, % '! ! 0( ' '"" $" ( )*!( " '"!""+#%@''" 4%@''"( %=@''" 1& 26' /("" 1"( :&*!2E!!!*!HH"'''"*!!(!"*! )*!(I &!'BQ':P(,= !". ''! ! 0( ' $&" H H" , !0" ( "'"!" "$"6' /("" 1"( :&*!2$ /( ( )*!( ( > " 3 $.# %@''" 4 %@''"( 4 %=@''" "$"(!6*!""!&" " '"!"' "3&"+ "( 0! *!," " "( "8 ! "

EFG

?7

! "#$"$ " "

T

$ 7 " &-, +&! ' /$"'". ( '- + "! ( /%@+!" $ 7 '- *! ! "$" " " ( '"' ( , $"$"'"LV"+!(('"!"( A /%@+!" "+ '! , $"$"'"$ 7 "E!"+"'""("!( " H I

7 " 3 *! /$"'" 3 -'(" ('3 /" ' P /%@''"

+ E! . ,.! !!" ( "(" ! (/"*! " H I "! ",.! "("(" 0! ""+ "+"(/$"'".I

E!" )*!(33$ - """ "(!6"("!"(/"*! 0! 3!&!'BQ " 0! "(/!" H &!33(/!&!'BQ'6' /%@''"( "3>$ - *! *!"'" &-,I*!0I">$ - '*!0"!& "8 0!

2 43 " *! "*! +" '- /,*! !" $&". ''" " ' " " &5 $" "'!" '" '(" *! 3(J"+ *! " !(#7 '" ( '( ' " "'""# - 4-

&15+"D&$2"+!"/=

122E 5F /

'", " )*!(I '"!" '*!"("" "I

+,'"%

"*!&!"&!" '"!"I /H" ,6" *! )*!( "6 &!',!" I

"" ''" "+ /!!" " $"H':I

67

"("" "I W"I $

"" $" '"!" "+ " "@ ! "I

5 "$&!"'"@I 1 Q", /6'("""J!I

T em ps(s)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


Ions en dissolució - 1 -

13. Ions en dissolució

Objectius • Observar el color de les dissolucions aquoses de substàncies iòniques. • Observar la mobilitat dels ions dins un camp elèctric. • Observar diferents reaccions de precipitació entre ions.

Introducció Les substàncies iòniques en estat sòlid estan formades per ions de càrregues elèctriques oposades units per forces electrostàtiques i formant una xarxa tridimensional. Un dissolvent polar, com l’aigua, facilita la mobilitat dels ions, en deixar-los en llibertat. Si els ions queden independents uns dels altres, el color de les dissolucions iòniques serà a causa del color de cada un dels diferents ions dins la dissolució. Per altre part, si els ions es poden moure, quan es trobin dins un camp elèctric, els podrem dirigir cap a un pol o un altre del camp elèctric, segons la seva càrrega. El pas d’estructura iònica tridimensional ordenada a ions lliures dins un dissolvent com l’aigua (ions “hidratats”) representa un augment del desordre i un despreniment o, de vegades, una absorció d’energia de l’entorn. Quan una dissolució conté diferents ions, pot donar-se el cas que el balanç energètic entre factors d’entalpia i d’entropia afavoreixi la formació d’un sòlid, per la qual cosa es produeix una reacció de precipitació iònica. Experiment 1: Color dels ions en dissolució Material i Equipament

Equipament − Gradeta amb tubs d’assaig

Reactius i altres materials − Col·lecció de flascons amb dissolucions

iòniques que contenen ions acolorits

Procediment

Execució de l'experiència 1. Si els flascons són transparents, només cal que vagis prenen nota de la composició de la dissolució i del seu color. Si trobes algun flascó no transparent, buides una mica del seu contingut en un tub d’assaig, que procures que estigui net i sec. 2. Exemple: la dissolució de nitrat de plom (II), que conté els ions NO3

-(aq) i Pb2+(aq) és incolora, ambdós ions són incolors en dissolució. La dissolució de nitrat de coure (II), que conté els ions NO3

-(aq) i Cu2+(aq) és blava, per tant el color blau és a causa de l’ió Cu2+ (aq). Intenta deduir el color dels ions a partir d’observacions com aquesta de l’exemple. 3. En acabar de prendre notes, torna les dissolucions als seus flascons i guarda’ls.



Observacions qualitatives i conclusions Les teves observacions les pot anar recollint en un quadre:

dissolució ions presents color de la dissolució Pb(NO3)2 Pb2+ NO3

- incolora Cu(NO3)2 Cu2+ NO3

- blava KNO3 K+ NO3

- incolora K2CrO4 K+ CrO4

2- groga

Fes una llista amb el color de cada un dels ions en dissolució. Experiment 2: Migració d’ions dins un camp elèctric


Equipament − Càpsules de Petri (2) − Paper de filtre en tires de 10 x

3 cm − Tubs capil·lars − Clips metàl·lics per A paper − Font d’alimentació cc de 30 V

(tres piles de 9 V) amb cables de connexió i pinces cocodril.

− Vasos de precipitats de 250 cm3 (2) i de 100 cm3 (1)

− Embut i paper de filtre (millor si es disposa d’embut Büchner i filtració al buit)

− Espàtula

Reactius i altres materials − Dissolució de sulfat de coure (II), 1 mol.cm-3 − Dissolució de cromat de potassi, 1 mol.cm-3

− Clorur d’amoni (s) − Dissolució d’amoníac concentrat

Ulleres de seguretat i guants

Procediment


Posa’t les ulleres de seguretat i els guants

1. Primer has de preparar el cromat de coure (II), mesclant en un vas de precipitats volums igualS (uns 50 cm3) de les dissolucions de CUSO4 i de K2CrO4. El color marró del precipitat format És degut als dos ions acolorits presents, l’ió Cu2+ i l’ió CrO4

2-. 2. Filtra el contingut del vas de precipitats i, sobre el residu, llença una mica d’aigua destil·lada, per rentar-lo. 3. Amb l’espàtula, agafa una petita quantitat del precipitat, posa-la en un vas petit i afegeix la mínima quantitat de dissolució d’amoníac (unes gotes) per dissoldre el precipitat, per tal de tenir una dissolució de color verd fosc.

NOCIU

NOCIU



4. Prepara un electròlit, dissolent en un altre vas de precipitats 2 g de clorur d’amoni en 50 cm3 d’aigua i afegint després 5 cm3 de dissolució concentrada d’amoníac. 5. Col·loca les dues càpsules de Petri separades uns 3 cm damunt la taula de treball i omple-les amb l’electròlit de clorur d’amoni. En cada càpsula poses un dels clips per a paper, oberts. Serviran per fer contacte amb la font d’alimentació. 6. En la meitat del paper de filtre dibuixa una línia amb llapis. Humiteja bé la tira amb la dissolució de clorur d’amoni. Amb ajut del tub capil·lar, diposita damunt de la línia feta amb llapis una mica de la dissolució de cromat de coure (II). Col·loca la tira de manera que, quedant els seus extrems submergits en les càpsules, faci de pont entre les càpsules.

7. Ara només falta connectar la font d’alimentació als dos clips i observar el moviment migratori dels ions Cu2+ (blau) i CrO4

2- (groc). 8. Fins i tot sense tocar el muntatge i després d’haver vist com les taques de colors es mouen dins el camp elèctric, pots invertir la polaritat de les connexions i observar el que passa. Observacions qualitatives i conclusions 1. Segons cap a quin elèctrode es mouen els ions (els de Cu2+ són blaus i els de CrO4

2- grocs), pots comprovar quina càrrega elèctrica tenen. Pren nota de quina distància recorren en un minut aproximadament. 2. És interessant que inverteixis la polaritat dels elèctrodes de la font d’alimentació i descriguis com es mouen ara els ions. 3. Suggereix alguna aplicació d’aquest experiment a l’anàlisi de compostos iònics.



Experiment 3: Reaccions de precipitació entre ions Material i Equipament

Equipament − Càpsula de Petri − Gradeta amb tubs d’assaig − Comptagotes − Espàtules (2)

Reactius i altres materials − Dissolució de nitrat de plom (II), 0,1 mol.cm-3 − Dissolució de iodur de potassi, 0,1 mol.cm-3

− Dissolució de clorur de sodi, 0,1 mol.cm-3 − Dissolució de nitrat de plata, 0,1 mol.cm-3 − Dissolució d’hidròxid de sodi, 1 mol.cm-3 − Dissolució de sulfat de coure (II), 0,1 mol.cm-3 − nitrat de plom (II) (s) − iodur de potassi (s)

Ulleres de seguretat i guants

Procediment



1. Omple d’aigua destil·lada una càpsula de Petri. Has de tenir ara dues espàtules amb un petit cristall de nitrat de plom (II) en una i de iodur de potassi en l’altra. 2. Agafant cada espàtula amb una mà, deixa caure simultàniament els dos cristalls en extrems oposats de l’aigua de la càpsula de Petri. 3. Tingues una mica de paciència i observa atentament, sense tocar ni remenar la càpsula, el que hi passa. 4. Omple 1/4 d’un tub d’assaig amb dissolució de nitrat de plom (II) i un altre tub, també fins ¼ amb dissolució de iodur de potassi. Pren nota del color de les dissolucions. Barreja el contingut dels dos tubs. Pren nota del que has vist. 5. Fes el mateix, però omplint un tub amb dissolució de sulfat de coure (II) i l’altre amb dissolució d’hidròxid de sodi. 6. Igual que en els dos casos anteriors, però ara un tub tindrà dissolució de clorur de sodi i l’altre de nitrat de plata.

NOCIU

NOCIU

NOCIU

NOCIU

CORROSIU



Observacions qualitatives i conclusions 1. Explica el que ha passat quan poses dos cristalls iònics, un de Pb(NO3)2 i l’altre de KI en l’aigua de la càpsula. Fes servir les paraules següents: dissolució, ions hidratats, precipitació, mobilitat, reacció química, sòlids iònics. 2. Per cada una de les reaccions de precipitació, escriu els ions presents abans i la fórmula del compost que precipita. 3. Un tub d’assaig conté una dissolució d’un compost que no sabem si conté ions Pb2+, Cu2+ o Ag+. Quins experiments recomanes fer per comprovar quin dels ions hi és present?



Ions en dissolució Material per al professorat


Temporització ! Experiment 1: ½ hora per a l’experimentació i les conclusions ! Experiment 2: 1 hora per a l’experimentació i les conclusions ! Experiment 3: ½ hora per a l’experimentació i ½ hora per les conclusions

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Els experiments 1 i 3: Alumnes de 4t d’ ESO i batxillerat L’experiment 2: alumnes de batxillerat

Orientacions metodològiques Aquest tres experiments són de la categoria “il·lustratius” amb l’objectiu d’iniciar l’alumnat a les reaccions entre ions, és per això que en la introducció s’ha evitat parlar d’equilibris de solubilitat i de constants d’equilibri. Dels tres experiments proposats, el professorat pot triar els que consideri més idonis per a la classe (per fer-los tots amb una posada en comú profitosa, es necessiten quasi tres sessions de laboratori). No es necessari fer-los en l’ordre proposat en aquest protocol. És recomanable que l’experiment 2 (mobilitat dels ions), el faci el/la professor/a o que proporcioni la dissolució de cromat de coure recent preparada. L’experiment 3 es pot fer com a demostració, col·locant la càpsula en el retroprojector. També les tres altres reaccions proposades es poden fer així, fins i tot deixant caure simultàniament amb dos comptagotes les dissolucions dels reactius. Els alumnes sempre queden sorpresos de l’espectacularitat de la reacció de precipitació entre els ions Pb2+ i el I- (o CrO4

2-). Cal aprofitar-ho com a demostració il·lustrativa del que volem dir quan parlem de “formació d’un precipitat”. La posada en comú de les explicacions dels alumnes ha de permetre treballar conceptes bàsics sobre enllaç iònic. Les reaccions de precipitació proposades, permeten d’introduir l’alumnat en la identificació de cations i l’anàlisi qualitativa.

Orientacions tècniques Només l’experiment 2 presenta dificultats en la preparació del cromat de coure. En el protocol no es diu res del paper de l’amoníac en dissoldre el cromat de coure, el qual en formar un complex dóna un color blau intens molt visible. Aquest color, a mesura que passen els minuts, es torna més pàl·lid en anar-se evaporant l’amoníac. Per més detalls vegeu l’article d’Adolf Cortel en Journal of Chemical Education 78,2 Feb 2001 (p. 207-208). Els apartats 4, 5 i 6 de l’experiment 3 (“Reaccions de precipitació entre ions”) es poden fer en microescala. Es suficient substituir els tubs d’assaig per una làmina de 20 x 20 cm2 de plàstic alimentari estesa damunt la taula de treball i emprar dues o tres gotes de cada un dels reactius.



Gestió dels residus: es llencen en un recipient adient al qual s’hi afegeix carbonat de sodi sòlid perquè precipitin els cations dels metalls pesats. En acabar el curs, es filtra o decanta el líquid i el residu sòlid es llença al contenidor de sòlids. Les reaccions de precipitació fetes en microescala no generen residus. Es llença al contenidor de sòlids el plàstic emprat.

Conclusions

Respostes al qüestionari Experiment 2 3. Suggereix alguna aplicació d’aquest experiment a l’anàlisi de compostos iònics. Separació i anàlisi dels ions acolorits d’un compost. Experiment 3 1. Explica el que ha passat quan poses dos cristalls iònics, un de Pb(NO3)2 i l’altre de KI en l’aigua de la càpsula. Fes servir les paraules següents: dissolució, ions hidratats, precipitació, mobilitat, reacció química, sòlids iònics. Pot tardar uns 45s a formar-se una barrera de color groc més o menys a mig camí dels extrems o s’han llançat els cristalls. En la resposta han d’indicar, entre altres coses, que primer hi ha una dissolució de les substàncies iòniques (paper de l’aigua com a dissolvent polar)i que queden els ions hidratats amb facilitat de moviment. 2. Per a cada una de les reaccions de precipitació, escriu els ions presents abans i la fórmula del compost que precipita. Reacció en la càpsula de Petri:

dissociació iònica: Pb(NO3)2(s) → Pb2+(aq) +2 NO3-(aq); KI(s)→K+(aq) + I-(aq)

precipitació: Pb2+(aq) +2 I-(aq) → PbI2 En tub d’assaig:

Pb2+(aq) +2 I-(aq) → PbI2(s) Cu2+(aq) + 2 (OH)- → Cu(OH)2 (s) Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s)

3. Un tub d’assaig conté una dissolució d’un compost que no sabem si conté ions Pb2+, Cu2+ o Ag+. Quins experiments recomanes fer per comprovar quin dels ions hi és present? Se suposa que hi ha un d’aquest ions i no tots tres. Cada un s’identificaria per les reaccions de precipitació indicades en la resposta anterior. Criteris d’avaluació No es donen. Els tres experiments han de servir per avaluar continguts conceptuals respecta a: enllaç iònic, dissolució, precipitació, càrrega d’un ió... Es pot presentar un qüestionari en acabar l’experiment segons les necessitats i exigències del/de la professor/a Propostes de recerca La tècnica emprada en l’experiment 2 serveix per introduir la idea de l’electroforesi.



A partir de les reaccions de precipitació, es pot suggerir treballs de recerca de l’àmbit d’anàlisi: per exemple: determinar clorurs, per precipitació amb ions plata en diverses mostres d’aigües. Anàlisi qualitativa inorgànica de mostres.


Relació entre el volum i la temperatura d’un gas - 1 -

14. Relació entre el volum i la temperatura d’un gas

Objectius • Comprovar que el volum que ocupa una determinada quantitat de gas depèn de la

temperatura. • Trobar per extrapolació la temperatura més baixa possible a què es podria refredar

un gas.

Introducció Els gasos es dilaten en escalfar-se. La pressió, el volum, la temperatura i la quantitat de gas són les variables fonamentals que ens permeten descriure l’estat d’un gas. Per assolir el primer dels objectius d’aquest experiment: a) Quines magnituds cal mesurar? Quina és la variable dependent i quina la

independent? Fes una predicció de l’aspecte que pot tenir una representació gràfica d’aquestes dues magnituds.

b) Quines magnituds caldrà mantenir invariables? c) Observa més avall l’esquema d’un dels possibles muntatges per a aquest

experiment. Descriu de quina manera ens assegurem de mantenir invariables les magnituds que volem tenir controlades.


Equipament - Proveta de 10 cm3

- Vas de precipitats de 1000 cm3 o recipient de volum semblant - Termòmetre 0 –100ºC - Vareta per agitar - Placa elèctrica per escalfar o resistència d'immersió amb un suport per aguantar-la - Suport amb pinça i nou per al termòmetre - Accés a un baròmetre, per saber la pressió atmosfèrica - Opcional: accés a un ordinador amb programa de full de càlcul

Procediment


termòmetre

Muntatge amb placa elèctrica

proveta invertida que atrapa un volum d’aire vas amb

aigua

vas amb aigua

termòmetre

Muntatge amb resistència d'immersió

proveta invertida que atrapa un volum d’aire



1. Omple al màxim el vas de precipitats de 1000 cm3 amb aigua. Omple la proveta amb aigua fins a un volum d'uns 8 cm3. Tapa-la amb un dit (o un tap) i col·loca-la invertida dins el vas amb aigua. Ha de quedar aire atrapat dins, ocupant un volum d'uns 5 o 6 cm3. Procura que el volum d'aire atrapat sigui un valor fàcil de llegir. (Tingues en compte que en estar la proveta invertida, la numeració va a l'inrevés).

2. Instal·la el vas sobre la placa elèctrica o col·loca dins el vas la resistència

d'immersió. 3. Col·loca un termòmetre, aguantat per una pinça i un suport, dins l'aigua del vas a

prop de la proveta. 4. Espera uns cinc minuts i pren nota de la temperatura. Serà la temperatura del bany

d'aigua i de l'aire dins la proveta. 5. Connecta la placa o la resistència d'immersió. Has de procurar que la temperatura

pugi a poc a poc (a un ritme d'uns 5ºC cada 6 minuts). Pren nota del volum d'aire i de la temperatura. Observa que durant tot l'experiment, la pressió que actua sobre l'aire dins la proveta depèn de l'aigua que l'envolta. Aquesta pressió es manté constant.

Anàlisi de les dades

A partir d’aquí et serà útil tenir accés a un full de càlcul d’ordinador 1. Construeix una taula de dades amb els valors de la temperatura i del volum. Comprova que són magnituds directament proporcionals.

2. En realitat, dins la proveta hi ha l'aire que ha quedat atrapat quan l'has tapat però també hi ha vapor d'aigua. De fet, en augmentar la temperatura s'evapora cada cop més aigua i la proveta conté una mescla d'aire i vapor d'aigua. Per fer un estudi rigorós de la relació entre el volum d'aire i la temperatura ens cal considerar exclusivament el volum d'aire i no el d'aquesta mescla. La "correcció" que cal fer és la següent: Vol aire = Vol total – Vol vapor aigua

(El Vol total és el volum que has llegit en la proveta; el Vol aire és el que realment hem de considerar i el Vol vapor aigua és el volum que ocuparia el vapor d'aigua dins la proveta si únicament hi hagués aigua en estat vapor.) Per fer els càlculs necessaris cal saber el valor de la pressió atmosfèrica i els valors de la pressió del vapor d'aigua a diferents temperatures, ja que el volum del vapor d'aigua depèn de la pressió que exerceix aquest vapor d'aigua dins la proveta. En l'annex 1 tens una taula de dades amb els valors de la pressió del vapor d'aigua a diferents temperatures. 3. Construeix ara la taula de dades següent:

Temper. /ºC Vol tot/cm3 Pv aigua P aire = Pat-Pv atm

airetotaire P

PVV =

4. Fes una gràfica, amb els valors de la temperatura (eix d'abscisses) i els volums d'aire, V aire (eix d'ordenades).



Conclusions 1. Observa que si pots dibuixar una recta que passa per la majoria dels punts vol dir que pots demostrar numèricament que les magnituds volum i temperatura d'un gas són directament proporcionals. Compara aquesta gràfica amb la teva predicció. Què passaria si en lloc d'escalfar anéssim refredant el gas? La suposició més evident és que el volum del gas seria cada vegada menor. Fins a quin límit? Com ja saps, arribaria un moment en què el gas es liquaria i després, probablement, se solidificaria. Si en el gràfic s'extrapola la recta (és a dir, es prolonga més enllà dels valors experimentals) hi ha un punt d'intersecció amb l'eix d'abscisses. Si ho fas, comprovaràs que el punt de tall correspon a un valor de temperatura en el qual el gas ocuparia un suposat volum zero. El valor d'aquesta temperatura és el que s'anomena el zero absolut de temperatura. El significat és evident: a mesura que anem refredant un gas, el volum va disminuint. El límit més petit de volum seria el valor zero, llavors la temperatura seria la més baixa possible. D'aquí el nom de "zero absolut". 2. Els càlculs més precisos indiquen que la temperatura del zero absolut és de -273,15ºC. Quin valor trobes en la teva gràfica per extrapolació de la recta? Quin error has fet? L'equació de Charles i Gay-Lussac Aquests dos físics francesos, a principis del s. XIX, van fer experiments semblants al que has fet amb diferents gasos, procurant sempre mantenir constant la pressió. Van arribar a la conclusió que hi havia una relació directament proporcional entre la temperatura d'un gas i el volum que ocupa. En tenir coneixement dels seus resultats, el físic anglès W. Thomsom (que a més tenia el títol nobiliari de Lord Kelvin) va proposar establir com a origen de l'escala de temperatures el valor -273,15. Per trobar una relació matemàtica senzilla entre el volum i la temperatura, agafem com a origen de coordenades el valor –273,15 de tal manera que els valors de temperatura que hem anotat es convertiran en valors de temperatura absoluta o Kelvin. Observa que això representa que traslladem l'eix d'ordenades fins al punt –273,15 de manera que la recta dibuixada ara passa per l'origen de coordenades, amb la qual cosa tindrà d'equació: V = cte. T 3. Construeix una taula de dades amb els valors de temperatures i volums. Comprova

ara si es compleix la relació : constantTV = ; on T és la temperatura en Kelvin



Relació entre el volum i la temperatura d’un gas



Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i els dos primers punts de l’anàlisi de dades ! 1 hora per a la resta de les qüestions (o feina per fer a casa)

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat i, a criteri del professorat, de 4t d’ESO

Orientacions metodològiques Una explicació detallada la podeu trobar en l’article: Myung-Hoon Kim; M. Song Kim; Suw-Young Ly (2001): A simple Laboratory Experiment for the Determination of Absolute Zero. J. Chem. Ed. 78, 2 (p-238-240). És recomanable començar per aigua una mica freda (per sota del 20ºC) i anar-la escalfant poc a poc, fins als 60ºC o 70ºC, o realitzar una dotzena de mesures. Un cop feta la correcció de la pressió de vapor de l’aigua, els punts en la gràfica queden alineats Els apartats de les conclusions “Què passaria si en lloc d'escalfar anéssim refredant el gas?” i “L'equació de Charles i Gay-Lussac”, es poden deixar per fer a casa.

Orientacions tècniques Els fulls de càlcul són molt útils per al tractament de les dades. A l’adreça: http://www.ebicom.net∼ dhyams/cvxpt.htm trobareu un programa útil per gestionar dades: el Curve Expert 1.3

Conclusions

Resultats esperats S’ajusten amb errors relativament petits als valors teòrics esperats. Criteris d’avaluació Es pot emprar la següent plantilla on es van apuntant els passos procedimentals que és desitjable que els alumnes dominin:

Pas del procediment

Acció SÍ NO

Defineix que cal estudiar el volum en funció de la temperatura (variable independent)?

INTRODUCCIÓ

Indica que cal mantenir constant la massa de gas i la pressió? Sap raonar que volum i temperatura són inversament proporcionals ?

La taula de dades experimental i gràfica són correctes?

ANÀLISI DE LES DADES Troba un error petit en l’extrapolació?


http://www.ebicom.net/#dhyams/cvxpt.htm



ANNEX Taula de dades PRESSIÓ DE VAPOR DE L'AIGUA A DIFERENTS TEMPERATURES

T / ºC PV / mm Hg PV / Pa T / ºC PV / mm

Hg PV / Pa

10 9,209 1227,5 46 75,65 10083,3 11 9,844 1312,1 47 79,60 10609,8 12 10,52 1402,2 48 83,71 11157,7 13 11,23 1496,8 49 88,02 11732,1 14 11,99 1598,1 50 92,51 12330,6 15 12,79 1704,8 51 97,20 12955,7 16 13,63 1816,7 52 102,09 13607,5 17 14,53 1936,7 53 107,20 14288,6 18 15,48 2063,3 54 112,51 14996,4 19 16,48 2196,6 55 118,04 15733,5 20 17,54 2337,9 56 123,80 16501,2 21 18,65 2485,8 57 129,82 17303,6 22 19,83 2643,1 58 136,08 18138,0 23 21,07 2808,4 59 142,60 19007,1 24 22,38 2983,0 60 149,38 19910,8 25 23,76 3167,0 61 156,43 20850,5 26 25,21 3360,2 62 163,77 21828,8 27 26,74 3564,2 63 171,38 22843,2 28 28,35 3778,8 64 179,31 23900,1 29 30,04 4004,0 65 187,54 24997,1 30 31,82 4241,3 66 196,09 26136,7 31 33,70 4491,9 67 204,96 27319,0 32 35,66 4753,1 68 214,17 28546,6 33 37,73 5029,0 69 223,73 29820,9 34 39,90 5318,3 70 233,71 31151,1 35 42,18 5622,2 71 243,91 32510,6 36 44,56 5939,4 72 254,61 33936,8 37 47,07 6273,9 73 265,71 35416,3 38 49,69 6623,2 74 277,21 36949,2 39 52,44 6989,7 75 289,11 38535,3 40 55,32 7373,6 76 301,41 40174,8 41 58,34 7776,1 77 314,11 41867,6 42 61,50 8197,3 78 327,31 43627,0 43 64,80 8637,2 79 341,01 45453,0 44 68,26 9098,3 80 355,1 47331,1 45 71,88 9580,8


Propietats i estructura dels sòlids - 1 -

15. Propietats i estructura dels sòlids

Objectius • Estudiar algunes propietats característiques d’una col·lecció de sòlids. • Classificar els sòlids segons les seves propietats en iònics, covalents gegants,

metàl·lics o moleculars. • Interpretar les propietats en funció de l’estructura.

Introducció Les substàncies sòlides es classifiquen per les seves propietats característiques: solubilitat en aigua, solubilitat en dissolvents no polars com l’hexà, temperatura de fusió alta o baixa, conductivitat elèctrica, duresa, fragilitat. La relació entre l’estructura i les propietats es resumeix en la taula següent.

TIPUS DE SÒLID PROPIETATS

Metàl·lic Conductors del corrent elèctric en estat sòlid i líquid La majoria tenen elevades temperatures de fusió Quasi tots són durs i d’elevada densitat

Covalents d’estructura gegant

Temperatura de fusió alta Elevada duresa, però fràgils Insolubles en qualsevol dissolvent

Iònic

Temperatura de fusió alta Durs, però fràgils Solubles en aigua (alguns molt poc, altres molt). La

dissolució és conductora del corrent No conductors en sòlid, però sí en estat de fusió

Molecular

Temperatura de fusió baixa No conductors del corrent Solubles de vegades en aigua, de vegades en altres

dissolvents


Equipament − Gradeta amb tubs d’assaig i taps − Vas de precipitats de 100 cm3 − Vareta de vidre per remenar − Espàtula − Polímetre amb escala de resistències de 20 kΩ − Bec de Bunsen − Pinces per agafar els tubs d’assaig

Reactius i altres materials − Col·lecció de sòlids etiquetats − Hexà


LIQUID

INFLAMABLE



Procediment


Hexà. Cal mantenir el flascó ben allunyat de qualsevol flama ! Posa’t les ulleres de seguretat

Descripció de les proves que has de fer amb cada un dels sòlids:

- Solubilitat en aigua: amb l’espàtula agafes una mica del sòlid polvoritzat, el poses

en un tub d’assaig i afegeixes aigua destil·lada fins a 1/3 del tub. Tapa el tub,. remena bé i observa si es dissol.

- Solubilitat en hexà: amb l’espàtula agafes una mica del sòlid polvoritzat, el poses en un tub d’assaig i afegeixes hexà fins a 1/3 del tub. Tapa el tub, remena bé i observa si es dissol.

- Temperatura de fusió alta o baixa: agafa un tub d’assaig que estigui ben sec, posa-hi una mica del sòlid polvoritzat o en trossos petits. Aguanta el tub amb la pinça. Encén el bec de Bunsen i escalfa el tub tal com indica la figura de la dreta. No escalfis més de mig minut, és temps suficient perquè vegis si fon fàcilment o no.

- Conductivitat en estat sòlid: has de fer servir un tros de sòlid prou gran perquè puguis tocar-lo amb els connectors del polímetre separats 1 cm. L’escala de l’aparell ha d’estar en 20 kΩ. Pren nota de la resistència que indica l’aparell: valors molt alts significa poc conductor, valors baixos bon conductor.

- Conductivitat de la dissolució aquosa: (Aquesta prova només cal fer-la si has comprovat que el sòlid és soluble en aigua). Posa 25 cm3 d’aigua en el vas de precipitats i afegeix una espàtula del sòlid polvoritzat o en trossos petits. Remena amb la vareta de vidre. Submergeix les puntes de prova del polímetre, en l’escala de 20 kΩ, separant-les 1 cm. Observa si l’aparell indica un valor de resistència (vol dir que la dissolució és conductora) o marca fora d’escala (no és conductora).

Observacions qualitatives Reuneix les teves observacions en una taula del tipus: Sòlid Solubilitat en

aigua Solubilitat en hexà

Temperatura de fusió

Conductivitat en estat sòlid

Conductivitat de la dissolució aquosa

LIQUID

INFLAMABLE

la mostra

p inça de fusta o metà l·l ica

Tot el material ha d’estar molt net i sec.



Conclusions

Anàlisi de les dades A partir de les dades que has recollit i de la informació que tens al començament, has de deduir quin tipus de substància és cada un dels sòlids analitzats. Redacta les teves conclusions amb claredat. Qüestionari 1. Utilitza un llibre de química per fer correspondre a cada un dels sòlids que has classificat el tipus d’estructura que el caracteritza. 2. Com es pot investigar si un sòlid és molt soluble, poc soluble o molt poc soluble en un dissolvent? Si cal fes un esquema del procediment a seguir. 3. Hi ha casos d’alguns sòlids iònics que es dissolen tan poc que aparentment no ens n’adonem. Com podríem esbrinar-ho en aquests casos?



Propietats i estructura dels sòlids Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de 4t d’ESO i de batxillerat

Orientacions metodològiques Es tracta d’un treball pràctic guiat del tipus “experiment il·lustratiu”. Pot complementar les explicacions a l’aula que relacionen estructura i propietats. Directament relacionats amb aquest treball pràctic són els de “Desviant rajolins” (on es veu com diferenciar líquids polars de no polars), “Viscositat dels alcohols” (per veure la relació entre forces intermoleculars i viscositat) i “Ions en dissolució” (on hi ha un experiment sobre la conductivitat de les substàncies iòniques). Es poden combinar entre si aquests experiments. Per simplificar l’experiment i per no crear situacions de risc, no s’explica el procediment per investigar la conductivitat de les substàncies en fusió. En els protocols 421 i 438 del CDECT “Relació entre les propietats físiques i el tipus de cristall” trobareu descrit com fer el muntatge per comprovar la conductivitat d’un sòlid en fusió. Els sòlids que se suggereix emprar per a aquest experiment són: - Coure en làmina i en trossos petits de fil (metàl·lic). - Sorra i petits cristalls de quars (covalent gegant). Els petits cristalls de quars es

poden demanar en préstec dels minerals del laboratori de geologia del centre. No es fan malbé, només són per comprovar la conductivitat.

- Clorur de sodi o nitrat de potassi (iònics). Per tenir algun cristall de NaCl compreu sal de cuina de la que es fa servir per cuinar “a la sal” a la vostra botiga de queviures. La prova d’escalfar el nitrat de potassi no és perillosa perquè s’escalfa molt poca estona.

- Parafina (molecular). Es pot ratllar fàcilment amb la mateixa espàtula. També podeu fer servir cera per a espelmes decoratives que es ven ja ratllada en botigues de decoració de la llar.

A la llista és pot afegir: Iode (molecular). Cal anar especialment en compte en escalfar-lo amb els vapors, que són tòxics, encara que molt vistosos. Es recomana fer una demostració en un lloc ben ventilat. Grafit (estructura metàl·lica). Una mina de llapis tou i grafit en pols (es ven a botigues de pigments). Urea (molecular). En escalfar, fon fàcilment i es descompon en amoníac i aigua. Interessant per a alumnes d’ESO que veuen que es tracta d’un compost. Àcid benzoic (molecular). Interessant perquè sembla que no es dissol, en canvi la dissolució és conductora, la qual cosa demostra que sí què és soluble. (Qüestió 2). Finalment el/la professor/a pot fer una demostració que serveix com a síntesi: la conductivitat del vidre.



A partir del que observen, els alumnes han de classificar un sòlid i decidir quina estructura té: S’agafa un tros de tub de vidre (no pyrex) en el qual es puguin encaixar dos elèctrodes de grafit. Els extrems dels elèctrodes dins el tub han de quedar a un cm de distància aproximadament. Es connecten en sèrie amb una bombeta de 60 w, 220 V, c.a. Es comprova que la bombeta només s'encén quan els elèctrodes es toquen. S'escalfa fortament el tub per la part on els elèctrodes queden separats: arriba un moment en què la bombeta s'encén demostrant que el vidre és un material conductor quan està fos. Els alumnes han de classificar el vidre com a sòlid iònic. Gestió dels residus: les dissolucions es poden llençar a la pica.

Conclusions

Respostes al qüestionari 2. Com es pot investigar si un sòlid és molt soluble, poc soluble o molt poc soluble en un dissolvent? Si cal fes un esquema del procediment a seguir. D’una manera qualitativa:



3. Hi ha casos d’alguns sòlids iònics que es dissolen tan poc que aparentment no ens n’adonem. Com podríem esbrinar-ho en aquests casos? Es mira si la dissolució aquosa és conductora del corrent. Criteris d’avaluació L’avaluació d’aquest treball pràctic es pot fer observant les pautes següents: - Si els alumnes fan les proves d’una manera sistemàtica o desordenada. - Si hi ha coherència entre les observacions i les conclusions que en treuen per

classificar els sòlids. - Les respostes a les qüestions.


Formació d’òxid de coure i recuperació del coure - 1 -

16. Formació d’òxid de coure i recuperació del coure

Objectius • Comprovar la formació de l’òxid de coure a partir del metall coure. • Recuperar el metall coure a partir de l’òxid per reducció. Primera part: formació de l’òxid de coure Introducció El que volem és comprovar que un metall com el coure es converteix en el seu òxid quan reacciona amb l’oxigen de l’aire.


Equipament − Bec de Bunsen − Pinces metàl·liques per agafar la làmina de

coure

Reactius i altres materials − Làmina de coure

Procediment Muntatge i execució de l'experiència Amb les pinces, agafa una làmina de coure i comprova que, quan es posa en contacte amb la flama del Bunsen, es recobreix d’una capa negre d’òxid de coure (II). Qüestionari 1. Escriu l’equació química del procés d’oxidació del coure. 2. Si volem comprovar-ho d’una manera quantitativa, què hauríem de pesar? Quin procediment suggereixes? 3. Si és una reacció d’oxidació, quin element és el que es redueix? Segona part: recuperació del coure a partir de l’òxid de coure (la demostració la fa el/la professor/a) Introducció L’òxid de coure es pot tornar a convertir en coure per un procés de reducció amb gas hidrogen. La reacció s’ha de fer a temperatura alta. El procés és perillós pel perill d’explosió de l’hidrogen i el que veuràs és un demostració del professor en microescala. Observa abans de res el muntatge proposat en la figura 1: Quina finalitat té el tub amb HCl i Zn? Quina reacció és produirà en el tub amb òxid de coure? Per què la reacció és diu “de reducció”? Quin és l’element que “s’oxida”?



Figura 1: un possible muntatge per a la reducció de l’òxid de coure a coure amb hidrogen Observa ara el muntatge de les figures 2 i 3:

Figura 2: Obtenció d’hidrogen en microescala Figura 3: Formació de CuO i posterior reducció a Cu 1. Primer s’obté gas hidrogen per reacció entre el Zn i l’HCl, el gas omple la xeringa.

(Figura 2) 2. Es retalla una làmina de coure de 8 x 3 cm i es penja amb dos clips d’una vareta

de vidre. 3. Amb un minisoldador, s’escalfa la làmina de coure por una de les cares. Es forma

òxid de coure de color negre, molt visible a la cara oposada d’on toca la flama del soldador.

HCl + Zn

òxid de coure

HCl + Zn

xeringa de 50 ml per recollir el gas hidrogen

tub de vidre acabat en pipeta minisoldador xeringa injectant hidrogen

vareta de vidre de la que penja una làmina de Cu

òxid de coure

coure format per reducció

sortida d’hidrogen residual (tub allargat)



Hidrogen: gas explosiu! La flama del soldador ha d’estar lluny de la xeringa amb hidrogen.

4. Mentre es va escalfant, s’injecta gas hidrogen sobre l’òxid de coure, per la cara

oposada on hi ha la flama, enviant l’hidrogen ben a prop de la part negre de la làmina. (Figura 3)

5. S’apaga el soldador. Es veu que, on ha arribat l’hidrogen s’ha format un petit cercle de color del coure, format per reducció de l’òxid.

Qüestionari 4. Escriu les següents equacions químiques:

a) Obtenció d’hidrogen per reacció entre el Zn i la dissolució d’HCl b) Formació de l’òxid de coure (II) c) Reducció a coure de l’òxid de coure per l’hidrogen

5. Cita avantatges de seguretat del mètode de microescala en fer aquest experiment. 6. En lloc d’hidrogen, es pot fer la reducció de l’òxid amb carbó, escriu l’equació química d’aquesta reacció.

GAS

INFLAMABLE



Formació d’òxid de coure i recuperació del coure Material per al professorat

Orientacions didàctiques Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat Orientacions metodològiques La primera part, la poden fer els alumnes, amb una breu discussió dirigida pel/per la professor/a sobre el qüestionari de l’experiment. La segona part l’ha de fer el/la professor/a com a demostració. Pot optar per qualsevol dels dos muntatges proposats: el primer (figura 1), més clàssic, manipula quantitats més grans de gas hidrogen. Els riscos d’explosió són mínims si es prenen les precaucions següents:

- Omplir quasi tot el tub on es genera l’hidrogen amb la dissolució d’HCl - Fer servir un tub d’assaig, mai un matràs - Deixar el tap del tub d’assaig sense prémer-lo massa perquè, si cal, pugui

saltar amb facilitat El segon muntatge (figures 2 i 3) fa servir mètodes en microescala, que minimitzem molt els riscos d’explosió. Vegeu a l’apartat d’orientacions tècniques el material per fer els muntatges d’aquesta segona part.

Orientacions tècniques

Material i Equipament per fer el primer muntatge proposat (figura 1)

Equipament − Tub d’assaig amb tap foradat − Tub de vidre d’1,5 cm de diàmetre

aproximadament (de pyrex) amb taps foradats per cada extrem. Longitud: uns 20 cm

− Bec de Bunsen − Tub de vidre per connexions − Suport − Pinces metàl·liques

Reactius i altres materials − Llimadures de coure o petits trossos de fil

de coure − HCl dissolució 1 mol/dm3 − Zinc, granalla Hidrogen: Gas explosiu Ulleres de seguretat

Muntatge i execució de l'experiència per fer el primer muntatge proposat 1. Tallar trossos de cable de coure molt petits i posar-los dins el tub de pyrex. Escalfar el tub a

la flama del Bunsen, subjectant-lo amb unes pinces metàl·liques fins que es vegi que es forma l’òxid de coure (II), de color negre.

2. Deixar refredar. Aprofitar ara per fer reflexionar els alumnes sobre la manera com es podria comprovar que el coure s’ha oxidat (vegeu qüestionari de la primera part que han de fer els alumnes).

3. Muntar ara l’aparell indicat en la figura 1.

Porteu ulleres de seguretat

GAS

INFLAMABLE



4. Posar llimadures de Zn i dissolució HCl en el tub vertical, per generar hidrogen. Escalfar amb suavitat el tub de pyrex on hi ha l’òxid de coure. Cal evitar que la flama del Bunsen entri en contacte amb l’hidrogen residual que surt per l’extrem del tub horitzontal. Fer observar als alumnes que hi ha parts de l’òxid de coure on es recupera el color característic del coure metall.

Material i Equipament per fer el segon muntatge proposat (microescala) (figures 2 i 3) Equipament − Tub d’assaig gran amb tap foradat − Làmina de coure de 8 cm x 3 cm i 0,1 mm de

gruix − Vareta de vidre i clips, per penjar la làmina de

coure − Xeringa amb tub de vidre acabat en pipeta − Suport − Minisoldador de gas (*)

Reactius i altres materials − HCl dissolució 1 mol/dm3 − Zinc, granalla Hidrogen: Gas explosiu Ulleres de seguretat

(*) El minisoldador (eina no habitual en el laboratori, figura 4) es troba en les ferreteries (preus entre 15 € i 20 €). Muntatge i execució de l'experiència per fer el segon muntatge proposat (microescala) 1. Prepareu una xeringa de 50 cm3 amb un tros de tub de goma i acoblat a ell un tub de vidre

acabat en pipeta. Prepareu ara un tub d’assaig amb dissolució HCl 1 mol/dm3 i granalla de Zn. Quan es comença a generar hidrogen, es tapa el tub d’assaig gran, amb el tap foradat per on travessa el tub de vidre connectat a la xeringa (figura 2). La finalitat és omplir-la de gas hidrogen. Això es fa lluny de qualsevol flama.

Porteu ulleres de seguretat

2. La làmina de coure, que cal procurar que sigui ben neta es penja d’una vareta de vidre amb un parell de clips. Amb el minisoldador s’escalfa una de les cares d’aquesta làmina i s’observa que a l’altra cara es forma l’òxid de coure (II), negre. El soldador es pot deixar instal·lat, agafant-lo amb una pinça i un suport o ho pot fer un/una ajudant/a.

3. Mentre el soldador va escalfant, s’agafa la xeringa amb hidrogen i es dirigeix la punta de la pipeta, directament i ben a prop a la làmina de coure i en la cara oposada on hi ha la flama. (Figura 3)

4. S’apaga la flama del soldador i es veurà que on s’ha dirigit l’hidrogen apareix un petit cercle de coure metàl·lic, per reducció de l’òxid que hi havia

Gestió dels residus: els únics residus són els del tub on s’ha generat hidrogen: el líquid es buida a la pica deixant rajar força aigua. El possible zinc sobrant i les restes de coure i òxid de coure es llencen a residus sòlids.

GAS

INFLAMABLE



Figura 4: un minisoldador

Conclusions Respostes al qüestionari Equacions químiques:

Oxidació del coure: Cu(s) + ½ O2(g) → CuO(s) Reducció de l’òxid amb hidrogen: CuO(s) + H2(g) → Cu(s) + H2O(g) Reducció de l’òxid amb carbó: 2CuO(s) + C(s) → 2Cu(s) + CO2 (g) Producció d’hidrogen amb HCl i Zn: 2HCl(aq) + Zn(s) → H2(g) + ZnCl2(aq)

Criteris d’avaluació Pot observar-se com els alumnes raonen les qüestions plantejades. Propostes de recerca L’obtenció de metalls a partir dels minerals o la seva recuperació per reciclar-los pot ser una idea per treballs de recerca, per exemple: a) Quins són els millors mètodes per extreure coure o zinc dels minerals que els

contenen? b) Com es pot recuperar la plata de les pel·lícules fotogràfiques i de les radiografies

usades? A part de treballs de recerca, també és poden plantejar treballs pràctics com a petites investigacions, per exemple: a) Com es pot comprovar que el carbonat de coure és un compost? b) Com es podria obtenir plom a partir del mineral galena?


Obtenció i propietats de l’amoníac - 1 -

17. Obtenció i propietats de l’amoníac

Objectius • Muntar un aparell per obtenir petits volums de gasos (Tècnica de la “microescala”). • Fer servir el muntatge per obtenir el gas amoníac i identificar-lo per algunes de les

seves propietats característiques. • Comprovar que és un gas molt soluble en aigua.

Introducció L’amoníac i les dissolucions aquoses d’aquest gas fan una olor irritant i molt característica que hauràs notat en els productes per netejar vidres. L’amoníac el trobem a la Terra i a l’espai. La descomposició de les proteïnes, quan hi ha putrefacció de cadàvers d’animals, produeix el gas amoníac. Fragments dels anells de Saturn són blocs d’amoníac sòlid (congela a –77,7ºC). Les sals d’amoni (compostos derivats de l’amoníac) s’havien fet servir en el segle passat, per fer-les aspirar a persones que patien de mareig o per reanimar a qui havia perdut el coneixement. L’amoníac s’ha fet servir també com a remei “de xoc” fent-lo respirar als que estan en estat etílic. La indústria fabrica cada dia milers de tones d’amoníac per reacció entre el nitrogen i l’hidrogen. La major part de l’amoníac serveix per fer sals d’amoni, emprades com adobs per l’agricultura. En aquest treball pràctic l’amoníac l’obtindràs en petita quantitat, per evitar que un excés d’un gas irritant ompli el laboratori.


Equipament − Dues xeringues de 50 cm3 − Bec de Bunsen − Tub d’assaig gran, amb sortida lateral i

amb tap foradat − Trossos de tub de vidre i tub goma per

unir − Suport amb pinces i nou − Vas de precipitats de 100 cm3 − Espàtula

Reactius i altres materials − Clorur d’amoni − Hidròxid de sodi

(3 llenties en un vidre de rellotge) − Fenolftaleïna (indicador àcid-base) − Paper indicador universal

Gas irritant. Ulleres de seguretat

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència Primera part: Muntatge en microescala i obtenció d’amoníac 1. Posa en el tub amb sortida lateral aproximadament 0,5 g de clorur d’amoni (una espàtula), afegeix-hi unes gotes d’aigua.

CORROSIU



2. Munta l’aparell d’obtenció de gasos en microescala que veus en la figura 1. Una de les xeringues recollirà l’amoníac format, l’altra serveix per recollir part de l’aire que hi ha en el tub on es fa la reacció. Les dues xeringues han de tenir l’èmbol a baix de tot.


3. Prepara en un vidre de rellotge dues o tres llenties d’hidròxid de sodi, NaOH. Assegura’t que les connexions amb tubs de goma són correctes 4. Amb l’espàtula, posa el NaOH dins el tub de vidre. Tapa’l bé. No encenguis el bec de Bunsen. Pressiona tot seguit amb els dits el tub de goma per tancar la sortida 1, de manera que l’aire que hi havia en el tub de vidre, junt amb una mica d’amoníac, vagi a la xeringa de recollida de residus gasosos. Quan vegis que està plena, deixa de fer pressió en aquest tub i pressiona ara per tancar la sortida 2, així recolliràs el gas en la xeringa destinada a l’amoníac. Només si veus que els èmbols es mouen molt lentament, convé escalfar amb suavitat, i apagar tot seguit el foc.

5. Un cop vegis que la xeringa ha quedat plena de gas, ràpidament desconnecta la goma de la sortida lateral del tub de vidre. 6. Ara ja notaràs la característica olor del gas amoníac. Desconnecta també la xeringa amb amoníac, subjecta-la amb una pinça al suport. (Figura 2). Renta ràpidament el tub de vidre amb força aigua. 7. Mulla una tira de paper indicador universal amb aigua destil·lada i acosta’l a l’extrem de la xeringa. Pren nota de si hi ha canvi de color.

Segona part: Comprovació que l’amoníac és un gas molt soluble en aigua. 8. Omple un vas de precipitats de 100 cm3 amb aigua destil·lada i afegeix-hi uns cm3 de dissolució de fenolftaleïna. Col·loca el vas sota la xeringa amb el seu extrem dins l’aigua. (Figura 3). Observa el que passa. Pensa en una explicació del fenomen.

figura 1: aparell microescala per obtenir amoníac

Figura 2. Xeringa amb amoníac

Figura 3. Assaig de solubilitat de l’amoníac



Conclusions

Observacions qualitatives i anàlisi de les dades Descriu algunes de les propietats de l’amoníac: a) color del gas amoníac b) densitat: per la manera com es pot “aguantar” en la xeringa col·locada

vertical, pots deduir si és més o menys dens que l’aire. Ho pots confirmar fent un càlcul a partir de la seva massa molar. L’aire en condicions normals té 1,3 g/dm3 de densitat.

c) propietats àcid-base de la dissolució d’amoníac: què indiquen els canvis de color del paper indicador universal i de la fenolftaleïna?

d) solubilitat en aigua: escriu una explicació del fenomen que es produeix quan es posa l’extrem de la xeringa en amoníac submergit en el vas amb aigua : - per què xucla l’aigua? - per què l’aigua xuclada canvia de color dins la xeringa?



Obtenció i propietats de l’amoníac Material per al professorat



Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat. Alumnes de 4t d’ESO com a demostració guiada de solubilitat dels gasos. (En aquest cas aneu directament a l’apartat d’orientacions tècniques “la font d’amoníac”.)

Orientacions metodològiques Es tracta d’un experiment il·lustratiu que permet que cada grup d’alumnes obtinguin una quantitat suficient per poder observar algunes de les propietats, sense que es generi un volum d’amoníac molest. Si els alumnes no aconsegueixen recollir amoníac en la xeringa, el professor/a els en subministrarà, simplement xuclant l’atmosfera d’amoníac que hi ha en les ampolles d’hidròxid d’amoni. Una alternativa és que l’experiment el faci el professor/a, com a demostració, en aquest cas vegeu l’apartat d’orientacions tècniques “la font d’amoníac”.

Orientacions tècniques L’experiment descrit on es fa servir utillatge per microescala es pot substituir pel següent procediment: “La font d’amoníac”. Material i Equipament Equipament − Matràs erlenmeyer de 250 cm3 amb tap amb

forat per on passa un tub de vidre Bec de Bunsen

− Matràs rodó de 500 cm3 o 1000 cm3 − Tap per on s’ha passat un tub de vidre acabat

en pipeta pel matràs rodó − Suport amb pinces i nou − Vas de precipitats de 1000cm3 − Espàtula

Reactius i altres materials − Clorur d’amoni, 20 g − Hidròxid de sodi, 10 g

− Fenolftaleïna (indicador àcid-base) − Paper indicador universal

Gas irritant. Ulleres de seguretat Treballeu en una vitrina amb extractor.

Procediment

Ulleres de seguretat. Treballeu en una vitrina amb extractor.

CORROSIU



1. El muntatge és el de la figura 4. Dins l’erlenmeyer es posen els 20 g de clorur d’amoni amb unes gotes d’aigua i els 20 g d’hidròxid de sodi. S’escalfa molt suaument per afavorir la reacció:

NH4Cl (aq) + NaOH(aq) → NH3(g) + NaCl (aq) + H2O(l)

2. Una olor característica d’amoníac indicarà que el matràs rodó ja està ple d’aquest gas. Ara és pot acostar a la boca del matràs un paper indicador mullat amb aigua destil·lada i demostrar que canvia a color blau per la basicitat de l’hidròxid d’amoni format en dissoldre’s l’amoníac en aigua.

Perill que el matràs imploti! Protegiu-vos i protegiu el públic amb ulleres de seguretat.

3. Per demostrar la solubilitat en aigua es fa el següent muntatge anomenat “la font d’amoníac”. Es tapa el matràs rodó, sense invertir-lo, amb el tap travessat per un tub de vidre acabat en pipeta. L’extrem de la pipeta ha d’estar a pocs centímetres del fons del matràs (Figura 5). L’aigua puja i va omplint el matràs, tornant-se de color rosat a causa de l’indicador fenolftaleïna.

Figura 4: Obtenció d’amoníac: el matràs erlenmeyer conté NH4Cl i NaOH. El tub de vidre arriba fins uns centímetres del fons del matràs rodò (ara, aquest matràs no té tap).

Figura 5: “La font d’amoníac”: Sense moure el matràs rodó, es tapa amb tap travessat per un tub de vidre acabat en pipeta en la part interior del matràs. L’aigua del vas començarà a pujar pel tub, primer lentament i a mesura que penetri en el matràs, cada vegada amb més velocitat. L’aigua té fenolftaleïna i canvia de color en contacte amb l’amoníac



Una segona versió de “La font d’amoníac” L’equipament és el mateix, però ara es prepara el següent muntatge:

Sorprenentment, a mesura que es genera amoníac, en lloc de bombollejar el gas en el vas de precipitats, hi ha reabsorció de l’aigua del vas, que cau, tot canviant de color. Gestió dels residus: poden llançar-se per la pica, deixant corre aigua en abundància

Conclusions

Resultats esperats L’experiment en microescala, genera poca quantitat d’amoníac, la suficient, però per comprovar que el paper indicador universal canvia a color blau (basicitat de la dissolució d’amoníac) i que el gas és tan soluble en aigua, que la pressió a l’interior del recipient on hi ha amoníac disminueix fent l’efecte de “xuclar” l’aigua. L’espectacularitat de la font d’amoníac s’aconsegueix procurant que el matràs quedi ben ple amb el gas (per això cal obtenir-lo en una vitrina amb extractor i amb un tub que acabi en punta de pipeta). La segona versió que es proposa sorprèn perquè s’espera veure bombolles de gas que surten de l’aigua del vas de precipitat. La intervenció del/de la professor/a per guiar l’alumnat que presencia la demostració és necessària. Vegeu Criteris d’avaluació.

Respostes a observacions qualitatives i anàlisi de les dades L’amoníac és incolor, té densitat 0,70 g/L (condicions estàndard). Les seves dissolucions són bàsiques per formació de l’hidròxid d’amoni. Solubilitat en aigua: escriu una explicació del fenomen que es produeix quan es posa l’extrem de la xeringa en amoníac submergit en el vas amb aigua : En ser molt soluble, a mesura que es dissol, la pressió dins la xeringa o el recipient, disminueix. Llavors és la pressió atmosfèrica la que empenta l’aigua exterior cap a l’interior del recipient.

mescla de clorur d'amoni

i hidròxid de sodiaigua +

fenolftaleïna



Criteris d’avaluació Pot observar-se com raonen els alumnes les respostes a qüestions com:

- Quina propietat de l’amoníac ens obliga a recollir el gas posant el matràs amb la boca avall?

- Com s’explica que l’aigua canviiï de color en entrar dins la xeringa/dins el matràs?

- Com s’explica que l’efecte de la font sigui cada vegada més gran i l’aigua entri cada vegada més de pressa?


La sèrie de reactivitat dels metalls - 1 -

18. La sèrie de reactivitat dels metalls

Objectius • Establir un ordre d’activitat dels metalls per mesures de potencials elèctrics i de

reactivitat. • Comprovar com la sèrie anterior permet fer prediccions sobre la reactivitat dels

metalls.

Introducció No tots els metalls són igual de reactius: alguns s’oxiden fàcilment i altres molt difícilment. Hi ha metalls que reaccionen amb les dissolucions àcides i altres que no reaccionen. Per altra part ja saps que es pot obtenir corrent elèctric formant una pila electroquímica per reacció entre metalls i les seves dissolucions iòniques. Per establir un ordre de metalls més reactius o “actius” se’n necessita un de referència. Les taules de potencials normals estàndard ordenen els metalls per ordre d’activitat referits a l’elèctrode d’hidrogen. En aquest treball pràctic, l’elèctrode de referència és el coure. I es tracta de classificar per ordre d’activitat els metalls següents: plom, zinc, magnesi, coure, ferro. A partir de la classificació podrem fer prediccions del tipus: reaccionarà un determinat metall si es posa en una dissolució amb ions d’un altre? Encara que aquesta qüestió sembli tenir una importància exclusivament teòrica, té un abast molt important en la pràctica: per exemple, dels metalls esmentats més amunt alguns poden impedir que el ferro es rovelli i altres al contrari, acceleren la corrosió.


Equipament − Polímetre digital − Pinces de cocodril i cables de

connexió − Gradeta amb tubs d’assaig

Reactius i altres materials − Làmina de coure (4 x 4 cm2) − Paper de filtre − Làmines o trossos dels metalls següents: coure, magnesi,

plom, zinc, ferro − Dissolucions 0,1 mol.dm-3 de: nitrat de plom (II); nitrat de

coure (II); nitrat de magnesi; nitrat de zinc i nitrat de plata. − Dissolució de nitrat de potassi (aproximadament 1

mol.dm-3). − Dissolució HCl 1 mol.dm-3 − Paper de vidre − Tisores per tallar metalls

Procediment

Muntatge i execució l'experiència Prova 1 1. Amb el paper de vidre neteja els metalls fins a abrillantar-los. 2. Posa la làmina de coure ben plana a la taula de treball (que ha d’estar neta). Connecta una pinça de cocodril amb un cable a la làmina.

NOCIU



3. Retalla un paper de filtre d’uns 2x2 cm2. Amara’l en la dissolució de nitrat de potassi i posa’l centrat damunt la làmina de coure. 4. Agafa un qualsevol del metalls, procura que tinguin forma de làmina i posa’l sobre el paper de filtre. Aquest metall no ha de tocar la làmina de coure, només el paper de filtre. Connecta-li una pinça de cocodril amb cable. La pinça tampoc no ha de tocar la làmina de coure. 5. Amb el polímetre en l’escala 2 V cc, i els cables connectats, llegeix el que indica i pren-ne nota. 6. Has de repetir els passos 3, 4 i 5 amb els altres metalls, canviant cada vegada el paper de filtre. Prova 2 7. Ara has d’investigar si els metalls plom, coure, zinc i magnesi reaccionen amb les dissolucions que tens: nitrat de plom (II); nitrat de coure (II); nitrat de magnesi; nitrat de zinc i nitrat de plata. Disposes d’una gradeta amb tubs d’assaig. Fes les proves necessàries per omplir una taula com la següent. Indica a la casella corresponent si hi ha o no reacció.

plom coure zinc magnesi nitrat de plom (II) nitrat de coure (II) nitrat de zinc nitrat de magnesi nitrat de plata

Observacions qualitatives Ordena els metalls per ordre de valors de voltatges de més positiu a menys obtinguts en la primera prova. En el cas que hagis vist alguna mena de canvi, pren-ne nota. En quins casos has observat que el metall reacciona amb ions d’altres metalls? Quin metall és el que qualificaries com a més reactiu? En quina posició està aquest metall a la taula que has fet?

Conclusions Compara si l’ordre en què has classificat els teus quatre metalls és el mateix que el que figura en la “sèrie galvànica” que és l’ordre d’activitat de metalls i alguns aliatges). En aquesta taula els valors estan referits a l’elèctrode d’hidrogen.

coure

paper de filtre

metall



Sèrie galvànica per a metalls en contacte amb aigua de mar (de més a menys actiu)

Magnesi zinc

aliatges d’alumini acer galvanitzat (acer recobert de zinc)

ferro de fosa acer plom

estany ----------Hidrogen / ions H+ -----------------

coure llautó (coure + zinc)

bronze (coure + estany) plata

or platí

Anàlisi de les dades i qüestionari 1. Fes servir ara una taula de potencials normals estàndard de reducció per confirmar la idea que els metalls són tant més actius quan més negatiu és el seu potencial de reducció. 2. D’acord amb el concepte indicat a l’apartat anterior, si posem un tros de plata en una dissolució de nitrat de coure, la plata romandrà inalterable, en canvi si posem un tros del metall coure en una dissolució d’ions plata, el coure reaccionarà i a més es formarà plata metàl·lica. Ho pots comprovar fàcilment, posant en un tub d’assaig un tros de coure dins dissolució de AgNO3. En un altre tub d’assaig amb dissolució de Cu(NO3)2, hi poses un objecte de plata (no et serà difícil de trobar-ne: els piercings que porten moltes persones són de plata). Explica les teves observacions tot escrivint les equacions de les reaccions químiques. 3. Seguint amb el que significa la sèrie d’activitat dels metalls, pots veure que el quadre inclou la posició de l’hidrogen. Observa bé les anotacions que has pres de les reaccions del metalls amb els ions metàl·lics. Quina o quines de les frases següents són certes?

a) Els metalls situats per sobre de l’hidrogen són els que reaccionen amb els àcids desprenent gas hidrogen

b) Els metalls redueixen els ions dels altres metalls que queden per damunt seu a la taula de potencials i en la sèrie galvànica

c) Introduint un tros de ferro en una dissolució amb ions Cu (II), obtindrem el metall coure.

Comprova les teves respostes posant, per exemple, un tros de magnesi en un tub amb dissolució de HCl i un tros de coure en un altre tub amb HCl . 4. Escriu les equacions químiques que han tingut lloc en fer la prova 2.



La sèrie de reactivitat dels metalls Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació ! 1 hora per a l’anàlisi de dades i el qüestionari (pot fer-se a casa)

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat i de 4t d’ESO (fent la prova 1 i simplificant l’anàlisi de dades).

Orientacions metodològiques Aquest treball pràctic és un experiment il·lustratiu per reforçar els conceptes de sèrie electromotriu i taula de potencials estàndard. Si el temps és limitat, es pot fer només la prova (necessita 1/2 hora, aproximadament). Gestió dels residus: es llencen en un recipient adient al qual s’afegeix carbonat de sodi sòlid perquè precipitin els cations dels metalls pesats. En acabar el curs, es filtra o decanta el líquid i el residu sòlid es llença al contenidor de sòlids.

Conclusions

Respostes al qüestionari Ordre d’activitat dels metalls en fer la prova 1: (de més a menys voltatge referit al coure): magnesi, zinc, ferro, plom Reaccions químiques en la prova 2:

plom coure zinc magnesi nitrat de plom (II) no reacciona no reacciona reacciona reacciona nitrat de coure (II) reacciona no reacciona reacciona reacciona nitrat de zinc no reacciona no reacciona no reacciona reacciona nitrat de magnesi no reacciona no reacciona no reacciona no reacciona nitrat de plata reacciona reacciona reacciona reacciona

Una recompte de les vegades que reacciona cada metall dóna que: el magnesi reacciona en 4 casos, el zinc en tres casos, el plom en dos i el coure en un cas. El magnesi resulta el metall més actiu 3 Quina o quines de les frases següents són certes?

a) Els metalls situats per sobre de l’hidrogen són els que reaccionen amb els àcids desprenent gas hidrogen. Certa

b) Els metalls redueixen als ions dels altres metalls que queden per damunt seu en la taula de potencials i en la sèrie galvànica. Falsa

c) Introduint un tros de ferro en una dissolució amb ions Cu (II), obtindrem el metall coure. Certa



Propostes de recerca Els valors de voltatges mesurats en la prova 1 són diferents dels potencials normals perquè les condicions en què es fa la prova no són les estàndard. Els alumnes poden investigar de quins factors depèn el voltatge obtingut en formar una pila electroquímica amb dos metalls . Altres temes: - factors que acceleren o que eviten la corrosió del ferro (recobriments, xapat,

protecció electroquímica...) - com podem obtenir cristalls d’un metall a partir dels seus ions?


“El cas dels flascons sense etiqueta” - 1 -

19. Investigant el contingut d’uns flascons o

“El cas dels flascons sense etiqueta”

Objectiu • Identificar el contingut de diversos flascons per les reaccions químiques que tenen

lloc quan es barregen entre si.

Introducció Damunt la taula de treball tens sis flascons que no tenen etiqueta. Se sap només que un d'ells conté aigua destil·lada amb unes gotes de fenolftaleïna i els altres cinc contenen cada un, una de les dissolucions aquoses següents: clorur d’amoni, hidròxid de sodi, àcid clorhídric, nitrat de plata i carbonat de sodi. Es tracta de dir el que conté cada flascó, usant com a únics reactius els propis continguts dels flascons.


Equipament − Gradeta amb tubs d’assaig − Termòmetre

Reactius i altres materials − 6 flascons de contingut no identificat

(contenen dissolucions diluïdes de concentracions 0,5 mol.dm-3)

Procediment 1. Es recomanable seguir els passos següents: - Etiqueta els flascons amb lletres d'A a F. - Barreja els continguts de dos en dos en tubs d'assaig i observa atentament els

canvis produïts. Anota’ls en una taula de doble entrada i usa després els teus coneixements de química per a interpretar els resultats.

2. Per ajudar-te a interpretar els resultats convé que recordis: - Quins compostos són insolubles - El color que agafa l’indicador fenolftaleïna en medi àcid i en medi bàsic - Els productes de la reacció entre un àcid i un carbonat - Els productes de la reacció entre una sal d’amoni i una base forta - Que hi ha un canvi d’entalpia en les reaccions de neutralització



Observacions qualitatives Pots prendre nota de les teves observacions en una taula de dades com la següent:

A

B

C

D

E

F

A

B

C

D

E

F

Conclusions Redacta un informe indicant el que conté cada un dels flascons. Demana després al professor o professora la solució i comprova els teus encerts i els teus errors. Si cal repeteix, ara amb les solucions davant, les reaccions químiques que et semblin de resultat dubtós.



“El cas dels flascons sense etiqueta” Material per al professorat


Temporització ! 1 hora a per l’experimentació i les conclusions

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de segon de batxillerat Orientacions metodològiques Aquesta activitat la poden fer alumnes que han practicat les reaccions químiques en tub d’assaig de:

formació d’un precipitat de AgCl a partir d’ions Ag+(aq) i Cl-(aq) formació d’un precipitat de carbonat de plata determinació de l’entalpia d’una neutralització colors dels indicadors àcid-base

o bé alumnes que hagin practicat la interpretació de taules de solubilitat de compostos inorgànics coneguts (carbonats, clorurs...) Es recomana donar els flascons ja etiquetats amb lletres d’A a F. El contingut ha de ser els següent: A: NaOH B: HCl C: Na2CO3 D: AgNO3 E:H2O + fenolf. F: NH4Cl Gestió dels residus: recollir les dissolucions en un recipient al qual s’afegeix carbonat de sodi sòlid perquè precipitin els ions de metalls pesants. En acabar el curs es filtra o decanta el líquid i el residu sòlid es llença al contenidor de sòlids.



Conclusions

Resultats esperats Els alumnes han d’omplir un quadre com el següent (aquest és el que es pot donar com a solució quan han presentat les seves conclusions).

A NaOH

B HCl

C Na2CO3

D AgNO3

E H2O + fenolf.

F NH4Cl

A

NaOH

NaCl(aq) + H2O - - - AgOH (s) +

NaNO3(aq) color rosa

NH3(g)+ H2O +NaCl(aq)

B

HCl

CO2(g)+ H2O+NaCl(aq)

AgCl(s) + HNO3(aq)

- - - - - -

C

Na2CO3

Ag2CO3(s) +NaNO3(aq) color

rosa - - -

D

AgNO3

- - - AgCl(s) + NH4NO3(aq)

E H2O + fenolf.

- - -

F

NH4Cl


Determinació de l’acidesa del vinagre - 1 -

20. Determinació de l’acidesa del vinagre

Objectius • Trobar la concentració en àcid acètic en un vinagre.

Introducció El vinagre és una dissolució diluïda d’àcid acètic i altres substàncies en aigua. Els envasos d’aquest producte acostumen a expressar en graus d’acidesa el percentatge d’àcid present. Per determinar el grau d’acidesa ens cal saber la quantitat d’àcid etanoic o acètic que hi ha en un determinat volum.

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. En què consisteix la tècnica de “valorar” la quantitat d’àcid en una dissolució? Quins estris i reactius s’han de fer servir? 2. Fes un esquema de com cal emprar el material per fer una “valoració” d’un àcid. 3. Aquesta no és la primera vegada que fas una valoració. Recorda que només t’adonaràs del punt final mitjançant un indicador. El més adient, en aquest cas és la fenolftaleïna. Comença per fer una prova ràpida però molt indicativa:

Agafa 5 cm3 del vinagre per analitzar, afegeix-hi unes gotes de dissolució de l’indicador fenolftaleïna i ves afegint, a poc a poc, dissolució d’hidròxid de sodi 0,1 mol.dm-3 fins que la dissolució agafi el color vermellós de la fenolftaleïna en medi bàsic. Si veus que has d’afegir un volum molt més gran dels 5 cm3 de vinagre, és molt recomanable que dilueixis 10 vegades la mostra de vinagre a analitzar.

4. Redacta els passos fonamentals del procediment. Per simplificar, es recomana d’analitzar un vinagre de vi blanc (dissolució poc acolorida). 5. El grau d’acidesa expressa els grams d’àcid acètic en 100 grams de vinagre. Si la valoració el que determina és la concentració molar de l’àcid, indica els càlculs que caldrà fer per passar de concentració molar al grau d’acidesa. 7. Pren nota de la marca i del grau d’acidesa que està escrit en l’envàs del vinagre que analitzaràs 8. Necessites el vist-i-plau del professor o professora del procediment que has proposat. Si cal demana un full d’ajut.


9. Munta el material per fer la valoració. Posa en pràctica el procediment que has redactat i que ha supervisat la professora o professor



10. Fes les mesures que siguin necessàries. Pren nota dels valors que t’han de permetre fer els càlculs. Assegura’t bé de les dades. Utilitza el nombre correcte de xifres significatives segons la sensibilitat dels aparells que fas servir.

Conclusions

Anàlisi de les dades Els càlculs que has de fer són:

- Quantitat d’àcid etanoic o acètic en la mostra de vinagre que has agafat - Percentatge d’àcid acètic o “grau d’acidesa” del vinagre - Mitjana amb el resultat del que han trobat altres companys i companyes. (Si

algun dels valors és molt discrepant, no es té en compte a l’hora de fer la mitjana.)

Qüestionari 1. Calcula l’error relatiu de la teva mesura, tenint en compte el grau d’acidesa que indica l’envàs del vinagre. 2. Si hi ha diferències grans (més d’un 10%), indica els passos del procediment que poden ser les fonts d’error més importants.



Determinació de l’acidesa del vinagre



Temporització ! 1/2 hora per a la introducció i planificació de l’experiment ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat

Orientacions metodològiques Aquest treball pràctic s’ha de fer quan els alumnes ja han tingut ocasió de fer una valoració àcid-base o han vist una demostració de com es fa (en un vídeo, en un programa de simulació o directament perquè s’ha fet abans). Per tant ja han de saber: com arrasar un matràs aforat, com omplir correctament una bureta, com usar una pipeta amb el succionador i com es fan els càlculs estequiomètrics en una valoració. També se suposa que tenen coneixement del paper dels indicadors àcid-base en la detecció del punt final d’una valoració. Com que el guió es presenta amb un cert grau de treball obert, si cal es pot donar el següent full d’ajut

Material i Equipament Equipament − Matràs erlenmeyer de 250 cm3 − Matràs aforat de 250 cm3 − Vas de precipitats de 250 cm3 − Bureta − Pipeta de 25 cm3 − Suport i pinces de bureta

Reactius i altres materials − Dissolució de NaOH 0,1 mol.dm-3 − Dissolució de fenolftaleïna


Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Amb una pipeta, es posen 25 cm3 del vinagre a analitzar en un matràs aforat i s’acaba d’omplir amb aigua destil·lada fins a la línia d’arrasament.

Fes servir ulleres de seguretat.

2. Prepara la bureta amb la dissolució d’hidròxid de sodi. Arrasa-la al zero. 3. Agafa 25 cm3 de la dissolució diluïda de vinagre i posa’ls en el matràs erlenmeyer. Afegeix unes gotes de dissolució de l’indicador fenolftaleïna. 4. Valora els 25 cm3 de la dissolució de vinagre. Recorda que un lleuger color rosat permanent, indica que has arribat al punt final. Repeteix la valoració les vegades

CORROSIU

LIQUID

INFLAMABLE



necessàries fins que dues de les lectures del volum gastat de la bureta siguin coincidents o difereixin només en 0,1 cm3.

5. Pren nota dels volums gastats de NaOH(aq) i neteja el material emprat.

Orientacions tècniques Si es fa servir un vinagre molt acolorit, per evitar interferències en la detecció del punt final de la valoració, abans de fer-la, es posa el vinagre diluït amb una mica de carbó en pols o “carbó actiu”) en un vas de precipitats i es filtra. Gestió de residus: poden llençar-se a la pica.

Conclusions

Resultats esperats Els valors trobats s’acosten molt al que indica l’etiqueta del vinagre (6% d’àcid acètic)


Pas del procediment

Acció SI NO

1 i 2 És correcta la llista de material proposat? 3 Indica que és convenient diluir el vinagre a 1/10 de la seva

concentració?

5 Té clar que la reacció és una neutralització? Omple bé la bureta? (No han de quedar bombolles d’aire a la

punta)

Repeteix la valoració diverses vegades? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat?

Fa els càlculs sense demanar ajut? CÀLCULS Fa ús correcta de les xifres significatives?

Propostes de recerca Altres valoracions que poden ser objecte de treballs de recerca: Tots els vinagres tenen el mateix grau d’acidesa? Quant de manganès hi ha en el te? Quant de ferro hi ha en el te? Quant de iode hi ha en les algues marines? Quant de iode hi ha en la sal marina? Per a més detalls vegeu la unitat “El treball de recerca” del projecte Salters de química de batxillerat en els centres de recursos. .


Quina quantitat de ferro (II) hi ha en una pastilla de sulfat de ferro? - 1 -

21. Quina quantitat de ferro (II) hi ha en una pastilla de sulfat de ferro?

Objectius • Determinar el percentatge de ferro que contenen unes pastilles de ferro per combatre

l’anèmia.

Introducció El ferro és un element essencial per a l’organisme. La seva funció principal és com a constituent de l’hemoglobina, l’agent que transporta l’oxigen a la sang. També es present en diversos enzims implicats en processos redox del metabolisme humà. Una ingesta satisfactòria de l’element ferro es pot assegurar amb una dieta adequada ja que hi ha una gran varietat d’aliments que contenen ferro -el rovell d’ou, les llenties, el fetge, per exemple. Però certes persones pateixen anèmia és a dir, presenten mancança de ferro i la seva dieta s’ha de complementar amb “comprimits de ferro”. Aquests comprimits generalment contenen sulfat de ferro (II), una sal ferro barata i soluble en aigua. La tècnica que farem servir és la valoració per una volumetria redox, aprofitant el poder reductor dels ions Fe2+ i el poder oxidant dels ions permanganat, MnO4

- en medi àcid. La dissolució de permanganat de potassi (color violat), de la qual coneixem la concentració, es col·loca a la bureta. La dissolució que conté el ferro, en forma d'ions Fe2+(aq) (color verd clar), de la qual desconeixem la concentració, es posa al matràs erlenmeyer. La reacció química que es produeix en mesclar les dues dissolucions és: 5 Fe2+(aq) + MnO4

-(aq) + 8 H+(aq) → 5 Fe3+(aq) + Mn2+(aq) + 4 H2O(l) verd clar violat groc incolor dissolució dissolució de de "sulfato ferroso" permanganat de potassi Observa que el color violat de la dissolució de permanganat desapareix quan reacciona amb els ions Fe2+. Això ens proporciona un mètode visual per saber quan s'ha acabat la valoració, ja que un cop hagin reaccionat tots els ions de Fe2+, una gota més de la dissolució de permanganat farà que la mescla de l'erlenmeyer es torni de color violat.


Equipament - Matràs erlenmeyer de 250 cm3

- Matràs aforat de 250 cm3

- Pipeta de 25 cm3 amb el succionador - Bureta de 25 cm3 - Vas de precipitats de 100 cm3 - Morter i mà de morter - Embut

Reactius i altres materials − Dissolució d'àcid sulfúric 1 mol dm-3

− Dissolució de permanganat de potassi 0,01 mol dm-3 − Pastilles marca FERO-GRADUMET

CORROSIU



Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Pesa quatre pastilles. Llegeix el que diu l'envàs sobre el contingut de les pastilles. Pren nota també de: - la marca i el laboratori que fabrica el fàrmac. - la massa de ferro que conté segons el fabricant. 2. Les pastilles que analitzaràs van recobertes d'un colorant vermell soluble en aigua. El color pot interferir en la valoració i, per això, cal que eliminis el colorant fregant les pastilles amb els dits i força aigua de l'aixeta. Eixuga-les després amb paper de filtre. 3. Tritura en un morter les 4 pastilles sense colorant, fins a reduir-les a pols ben fina. 4. Pesa amb exactitud un vas de precipitats de 100 cm3. Afegeix les pastilles triturades i torna a pesar-ho tot junt. Així podràs saber la massa de la pols. 5. Afegeix al vas de precipitats amb la pols de les pastilles uns 25 cm3 de dissolució d'àcid sulfúric. Agita suaument amb una vareta fins a diluir completament la pols (hi ha parts de la pastilla de ferro que són insolubles, però això no afecta aquesta valoració).

Fes servir ulleres de seguretat.

6. Amb ajut de l'embut, transfereix el contingut del vas a un matràs aforat de 250 cm3. Esbaldeix dues vegades el vas i la vareta amb més dissolució d'àcid sulfúric, per assegurar-te que tot el ferro que havia en la pols de les pastilles està ara dins el matràs aforat. 7. Arrasa el matràs amb dissolució d'àcid sulfúric. Tapa i homogeneïtza la dissolució capgirant el matràs. 8. Amb la pipeta i el succionador, transvasa 25 cm3 de la dissolució al matràs erlenmeyer. 9. Omple la bureta amb la dissolució de permanganat de potassi, arrasa-la al zero. Valora els 25 cm3 de la dissolució de Fe2+ de les pastilles. Repeteix la valoració les vegades necessàries fins que dues de les lectures del volum gastat de la bureta siguin coincidents o difereixin només en 0,1 cm3.

Conclusions

Anàlisi de les dades •••• Fes-te un esquema de càlcul per trobar: a) La quantitat de MnO4

- que ha reaccionat amb els 25 cm3 de la dissolució de Fe2+ b) La quantitat de Fe2+ que hi havia en els 25 cm3 del matràs erlenmeyer c) La quantitat de Fe2+ en les 4 pastilles triturades d) La massa de Fe2+ en una pastilla e) La massa de sulfat de ferro (II) heptahidratat, FeSO4.7H2O en una pastilla

50

40

30

20

10

0



Qüestionari 1. Compara els teus càlculs amb el valor indicat pel fabricant. Coincideixen els valors? Pots donar alguna raó per explicar aquesta diferència, si n'hi ha cap? 2. Compara el teu resultat amb dels altres companys. Tots heu seguit el mateix procediment, per tant tots hauríeu d'haver obtingut el mateix resultat. És així? Explica segons el teu parer, per què hi ha diferències, si és que n'hi ha cap. 3. A continuació es descriuen quatre accions en el procediment que podrien portar a errors sobre el valor del percentatge de ferro. Indica si implicarien un valor més alt o més baix que el valor real:

I. La bureta contenia una mica d'aigua destil·lada quan s'ha omplert amb la dissolució de permanganat de potassi.

II. S'ha deixat una bombolla d'aire a la punta de la bureta. III. L'erlenmeyer conté aigua destil·lada abans d'abocar-hi la dissolució de la pols

de les pastilles IV. No hem tret el colorant vermell de les pastilles.



Quina quantitat de ferro (II) hi ha en una pastilla de sulfat de ferro?



Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions, que poden acabar-se a casa.

S’estalvia temps si els alumnes han rentat les pastilles abans d’anar al laboratori a fer la valoració.


Orientacions metodològiques Aquest treball pràctic és útil perquè els alumnes practiquin procediments bàsics al laboratori de química, com preparar una dissolució, arrasar un matràs aforat, fer servir una pipeta amb succionador, omplir i arrasar una bureta i fer càlculs estequiomètrics. Si cal s’ensenya prèviament als alumnes el material volumètric a fi que recordin els procediments més bàsics. Els alumnes han d’estar familiaritzats en els càlculs estequiomètrics. El/la professor/a pot amagar les instruccions procedimentals i demanar als alumnes que recordin els passos necessaris per fer una valoració.

Orientacions tècniques És convenient disposar de dissolució de KMnO4 valorada. Si no es té, es prepara dissolent 1,58 g de KMnO4 en aigua destil·lada i diluint fins 1 litre. Una capsa de FERO-GRADUMET® és suficient per a 6 grups d’alumnes. Altres marques tenen més compostos reductors del permanganat i no són convenients. Gestió dels residus: poden llençar-se a la pica, deixant corre aigua en abundància.

Conclusions

Resultats esperats Els resultats que es troben són entre un 26% i un 28% de ferro (II). El fabricant ho expressa com a sulfat de ferro heptahidratat.

Respostes al qüestionari 1. i 2. Les diferències amb la quantitat expressada a la capsa del producte es deuen a errors procedimentals. 3. I. La bureta contenia una mica d'aigua destil·lada quan s'ha omplert amb la dissolució de permanganat de potassi. Caldrà més volum de dissolució i obtindrem un valor més alt que el real. 3. II. S'ha deixat una bombolla d'aire a la punta de la bureta.



Llegirem un volum més gran del que ha reaccionat amb els ions Fe2+(aq). Obtindrem un valor més alt que el real. 3. III L'erlenmeyer conté aigua destil·lada abans d'abocar-hi la dissolució de la pols de les pastilles. No canvia la quantitat de Fe2+(aq). El valor no es veurà afectat. 3. IV No hem tret el colorant vermell de les pastilles. Pot molestar, en no apreciar bé el canvi de color.


Pas del procediment

Acció SÍ NO

1 Ha pesat les pastilles abans de rentar-les? 2 Les ha portat ja rentades? (Si així si li ha demanat abans) 4 Ha pesat la pols de triturar per diferència? 6 Esbaldeix diverses vegades? 7 Sap arrasar bé un matràs aforat? 9 Omple bé la bureta? (No han de quedar bombolles d’aire a la

punta.)

9 Repeteix la valoració diverses vegades? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat quan manipula la dissolució

d’àcid sulfúric?


Propostes de recerca Altres valoracions que poden ser objecte de treballs de recerca:

Quant de manganès hi ha en el te? Quant de ferro hi ha en el te? Quant de iode hi ha en les algues marines? Quant de iode hi ha en la sal marina? Quant de iode en alguns fàrmacs com el Betadine ?

Per a més detalls vegeu la unitat “El treball de recerca” del projecte Salters de química de batxillerat en els centres de recursos.


Anàlisi de l’aspirina - 1 -

22. Anàlisi de l’aspirina

Objectius • Determinar el percentatge d’àcid acetilsalicílic que contenen les aspirines. • Practicar la tècnica d’anàlisi de valoració per retrocés.

Introducció L’aspirina és el fàrmac més conegut i el més emprat arreu del món. Serveix com a calmant del dolor (analgèsic) i per fer abaixar la febre (antipirètic). En les condicions àcides que imperen a l’estómac, l’aspirina no reacciona, però en entrar dins els intestins els “sucs” alcalins l’hidrolitzen a ions acetat i a ions salicilat. Són els ions salicilat els responsables dels efectes analgèsics i antipirètics. El nom Aspirina és conegut des de l’any 1899 quan l’empresa alemanya Bayer el va registrar com a nom comercial. L’anàlisi de l’aspirina que has de fer en aquest treball pràctic consisteix a determinar quina quantitat d’àcid acetilsalicílic hi ha en un comprimit. Semblaria que una valoració

amb una base forta com l’hidròxid de sodi seria la tècnica correcta. És així perquè la molècula d’àcid acetilsalicílic té dos grups funcionals que reaccionen amb els ions hidròxid. Un és el grup àcid carboxílic (-COOH), l’altre és el grup èster. La detecció del punt final en les condicions habituals seria problemàtica, per això s’utilitza la tècnica de la valoració per retrocés. Valorar per retrocés consisteix a fer reaccionar un excés d’hidròxid de sodi amb l’àcid de l’aspirina i després valorar l’hidròxid de sodi que no ha reaccionat amb àcid clorhídric.

Les dues equacions de les reaccions químiques són: a) Afegim excés de NaOH a l’aspirina. Reacciona tot l’àcid acetilsalicílic i queda

NaOH sobrant: CH3COOC6H4COOH + 2 NaOH → CH3COO- + HOC6H4COONa + H2O

b) A continuació l’excés de NaOH que no ha reaccionat es valora amb dissolució d’àcid clorhídric de concentració coneguda

NaOH + HCl → NaCl + H2O


Equipament − Pipeta de 25 cm3 amb succionador − Bureta de 50 cm3 − Vas de precipitats de 100 cm3 − Matràs aforat de 250 cm3 − Matràs erlenmeyer de 250 cm3 − Suport i pinces per bureta − Bec de Bunsen, trespeus i reixeta − Embut − Balances de sensibilitat 0,01 g

Reactius i altres materials − Dissolució de NaOH 1,0 mol.dm3 − Dissolució HCl 0,10 mol.dm3

− Dissolució de fenolftaleïna − Aspirines


O

OH

O

O

CH3

molècula d'acid acetilsalicílic

CORROSIU

LIQUID

INFLAMABLE



Procediment

Muntatge i execució de l'experiència Primera part: hidròlisi de l’àcid acetilsalicílic per reacció amb excés d’hidròxid de sodi. 1. Pesa exactament tres comprimits d’ASPIRINA en un matràs erlenmeyer. Pren nota del pes.


2. Mesura amb una pipeta 25 cm3 de la dissolució d’hidròxid de sodi i aboca’ls sobre la mostra d’aspirina. Afegeix un volum igual d’aigua destil·lada. Escalfa i agita amb suavitat la mescla durant 10 minuts per hidrolitzar l’àcid acetilsalicílic. 3. Deixa refredar la mescla i passa-la a un matràs aforat de 250 cm3. Esbaldeix diverses vegades l’erlenmeyer amb aigua destil·lada i buida aquesta aigua en el matràs aforat. Acaba d’omplir-lo fins arrasar amb aigua destil·lada. Segona part: Valoració de l’excés de NaOH que no ha reaccionat . 4. Fes servir la pipeta per agafar 25 cm3 de la dissolució del matràs aforat i posa’ls en el matràs erlenmeyer. Afegeix unes gotes de issolució de l’indicador fenolftaleïna, la dissolució agafarà un color rosat a causa del medi bàsic. 5. Omple la bureta amb la dissolució de HCl. Assegura’t que està ben arrasada i no queda una bombolla d’aire a la part inferior de la bureta. 6. Valora els 25 cm3 de la dissolució d’hidròxid de sodi. Recorda que la desaparició del color rosat indica que has arribat al punt final. Repeteix la valoració les vegades necessàries fins que dues de les lectures del volum gastat de la bureta siguin coincidents o difereixin només en 0,1 cm3. Pren nota de les lectures de la bureta. 7. Neteja i guarda el material emprat.

Conclusions

Anàlisi de les dades Els càlculs que has de fer són els següents:

- La quantitat de NaOH afegida a la mostra d’aspirina n0 - La quantitat de NaOH que has valorat amb l’àcid, que correspon al NaOH

que ha quedat sense reaccionar nf - La quantitat de NaOH que ha reaccionat amb l’àcid acetilsalicílic: n0 - nf - La quantitat d’àcid acetilsalicílic que havia en l’aspirina (recorda que

L’estequiometria de la reacció és de 2 mol NaOH: 1 mol àc. acetilsalicílic) - La massa d’àcid salicílic que ha reaccionat (Mr = 180) - El percentatge d’àcid salicíli en la mostra d’aspirina

Fes la mitjana amb el resultat del que han trobat altres companys i companyes. (Si algun dels valors és molt discrepant, no es té en compte a l’hora de fer la mitjana.)



Qüestionari 1. Pesa un comprimit d’aspirina i pren nota de la massa d’àcid salicílic indicat a l’envàs. Comprova si el percentatge en àcid d’un comprimit coincideix amb el que has trobat. 2. Si hi ha diferències grans, indica els passos del procediment que poden ser les fonts d’error més importants. 3. En la hidròlisi de l’àcid acetilsalicílic es fa servir dissolució d’hidròxid de sodi força concentrada. Quin motiu hi pot haver?



Anàlisi de l’aspirina Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació ! 1 hora per a les conclusions i el qüestionari (a casa)


Orientacions metodològiques Aquest treball pràctic s’ha de fer quan els alumnes ja han tingut ocasió de fer una valoració àcid-base o han vist una demostració de com es fa (en un vídeo, en un programa de simulació o directament perquè s’ha fet abans). Per tant ja han de saber: com arrasar un matràs aforat, com omplir correctament una bureta, com usar una pipeta amb el succionador i com es fan els càlculs estequiomètrics en una valoració. També se suposa que tenen coneixement del paper dels indicadors àcid-base en la detecció del punt final d’una valoració i estan familiaritzats amb els càlculs estequiomètrics.

Orientacions tècniques Si no es vol fer la valoració per retrocés, es pot seguir el següent procediment: 1. Triturar un comprimit d’aspirina en un morter. 2. Amb una espàtula transferir tot el que es pugui de la pols a un vidre de rellotge. Pesar el conjunt. 3. Mesurar 10 cm3 d’etanol del 96% i posar-los en un matràs erlenmeyer de 100 cm3 i afegir unes gotes de dissolució de fenolftaleïna. 4. Fent servir l’espàtula, buidar la pols del vidre de rellotge dins el matràs amb etanol. 5. Tornar a pesar el vidre de rellotge. 6. Remenar amb suavitat el matràs erlenmeyer fins que tot s’hagi dissolt. 7. Valorar amb dissolució de NaOH 0,1 mol.dm-3 fins que es vegi l’aparició d’un color rosat. 8. Repetir tots els passos amb un altre comprimit. La reacció és una neutralització (només reacciona el grup àcid carboxílic de la molècula de acetilsalicílic). A temperatura ambient no hi ha reacció del grup èster.



Per evitar confusions en el vocabulari farmacèutic, s’inclou un breu diccionari:

Gestió de residus: poden llençar-se a la pica.

Conclusions

Resultats esperats Els valors trobats s’acosten força al que indica l’envàs (0,5 g d’àcid salicílic en un comprimit de 0,6 g) Respostes al qüestionari 1. Pesa un comprimit d’aspirina i pren nota de la massa d’àcid salicílic indicat a l’envàs. Comprova si el percentatge en àcid d’un comprimit coincideix amb el que has trobat. 2. Si hi ha diferències grans, indica els passos del procediment que poden ser les fonts d’error més importants. No s’ha hidrolitzat totalment l’àcid acetilsalicílic. També importa revisar els càlculs. 3. En la hidròlisi de l’àcid acetilsalicílic es fa servir dissolució d’hidròxid de sodi força concentrada. Quin motiu hi pot haver? Assegurar-se que hi ha un excés de NaOH.

COMPRIMIT Pólvores amassades i comprimides amb una màquina. El comprimit conté el principi actiu i els excipients. Ex: aspirina DRAGEA (cast. "gragea") Generalment té un nucli comprimit recobert de diverses capes que formen l'embolcall la més important i gruixuda és de sacarosa. Ex: els confits o "peladillas", anomenats en català “papabenets” GRÀNULS PÍNDOLES BOLS Formes esfèriques. Es diferencien per la mida (inferior a 50 mg són grànuls; de 50 a 300 mg són píndoles; majors de 300 mg són bols). Generalment s'obtenen per amassat. "TABLETAS" (només en castellà, en català es diuen PASTILLES) Generalment amassades en fred. Porten el principi actiu i sucre, goma aràbiga o goma d'adragant Ex: les "Juanola" PASTILLES Aglutinades en calent. Portent el principi actiu i sucre amb goma aràbiga. Per preparar-les es mesclen ingredients al bany maria durant 2 o 3 hores amb agitació continua, es deixa refredar i es dóna la forma o es talla amb màquina. El % de goma és superior al de les "tabletas" Ex: "Ricola" GRANULATS Diferents pólvores aglutinades en fred, amassades i passades per cedaç fins a tenir la mida desitjada. CÀPSULES L’embolcall acostuma a ser de gelatina, l’interior conté el fàrmac. Informació proporcionada pel Sr. Daniel de María. Químic farmacèutic



Criteris d’avaluació

Es pot emprar la següent plantilla on es van apuntant els passos procedimentals que és desitjable que els alumnes dominin:

Pas del procediment

Acció SÍ NO

5 Omple bé la bureta? (No han de quedar bombolles d’aire a la punta)

6 Repeteix la valoració diverses vegades? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat?


Propostes de recerca Són possibles diverses investigacions lligades al tema:

- Assaig de la solubilitat de l’aspirina en dissolvents com etanol, metanol, hexà...

- Comparació del contingut en àcid acetilsalicílic de diferents fàrmacs - Extracció de l’àcid salicílic de l’escorça del salze - Síntesi de l’aspirina

Vegeu informació i protocols d’aquests experiments en: - Düntsh, A. “La química orgànica sin dolores de cabeza con ASPIRINA ”

Alambique nº 31 (p. 73 a 81) - Projecte Salters de química de batxillerat. Unitat “Què és una medecina?”

Departament d’Ensenyament. (En els Centres de Recursos Pedagògics)


Corbes de valoració - 1 -

23. Corbes de valoració

Objectius • Dibuixar la corba de pH en funció del volum d’un reactiu que s’afegeix i determinar el

pH en el punt d’equivalència d’una valoració àcid-base. • Justificar la tria d’un indicador determinat en una valoració àcid-base.

Introducció La corba de valoració és la representació gràfica de la variació del pH d’una dissolució àcida o bàsica en funció del volum de dissolució que s’hi afegeix per neutralitzar-la. Per escollir quin indicador àcid-base cal fer servir per determinar el punt d’equivalència d’una neutralització, és fonamental haver dibuixat la corba de valoració de la reacció.


Equipament − pH-metre − Vasos de precipitat de 100 cm3 − Bureta de 50 cm3 − Pipetes de 5 i de 10 cm3 amb el seu

succionador − Suport i pinça per a la bureta

Reactius i altres materials − Dissolució HCl 0,1 mol.dm-3 − Dissolució NaOH 0,1 mol.dm-3 − Dissolució d'àc etanoic (àc. acètic) 0,1 mol.dm-3 − Dissolució de carbonat de sodi 0,1 mol.dm-3 − Col·lecció d’indicadors àcid-base Dissolucions d’alguns indicadors.

Ulleres de seguretat i guants.

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència Corba de valoració àcid fort amb base forta Aquesta reacció és entre l’hidròxid de sodi i l’àcid clorhídric


1. Prepara el muntatge amb la bureta (figura 1). Assegura’t que està neta. Posa un volum petit de dissolució d’hidròxid de sodi i esbaldeix-la bé. Buida el líquid, tot deixant rajar aigua abundant. Omple-la ara amb la dissolució d’hidròxid de sodi 0,1 mol dm-3.

Pots fer qualsevol de les següents valoracions, segons t’indiqui el/la professor/a

TÒXIC

LIQUID

INFLAMABLE



2. Mesura amb una pipeta 20 cm3 de la dissolució d’àcid clorhídric i posa’ls en un vas de precipitats de 100 cm3. 3. Prepara el pH-metre (si cal demana ajut al professor/a) i introdueix l’elèctrode de vidre dins la dissolució. Ves amb compte, l’elèctrode és molt delicat! Procura que quedi submergit dins el líquid. Engega l’aparell i fes una primera lectura del pH de la dissolució d’àcid.

5. Afegeix 2 cm3 de la dissolució de NaOH de la bureta, agita el vas amb suavitat i llegeix ara el pH de la dissolució del vas. Pren nota en una taula de dades dels valors del pH en funció del volum de dissolució de NaOH que vas afegint. 6. Vés afegint volums de 2 cm3 de la dissolució de NaOH de la bureta tot agitant el vas amb suavitat i llegint el pH. Afegeix encara diverses vegades més porcions de 2 cm3. En total has d’haver usat un volum de 30 cm3 de la dissolució de la bureta. 7. Amb els valors de la taula de dades, fes la gràfica del pH en funció del volum afegit de la dissolució de NaOH. Un full de càlcul et serà útil per fer la gràfica.

Figura 1: muntatge per recollir dades de pH 8. Si tens temps i així t’ho indica el/la professor/a, repeteix la valoració amb els mateixos passos procedimentals, però afegint unes tres o quatre gotes de l’indicador fenolftaleïna al vas de precipitats abans de començar a afegir NaOH. Pren nota dels canvis de color de l’indicador. Corba de valoració àcid feble amb base forta Aquesta reacció és entre l’hidròxid de sodi i l’àcid etanoic o acètic.


El procediment és el mateix que en el cas anterior. També, amb les dades recollides de valors de pH i de volum de dissolució de NaOH has de fer una gràfica. També ara pots repetir la valoració amb fenolftaleïna com a indicador. Corba de valoració àcid fort amb base feble Aquesta reacció és entre el carbonat de sodi, Na2CO3 i l’àcid clorhídric.




El procediment és semblant al del primer cas. La bureta s’omple amb dissolució 0, 1 mol.dm-3 d’HCl. En el vas de precipitats es posen 20 cm3 de dissolució 0,1 M de carbonat de sodi. També, amb les dades recollides de valors de pH i de volum de dissolució d’HCl has de fer una gràfica. A diferència de les altres, aquesta gràfica té dos punts d’inflexió. Si repeteixes la valoració, amb indicadors, en necessites dos: primer la fenolftaleïna, que canviarà de color rosat a incolor. Quan s’ha produït el canvi i abans de continuar afegint HCl, afegeix unes gotes de dissolució d’indicador verd de bromocresol, que quedarà inicialment blau i al final serà groc. Observacions qualitatives 1. En la corba de la valoració o valoracions que has fet, localitza el punt de la gràfica que correspon a una inflexió de la corba. Llegeix a quins valors de pH i de volum de reactiu afegit correspon. 2. Si has fet la valoració emprant un indicador, pots senyalar en la gràfica quins colors té la dissolució del vas de precipitats segons el seu pH. 3. Marca en la gràfica on està el punt d’equivalència per la valoració que has fet.

Conclusions

Anàlisi de les dades Observa la taula següent: és una llista de diferents indicadors i dels colors que adopten segons el pH del medi:

Indicador color segons pH Taronja de metil pH < 3,1 vermell pH > 3,6 groc taronja Verd de bromocresol pH < 3,8 groc pH > 5,4 blau Blau de bromotimol pH < 6,0 groc pH > 7,6 blau Fenolftaleïna pH < 8,0 incolor pH > 9,8 vermell Timolftaleïna pH < 9,4 incolor pH > 10,6 blau 1. A partir d’aquesta taula de dades i de la gràfica o gràfiques que has obtingut, justifica perquè el procediment et fa utilitzar un determinat indicador i no un altre. 2. Busca una explicació, de per què es fan servir dos indicadors per la valoració del carbonat de sodi amb àcid clorhídric. Qüestionari 1. Per cada una de les valoracions que hagis dut a terme, escriu l’equació química de la reacció. 2. Ja que coneixes les concentracions de cada un dels reactius i el volum de dissolució, calcula: a) El volum de dissolució de NaOH 0,1 mol.dm-3, necessari per neutralitzar els 20 cm3

de dissolució 0,1 mol.dm-3 d’HCl i d’àcid acètic. Coincideix aquest resultat amb el volum que has trobat a la gràfica del punt d’equivalència?



b) Com expliques que el punt d’equivalència per a la neutralització de l’àcid etanoic amb NaOH no correspongui a un pH 7?

c) Com expliques que la gràfica que s’obté en la valoració del carbonat de sodi amb HCl tingui dos punts d’inflexió?

3. Hem fet una valoració de 50 cm3 de dissolució 0,1 mol.dm-3 de cianur d’hidrogen, HCN amb dissolució NaOH 0,1 mol.dm-3. La corba de valoració obtinguda té l’aspecte que veus a la dreta. Quan s’arriba al punt d’equivalència, quin és el pH aproximat? Quin indicador seria recomanable emprar en aquesta valoració? 4. Quin aspecte tindria la corba de valoració de l’àcid fosfòric, H3PO4 amb dissolució de NaOH? (Has de tenir en compte que aquest àcid pot cedir tres hidrògens en la reacció total de neutralització.)



Corbes de valoració Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les gràfiques si es disposa d’un sistema d’adquisició

de dades o d’un full de càlcul ! 1 hora per al qüestionari i la discussió posterior Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat

Orientacions metodològiques Abans de fer aquest treball pràctic cal assegurar-se que els alumnes coneguin els conceptes de: punt d’equivalència, paper dels indicadors, què diferencia un àcid fort d’un de feble i que la neutralització d’un àcid o d’una base no implica que el pH final sigui 7. Diverses alternatives són possibles: (caldrà retallar el qüestionari en alguns casos) a) Que tots facin la corba de valoració d’un àcid fort amb una base forta, primer sense

indicador i després amb un indicador. Es deixa la resta de valoracions per a possibles ampliacions si hi ha ocasió.

b) Es poden dividir els alumnes en grups i fer les tres valoracions proposades, seguit d’una posta en comú dels resultats.

c) La meitat dels alumnes fan la valoració entre un àcid fort i una base forta i l’altra meitat, la valoració d’un àcid feble amb una base forta. Segueix una posada en comú. La valoració del carbonat de sodi amb HCl es deixa per a possibles ampliacions si hi ha ocasió.

d) Una última possibilitat, en cas que només es disposi d’un únic pH-metre: fer-ho com a demostració. Els alumnes treballen la part de fer els gràfics, l’anàlisi de dades i el qüestionari.

Orientacions tècniques Preparació de les dissolucions: • Dissolució 0,1 mol.dm-3 d’HCl: es prepara diluint una quantitat mesurada en volum o en massa (segons la balança de què es disposi) d’àcid clorhídric concentrat. • Dissolució 0,1 mol.dm-3 de NaOH: si es prepara a partir de NaOH sòlid, convé tenir present que la concentració serà aproximada ja que el NaOH pot contenir quantitats variables d’aigua, per què és higroscòpic i agafa aigua mentre s’està pesant, i pot contenir carbonat de sodi. Es pot usar una dissolució comercial preparada. • Dissolució 0,1 mol.dm-3 d’àcid acètic: es prepara diluint una quantitat mesurada en volum o en massa (segons la balança de què es disposi) d’àcid acètic “glacial”. • Dissolució 0,1 mol.dm-3 de carbonat de sodi, Na2CO3: es prepara a partir del sòlid anhidre, pesant la quantitat necessària. • Dissolució de fenolftaleïna: si no es disposa de la dissolució preparada, es prepara dissolent 0,1 g de fenolftaleïna en 70 cm3 d’etanol i 30 cm3 d’aigua. • Dissolució de verd de bromocresol: si no es disposa de la dissolució preparada, es prepara dissolent 0,4 g de verd de bromocresol en 20 cm3d’etanol i 80 cm3 d’aigua.



A la xarxa Internet hi ha alguns simuladors de corbes de valoració: les gràfiques que figuren en aquest protocol s’han tret de: http://quim.iqi.etsii.upm.es/titrator/titrator.html (en anglès). Gestió dels residus: Poden llençar-se a la pica.

Conclusions

Resultats esperats Corbes de valoració:

Àcid fort amb base forta. Àcid feble amb base forta Respostes al qüestionari 1. Per cada una de les valoracions que hagis dut a terme, escriu l’equació química de la reacció.

HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) CH3 COOH(aq) + NaOH(aq) → NaCH3 COO(aq) + H2O(l)

La valoració del carbonat de sodi té dos punts d’equivalència. El primer es detecta amb l’indicador fenolftaleïna i correspon a la reacció: CO3

2-(aq) + H+(aq) → HCO3-(aq) o bé: CO3

2-(aq) + H3O+(aq) → HCO3-(aq) + H2O(l)

El segon punt correspon a la reacció: HCO3

-(aq) + H+(aq) → H2CO3(aq) o bé: HCO3-(aq) + H3O+(aq) → H2CO3(aq) + H2O(l)

En realitat l’àcid carbònic es va descomponent mentre es forma: H2CO3(aq) H2O(l) + CO2(aq)

Aquest segon punt d’equivalència té lloc a un pH diferent del primer i per tant cal un altre indicador 2. c) Com expliques que la gràfica que s’obté en la valoració del carbonat de sodi amb HCl tingui dos punts d’inflexió? Vegeu apartat anterior. 3 Hem fet una valoració de 50 cm3 de dissolució 0,1 mol.dm-3 de cianur d’hidrogen, HCN amb dissolució NaOH 0,1 mol.dm-3. Quan s’arriba al punt d’equivalència, quin és el pH aproximat? Quin indicador seria recomanable emprar en aquesta valoració? pH =11,5 Timolftaleïna

http://quim.iqi.etsii.upm.es/titrator/titrator.html



4. Quin aspecte tindria la corba de valoració de l’àcid fosfòric, H3PO4 amb dissolució de NaOH?. (Has de tenir en compte que aquest àcid pot cedir tres hidrògens en la reacció total de neutralització.)


Pas del procediment

Acció SÍ NO

Omple bé la bureta? (No han de quedar bombolles d’aire en la punta)

Ús correcte del pH-metre? Observacions qualitatives correctes?

TOTS

Conclusions correctes? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat quan manipula la dissolució

d’àcid sulfúric?


Propostes de recerca Són possibles anàlisis com: acidesa d’una aspirina, acidesa d’un vinagre, de la llet…, fent que els alumnes hagin de triar l’indicador més adient.

pH

cm3 NaOH afegits


Com determinar l’entalpia estàndard d’una reacció - 1 -

24. Com Determinar l’entalpia estàndard d’una reacció

Objectius • Determinar el valor d’una variació d’entalpia en una reacció. • Fer servir valors de variacions d’entalpia de reaccions per comprovar la llei de Hess.

Introducció La mesura experimental de les variacions d’entalpies estàndard de reacció implica que hem definit el que per a nosaltres és el sistema reaccionant i el que és l’entorn, de tal manera que la determinació de la calor transferida d’un a l’altre sigui factible de calcular. És més fàcil determinar variacions d’entalpies de reaccions si les substàncies que reaccionen ho fan en fase aquosa, perquè el sistema són les molècules o ions en dissolució dels reactius i productes, i podem considerar que l’entorn és principalment l’aigua de la dissolució. Per això, en aquest treball pràctic hauràs de trobar valors de canvis d’entalpia per reaccions entre ions en dissolució.


Equipament − Termòmetre − Proveta de 50 cm3 − Pipeta de 25 cm3 − Espàtula − Balança de 0,1 g de

sensibilitat − Recipient aïllant

Reactius i altres materials (en necessitaràs alguns, segons quina reacció facis) − Dissolució d’àcid clorhídric 2,0 mol.dm-3 − Dissolució d’hidròxid de sodi 2,0 mol.dm-3 − Dissolució de sulfat de coure (II) 1,0 mol.dm-3 − Carbonat de sodi anhidre, Na2CO3 − Carbonat de sodi hidratat, Na2CO3.10H2O − Zinc en pols − Hidròxid de sodi sòlid


Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Hi ha reaccions endotèrmiques i exotèrmiques. Com t’adonaràs que es tracta d’una o d’una altra? En la resposta, fes servir les paraules: sistema, entorn, temperatura, transferir. 2. L’entorn no és exclusivament l’aigua de la dissolució, encara que per facilitar càlculs ho considerem així. Què més forma part de l’entorn i que en rigor caldria tenir en compte a l’hora de fer càlculs? 3. Dibuixa o explica com ha de ser un recipient idoni per fer una reacció entre ions en dissolució aquosa d’acord amb les respostes als apartats anteriors. 4. Quines magnituds caldrà mesurar per poder calcular la variació d’entalpia de la reacció? Recorda que ∆∆∆∆H es mesura en kJ/mol.

NOCIU

CORROSIU



Primera reacció: entalpia d’una neutralització


La reacció és entre l’HCl i el NaOH. Has de fer servir 25 cm3 de dissolucions 2,0 mol.dm-3 d’aquest reactius. Escriu l’equació de la reacció química. a) Prepara el recipient per fer la reacció i els reactius. Has de tenir present tot allò que

s’ha decidit en l’apartat “Introducció”. b) Fes la reacció tot prenent les precaucions de seguretat necessàries. No oblidis de

prendre nota de les magnituds que després serviran per fer càlculs. c) Recorda que és important repetir més d’una vegada les mesures. Segona reacció: entalpia d’una reacció de dissolució


Pot ser una qualsevol de les reaccions següents:

La reacció entre el NaOH(s) i l’aigua. Has de fer servir 100 cm3 d’aigua i 4,12g de NaOH del 97%.

La reacció entre el carbonat de sodi anhidre i l’aigua. Has de fer servir 100 cm3 d’aigua i 5 g de Na2CO3(s)

La reacció entre carbonat de sodi decahidratat i l’aigua. Has de fer servir 100 cm3 d’aigua i 13,5 g de Na2CO3.10H2O(s). Escriu l’equació de la reacció química. a) Prepara el recipient per fer la reacció i els reactius. Has de tenir present tot allò que

s’ha decidit en l’apartat “Introducció”. b) Fes la reacció tot prenent les precaucions de seguretat necessàries. No oblidis de

prendre nota de les magnituds que després serviran per fer càlculs. c) Recorda que és important repetir més d’una vegada les mesures. Tercera reacció: entalpia d’una reacció redox: entre el zinc i els ions Cu2+(aq)


Aquesta és una reacció d’oxidació-reducció. El zinc està en pols molt fina, com que es poden formar grumolls en posar-lo dins la dissolució de ions Cu2+, posem una quantitat en excés, de manera que el reactiu limitant serà el coure (II). Escriu l’equació de la reacció química. Es fan servir 25 cm3 de dissolució 1,0 mol.dm-3 de CuSO4.5H2O i 6 g de zinc en pols. a) Prepara el recipient per fer la reacció i els reactius. Has de tenir present tot allò que

s’ha decidit en l’apartat “Introducció”. b) Fes la reacció tot prenent les precaucions de seguretat necessàries. Convé que

mantinguis una agitació suau però constant durant uns minuts, que eviti la formació de grumolls. No oblidis de prendre nota de les magnituds que després serviran per fer càlculs.



c) Recorda que és important repetir més d’una vegada les mesures. Adquisició i enregistrament de les dades Necessites saber la temperatura de l’entorn abans i després de fer la reacció, així com la quantitat de reactiu que hi ha intervingut. Escriu ordenadament les dades que has recollit. Pren nota de la sensibilitat dels aparells de mesura que has fet servir, de manera que puguis donar els resultats amb el nombre correcte de xifres significatives.

Conclusions

Anàlisi de les dades Calcula, per la reacció o reaccions que has fet: - El canvi d’entalpia en kJ/mol, indicant si és un procés endotèrmic o exotèrmic. - L’error relatiu de la teva determinació a partir de la següent taula de dades:

Reacció entre ∆∆∆∆H / kJ.mol-1 HCl(aq) i NaOH(aq) - 57,67 NaOH(s) i l’aigua - 42,87 carbonat de sodi anhidre(s) i l’aigua - 24,59 carbonat de sodi decahidratat(s) i l’aigua + 67,74 zinc(s) i els ions Cu2+(aq) - 216,8

- Si els teus càlculs donen errors alts, busca les fonts d’error més importants (podria

ser una causa d’error el fet d’haver considerat com l’entorn només l’aigua de la dissolució?)

- Com és podrien minimitzar aquests errors? Qüestionari 1. Serien diferents els valors calculats si per a la reacció de neutralització féssim servir àcid nítric i hidròxid de potassi? 2. Les determinacions experimentals de canvis d’entalpia permeten, emprant la llei de Hess, el càlcul de variacions d’entalpia de reaccions no possibles en la pràctica, com és el cas de la reacció:

carbonat de sodi anhidre + aigua → carbonat de sodi hidratat Na2CO3(s) + 10 H2O → Na2CO3.10H2O(s)

Fes servir les dades de la taula per calcular el valor de ∆H d’aquesta reacció. 3. Tenim un sòlid blanc que sabem que és carbonat de sodi, però no sabem si és anhidre o hidratat. Com és podria esbrinar d’una manera ràpida?



Com determinar l’entalpies estàndard d’una reacció Material per al professorat


Temporització ! ½ per a la introducció ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions, fent una qualsevol de les reaccions ! ½ hora per al qüestionari Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat

Orientacions metodològiques El/la professor/a decideix quina de les tres propostes han de fer els alumnes en la sessió de pràctiques. Pot ser: determinar el canvi d’entalpia d’una neutralització, d’una reacció redox o d’una reacció de dissolució (del NaOH o del carbonat de sodi). Els dos objectius indicats al principi s’assoleixen plenament només en el cas de decidir-se per la reacció de dissolució de les dues formes del carbonat de sodi. Abans d’iniciar el treball experimental els alumnes han de treballar la introducció, la qual serveix per que s’adonin que el millor és disposar d’un calorímetre o fer servir un recipient de vidre amb un aïllament, que pot ser porexpan o llana de vidre, a fi de evitar al màxim els bescanvis de calor entre el que es considera l’entorn del sistema i la resta d’objectes. Es pot fer un càlcul previ de “l’equivalent en aigua del calorímetre”. Per fer-ho cal procedir de la següent manera: Es posen 50 cm3 d’aigua en el recipient (vas de precipitats o matràs erlenmeyer) que ha de fer de calorímetre. Es mira la temperatura, t1. A part, s’escalfen 50 cm3 d’aigua fins a uns 40ºC, es llegeix la temperatura, t2. Es mescla amb l’aigua del calorímetre i, sempre fent servir el mateix termòmetre, es mira la màxima temperatura que assoleix la mescla, t3. La calor transferida al calorímetre serà: Ecalorímetre = 4,18.50(t3 - t1) - 4,18.50(t3 – t2) i la quantitat d’aigua que hauria absorbit la mateixa quantitat de calor que el calorímetre és:

)t -(t 4,18 E m1 3

ecalorímetre =

Orientacions tècniques Per un resultat amb un nombre de 3 xifres significatives cal tenir termòmetres de sensibilitat 0,5ºC. En el protocol 423 del CDECT “Determinació de variacions d'entalpies estàndard de reacció” trobareu instruccions per la construcció d’un termòmetre digital, útil per a aquest treball pràctic. Gestió dels residus: Els residus de les reaccions de neutralització i de dissolució poden llençar-se a la pica deixant rajar força aigua. Els residus de la reacció entre el zinc i el sulfat de coure es llencen en un recipient adient al qual s’hi afegeix carbonat de sodi sòlid perquè precipitin els cations dels metalls pesats. En acabar el curs, es filtra o decanta el líquid i el residu sòlid es llença al contenidor de sòlids.



Conclusions

Resultats esperats Els errors relatius acostumen a ser de l’ordre d’un 5%. Els experiments proposats en aquest treball pràctic són aptes per prendre les dades fent servir un sistema d’adquisició de dades com el MULTILOG. Com a exemple, s’inclouen les gràfiques obtingudes en els experiments entalpia d’una reacció redox: entre el zinc i els ions Cu2+(aq) (Figura A) i en l’experiment d’una neutralització amb NaOH d’un àcid fort i d’un àcid feble (Figura B) Figura A Gràfica temperatura-temps corresponent a la reacció entre el Cu2*(aq) i el Zn(s)

Figura B. Gràfica de la neutralització del NaOH amb HCl (a l’esquerra) i amb àcid etanoic (a la dreta). Fent servir reactius amb iguals concentracions és pot comprovar com l’increment de temperatura és el mateix, amb la qual cosa el canvi d’entalpia és el mateix per un àcid fort que per un àcid feble



Respostes al qüestionari 1. Serien diferents els valors calculats si per a la reacció de neutralització féssim servir àcid nítric i hidròxid de potassi? El valor seria el mateix. La reacció és entre els ions H3O+(aq) i OH-(aq). 2. Fes servir les dades de la taula per calcular el valor de ∆H per la reacció:Na2CO3(s) + H2O → Na2CO3.10H2O(s) ∆H = - 92,48 kJ.mol-1 3. Tenim un sòlid blanc que sabem que és carbonat de sodi, però no sabem si és anhidre o hidratat. Com és podria esbrinar d’una manera ràpida? Amb un termòmetre es mira si la dissolució és un procés endotèrmic (l’hidratat) o exotèrmic (l’anhidre).

Criteris d’avaluació Encara que el disseny procedimental es deixa poc obert, caldrà vetllar per que els alumnes tinguin cura dels següents passos, que es poden anar apuntant en la següent plantilla:

Pas del procediment

Acció SI NO

Expressa amb claredat els passos del procediment que vol seguir?

Aïlla el recipient pels costats i també per sota i per sobre, amb una tapa amb forat per al termòmetre?

Sap calcular la calor transferida per la fórmula: E = m.ce.∆t? Fa servir el mateix termòmetre com a agitador de la dissolució? Espera fins que el termòmetre ja no pugi o baixi més de

temperatura?

Ha fet servir un vidre de rellotge per dipositar el producte quan l’ha de pesar?

Repeteix les mesures diverses vegades? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat?

Fa els calculs sense demanar ajut? CÀLCULS Fa un ús correcte de les xifres significatives?

Propostes de recerca A partir de la reacció de neutralització es pot investigar si el valor seria diferent en el cas d’una reacció entre un àcid feble (àcid acètic) i una base forta. O comprovar que el valor és el mateix si la reacció és entre àcid nítric i hidròxid de potassi. El procediment no canvia en cap dels dos casos (seria una manera de respondre a la qüestió 1).


Investigació de l’entalpia de combustió de diversos alcohols - 1 -

25. Investigació de l’entalpia de combustió de diversos alcohols

Objectius • Trobar el valor del canvi d’entalpia en la combustió d’una sèrie d’alcohols. • Comprovar de quina manera es poden avaluar experimentalment les energies

d’enllaç.

Introducció La variació d’entalpia en cremar un alcohol es determina experimentalment, transferint l’energia alliberada en la combustió a una massa d’aigua. Com que els dispositius que podem fer servir en el laboratori són molt senzills, els errors els minimitzarem trobant primer quanta energia necessita el nostre muntatge per augmentar la seva temperatura en un grau quan cremen una quantitat determinada d’etanol. Després, amb el mateix muntatge, es cremen altres alcohols de manera que mesurant simplement l’augment de temperatura del dispositiu, podrem calcular l’energia alliberada en la combustió de cada alcohol.

Material i Equipament Equipament - Llànties d'alcohol (4). Cada una conté un dels

alcohols següents: etanol 1-propanol 1-butanol 1-pentanol

- Llauna de begudes buida - Paper d’alumini, filferro prim i,opcionalment, tela

gruixuda de llana de vidre - Suport per aguantar la llauna - Termòmetre 0-110ºC, sensibilitat 0,5ºC - Proveta de 250 cm3 - Alicates per treballar amb el filferro - Balança de sensibilitat mínima 0,1 g

Reactius i altres materials Etanol 1-propanol 1-butanol 1-pentanol PRECAUCIÓ: Ulleres de seguretat. La llana de vidre pot causar al·lèrgies. Usa guants de treball per manipular-la.

LIQUID

INFLAMABLE

NOCIU



Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Construeix el teu "calorímetre" de la següent manera:

- Embolica una llauna amb paper d’alumini, millor que hi posis triple capa, deixa unes faldilles que sobresurtin per la part inferior uns 3 centímetres. Això evitarà que les flames desbordin per l’exterior de la llauna quan cremis un alcohol. Fes servir un filferro prim per lligar el paper d’alumini a la llauna.

- Si, a més, tens tela de llana de vidre, fes-ne servir per envoltar el paper d’alumini per tal de fer un bon aïllament. Lliga-la també amb filferro prim.

2. Amb la proveta, mesura 250 cm3 d'aigua i posa'ls dins la llauna. 3. Agafa la llàntia que conté etanol i pesa-la. Pren nota del pes. 4. Posa el termòmetre dins la llauna i usant-lo com a agitador, vés remenant l'aigua mentre esperes fins que s'estabilitzi la lectura del termòmetre. Apunta la temperatura inicial de l'aigua. 5. Col·loca la llàntia amb etanol sota el calorímetre, encén-la i vigila el termòmetre. Quan vegi's que ha pujat uns 10ºC. Apaga la llàntia, amb el seu tap. Amb el termòmetre com a agitador, remena l'aigua fins que la temperatura ja no pugi més. Anota ara la temperatura final de l'aigua. 6. Pesa la llàntia que conté l'etanol una altra vegada. Anota el seu pes. L'entalpia de combustió de l'etanol en condicions estàndard és de ∆Hº = -1367 kJ mol-1. Amb les dades que has recollit has de calcular l'energia que s'ha de transferir al calorímetre perquè la seva temperatura augmenti en 1ºC. A aquest valor l'anomenarem factor de calibració del calorímetre, C. Si disposes de temps, es convenient que repeteixis tots els passos una altra vegada i que agafis els valors mitjans. 7. Agafa una altra llàntia que contingui un alcohol diferent de l'etanol i repeteix els passos i mesures 3 a 5. Pesa, en acabar, la llàntia, recordant de tapar-la, per evitar que l'alcohol s'evapori quan no està encesa la llàntia. Si la temperatura de l'aigua ha pujat per sobre del 50ºC, convé que canviïs l'aigua del calorímetre. Anota els resultats en una taula de dades. 8. Repeteix els passos 3, 4, 5 i 7 amb altres alcohols, en el cas que així ho indiqui el teu professor, en cas contrari, consulta les dades obtingudes per altres grups i copia-les en la teva taula de dades. 9. En acabar l'experiment torna les llànties d'alcohol al lloc on t'indiqui el professor.

llauna paper d’alumini



Adquisició i enregistrament de les dades Les dades les pots anar recollint en unes taules com les següents: Llàntia amb etanol

massa final de la llàntia / g , mf = temp. final aigua / K, tf = massa inicial de la llàntia / g , mi = temp. inicial aigua / K, ti =

mf - mi quantitat d'etanol cremat / mol , n = = 46

∆ T / K =

Energia transferida

al calorímetre / kJ , ∆H = 1367 kJ x n =

∆H

Factor de calibració del calorímetre / kJ K-1, C = = ∆ T

Llànties amb els altres alcohols

Alcohol Etanol 1-propanol 1-butanol 1-pentanol massa molar, M 46

∆ T del calorímetre mf - mi

mols cremats, n = M

Energia transferida / kJ, ∆ H = C x ∆ T ∆ H

Entalpia de combustió / kJ mol-1 , ∆ Hºc = n

- 1367

Anàlisi de les dades 1. Compara les dades que has calculat amb els valors de les entalpies de combustió de les taules de dades. Pots calcular l'error que dóna aquest mètode respecte dels valors de les taules de dades? Quines millores suggereixes a l'experiment? 2. Les molècules de 1-pentanol difereixen de les de 1-butanol en un grup -CH2- de més. El mateix passa entre les molècules de 1-butanol i les de 1-propanol i entre aquestes i les d'etanol. Representa en un gràfic el nombre d’àtoms de carboni de cada alcohol enfront dels valors de les entalpies de combustió. La forma del gràfic t’ha d’indicar que hi ha una progressió en els valors d’aquestes entalpies. Quina és aquesta pauta? En cas que no ho vegis clar pots fer el següent: Calcula quines diferències hi ha entre les entalpies de combustió de cada alcohol respecte de l'anterior amb un grup -CH2- de menys. Usa la següent taula per posar els valors de les entalpies de combustió :



Alcohol ∆ Hºc / kJ mol-1 Diferència entre dos valors consecutius / kJ mol-1 Metanol -726 Etanol -1376 ∆ Hºc (etanol) - ∆ Hºc (metanol) = 1-propanol -2021 ∆ Hºc (1-propanol) - ∆ Hºc (etanol) = 1-butanol -2675 ∆ Hºc (1-butanol) - ∆ Hºc (1-propanol) = 1-pentanol -3328 ∆ Hºc (1-pentanol) - ∆ Hºc (1-butanol) = 1-hexanol -3983 ∆ Hºc (1-hexanol) - ∆ Hºc (1-pentanol) = 1-heptanol -4637 ∆ Hºc (1-heptanol) - ∆ Hºc (1-hexanol) = 3. Calcula la mitjana de les diferències. Explica ara quina és la pauta de progressió en els valors d’aquestes entalpies 4. Explica per què es convenient emprar el terme "valor mitjà" per a les entalpies d'enllaç entre dos àtoms. 5. Quina seria l'entalpia de combustió de l’1-octanol?



Investigació de l’entalpia de combustió de diversos alcohols



Temporització ! 1 hora per a l’experimentació ! 1 hora per al qüestionari


Orientacions metodològiques Si es fes el càlcul de la calor transferida a l’aigua per la fórmula E = m ce. ∆t, els valors d’entalpies tindrien errors molt grans respecte als reals, a causa de les elevades pèrdues de calor que té el muntatge. Per evitar-ho, en aquesta activitat, s’agafa com a referència un alcohol (l’etanol), del qual es coneix la seva entalpia de combustió i es calcula la quantitat d’energia necessària perquè el muntatge que utilitzem augmenti en 1ºC. És a dir, definim una constant del calorímetre, K = kJ/ºC En cremar els altres alcohols, només hem de mesurar l’augment de temperatura, el qual multiplicat per la constant K, ens dóna el canvi d’entalpia de combustió. Al final d’aquest document trobareu un esquema de tots els passos i càlculs que es fan.

Orientacions tècniques El projecte Nuffield de química avançada (1) i el projecte ILPAC (2), proposen aquesta mateixa activitat, però usant un calorímetre de flux continu: els gasos de la combustió circulen a través d’un serpentí, transferint la calor a la massa d’aigua, amb aquest muntatge, reduïm al mínim les pèrdues de calor a l’ambient. La construcció d’aquest calorímetre està explicada en el numero 6 de la revista Alambique (3).

El calorímetre de flux continu, descrit en el projecte ILPAC (1) Nuffield Advanced Chemistry. Longman. Group. Burnt Hill. UK. 1978 (2) ILPAC. Jhon Murray. London. 1990. S’ha fet una Traducció i adaptació al COU per la Comissió de Física i Química del Col.legi de Doctors i Llicenciats. (“Grup Girona”). (Disponible en el Centre Didàctic del Col·legi de Llicenciats de Catalunya). (3) J. Corominas. Calorímetro para determinar entalpías de combustión. Alambique, 6, 1995.



Conclusions

Resultats esperats i anàlisi de les dades 1. Els valors de les entalpies de combustió dels alcohols són:

ALCOHOL metanol etanol 1-propanol 1-butanol 1-pentanol 1-hexanol 1-heptanol ∆∆∆∆HºC / kJ mol-1 - 726 -1367 -2021 -2675 -3328 -3983 -4637 Els alumnes poden trobar valors amb un error relatiu igual o menor al 10%. 2. La representació gràfica donarà, aproximadament una recta. Alcohol ∆ Hºc / kJ mol-1 Diferència entre dos valors consecutius / kJ mol-1 Metanol -726 Etanol -1376 ∆ Hºc (etanol) - ∆ Hºc (metanol) = 650 1-propanol -2021 ∆ Hºc (1-propanol) - ∆ Hºc (etanol) = 645 1-butanol -2675 ∆ Hºc (1-butanol) - ∆ Hºc (1-propanol) = 654 1-pentanol -3328 ∆ Hºc (1-pentanol) - ∆ Hºc (1-butanol) = 653 1-hexanol -3983 ∆ Hºc (1-hexanol) - ∆ Hºc (1-pentanol) = 655 1-heptanol -4637 ∆ Hºc (1-heptanol) - ∆ Hºc (1-hexanol) = 654 3. Valor mitjà de les diferències = 652 kJ mol-1

Es pot fer observar als alumnes que la gràfica passa pel punt 0,0. Aquest punt correspondria a una molècula amb el grup –OH i sense cap àtom de carboni (és a dir, la molècula d’aigua, la qual ha de tenir zero d’entalpia de combustió). 4. Explica per què es convenient emprar el terme "valor mitjà" per a les entalpies d'enllaç entre dos àtoms. Experimentalment les entalpies d’enllaç es calculen per enllaços entre àtoms d’un compost concret. 5. Quina seria l’entalpia de combustió de l’1-octanol? ∆ Hºc = -5294 kJ mol-1

Criteris d’avaluació Es pot valorar l’aproximació al valor tabulat en la determinació de les calors de combustió, la qual cosa indicaria un procediment acurat.

Entalpies de combustió d'alcohols

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

1 2 3 4 5 6 7

Àtoms de carboni

Enta

lpia

en

kJ /

mol

Nº de Carbonis Hºc / kJ mol-1



Es pot emprar també la següent plantilla on es van apuntant els passos procedimentals que és desitjable que els alumnes dominin:

Pas del procediment

Acció SÍ NO

1 Quan la llàntia d’alcohol està encesa, les flames queden ben dirigides al fons de la llauna?

3 Manté la llàntia amb el seu tap per evitar l’evaporació de l’alcohol?

4 i 5 Espera que el termòmetre s’estabilitzi per llegir les temperatures? Fa més d’una mesura? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat? CÀLCULS Fa els càlculs sense demanar ajut?



Esquema de treball aigua aïllar bé ti tf UN ALCOHOL

mols alcohol

PREPARAR CALORÍMETRE

mesurar temperatura

Pesar llàntia amb etanol

cremar

mesurar temperatura

Tornar a pesar llàntia

mols etanol

ENERGIA TRANSFERIDA

∆t

mesurar temperatura inicial aigua

pesar llàntia

CREMAR

mesurar temperatura

tornar a pesar

∆t

ENERGIA TRANSFERIDAAL CALORIMETRE EN CREMAR L'ALCOHOL

∆∆∆∆H0C de

l'alcohol

constant del calorímetre


Entalpia d’hidratació del sulfat de coure (II) - 1 -

26. Entalpia d’hidratació del sulfat de coure(II)

Objectius • Calcular l’entalpia d’hidratació del sulfat de coure(II) anhidre i del sulfat de coure (II)

pentahidratat. • Aplicar la llei de Hess per trobar l’entalpia del procés:

CuSO4(s) + 5 H2O(l) → CuSO4.5H2O(s) forma anhidre forma hidratada

Introducció El sulfat de coure(II) anhidre és un sòlid de color blanc. Quan es posa en contacte amb aigua s’hidrata i es dissol. De la dissolució es poden obtenir per precipitació cristalls de color blau de CuSO4.5H2O(s). No és possible mesurar directament l’entalpia de la transformació de la forma anhidre del sulfat de coure(II) en la forma hidratada, perquè també intervé l’entalpia de dissolució; per això cal mesurar les entalpies de dissolució de cada sal i aplicar la llei de Hess.


Equipament − Vas de precipitats de 250 cm3 − Aïllament de "porexpan" − Termòmetre 0-100ºC − Proveta de 100 cm3 − Accés a una balança de sensibilitat 0,01 g

Reactius i altres materials Sulfat de coure anhidre Sulfat de coure hidratat Ulleres de seguretat.

Procediment

Planificació i muntatge de l'experiència Planifica el que has de fer, pensant i responent abans de tot les següents qüestions: a) Quin volum d’aigua agafaràs per dissoldre les mostres de sulfat? Hi ha cap

inconvenient si el volum és molt gran? I si és molt petit? Cal que sigui el mateix volum per a cada un dels sulfats de coure(II)?

b) De quin ordre ha de ser la massa de cada un dels sulfats de coure(II) que has de

pesar? Abans de fer res, cal que tinguis en compte que: • Convé que el vas de precipitats on has de fer la dissolució estigui ben aïllat.

NOCIU



• Pots dissoldre 0,025 mols de cada una de les formes del sulfat de coure en un mateix volum d’aigua i mesurar el canvi de temperatura del procés de dissolució. • Un cop disposis de les dades experimentals, hauràs de calcular la calor transferida en cada una de les dissolucions. I a partir d’aquestes dades hauràs de calcular l’entalpia de dissolució molar de cada forma del sulfat de coure(II).


• Llença els residus en un recipient especial.

Adquisició i enregistrament de les dades a) Pren nota de les dades següents: Volum d’aigua /

cm3 Canvi de temperatura / ºC

En quin sentit s’ha produït la transferència de calor?

massa dels 0,025 mols de cada forma del sulfat de coure

Sulfat de coure anhidre

Sulfat de coure pentahidratat

b) Respon a les següents preguntes:

I Quines substàncies formen el sistema i quines l’entorn en cada procés? II En quin sentit s’ha produït en cada cas la transferència de calor? III Quines són les equacions químiques dels processos de dissolució de cada una

de les formes de sulfat de coure?

Anàlisi de les dades i conclusions 1. Calcula les variacions d’entalpia produïdes quan es dissolen 0,025 mols de: i sulfat de coure (II) anhidre ii sulfat de coure (II) pentahidratat (La capacitat calorífica de l’aigua és de 4,2 J K-1 g-1, dit d’una altra manera, la transferència de 4,2 J augmenta en 1 K la temperatura d'1 g d'aigua. La densitat de l’aigua és de 1 g cm-3 .) 2. Calcula les variacions d’entalpia en kJ/mol per cada un dels processos de dissolució. 3. Dibuixa un diagrama entàlpic per als dos processos de dissolució dels sulfats de coure(II). 4. Aplica la llei de Hess, utilitzant els diagrames d’energia, per calcular el ∆H de la reacció:

CuSO4(s) + 5 H2O(l) → CuSO4.5H2O(s)



Qüestionari 1- El valor més acceptat per a la variació d’entalpia de la reacció d’hidratació del

sulfat de coure(II) és de – 77 kJ.mol-1. Fes un càlcul aproximat del possible error relatiu que puguis haver fet. Si cal, indica les possibles causes que expliquin aquest error.

2- Explica, utilitzant els conceptes d’entalpia d’enllaç i d’entalpia de solvatació, l’origen dels canvis d’entalpia d’aquests processos.



Com determinar l’entalpia d’hidratació del sulfat de coure (II) Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions ! ½ hora per al qüestionari


Propostes de recerca Altres substàncies que es poden emprar són: el sulfat de magnesi anhidre i el sulfat de magnesi heptahidratat. El canvi d’entalpia per a la reacció: MgSO4(s) + 7 H2O(l) → MgSO4.7H2O és de 104 kJ mol-1. Es poden fer servir també 0,025 mols de cada forma del sulfat de magnesi

Orientacions tècniques El recipient on es fa la dissolució ha de ser petit i de baixa capacitat calorífica. Va bé un calorímetre petit d’alumini o un vas de precipitat, aïllats amb porexpan. Les capses d’embalatge de productes o d’ampolles de reactius són un bon subministrament de porexpan. Per a una correcta lectura de les temperatures el millor és usar termòmetres digitals (hi ha un protocol de construcció en el CDECT). Gestió dels residus: recollir les dissolucions de sulfat de coure en un recipient al quals s’afegeix carbonat de sodi sòlid perquè precipitin els ions coure. En acabar el curs es filtra o decanta el líquid i el residu sòlid es llença al contenidor de sòlids.

Conclusions Anàlisi de dades i conclusions: 3. Dibuixa un diagrama entàlpic per als dos processos de dissolucions dels sulfats de coure (II).

Entalpia

CuSO4(aq)

CuSO45H2O (s) + aq

Entalpia

CuSO4(s) + aq

CuSO4 (aq)

∆H = + 11,3 kJ. mol-1 ∆H = -66,1 kJ. mol-1



2. Explica utilitzant els conceptes d’entalpia d’enllaç i d’entalpia de solvaatació, l’origen dels canvis d’entalpia d’aquestes reaccions El valor positiu de l’entalpia de dissolució del sulfat de coure (II) pentahidratat es deu al fet que l’energia necessària per contrarrestar l’entalpia reticular és superior a l’entalpia de solvatació dels ions, que es desprèn quan aquests es dissolen. El gran valor negatiu de l’entalpia del procés de dissolució del sulfat de coure anhidre es deu a l’energia despresa en formar-se els enllaços entre les molècules d’aigua i els ions Cu(II). De fet es formen quatre enllaços covalents en formar-se l’ió complex (Cu(H2O)4 )2+ , i el cinquè enllaç és un enllaç d’hidrogen. L’entalpia de solvatació compensa parcialment l’entalpia reticular. Criteris d’avaluació Encara que el disseny procedimental es deixa poc obert, caldrà vetllar perquè els alumnes tinguin cura dels següents passos, que es poden anar apuntant en la següent graella:

Pas del procediment

Acció SÍ NO

Expressa amb claretat els passos del procediment que vol seguir?

Aïlla el recipient pels costats i també per sota i per sobre, amb una tapa amb forat per al termòmetre?

Fa servir sempre el mateix volum d’aigua? (50 cm3 és el més convenient)

Fa servir el mateix termòmetre per agitar amb cura la dissolució? Espera per fer la mesura que el termòmetre ja no pugi o baixi

més?

Com ha pesat els 0,025 mols? (per al CuSO4 són 4,00 g i per el CuSO4.5H2O són 6,25 g). Ha fet servir un vidre de rellotge per dipositar el producte sobre el plat de la balança?

Repeteix les mesures diverses vegades? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat?

Fa els càlculs sense demanar ajut? CÀLCULS Fa un ús correcte de les xifres significatives?


Com afecten els canvis de concentració l’equilibri químic? - 1 -

27. Com afecten els canvis de concentració l’equilibri químic?

Objectius • Observar com evoluciona un equilibri químic en variar la concentració d’un dels

components de la mescla. • Interpretar, amb ajut del principi de Le Chatelier, els canvis observats.

Introducció El desplaçament dels dos primers equilibris d’aquesta activitat pràctica es poden observar perquè hi intervenen ions acolorits. En el tercer equilibri afegim un indicador àcid-base, la fenolftaleïna, que en medi bàsic és de color rosa i en medi àcid, incolor. Els equilibris que estudiarem són:

A equilibri cromat dicromat: 2 CrO42-(aq) + 2 H3O+(aq) Cr2O7

2- (aq) + 3 H2O(l) groc taronja

B equilibri ió ferro (III) ió tiocianatferro (III): Fe3+(aq) + SCN-(aq) FeSCN2+(aq) groc pàl·lid incolor vermell

C equilibri amoníac ió amoni: NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)


Equipament − Gradeta amb tubs d’assaig − Espàtula − Comptagotes − Taps de goma per els tubs

d’assaig

Reactius i altres materials − Dissolució de K2CrO4, 0,1 mol.dm-3 − Dissolució de K2Cr2O7, 0,1 mol.dm-3 − Dissolució de HCl, 1 mol.dm-3 − Dissolució de NaOH, 1 mol.dm-3 − NaOH(s) − Dissolució de FeCl3, 0,1 mol.dm-3 − Dissolució de KSCN, 0,1 mol.dm-3 − Clorur d’amoni, NH4Cl(s) − Dissolució de NH3, 0,001 mol.dm-3 − Fluorur de sodi, NaF (s) − Dissolució de fenolftaleïna


NOCIU

CORROSIU

NOCIU

LIQUID

INFLAMABLE



Procediment


A equilibri cromat dicromat

Posa’t les ulleres de seguretat i els guants.

1. Agafa quatre tubs d’assaig i posa, en dos d’ells, uns 2 cm3 de dissolució de K2Cr2O7 i, als altres dos, uns 2 cm3 de dissolució de K2CrO4. Guarda com a referència un dels tubs d’assaig de cada espècie. 2. Afegeix unes gotes de dissolució d’HCl en un dels tubs que conté cromat. Anota el canvi observat. 3. Afegeix unes gotes de dissolució de NaOH en un dels tubs que conté dicromat. Anota el canvi observat. 4. Afegeix unes gotes de dissolució d’HCl a la dissolució de dicromat de referència i unes gotes de dissolució de NaOH a la dissolució de cromat de referència. Quins canvis observes? 5. Finalment afegeix, amb ajut de l’espàtula, una llentilla de NaOH al tub d’assaig de l’apartat 2. Anota el canvis. B equilibri ió ferro (III) ió tiocianatferro (III)


1. Barreja una gota de dissolució de FeCl3 amb una gota de dissolució de KSCN en un tub d’assaig i afegeix-hi aigua destil·lada (quasi les ¾ parts del tub) fins que el color sigui d’un marró-ataronjat pàl·lid 2. Fes 3 parts iguals d’aquesta dissolució, repartint-la entre dos altres tubs. 3. En un dels tubs, afegeix-hi unes gotes de dissolució de KSCN. Què observes? Compara el color resultant amb el color original. 4. En un altre tub, afegeix-hi unes gotes de dissolució de FeCl3. Què observes? Compara el color resultant amb el color original. 5. A cada un dels dos tubs anteriors, afegeix-hi una mica de NaF(s), amb l’espàtula. Tapa els tubs, agita’ls i compara el color amb la dissolució del primer tub.

EXPLICACIÓ: el NaF, elimina els ions Fe3+ de l’equilibri, en formar-se el complex FeF63-



C equilibri amoníac ió amoni


1. Posa en dos tubs d’assaig uns 5 cm3 de dissolució de NH3 i afegeix-hi dues gotes de dissolució de fenolftaleïna a cada tub. 2. Afegeix en un dels tubs, amb ajuda d’una espàtula, una mica de clorur d’amoni. Tapa el tub i agita’l. Compara el color de les dues dissolucions.

Conclusions Fes servir el principi de Le Chatelier per explicar els canvis observats en cada un dels equilibris químics estudiats:

equilibri cromat dicromat canvi provocat observació del

color explicació

augment de la concentració d’ions H3O+

disminució de la concentració d’ions H3O+ (en afegir ions OH-)

equilibri ió ferro (III) ió tiocianatferro (III) canvi provocat observació del

color explicació

augment de la concentració d’ions Fe3+

augment de la concentració d’ions SCN-

disminució de la concentració d’ions Fe3+

equilibri amoníac ió amoni canvi provocat observació del

color explicació

augment de la concentració d’ions NH4

+



Com afecten els canvis de concentració l’equilibri químic? Material per al professorat



Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat Gestió dels residus: es llencen en un recipient adient al qual s’afegeix carbonat de sodi sòlid perquè precipitin els cations dels metalls pesats. En acabar el curs, es filtra o decanta el líquid i el residu sòlid es llença al contenidor de sòlids.

Conclusions

Resultats esperats

equilibri cromat dicromat canvi provocat observació del color explicació

augment de la concentració d’ions H3O+ taronja desplaçament de l’equilibri cap a la formació d’ions dicromat

disminució de la concentració d’ions H3O+ (en afegir ions OH-)

groc desplaçament de l’equilibri cap a la formació d’ions cromat

equilibri ió ferro (III) ió tiocianatferro (III) canvi provocat observació del color explicació

augment de la concentració d’ions Fe3+ vermell desplaçament de l’equilibri cap a la formació d’ions FeSCN2+

augment de la concentració d’ions SCN-

vermell desplaçament de l’equilibri cap a la formació d’ions FeSCN2+

disminució de la concentració d’ions Fe3+

taronja pàl·lid desplaçament de l’equilibri cap a la formació d’ions Fe3+

equilibri amoníac ió amoni canvi provocat observació del color explicació

augment de la concentració d’ions NH4+ incolor desplaçament de l’equilibri cap

a la formació de NH3, i disminució de la basicitat del

medi Criteris d’avaluació En ser un experiment il·lustratiu, convé guiar-se per la manera com es raona l’aplicació del principi de Le Chatelier.


Com afecta la temperatura l’equilibri químic? - 1 -

28. Com afecta la temperatura l’equilibri químic?

Objectius • Observar com evoluciona un equilibri químic en variar la temperatura. • Interpretar els canvis amb l’ajut de la llei de Le Chatelier.

Introducció El sistema en equilibri que estudiarem és el format pels dos gasos:

2 NO2(g) N2O4(g) Seguir l’evolució d’aquest equilibri és fàcil en ser el gas NO2 de color marró i el N2O4 incolor. Els canvis de color ens facilitaran veure com es desplaça l’equilibri.


Equipament − Matràs erlenmeyer amb tap de dos forats − Embut de decantació − Tub de vidre en angle recte − Tubs d’assaig grans amb taps − Vas de precipitats de 500 cm3 amb aigua amb

gel − Vas de precipitats de 500 cm3 amb aigua

bullent

Reactius i altres materials − Àcid nítric concentrat − Retalls de coure

Gas tòxic. Ulleres de seguretat i guants.

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Prepara el muntatge que veus en la figura. A l’embut hi ha una mica d’àcid nítric concentrat i dins el matràs uns retalls de coure.

Posa’t les ulleres i els guants.

2. Obra la clau de l’embut i deixa caure un petit volum d’àcid. Els fums formats són de la mescla de gasos NO2 i N2O4 3. El NO2, en ser més dens que l’aire, es pot recollir en tubs d’assaig. Un cop plens es tapen amb taps de goma. 4. Col·loca un dels tubs en un vas amb aigua bullent i l’altre tub en un

vas amb aigua i gel. Observa si hi ha canvis de color.

CORROSIU

TÒXIC

HNO3

Tubs d'assaigs preparats per omplirtubs d’assaig preparats per omplir



5. En acabar, i sempre amb els guants posats, destapa els tubs en una vitrina amb extractor i renta’ls amb força aigua. Evita el contacte directe amb el gas NO2. Qüestionari 1. L’equilibri 2 NO2(g) N2O4(g) és exotèrmic ∆Hº = -58,1 kJ.mol-1. Fes servir la llei de Le Chatelier per explicar els canvis que has observat en la coloració de la mescla de gasos dels tubs d’assaig. 2. Per més que la refredéssim, no arribaríem mai a tenir una mescla perfectament incolora. Per què? 3. Veus alguna manera de fer un seguiment més quantitatiu de l’evolució d’aquest equilibri?



28. Com afecta la temperatura l’equilibri químic?



Temporització ! ½ hora per a l’experimentació i les conclusions


Orientacions metodològiques Es tracta d’un experiment il·lustratiu d’un aspecte de la llei de Le Chatelier que és molt recomanable que faci el professor/a. La mescla de gasos es pot preparar d’una manera més simple i ràpida que la descrita abans:

Gas tòxic. Feu l’experiment en la campana de gasos i porteu ulleres i guants.

Un matràs d’1 L conté en el fons uns 5 cm3 d’àcid nítric concentrat. S’hi posen unes llimadures de coure i, quan es veu que el matràs queda ple de fums marronosos, es tapa bé. El matràs es pot posar en un bany d’aigua bullent o acostar-li un assecador d’aire calent per veure com el color marró s’intensifica. Després es posa en un bany d’aigua amb gel i es veu que el color es torna molt més pàl·lid. Seguretat i gestió dels residus: les concentracions de NO2 superiors a 100 ppm són perilloses i si se superen els 200 ppm poden ser fatals. (Si el NO2 contingut en un tub d’assaig gran és buidés en un m3, la concentració seria d’uns 50 ppm). No oblideu d’airejar bé el laboratori després d’aquest experiment. Eviteu emprar volums de NO2 superiors a 500 cm3 en un laboratori en el cas que l’experiment el faci directament l’alumnat. El matràs on s’ha generat el NO2, es buida a la pica i es renta amb aigua abundant, per eliminar tots els gasos. Eviteu tot contacte amb el NO2 durant aquesta operació.

Conclusions

Resultats esperats En escalfar es forma NO2 el i la coloració esdevé més marronosa. En refredar, es forma N2O4, que és incolor. Observem com la tonalitat marronosa disminueix sensiblement.



Respostes al qüestionari 1. L’equilibri 2 NO2(g) N2O4(g) és exotèrmic ∆Hº = -58,1 kJ.mol-1. Fes servir la llei de Le Chatelier per explicar els canvis que has observat en la coloració de la mescla de gasos dels tubs d’assaig.

Els canvis de temperatura afecten la constant d’aquest equilibri: [ ][ ]22

42

NO

ONKc =

Si augmentem la temperatura en l’equilibri que tenim (exotèrmic) disminueix la constant i, per tant, disminuirà [N2O4]. Si disminuïm la temperatura en l’equilibri que tenim (exotèrmic) augmenta la constant i, per tant, augmentarà [N2O4]. 2. Per més que la refredéssim, no arribaríem mai a tenir una mescla perfectament incolora. Per què? El que tenim és un equilibri, sempre hi haurà una petita concentració de les diferents espècies químiques. 3. Veus alguna manera de fer un seguiment més quantitatiu de l’evolució d’aquest equilibri? Es pot suggerir emprar sensors de llum per determinar la concentració de NO2 per colorimetria.


Efecte de l’ió comú - 1 -

29. Efecte de l’ió comú

Objectius • Comprovar experimentalment com es desplaça un equilibri quan s’afegeix un ió

comú a la solució. • Fer servir la llei de Le Chatelier per explicar els canvis observats.

Introducció

El clorur de sodi és una sal força soluble en aigua, però la presència de compostos que en dissoldre’s produeixin ions Na+ o ions Cl- afecta la solubilitat del clorur de sodi. La Llei de Le Chatelier ens explica que aquests ions sodi o clorur desplaçaran l’equilibri de solubilitat cap a la formació de NaCl sòlid, fent que el clorur de sodi sigui menys soluble. Aquest fenomen es coneix com efecte de l’ió comú.

Material i Equipament - Tubs d’assaig (2) amb tap - Pipeta de 10 cm3 i succionador - Espàtula o pinces per agafar

l’hidròxid de sodi - Comptagotes

Reactius i altres materials - Dissolució de saturada de

clorur de sodi (20 cm3) - Dissolució concentrada

d’àcid clorhídric, HCl - Hidròxid de sodi, NaOH Ulleres de seguretat.

Procediment

Muntatge de i execució de l'experiència 1. Prepara una dissolució saturada de clorur de sodi. En cada tub d’assaig posa 10 cm3 d’aquesta dissolució saturada. 2. Utilitza la llei de Le Chatelier per fer una predicció del que passarà en aquesta dissolució quan: a) La concentració de l’ió sodi augmenti b) La concentració de l’ió clorur augmenti Apunta les teves prediccions en un quadre com el que tens en l’apartat d’observacions qualitatives


CORROSIU



3. Afegeix, amb el comptagotes, al primer tub unes gotes de la dissolució concentrada d’àcid clorhídric, HCl (PRECAUCIÓ: corrosiu). Tapa el tub, agita’l suaument i deixa’l reposar. Observa els canvis que s’hi produeixen. 4. Al segon tub, afegeix-hi una o dues llenties d’hidròxid de sodi, NaOH (PRECAUCIÓ: càustic). Utilitza espàtula o pinces per manipular l’hidròxid de sodi. Tapa el tub, agita’l suaument i deixa’l reposar. Observa els canvis que s’hi produeixen Observacions qualitatives Fes servir un quadre com el següent: Afegim HCl concentrat Afegim NaOH sòlid Predicció del que passarà

Observació del que es veu que passa

Qüestionari 1. Quins ions contenen les dissolucions d’HCl i de NaOH? 2. Què ha passat en cada un dels tubs d’assaig? Confirma això les prediccions que has fet abans de començar? 3. La solubilitat del clorur de sodi és de 39 g en 100 cm3 d’aigua a 298 K. Calcula la concentració de cada ió en la dissolució saturada. 4. La dissolució d’àcid clorhídric concentrat és, aproximadament, 12 mol dm-3. Explica què ha passat amb els ions sodi en dissolució quan s’hi ha afegit dissolució d’àcid clorhídric. 5. Explica què ha passat amb els ions clorur en dissolució quan s’hi ha afegit NaOH(s). 6. Per què en cap taula de dades troben la constant de solubilitat del clorur de sodi?



Efecte de l’ió comú Material per al professorat


Temporització ! 30 minuts en total, si la dissolució saturada de clorur de sodi ja està preparada


Orientacions metodològiques L’experiment el poden fer els alumnes o pot fer-se com a demostració del professor/a. Els alumnes han de fer la predicció del que passarà i les qüestions.

Orientacions tècniques Per preparar la dissolució saturada de clorur de sodi, es pesen uns 45 o 50 g de sal de cuina, es barregen amb 100 cm3 d’aigua, es mescla bé i es deixa reposar unes hores. Se separa la dissolució del precipitat de NaCl(s) per decantació. Gestió dels residus: poden llençar-se per la pica deixant córrer aigua abundant.

Respostes al qüestionari

1. Quins ions contenen les dissolucions d’HCl i de NaOH? H3O+, Cl- i Na+, OH-

2. Què ha passat en cada un dels tubs d’assaig? Confirma això les prediccions que has fet abans de començar? S’ha format un precipitat de color blanc. 3. La solubilitat del clorur de sodi és de 39 g en 100 cm3 d’aigua a 298 K. Calcula la concentració de cada ió en la dissolució saturada. 5,47 mol dm-3 4. La dissolució d’àcid clorhídric concentrat és, aproximadament, 12 mol dm-3. Explica què ha passat amb els ions sodi en dissolució quan s’hi ha afegit dissolució d’àcid clorhídric. Part dels ions sodi han reaccionat amb l’excés dels ions clorur per formar el precipitat de clorur de sodi. 5. Explica què ha passat amb els ions clorur en dissolució quan s’hi ha afegit NaOH(s). Part dels ions clorur han reaccionat amb l’excés dels ions sodi per formar el precipitat de clorur de sodi. 6. Per què en cap taula de dades troben la constant de solubilitat del clorur de sodi? Aquestes taules de dades són per a sals poc solubles (Ks<<1).


Quin és l’efecte de la concentració dels reactius en la velocitat? - 1 -

30. Quin és l’efecte de la concentració dels reactius en la velocitat?

Objectius • Mesurar el volum d’un gas format en una reacció química com a indicador de la

velocitat de reacció. • Comprovar que els canvis en la concentració afecten la velocitat de la reacció.

Introducció La velocitat d’una reacció és una magnitud que descriu la rapidesa amb què els reactius es converteixen en productes. En aquest treball pràctic la reacció és entre el metall magnesi i l’àcid clorhídric:

Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) Per determinar la velocitat d’una reacció cal mesurar al cap de diferents temps la concentració d’un dels components o una propietat física que hi estigui relacionada, per exemple la pressió o el volum, si es desprèn un gas. En l’instant d’iniciar-se la reacció només tenim magnesi i HCl(aq); quan ha finalitzat quedarà gas hidrogen i dissolució de MgCl2.

Procediment 1. Si volem seguir l’evolució de la reacció, i fixar-nos en el gas hidrogen després, quina seria la millor manera de fer-ho? Fes un esquema del muntatge proposat. 2. Per arribar a tenir una taula de dades i una gràfica de l’evolució de la reacció, quina seria la variable independent a mesurar? Quina seria la variable dependent? Quin aspecte suposes que ha de tenir una gràfica amb aquestes magnituds? 3. Quines són les magnituds que cal mantenir invariables? 4. Redacta el procediment que proposes per dur a terme el seguiment de la reacció entre el magnesi i l’àcid clorhídric. Fes una llista del material i dels productes. La dissolució HCl és de concentració 0,1 mol.dm-3. No comencis a treballar fins que no tinguis l’autorització del professor o professora.

Dissolució d’HCl. Posa’t les ulleres de seguretat.

5. Per comprovar si hi ha influència en la concentració de l’àcid clorhídric, quins canvis proposes fer en el disseny de l’experiment? Indica’ls fent, si cal, un nou redactat de l’experiment que proposes. Adquisició i enregistrament de les dades Pren nota amb cura de les magnituds que mesures, respectant el nombre de xifres significatives que corresponguin a la sensibilitat dels aparells i instruments de mesura que fas servir.

IRRITANT



Fes primer una taula de dades i després una gràfica, tenint en compte quines són les magnituds que has pres com a variable independent i variable dependent.

Conclusions

Anàlisi de les dades 1. Observa quin aspecte té la gràfica (o gràfiques) que has dibuixat i compara’l amb la predicció que has fet en l’apartat 2 de la introducció: a) Hi ha coincidència entre la predicció i el que has trobat? Si no és així, pots indicar

per què hi ha diferències? b) Si heu treballat en diferents grups, les gràfiques tenen totes el mateix aspecte?

(corbes creixents, decreixents, rectes...). 2. La gràfica o gràfiques que has dibuixat no són de velocitat de reacció. La velocitat de la reacció entre el Mg i l’HCl és la derivada de la concentració d’un component de la reacció (l’hidrogen en aquest cas) respecte del temps. Per calcular la velocitat de reacció en un instant, cal trobar la tangent a la corba que has dibuixat en el punt corresponent a l’instant de temps que interessi. Observa la figura de la dreta que resumeix el mètode gràfic de trobar la velocitat d’una reacció en l’instant t = 15. Busca un parell de valors de la velocitat de la reacció que has fet, un en els primers segons i l’altre quasi al final de la presa de dades. (Pots fer-ho, si en tens ocasió, amb algun programa de tractament de gràfics.)

Velocitat de reacció a partir de la corba concentració-temps (Caamaño, A. i Obach, D. “Química 2”. Teide, 1999)

3. Resumeix, segons les teves observacions i dades, l’efecte dels canvis de la concentració en la velocitat de reacció. Qüestionari 1. Si has optat per recollir el gas hidrogen sobre aigua, has de recordar que l’espai que aparentment ocupa el gas hidrogen també està ocupat per vapor d’aigua. Quina correcció caldria fer si es vol mesurar només el volum ocupat pel gas hidrogen? 2. Per què les corbes obtingudes van disminuint el pendent a mesura que passa el temps fins a ser horitzontals? 3. Per què les corbes comencen i acaben en les mateixes coordenades? 4. Com modificar l’experiment per investigar l’efecte de la temperatura en la velocitat de reacció? 5. En cas de disposar de sistemes automàtics d’adquisició de dades, quines modificacions caldria fer al disseny de l’experiment?



Velocitat de reacció i efecte de la concentració Material per al professorat


Temporització ! ½ hora per a la introducció prèvia amb discussió i posada en comú ! 1 hora per a l’ experimentació i les conclusions ! 1 hora per a l’anàlisi de dades i qüestionari (a casa)


Orientacions metodològiques Aquest treball pràctic el poden fer alumnes amb certs coneixements de química i que hagin practicat algunes tècniques de laboratori, com saber recollir un gas sobre aigua. El capítol de cinètica té un tractament breu en l’actual currículum, aquest experiment pot ajudar a complementar els continguts dels alumnes. En el cas que els alumnes no arribin a un disseny satisfactori de l’experiment, se’ls pot proporcionar el procediment que es descriu a continuació:

Material i Equipament Equipament − Matràs erlenmeyer de 250 cm3 amb tap

foradat − Bureta o tub de recollida de gasos graduat − Proveta de 50 cm3 − Recipient gran o cristal·litzador − Tub de vidre en colze de 90º (2) − Suport i pinces − Cronòmetre

Reactius i altres materials − Magnesi, cinta − Dissolució HCl 0,1 mol.dm-3 i 0,2 mol.dm-3


Procediment



1. Munta el dispositiu de la figura. La bureta o el tub per recollir gasos han de quedar plens d’aigua. 2. Pesa 0,05 g de cinta de magnesi (el millor és mesurar un tros de cinta de 1,0 m i després d’haver-la pesat, es calcula la longitud que correspon a aquesta massa). Col·loca la cinta dins l’erlenmeyer. 3. Mesura amb la proveta 50 cm3 de la dissolució 0,1 mol.dm-3 HCl. Destapa l’erlenmeyer just el temps per posar-hi dins els 50 cm3 HCl(aq). Posa en marxa el cronòmetre.

IRRITANT



4. Cada 10 segons, mesura a la bureta el volum de gas desprès. Construeix una taula de dades de Volum H2(g) en funció del temps. 5. Repeteix tots els passos anteriors però fent servir una dissolució HCl de concentració diferent (per exemple, 0,2 mol.dm-3).

6. Representa les dades en una gràfica. Pots fer servir una mateixa gràfica per les dues taules de dades.

Orientacions tècniques Un detall important és aconseguir una sortida de gas hidrogen regular. De vegades convé que el tub de despreniment no quedi massa enfonsat dins l’aigua del cristal·litzador. Si cal es fa acabar en un estretament. Gestió dels residus: poden llençar-se per la pica, deixant rajar aigua abundant.

Conclusions

Resultats esperats Els alumnes han de proposar que la variable independent és el volum d’hidrogen i la dependent el temps. S’ha de mantenir constant la concentració d’HCl i la temperatura. S’inclou un exemple de resultats obtinguts per alumnes. El temps és en segons.

50

40

30

20

10

0

HCl(aq)cinta de Mg



Respostes al qüestionari 1. Si has optat per recollir el gas hidrogen sobre aigua, has de recordar que l’espai que aparentment ocupa el gas hidrogen també està ocupat per vapor d’aigua. Quina correcció caldria fer si es vol mesurar només el volum ocupat pel gas hidrogen? Cal restar el volum que ocupa el vapor d’aigua a la temperatura de l’experiment. Vegeu en el T. P. “Determinació del zero absolut de temperatures”, les instruccions per dur a terme aquesta correcció. 2. Per què les corbes obtingudes van disminuint el pendent a mesura que passa el temps fins a ser horitzontals? A mesura que transcorre la reacció, la quantitat de reactius cada vegada és menor i el volum d’hidrogen format també ho és. 3. Per què les corbes comencen i acaben en les mateixes coordenades? L’estequiometria de la reacció és la mateixa sempre. La quantitat total d’hidrogen format serà la mateixa. 4. Com modificar l’experiment per investigar l’efecte de la temperatura en la velocitat de reacció? Es manté constant la concentració d’HCl. Es recullen volums d’hidrogen variant la temperatura de l’àcid, col·locant el matràs erlenmeyer en un bany d’aigua. 5. En cas de disposar de sistemes automàtics d’adquisició de dades, quines modificacions caldria fer al disseny de l’experiment? Adreceu-vos al CDECT per tenir el protocol d’aquest experiment amb sistemes EXAO, SADEX o MULTILOG. Criteris d’avaluació Es pot emprar la següent plantilla on es van apuntant els passos procedimentals que és desitjable que els alumnes dominin:

Pas del procediment

Acció SÍ NO

1 Proposa recollir el gas hidrogen, mesurant-ne el volum a intervals regulars de temps?

2 i 3 Estableix quines són les variables dependent i independent, així com les que s’han de mantenir constants?

4 El procediment proposat, es pot fer? Fa una gràfica correcta? Fa un càlcul correcte de velocitat de reacció? Compara correctament les dues corbes corresponents a diferents concentracions d’HCl?

Anàlisi de les dades

Repeteix les mesures més d’una vegada? SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat?




Propostes de recerca • La cinètica es presta a realitzar diferents treballs de recerca. Per exemple: - Mesura de la velocitat a què escapa el CO2 d’una beguda carbònica estudiant els

diferents factors que hi influencien: la temperatura, l’agitació, la presència de nuclis de condensació... El seguiment es fa controlant el pH de la dissolució, el qual va augmentant amb el temps.

- Quina és la velocitat en què es torna agra una mostra de llet? El control es fa per mesures del pH, que va disminuint amb el temps.

• També es pot proposar als alumnes un altre enfocament d’aquest treball pràctic i fer-lo molt més obert. Es planteja la següent qüestió:

Les dissolucions es preparen amb concentracions de 0,5 mol.dm-3; 0,25 mol.dm-3; 0,125 mol.dm-3; 0,01 mol.dm-3. La dissolució desconeguda pot ser de 0,1 mol.dm-3. El regle ha de servir per fer trossos d’igual longitud de cinta de magnesi. • Una altra possibilitat és posar en pràctica una de les anomenades “reaccions rellotge” o “el rellotge d’iode”. La reacció és entre els ions peroxodisulfat i els ions iodur:

S2O82-(aq) + 2 I-(aq) → 2 SO4

2-(aq) + I2(aq). Els reactius són incolors, de manera que la reacció es pot seguir per la formació d’iode, que encara es veu millor amb dissolució de midó. Però si a la mescla de reactius, s’hi afegeixen ions tiosulfat, com que aquests reaccionen amb el iode, per formar iodur incolor: 2 S2O3

2-(aq) + I2(aq) → S4O62-(aq) +

2 I-(aq), resulta que mentre en la dissolució hi hagin ions tiosulfat no es formarà iode i la dissolució romandrà transparent. Només en l’instant en què tots els ions tiosulfat han reaccionat apareixerà de cop el color blau fosc del complex d’iode en midó. Proveu, per exemple amb les següents proporcions: Dissolució A: 5 cm3 de KI 1,0 mol.dm-3 + 2 cm3 de Na2 S2O3 0,01 mol.dm-3 + 1 cm3 diss. de midó Dissolució B: 2 cm3 de K2 S2O8 0,04 mol.dm-3 Els alumnes poden dur a terme una recerca, variant les concentracions i la temperatura.

INVESTIGACIÓ Has d’esbrinar la concentració d’una dissolució d’HCl, disposant només d’un tros de cinta de magnesi, de quatre dissolucions d’HCl de concentracions conegudes, d’un cronòmetre i d’un regle.


Quin és l’efecte de la temperatura en la velocitat de reacció? - 1 -

31. Quin és l’efecte de la temperatura en la velocitat de reacció?

Objectius • Mesurar el temps que tarda a formar-se una determinada quantitat d’un precipitat, el

qual ens indicarà la velocitat de la reacció. • Comprovar que els canvis en la temperatura afecten la velocitat de la reacció.

Introducció La velocitat d’una reacció és una magnitud que descriu la rapidesa amb què els reactius es converteixen en productes. En aquest treball pràctic la reacció és entre el tiosulfat de sodi i l’àcid clorhídric:

Na2S2O3(aq) + 2 HCl(aq) → 2 NaCl(aq) + H2O(l) + S(s) + SO2(g) El sofre que es forma queda en forma col·loidal, de manera que enterboleix la dissolució transparent inicial. Per determinar la velocitat d’una reacció cal mesurar al cap de diferents temps la concentració d’un dels components o una propietat física que hi estigui relacionada, per exemple quantitat de precipitat format. En l’instant d’iniciar-se la reacció tenim una dissolució transparent; quan ha finalitzat tindrà un color blanc-gorguenc i serà totalment tèrbola, de manera que si mirem per sobre, no veurem ni el fons del recipient ni una marca feta en un paper col·locat sota el recipient

Procediment 1. Si volem estudiar la velocitat de reacció en funció de la temperatura, fixant-nos en la formació d’un precipitat que enterboleix, quina seria la millor manera de fer-ho? Fes un esquema del muntatge proposat. 2. Per arribar a tenir una taula de dades i una gràfica de l’evolució de la reacció, quina seria la variable independent a mesurar? Quina seria la variable dependent? Quin aspecte suposes que ha de tenir una gràfica amb aquestes magnituds? 3. Quines són les magnituds que cal mantenir invariables? 4. Redacta el procediment que proposes per assolir els objectius d’aquest treball pràctic. Fes una llista del material i productes. La dissolució HCl és de concentració 2 mol.dm-3. La de tiosulfat de sodi és de 0,03 mol.dm-3. No comencis a treballar fins a no tenir autorització del professor o professora.

Dissolució d’HCl. Posa’t les ulleres de seguretat. Despreniment d’un gas irritant.

Adquisició i enregistrament de les dades Pren nota amb cura de les magnituds que mesures, respectant el nombre de xifres significatives que corresponguin a la sensibilitat dels aparells i instruments de mesura que fas servir.

IRRITANT



Fes primer una taula de dades i després una gràfica, tenint en compte quines són les magnituds que has pres com a variable independent i variable dependent.

Conclusions Anàlisi de les dades 1. Observa quin aspecte té la gràfica (o gràfiques) que has dibuixat i compara’l amb la predicció que has fet en l’apartat 2 de la introducció: a) Hi ha coincidència entre la predicció i el que has trobat? Si no és així, pots indicar

per què hi ha diferències? b) Si heu treballat en diferents grups, les gràfiques tenen totes el mateix aspecte?

(corbes creixents, decreixents, rectes...). 2. La gràfica o gràfiques que has dibuixat no són de velocitat de reacció. La velocitat de la reacció entre el tiosulfat de sodi i l’àcid clorhídric és la derivada de la concentració d’un component de la reacció (el sofre, en aquest cas) respecte del temps.

És a dir: senyal el er"desaparèix" a temps

format sofre de quantitat V =

Ja que en els experiments ens fixem en el temps que tarda a “desaparèixer” el senyal en el paper sota el recipient (que és quan suposem que s’ha format una determinada quantitat de sofre col·loidal), la velocitat de reacció serà inversament proporcional al temps a “desaparèixer”:

yalr" el esaparèixetemps a "dV α

sen1

Calcula els inversos del temps i representa’ls en una nova gràfica, en funció de la temperatura. 3. Resumeix, segons les teves observacions i dades, l’efecte dels canvis de la temperatura en la velocitat de reacció. Qüestionari 1. Fes servir la teva gràfica per estimar quant s’incrementa la velocitat de reacció per cada 10º d’increment de temperatura. 2. Usa la teoria cineticomolecular per proposar una explicació dels fets observats. 3. En cas de disposar de sistemes automàtics d’adquisició de dades, quines modificacions caldria fer al disseny de l’experiment? 4. Com es podria modificar el procediment per estudiar l’efecte dels canvis de concentració dels reactius en la velocitat de reacció, a una determinada temperatura?



Quin és l’efecte de la temperatura en la velocitat de reacció? Material per al professorat

Orientacions didàctiques Temporització ! ½ hora per a la introducció prèvia amb discussió i posta en comú ! 1 hora per a l’ experimentació i les conclusions ! 1 hora per a l’anàlisi de dades i qüestionari (a casa) Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat Orientacions metodològiques Aquest treball pràctic el poden fer alumnes amb certs coneixements de química i que hagin practicat algunes tècniques de laboratori. El capítol de cinètica té un tractament breu en l’actual currículum, aquest experiment pot ajudar a complementar els continguts dels alumnes. En el cas que els alumnes no arribin a un disseny satisfactori de l’experiment, se’ls pot proporcionar el procediment que es descriu a continuació: Material i Equipament

Equipament − Vas de precipitats de 250 cm3 − Bec de Bunsen, trípode, reixeta i suport − Proveta de 50 cm3 − Proveta de 10 cm3 − Termòmetre 0-110ºC − Cronòmetre

Reactius i altres materials − Dissolució de NaaS2O3 0,03 mol-dm-3 − Dissolució HCl 2 mol.dm-3


Procediment


Posa’t les ulleres de seguretat Despreniment de gasos irritants

1. Fes un senyal ben visible en un full de paper. Mesura 50 cm3 de dissolució de tiosulfat de sodi, amb la proveta i posa’ls en el vas de precipitat. Col·loca el vas sobre el paper amb el senyal. 2. Pren nota de la temperatura de la dissolució. 3. Mesura 5 cm3 de dissolució HCl. Buida’ls en el vas de precipitats i engega el cronòmetre. Mira per damunt del vas el fons i para el cronòmetre quan el senyal que has marcat en el paper hagi desaparegut. Anota el

IRRITANT

full de paper amb un senyal



temps. Mentre mires, evita respirar el gas diòxid de sofre que es desprèn, encara que en petites quantitats. 4. Buida el contingut del vas, renta’l bé i repeteix els tres passos anteriors, però escalfant cada vegada la dissolució de tiosulfat de sodi a una temperatura superior (pots fer-ho amb increments de 10ºC cada vegada). 5. Has de tenir una taula de dades de temperatures i temps. Fes una gràfica amb aquestes dades.

Orientacions tècniques Gestió dels residus: poden llençar-se per la pica, deixant rajar aigua abundant.

Conclusions Resultats esperats Els alumnes han de proposar que la variable independent és la temperatura i la dependent el temps. S’han de mantenir constants les concentracions dels reactius. S’inclouen dos exemples de les gràfiques demanades.

Respostes al qüestionari 3. En cas de disposar de sistemes automàtics d’adquisició de dades, quines modificacions caldria fer al disseny de l’experiment? Adreceu-vos al CDECT per tenir el protocol d’aquest experiment amb sistemes EXAO, SADEX o MULTILOG.




Pas del procediment

Acció SÍ NO

1 Proposa algun sistema de mesurar la terbolesa i el temps que tarda a formar-se a diferents temperatures?

2 i 3 Estableix quines són les variables dependent i independent, així com les que s’han de mantenir constants?

4 El procediment proposat, es pot fer? Fa una gràfica correcta de velocitat de reacció? Anàlisi de les

dades Repeteix les mesures més d’una vegada?

SEGURETAT Es posa les ulleres de seguretat? Fa els càlculs sense demanar ajut? CÀLCULS Fa un ús correcta de les xifres significatives?

Propostes de recerca La cinètica es presta a realitzar diferents treballs de recerca. Per exemple: - Mesura de la velocitat a què escapa el CO2 d’una beguda carbònica estudiant els

diferents factors que hi influencien: la temperatura, l’agitació, la presència de nuclis de condensació... El seguiment es fa controlant el pH de la dissolució, el qual va augmentant amb el temps.

- Quina és la velocitat a què es torna agra una mostra de llet? El control es fa per mesures del pH, que va disminuint amb el temps.

També es pot proposar als alumnes un altre enfocament d’aquest treball pràctic i fer-lo molt més obert. Es planteja la següent qüestió:

Vegeu també “el rellotge d’iode” en el TPQ “Velocitat de reacció i efecte de la concentració”.

INVESTIGACIÓ Disposes d’una dissolució d’HCl de concentració 2 mol.dm-3 i d’una dissolució de tiosulfat de sodi de concentració 1 mol.dm-3 Has d’aconseguir que en mesclar-les es formi una terbolesa exactament quan han passat... (aquí, poseu-hi el temps que vulgueu).


Pila electroquímica que encén una bombeta - 1 -

32. Pila electroquímica que encén una bombeta

Objectius • Observar com es pot fer en el laboratori una pila que pot encendre una bombeta.

Introducció Les piles electroquímiques que s’acostumen a muntar en el laboratori com les piles de Daniell, acostumen a tenir una elevada resistència interna (uns milers d’ohm) de manera que no és possible que facin funcionar un motor o encendre una bombeta. La pila que es proposa té tres avantatges: - una resistència interna molt petita - les concentracions dels reactius són superiors a les estàndard de les piles Daniell

(1 mol/dm3) - es fa servir un metall molt reductor.


Equipament − Vas de precipitats de 250 cm3 − Proveta de 250 cm3 − Fil de coure gruixut (uns 30 cm) − Pinces de cocodril i cables de

connexió − Bombeta de 3,5 V amb el seu

portalàmpades − Voltímetre digital − Paper de vidre

Reactius i altres materials − Àcid sulfúric, dissolució 3 mol.dm-3 − Cinta de magnesi (uns 30 cm)

Despreniment de gasos irritants! Ulleres de seguretat i guants.

Procediment



1. Posa 150 cm3 de la dissolució 3 mol.dm3 d’àcid sulfúric en un vas de precipitats de 250 cm3. 2. Neteja bé amb paper de vidre els trossos de fil de coure i de cinta de magnesi. Cargola’ls en espiral (fes-ho entorn d’un llapis, per exemple). 3. Connecta els extrems dels dos fils metàl·lics mitjançant cables i pinces a una bombeta de 3,5 V. 4. Submergeix amb suavitat els extrems cargolats dels metalls en la dissolució.

CORROSIU



5. Observa i pren nota del que passa. Retira els metalls i connecta un voltímetre en lloc de la bombeta. Pren nota del voltatge d’aquesta pila. Qüestionari 1. Quan marca el voltímetre?. A partir de la taula de potencials d’elèctrode pots justificar el valor del voltatge d’aquesta pila? 2. Quines altres variables són importants a tenir en compte per explicar el voltatge d’aquesta pila electroquímica? 3. Descriu tots els fenòmens que s’observen en el funcionament d’aquesta pila.

Semipila Eº / V Mg2+| Mg -2,37 H+ | H2 0,0



Pila electroquímica que encén una bombeta



Temporització ! 20 minuts en total

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de segon cicle d’ESO (només com a demostració espectacular) i de batxillerat

Orientacions metodològiques Es tracta d’un experiment il·lustratiu que es recomana que faci el professor/a, i que dirigeixi després la discussió sobre les respostes a les qüestions.

Orientacions tècniques L’experiment convé fer-lo en llocs amb bona ventilació o en una vitrina per a gasos. Gestió dels residus: poden llençar-se a la pica deixant corre aigua abundant.

Conclusions

Resultats esperats El voltímetre ha de marcar més de 2,5 V. Les dues semireaccions principals en aquesta pila són:

2 H3O+ + 2e- → H2 + 2 H2O Mg → Mg2+ + 2e-

A més del despreniment d’hidrogen es pot notar el despreniment d’un gas irritant, probablement SO2. És possible que a més es produeixi la reacció: SO4

2- + 4H+ + 2e- → H2SO3 + H2O (Eº = 0,20 V) Cal tenir en compte que les concentracions són superiors a les estàndard per a una pila. Propostes de recerca Investigar com afecten la FEM d’una pila factors tals com la concentració dels reactius, la temperatura, la formació de compostos de coordinació... Es pot suggerir com a possible treball de recerca.


Piles de combustible - 1 -

33. Piles de combustible

Objectius • Muntar una pila de combustible. • Avaluar la importància que poden tenir les piles de combustible en un futur proper.

Introducció Les piles de combustible són com les piles electroquímiques, excepte que els reactius se subministren contínuament als elèctrodes. Normalment els reactius són l’hidrogen (o un combustible ric en hidrogen) i l’altre l’oxigen o l’aire. La primera pila de combustible data del 1839 quant l’anglès Sir William Grove la va descobrir tot fent l’electròlisi de l’aigua: en desconnectar la font d’alimentació dels elèctrodes va observar que circulava un corrent elèctric en el sentit oposat al de l’electròlisi. Aquest corrent estava originat per reaccions químiques que tenien lloc en la superfície dels elèctrodes i era a causa dels gasos hidrogen i oxigen formats durant l’electròlisi. En aquest treball pràctic, es munta un model de pila de combustible que fa servir hidrogen i oxigen com a reactius. En no disposar de fonts directes d’aquests dos gasos, el primer que hem de fer és obtenir-los per electròlisi d’una dissolució d’hidròxid de sodi.


Equipament - Cel·la electrolítica (pots usar el coll retallat

d’una ampolla de plàstic que poses cap per avall o un vas de plàstic)

- Tubs d’assaig (2) - Font d’alimentació c.c. 6 V - Cables i pinces de cocodril (2) - Elèctrodes de grafit (2) - Voltímetre digital

Reactius i altres materials − Dissolució de NaOH 1,0 mol dm-3 Ulleres de seguretat i guants.

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. El primer que cal fer és muntar un recipient amb un vas de plàstic qualsevol i dos elèctrodes de grafit, que fins i tot es poden recuperar de piles gastades (no alcalines). Es fan dos petits forats en el fons del vas per on es passen els dos elèctrodes de grafit i s’enganxen de manera que sobresurtin uns 3 o 4 cm dins el vas. Cal comprovar que el vas no perd líquid.

CORROSIUCÀUSTIC

vas de plàstic

elèctrodes de grafit



2. Omple el vas de plàstic amb uns 50 cm3 de dissolució d’hidròxid de sodi 1 mol.dm-3 i també s’omplen dos tubs d’assaig amb la mateixa dissolució i posa’ls invertits sobre els elèctrodes de grafit.

ulleres de seguretat i guants

3 Connecta la font d’alimentació al circuit. Deixa que s’electrolitzi la dissolució fins a tenir els dos tubs quasi plens de gas. 4. Desconnecta la font de c.c. i connecta els elèctrodes a un voltímetre digital. Ara la cel·la funciona com a pila de combustible i genera corrent elèctric. Li pots connectar un brunzidor per comprovar de manera auditiva que la teva pila realment subministra corrent elèctric. 5. Pren nota de la lectura del voltímetre i del temps, aproximat que la teva pila de combustible genera voltatge.

Conclusions

Anàlisi de les dades La reacció global que té lloc en aquesta pila mentre genera corrent és la mateixa que la reacció de combustió de l’hidrogen. L’avantatge principal però és en el rendiment (pot sobrepassar el 80%). 1. Descriu breument el mètode per obtenir energia de la combustió de l’hidrogen que no sigui amb una pila de combustible. Aquest sistema té un rendiment molt més baix. Per què? 2. L’ús generalitzat de les piles de combustible, podria ajudar a reduir el consum de combustibles fòssils? 3. La tecnologia de les piles de combustible és fa servir des de fa més de 30 anys en els programes espacials de la NASA. Els transbordadors s’alimenten d’energia elèctrica mitjançant piles de combustible d’hidrogen i oxigen. Raona si seria possible emprar aquesta tecnologia per a un automòbil. Qüestionari 1. Durant l’electròlisi, es forma hidrogen en un elèctrode i oxigen en l’altre. Quan la cel·la funciona com a pila de combustible, quin elèctrode és el positiu i quin és el negatiu? 2. En l’elèctrode saturat d’hidrogen, l’hidrogen reacciona amb els ions hidròxid formant aigua. Escriu una semiequació per aquesta reacció. 3. En l’elèctrode saturat d’oxigen, l’oxigen reacciona amb aigua i electrons, i forma ions hidròxid. Escriu una semiequació per a aquesta reacció. 4. Combina les dues semiequacions per a obtenir l’equació global de la reacció. 5. Quin paper representa l’hidròxid de sodi en aquesta pila?



Piles de combustible Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions. No es té en compte el temps

necessari per fer el muntatge de la cel·la electrolítica.


Orientacions metodològiques Aquest treball pràctic ha de ser complementari de treballs pràctics sobre muntatge de piles i d’electròlisi. Cal insistir que la pila de combustible és el dispositiu que tenim un cop hem omplert els dos tubs d’assaig amb els gasos H2 i O2.

Orientacions tècniques Es pot substituir la dissolució d’hidròxid de sodi per una dissolució saturada de sulfat de magnesi. Informació sobre les piles de combustibles i aplicacions es pot trobar a: • C. K. Dyer “Las baterías de los aparatos portátiles” Investigación y Ciencia (septiembre 1999) p. 66-71. • A. C. Lloyd “Una fábrica de energía en el sótano”. Investigación y Ciencia (septiembre 1999) p. 60-65. • A. J. Appleby “Motores electroquímicos”. Investigación y Ciencia (septiembre 1999) p. 54-59. • J. Corominas “Pilas de combustible”. Alambique, 27, p. 115-117. • “Transport i energia”. Eficiència energètica (Institut Català d’Energia, ICAEN), núm. 157 (febrer 2002). Distribució gratuïta. Gestió dels residus: poden llençar-se a la pica.

Conclusions

Resultats esperats Encara que la reacció química sigui la mateixa, el rendiment de les piles de combustible és molt superior al d’una màquina tèrmica, que cremant hidrogen i transferint la calor a una caldera, generés vapor d’aigua i aquest fes moure una turbina (un 40% aproximadament). El voltatge en condicions estàndard és de 1,2 V.



Respostes al qüestionari 1. Durant l’electròlisi, es forma hidrogen en un elèctrode i oxigen en l’altre. Quan la cel·la funciona com a pila de combustible, quin elèctrode és el positiu i quin és el negatiu? El positiu és el de l’oxigen; el negatiu és el de l’hidrogen. 2. En l’elèctrode saturat d’hidrogen, l’hidrogen reacciona amb els ions hidròxid i forma aigua. Escriu una semiequació per a aquesta reacció.

H2(g) + 2 OH-(aq) → 2 H2O(l) + 2 e- 3. En l’elèctrode saturat d’oxigen, l’oxigen reacciona amb aigua i electrons i forma ions hidròxid. Escriu una semiequació per a aquesta reacció.

½ O2(g) + H2O(l) + 2 e- → 2 OH-(aq) 4. Combina les dues semiequacions per a obtenir l’equació global de la reacció.

H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) 5. Quin paper representa l’hidròxid de sodi en aquesta pila? Actua com a electròlit. Criteris d’avaluació L’anàlisi de dades és l’apartat que millor es presta a valorar segons les fonts d’informació que l’alumne/a demostra haver consultat. Propostes de recerca Alumnes amb habilitats i ganes poden construir un dispositiu semblant però millorat, on primer s’obtingui gas hidrogen per electròlisi d’aigua fent servir cèl·lules fotovoltaiques com a font d’energia. Aquest gas és el que després consumeix la pila de combustible. Una altra possibilitat de recerca és provar de fer una pila de combustible que funcioni amb metanol i peròxid d’hidrogen o peroxodisulfat de sodi com a font d’oxigen. Aquesta pila es munta emprant un tub en U amb dissolució d’hidròxid de sodi a cada branca del tub, el qual conté llana de vidre en el fons. Es posen uns mL de metanol en ºun branca i el peròxid d’hidrogen o peroxodisulfat de sodi a l’altra. Es fan servir elèctrodes de grafit.


Determinació de la FEM de piles electroquímiques. - 1 -

34. Determinació de la FEM de piles electroquímiques.

Objectius • Muntar piles de Daniell corresponents a diverses reaccions redox i mesurar-ne la

força electromotriu. • Provar diferents muntatges amb diversos ponts salins.

Introducció La pila de Daniell està formada per dos elèctrodes metàl·lics submergits en dissolucions que contenen els seus respectius ions. Les dues dissolucions estan separades per un “pont salí”, que conté un electròlit inert, és a dir que no reacciona amb cap de les dues dissolucions que formen la pila. L’electròlit del pont salí pot ser: clorur de potassi, nitrat de potassi, nitrat d’amoni o clorur d’amoni, que són sals amb ions d’igual mobilitat


Equipament - Vasos de precipitats de 100 cm3 - Tub en U de vidre o tub de plàstic

flexible - Voltímetre digital i cables de

connexió - Comptagotes (per les “micropiles”) - Brunzidor

Reactius i altres materials - Dissolucions de concentració 1 mol.dm-3 de:

sulfat de coure (II) sulfat de ferro (II) nitrat de plom (II) sulfat de zinc nitrat de magnesi

- Tires dels metalls: coure zinc ferro (clau, no galvanitzat) plom magnesi

- Dissolució saturada de nitrat de potassi, clorur de potassi, nitrat d’amoni o clorur d’amoni, pel pont salí

- Agar-agar (per fer un tipus de pont salí) - Una patata una mica grossa - Paper de vidre - Tires de paper de filtre - Llana de vidre

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1- Preparació d’un pont salí (el/la professor/a t’indicarà quin és el tipus de pont salí

que has de preparar. No obstant això, hauries de llegir les diferents receptes de preparació).

NOCIU



Pont salí amb un tub en U Es necessita un tub de vidre en U o tub de plàstic flexible que es dobla en U i que s’omple amb la dissolució saturada de nitrat de potassi. Tapa les boques del tub amb llana de vidre ben atapeïda i, posant-lo uns instants cap per avall comprova que no perd líquid.

Diferents tipus de tubs de vidre en U per fer un pont salí. A: tub en U; s’omple amb les branques amunt. B: tub acabat en capil·lars, s’omple xuclant pel tub superior. C: s’omple pel tub superior, tapant prèviament els orificis inferiors. D: tub amb taps de ceràmica porosa; s’omple amb ajut d’un embut.

Els ponts salins amb agar-agar es preparen omplint un tub en U amb una dissolució aquosa d’agar-agar al 3%, més nitrat d’amoni en aigua al 10% (8 g en 100 cm3 d’aigua). Escalfa al bany maria fins que sigui transparent. Mentre està calent el líquid, omple el tub. Deixa reposar fins que es refredi (entre 3 i 4 hores). Cada tub en U necessita uns 50 cm3 de líquid.

Pont salí amb una tira de paper de filtre Talla trossos de paper de filtre allargats, doblega’ls per formar una trena i submergeix-los dins una dissolució saturada de nitrat de potassi fins que quedin ben amarats. El KNO3 no és tòxic i el pots tocar amb les mans. Una patata com a pont salí La polpa de la patata és un bon pont salí. Cal només tallar la patata per la meitat i amb ajut d’un tub d’assaig, anar fent petits “pous” on es col·locaran les dissolucions dels ions metàl·lics. Té l’avantatge de fer servir quantitats mínimes de reactius. Les piles amb aquest pont salí, les anomenarem “micropiles”.

2- Muntatge de les piles

Pila de Daniell Neteja bé les tires de metalls amb paper de vidre, renta-les després amb aigua destil·lada i eixuga-les. Posa dissolució de sulfat de coure (II), 1 mol.dm-3 en un dels vasos de precipitat i submergeix-hi la tira de coure. Connecta un cable amb pinça de cocodril a la tira. Això constitueix la semipila de coure. Posa dissolució de sulfat de zinc, 1 mol.dm-3 en un altre dels vasos de precipitat i submergeix-hi la tira de zinc. Connecta un cable amb pinça de cocodril a la tira. Això constitueix la semipila de zinc.

A B C D



Agafa un pont salí, que pot ser fet amb un tub en U o amb una tira de paper de filtre amarada en dissolució saturada de KNO3, i fes-lo servir per unir les dues semipiles. Tanca el circuit, connectant els cables al voltímetre (escala de 2 V). Assegura’t que el cable negre està connectat al terminal COM del voltímetre. Pren nota del que marca el voltímetre. Connecta el brunzidor i escolta si fa un soroll. En un altre vas de precipitats, posa dissolució de sulfat de ferro (II) 1 mol.dm-3 i submergeix-hi el clau de ferro. Connecta un cable amb pinça de cocodril a la tira. Ara tens una semipila de ferro. Fes servir un altre pont salí per unir dues semipiles, per exemple la de coure amb aquesta de ferro. Tanca el circuit, connectant els cables al voltímetre (escala de 2 V). Pren nota del que marca.

Buida els residus en un recipient especial.

“Micropiles” de Daniell amb una patata Talla la patata per la meitat i amb ajut d’un tub d’assaig, fes petits “pous”. En

cada un d’ells es col·loca una de les dissolucions dels ions metàl·lics.

Clava una petita tira del metall corresponent a l’ió metàl·lic present en la dissolució.

Amb el voltímetre vés prenent mesures dels voltatges entre les diferents semipiles. Assegura’t que el cable negre està connectat al terminal COM del voltímetre

Adquisició i enregistrament de les dades Les dades de voltatges obtinguts les pots anar recollint en unes taules de dades com les següents:

Cu Fe Pb Zn Cu Fe Pb Zn

Ten en compte que si el voltímetre marca un valor positiu, l’elèctrode que has connectat al cable vermell és el positiu de la pila. Si marca un valor negatiu, vol dir que tens connectat el cable vermell al pol negatiu de la pila.

patata, tallada

pont salí



Qüestionari 1. Compara els valors obtinguts amb els de les FEM de les piles muntades, calculats

a partir dels potencials de reducció estàndard. Són els mateixos? En cas que no ho siguin suggereix alguna explicació.

2. Escriu la notació de les diferents piles que has muntat. 3. Suposa que no coneixes el potencial de reducció del plom, com el podries calcular

a partir de la taula de dades? 4. En el cas de tenir una semipila amb plom i nitrat de plom (II), seria convenient un

pot salí amb clorur de potassi? 5. Alguns llibres d’experiments per a nens descriuen una “pila de llimona”, que es

munta amb dues tires dels metalls coure i zinc, clavats en una llimona. Quin paper representa que fa aquí la llimona?



Determinació de la FEM de piles electroquímiques.



Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions, si els alumnes fan servir ponts

salins de tires de paper o una patata

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat. En algun cas, alumnes de 4 d’ESO, limitat a una demostració del professor com a exemple de reacció química amb obtenció d’energia elèctrica.

Orientacions tècniques Les piles de Daniell acostumen a tenir una resistència interna molt elevada (alguns milers d’Ohm) de manera que, en general, no poden fer funcionar un motor o encendre una bombeta. La seva FEM només es podrà mesurar amb un instrument de gran impedància d’entrada, per exemple un polímetre digital (impedància d’uns 10 MΩ). Per tal que no es barregin les dues dissolucions de les semipiles es poden separar amb un separador porós: terra cuita, porcellana sense esmaltar, vidre sinteritzat..., però llavors apareix un potencial d’unió líquida a causa de la diferent mobilitat dels ions de les dues dissolucions el qual origina un error en la mesura de la FEM de la pila. Aquest potencial es pot eliminar quasi completament si s’interposa un altre electròlit entre les dues dissolucions en el qual les mobilitats de l’anió i del catió siguin quasi iguals. Aquest electròlit s’anomena “pont salí”. Una de les condicions que ha de complir l’electròlit del pont salí és que no reaccioni amb cap de les dues dissolucions de les semipiles, així, no es pot utilitzar clorur de potassi amb una de les semipiles on hi ha nitrat de plom, o ions plata, ja que es formaria un precipitat. Si els ponts salins d’agar-agar s’han d’utilitzar uns quants dies, cal mantenir-los en contacte amb la dissolució de l’electròlit per tal que no es ressequin. Quan es fa servir una patata com a pont salí convé no tardar massa temps a fer les mesures per tal d’evitar la difusió dels diferents ions. Gestió dels residus: les dissolucions de les semipiles es llencen en un recipient al qual s’afegeix carbonat de sodi sòlid perquè precipitin els cations dels metalls pesats. En acabar el curs, es filtra o decanta el líquid i el residu sòlid es llença al contenidor de sòlids.



Conclusions

Resultats esperats Potencials de reducció estàndard dels diferents elèctrodes i FEM de les diferents piles:

Cu Fe - 0,440 V

Pb - 0,126 V

Zn - 0,763 V

Cu 0,337 V

1,10 V

Fe 0,323 V

Pb 0,637 V

Zn La pila feta amb una llimona, zinc i coure ha de donar un voltatge una mica menor que la FEM de la corresponent pila de Daniell, en no tenir les condicions estàndard de concentració. Les semireaccions en aquesta pila són:

Zn (s) → Zn2+(aq) + 2e-

2 H+(aq) + 2e- → H2(g) Una pila feta amb una llimona, magnesi i coure (2,4V teòrics; 1,6V en el muntatge real a causa que part dels cations H+ es redueixen directament sobre el magnesi) pot fer funcionar un rellotge digital i, connectant-li un condensador de 1000 µF en paral·lel, també en pot fer funcionar un de quars. El condensador té la funció d’acumular càrrega en l’interval en què no es mou l’agulla del rellotge. Clavant elèctrodes de coure i de zinc en una patata, també es pot fer funcionar un rellotge digital. Les dues semireaccions ara són:

Zn (s) → Zn2+(aq) + 2e-

2 H2O (l) + 2e- → H2(g) + 2 OH-(aq) El problema d’aquestes piles (de llimona, de taronja, de patata, etc.) és la resistència interna, uns 800Ω. La mesura d’aquesta resistència es fa a partir del voltatge i de la intensitat que hi circula que és d’uns 2 mA. Si s’exprem la llimona i es col·loca el suc en un vas i es torna a muntar la pila dóna uns 60 mA . Si s’hi afegeix sal puja a 100 mA i és la mateixa que posant-hi sal i aigua. L'àcid no fa falta, ja que l'aigua conté també cations hidrogen i si es van gastant, pel principi de le Chatelier se'n formen més. La sal només augmenta la conductivitat i baixa la resistència interna. Respostes al qüestionari 4. En el cas de tenir una semipila amb plom i nitrat de plom (II), seria convenient un pot salí amb clorur de potassi? Es formaria un precipitat. 5. Alguns llibres d’experiments per a nens descriuen una “pila de llimona”, que es munta amb dues tires dels metalls coure i zinc, clavats en una llimona. Quin paper representa que fa aquí la llimona? Vegeu l’apartat “resultats esperats”.



Propostes de recerca Investigar com afecten a la FEM d’una pila factors tals com la concentració dels reactius, la temperatura... Proposar petites recerques entorn de la “pila feta amb una llimona” (vegeu l’apartat d’orientacions tècniques). Es tracta d’aconseguir que funcioni un rellotge digital. Una investigació que poden fer a casa és intentar resoldre el problema següent: Dissenya i construeix una pila electroquímica que subministri el màxim voltatge emprant només materials i productes que pots trobar a la cuina de casa.


Com determinar la càrrega d’un ió? - 1 -

35. Com determinar la càrrega d’un ió?

Objectius • Determinar experimentalment la relació que hi ha entre la quantitat de càrrega que

circula per una cel·la electrolítica i la quantitat d’hidrogen que es desprèn.

Introducció L’electròlisi de l’aigua produeix hidrogen, H2 i oxigen, O2. L’interès d’obtenir hidrogen és per usar-lo en les síntesis de l’amoníac, del metanol i en les piles de combustible. De fet hi ha mètodes més econòmics per obtenir aquests gasos que l’electròlisi de l’aigua, la qual requereix importants quantitats d’energia elèctrica. Però si en aquest treball pràctic obtenim hidrogen per electròlisi és perquè a partir de les mesures de la quantitat d’hidrogen i de la quantitat de càrrega que ha circulat, podrem repetir un càlcul important en la història de l’electroquímica: la determinació de la càrrega de l’ió H+. Així es pot entendre de quina manera científics com M. Faraday van descobrir les lleis de l’electròlisi. Les reaccions són:

oxidació: H2O(l) → ½ O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e-

reducció: 2 H+(aq) + 2 e- → H2(g)

H2O(l) → ½ O2(g) + H2(g)


Equipament - Recipient per fer l'electròlisi - Font d’alimentació 6 V c.c. - Tub de recollida de gasos o bureta de 25 cm3 - Cables de connexió i pinces de cocodril - Elèctrodes de platí - Amperímetre - Cronòmetre - Proveta de 10 cm3

Reactius i altres materials - Àcid sulfúric, dissolució 2 mol.dm-3

Ulleres de seguretat quan es manipuli l’àcid sulfúric.

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Munta l’aparell per fer electròlisi de l’aigua, de manera que el gas hidrogen obtingut vagi a parar a la bureta o tub de recollida de gasos. El tub o bureta ha d’estar ple d’aigua abans de començar l’electròlisi. 2. El muntatge i l’equipament que tens t’han de servir per saber: volum de gas obtingut en un determinat temps intensitat del corrent elèctric mentre fas l’electròlisi.

CORROSIU



3. Observa que no és necessari que recullis el gas oxigen. Connecta correctament l’amperímetre en el muntatge per poder mesurar la intensitat del corrent. (Algunes fonts d’alimentació ja tenen incorporat l’amperímetre.)


4. L'aigua pura és mala conductora del corrent i la seva electròlisi és molt lenta. Per això cal afegir entre 3 i 4 cm3 de dissolució d'àcid sulfúric que actua de catalitzador i accelera la reacció. Usa la proveta per mesurar el volum de dissolució d'àcid sulfúric. Quan l'hagis afegit al recipient, remena amb suavitat el tub, per facilitar la dissolució de l'àcid. 5. Connecta la font d’alimentació i recull un volum d’hidrogen suficient per fer els càlculs posteriors. Pren nota de totes les dades necessàries: temps, intensitat elèctrica i volum d’hidrogen.

Conclusions

Anàlisi de les dades 1. Els càlculs que has de fer són: a) càrrega elèctrica que ha circulat (en C) b) quantitat de gas hidrogen obtinguda (en mols) c) quantitat d’ions hidrogen que han reaccionat (en mols) d) nombre d’ions H+ que han reaccionat Amb aquestes dades ja pots trobar el quocient:

àtomcàrrega dequantitat

2. El valor acceptat actualment per la càrrega de l’ió H+ és d’1,60.10-19 C. Fes un càlcul de l’error relatiu de la teva mesura. 3. Indica quin o quins passos del procediment poden implicar fer els errors més importants. Qüestionari 1. Els noms d’electròlisi, elèctrode, electròlit, ànode i càtode els va inventar Michael Faraday, científic anglès del segle XIX. Quines són les reaccions químiques en l’ànode i en el càtode en l’electròlisi de l’aigua? 2. El descobriment fonamental de Faraday va ser comprovar que la massa d’un element obtinguda per electròlisi és proporcional a la quantitat de càrrega que circula i inversament proporcional a la càrrega de l’ió que reacciona en l’electròlisi. A partir de la taula de dades següent, troba el signe i la càrrega dels ions dels elements químics i completar l’última columna de la taula:



Element Elèctrode on es

desprèn o es diposita

relació

àtomcàrrega dequantitat

(en Coulomb per un àtom)

Signe i càrrega del ió

Hidrogen negatiu 1,60.10-19 Sodi negatiu 1,60.10-19 Calci negatiu 3,20.10-19 Potassi negatiu 1,60.10-19 Clor positiu 1,60.10-19 Alumini negatiu 4,80.10-19 Brom positiu 1,60.10-19 Coure negatiu 3,20.10-19 Oxigen positiu 3,20.10-19 3. En realitat a l’època de Faraday cap dels càlculs anteriors no es va poder fer, fonamentalment perquè el propi Faraday dubtava de la naturalesa atòmica de la matèria i a més tampoc no coneixia el que nosaltres anomenem “constant d’Avogadro”, calculada molt més tard per l’alemany Joseph Loschmidt. Malgrat tot, fent servir les idees de Faraday, indica en quina de les cel·les electrolítiques següents es dipositarà una major quantitat d’element.

4. En quina de les anteriors cel·les es dipositarà més massa de metall? 5. En recollir el gas hidrogen sobre aigua, has de recordar que l’espai que aparentment ocupa el gas hidrogen també està ocupat per vapor d’aigua. Quina correcció caldria fer si es vol mesurar només el volum ocupat pel gas hidrogen?

cel·la A cel·la B cel·la C

Cr3+Ag+ Zn2+

1 A durant 1 minut1 A durant 1 minut

+ + +- - -



Com determinar la càrrega d’un ió? Material per al professorat


Temporització ! 1 hora per a l’experimentació i les conclusions ! 1 hora per al qüestionari

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Alumnes de batxillerat.

Orientacions metodològiques Aquest experiment pot servir per introduir els càlculs en els processos electrolítics. Els alumnes han de saber calcular la quantitat de càrrega que circula a partir de les dades d’intensitat elèctrica i temps. Es dóna per descomptat que coneixen el mètode de recollir un gas sobre aigua.

Orientacions tècniques Els elèctrodes descrits en el material de l’alumnat són fils de platí d’entre un i dos centímetres soldats a cables de connexions. La soldadura s’ha de protegir bé sellant-la amb adhesiu tipus Araldite® per tal que el contacte amb l’aigua acidulada junt amb el pas de corrent l’oxidi. També es poden fer senzills “voltàmetres” amb vasos de plàstic, i dos elèctrodes de platí que travessen el fons del vas. Cada elèctrode es passa pel forat d’una agulla de cosir, que es clava per l’interior del fons del vas. Es deixa que només el fil de platí quedi dins el vas. Se sella després amb un adhesiu. L’agulla que sobresurt per la part inferior serveix per connectar els cables a la font d’alimentació.

Conclusions

Resultats esperats Per calcular la càrrega que ha circulat: q = I . t Per calcular la quantitat de gas hidrogen es pot fer l’aproximació de que 1 mol ocupa 24 litres en condicions estàndard. El valor obtingut és de l’ordre de magnitud de la càrrega elemental. La mesura del volum amb el tub de recollida de gasos i les xifres significatives que pot donar l’amperímetre són fonts d’error.



Respostes al qüestionari 1. Els noms d’electròlisi, elèctrode, electròlit, ànode i càtode els va inventar Michael Faraday, científic anglès del segle XIX. Quines són les reaccions químiques en l’ànode i en el càtode en l’electròlisi de l’aigua? En el càtode la reacció de reducció, a l’ànode la reacció d’oxidació. 2. El descobriment fonamental de Faraday va ser comprovar que la massa d’un element obtinguda per electròlisi és proporcional a la quantitat de càrrega que circula i inversament proporcional a la càrrega de l’ió que reacciona en l’electròlisi. A partir de la taula de dades següent, troba el signe i la càrrega dels ions dels elements químics i completa l’última columna de la taula:

Element Signe i càrrega de l’ió Hidrogen + 1 Sodi + 1 Calci + 2 Potassi + 1 Clor - 1 Alumini + 3 Brom - 1 Coure + 2 Oxigen - 2 3. En realitat a l’època de Faraday cap dels càlculs anteriors no es va poder fer, fonamentalment perquè el propi Faraday dubtava de la naturalesa atòmica de la matèria i, a més, tampoc no coneixia el que nosaltres anomenem “constant d’Avogadro”. Malgrat tot, fent servir les idees de Faraday, indica en quina de les cel·les electrolítiques següents es dipositarà una major quantitat d’element. A la cel·la B (ió monovalent). 4. En quina de les anteriors cel·les es dipositarà més massa de metall? A la cel·la B (0,067 g de plata). 5. En recollir el gas hidrogen sobre aigua, has de recordar que l’espai que aparentment ocupa el gas hidrogen també està ocupat per vapor d’aigua. Quina correcció caldria fer si es vol mesurar només el volum ocupat pel gas hidrogen? Cal restar el volum que ocupa el vapor d’aigua a la temperatura de l’experiment. Vegeu en el T. P. “determinació del zero absolut de temperatures”, les instruccions per dur a terme aquesta correcció. Criteris d’avaluació En ser una pràctica molt dirigida, els punts en que cal fixar-se són: - Si l’alumne/a ha seguit el procediment sense necessitat d’intervenció del

professor/a. - Si ha seguit les instruccions de seguretat. - Si ha fet els càlculs emprant correctament les xifres significatives. - Les respostes al qüestionari.



Propostes de recerca Diferents treballs de recerca tenen per mètode l’electròlisi, per exemple: - “Recuperació de la plata dels banys de revelat fotogràfic”. El mètode és una

electròlisi dels banys, fent servir grafit com a elèctrode i emprant voltatges de l’ordre de 1 V durant una setmana.

- “Com es fa el refinat d’un metall com el coure per electròlisi?” - “De quines condicions depèn la qualitat del platejat electrolític?” - “Quines són les millors condicions per al galvanitzat?” - “El reciclatge de l’estany de les llaunes de conserves”.


Fabricació d’un gel polimèric - 1 -

36. Fabricació d’un gel polimèric

Objectius • Preparar un material polímer fluid. • Investigar les propietats d’aquest material i relacionar-les amb la seva estructura

química .

Introducció Un “gel” és el nom que reben les dispersions col·loïdals, que tenen aigua com a fase dispersant i que estan parcialment deshidratades. Els gels tenen elevada viscositat i si no es mantenen en recipients tancats hermèticament acaben per perdre quasi tota l’aigua, transformant-se en col·loides sòlids. Aquest experiment consisteix a obtenir un “gel” format per cadenes d’un polímer, el polietenol o alcohol polivinílic, unides per enllaços d’hidrogen mitjançant anions borat.

Fragment de dues cadenes d’alcohol polivinílic unides per anions borat


Equipament − Provetes de 10 cm3 i de 100 cm3 − Vas de precipitats de 100 cm3

Reactius i altres materials − Dissolució d’alcohol polivinílic al 4% − Dissolució de metaborat de sodi (“borat de

sodi”), Na2B4O7.10H2O al 4% − Colorant alimentari (dissolució preparada) − Palets de fusta plans per remenar

El gel polimèric s’enganxa a la roba, moquetes, cabells, papers..., i costa molt de treure.

Procediment

Muntatge i execució de l'experiència 1. Mesura amb la proveta 50 cm3 de la dissolució d’alcohol polivinílic i posa’ls en un vas de precipitats. Si vols, pots afegir ara unes gotes d’un colorant alimentari per tenyir-lo. 2. Mesura ara 10 cm3 de dissolució de borat de sodi. Vés afegint, a poc a poc i agitant amb el palet, aquesta dissolució a la d’alcohol polivinílic que tens al vas de precipitats.



Observa com la mescla va adquirint cada vegada més viscositat. Quan ja ha adquirit una consistència suficient perquè romangui en forma de bola uns instants, vol dir que ja tens el gel polimèric fabricat. Ten en compte que potser no hauràs necessitat gastar tots els 10 cm3 de dissolució de borat de sodi.

El gel polimèric no és tòxic, el pots tocar amb les mans. Però, s’enganxa a la roba, moquetes, cabells, papers..., i costa molt de treure.

Observacions qualitatives Investiga les propietats del gel obtingut - Com es comporta quan l’estires amb suavitat? I quan l’estires amb un esforç

violent? - Prova si conserva la forma de bola quan el deixes damunt de la taula - Deixa’l caure sobre la taula des d’un metre d’altura i observa si rebota. Llença’l

amb força contra la taula. - Si tens un retolador de tinta soluble en aigua (moltes marques barates de

retoladors ho són), escriu alguna cosa en un paper, després posa el gel sobre l’escrit i treu-lo a continuació.

Qüestionari 1. Redacta unes frases explicant les propietats del gel polimèric que has fabricat. Potser coneixes algun producte comercial amb propietats semblants (els SLIME o BLANDI BLUB). Si pots, fes un estudi comparatiu de propietats amb el que has fabricat. 2. Assenyala les diferències entre la dissolució d’alcohol polivinílic que has emprat i el gel. Indica quin és el paper de les forces intermoleculars en el gel polimèric.



Fabricació d’un gel polimèric Material per al professorat


Temporització ! Entre 30 minuts i 1 hora per a l’experimentació i les conclusions

Alumnes als quals s'adreça l’experiència Públic de totes les edats

Propostes de recerca Investigació de les millors condicions per obtenir aquests polímers. Com depenen les propietats de les proporcions dels reactius.

Orientacions tècniques L’alcohol polivinílic o polietenol no és habitual en els laboratoris. En encarregar-lo cal demanar-ne un de massa molar elevada (superior a 65.000 g/mol). El projecte APQUA té un kit ja preparat per fer aquest experiment. La dissolució d’alcohol polivinílic es prepara de la següent manera: En un vas de 250 mL, es bullen100 cm3 d’aigua. S’apaga el foc i quan ha parat l’ebullició, s’hi van afegint a poc a poc i agitant constantment 4 g d’alcohol polivinílic. Un agitador magnètic és recomanable, ja que cal remenar durant molts minuts per aconseguir la dissolució completa. Mentre es dissol s’ha de mantenir en calent, però no ha de bullir, ja que es podrien trencar les cadenes del polialcohol. Els productes comercials citats (SLIME i BLANDI BLUB) estan fets amb goma de guar i metaborat de sodi. La goma de guar és un polisacàrid emprat com a additiu alimentari. Podeu provar si en trobeu en subministradors especialitzats (Merck). El gel polimèric s’ha de guardar en recipients o bosses de plàstic que tanquin bé i millor en un lloc fresc per evitar que es deshidrati. L’alcohol polivinílic es pot substituir per coles blanques d’enganxar que siguin a base d’acetat de polivinil. El gel obtingut és, però, d’inferior qualitat. Gestió dels residus: l’experiment no genera residus. Els alumnes s’emporten el gel polimèric fabricat. Els vasos de precipitats emprats es renten amb aigua i sabó.

Conclusions

Respostes al qüestionari El gel és un fluid no-newtonià. Aquests col·loides tenen com a característica que la viscositat no és constant, sinó que és en funció de la velocitat a què la dispersió és sotmesa a esforços de deformació.


La reacció d’esterificació - 1 -

37. La reacció d’esterificació

Objectius • Obtenir un èster a partir d’una reacció d’esterificació.

Introducció En aquest experiment prepararàs uns compostos orgànics amb el grup funcional èster mitjançant una reacció entre un àcid carboxílic i un alcohol. Moltes plantes sintetitzen èsters, els quals són els responsables de determinades essències d'olor agradable en les fruites. En el laboratori algunes d'aquestes essències es poden sintetitzar a partir de determinats àcids carboxílics i alcohols. La reacció forma compostos amb el grup funcional èster. Aquests compostos són emprats com a "aromes artificials" en pastisseria i en les indústries dels licors, en els casos en què fer servir autèntiques aromes o essències naturals encareixen molt el producte final. La reacció general d'esterificació és un equilibri químic entre les quatre espècies següents: àcid carboxílic + alcohol èster + aigua Una petita quantitat d'àcid sulfúric concentrat ajuda a desplaçar l'equilibri cap a la dreta, millorant el rendiment en l'obtenció d’èster. Alguns dels èsters presents en les essències i aromes naturals:

Taula 1 Èster en l'essència de

Metanoat d'etil rom Etanoat de benzil gessamí Salicilat de metil "Wintergreen" (1) Etanoat d’octil taronja Metanoat d’isobutil gerds Butanoat de pentil raïm Butanoat d'etil pinya

(1) Planta originària d'Amèrica del Nord. L'essència té utilitat en farmàcia i en alimentació.


Equipament − Matràs erlenmeyer de 250 cm3

amb tap foradat − Vas de precipitats de 500 cm3 − Refrigerant recte amb els seus

tubs de goma − Bec de Bunsen, trespeus i reixeta − Termòmetre − Suport, pinces i nous − Vas de precipitats de 100 cm3 − Embut de decantació − Trossos de ceràmica porosa

Reactius i altres materials − Diferents àcids carboxílics − Diferents alcohols − Àcid sulfúric concentrat (98%) − Dissolució saturada de NaCl


CORROSIU

LÍQUIDO

INFLAMABLE

IRRITANT

TÒXIC



Procediment 1. Munta l'aparell per fer l'esterificació que veus a la figura 1. Observa que la funció del refrigerant és evitar que escapin a l'atmosfera vapors volàtils, com acostumen a ser els dels èsters obtinguts, i permetre al mateix temps, fer la reacció a pressió atmosfèrica. Aquest muntatge s’anomena “a reflux”.

Figura 1. Aparell per fer l'esterificació 2. A partir de les indicacions de la professora o del professor, que et dirà quin dels èsters pots sintetitzar, has de pesar la massa corresponent a 0,1 mols de l'àcid carboxílic i a 0,1 mols de l'alcohol corresponent. Escriu l’equació de la reacció d’esterificació que has de dur a terme. Fixa’t en la taula 2 que mostra les fórmules d’alguns àcids carboxílics, els alcohols i els corresponents èsters. Posa els reactius en el matràs erlenmeyer. Afegeix uns trossos de ceràmica porosa per evitar que si la mescla bull, ho faci de manera violenta.

entrada d'aigua

sortida d'aigua



ÀCID ALCOHOL ÈSTER FÓRMULA

DE L’ÈSTER MASSA MOLAR

Metanoic (Fòrmic)

Etanol

Metanoat d'etil (Formiat d’etil)

H COOCH2CH3

74

Etanoic (Acètic)

Benzílic

Etanoat de benzil (Acetat de benzil)

164

Salicílic

Metanol

Salicilat de metil

152

Etanoic (Acètic)

Etanol

Etanoat d'etil

CH3 COOCH2CH3

88

Taula 2

Posa’t les ulleres de seguretat. Allunya els flascons de productes de les flames.

3. Comença per escalfar una mica d'aigua en un vas de precipitats de 500 cm3. Quan la seva temperatura sigui d'uns 60º C aproximadament apaga el foc. Ara introdueix en el matràs que conté la mescla d'àcid carboxílic i alcohol, unes 5 gotes d'àcid sulfúric concentrat. (PRECAUCIÓ: L'àcid és molt corrosiu.) 4. Col·loca el matràs erlenmeyer dins el vas de precipitats amb aigua calenta per fer un bany d'aigua. Munta el refrigerant i engega l’aigua de refrigeració. Procura que durant uns 6 o 7 minuts la temperatura del bany d'aigua es mantingui entorn dels 60ºC. Si olores amb precaució per la sortida del refrigerant, notaràs la formació d'un producte d’olor intensa. 5. Apaga el foc. Desmunta el refrigerant i treu el matràs del bany d'aigua. Quines espècies químiques conté el matràs? 6. Buida a poc a poc el contingut del matràs erlenmeyer sobre una dissolució saturada d'aigua amb sal. Observa la formació de dues capes incolores. Les pots separar per decantació, posant la mescla en l’embut de decantació i recollint la fase superior que correspon a l’èster. 7. Descriu l'aspecte de l’èster que has sintetitzat: estat, color, olor.

O

O

CH 3

OH

O

O CH3



Qüestionari 1. A la temperatura a què has realitzat l'esterificació, la constant d'equilibri val Kc = 4. Amb les dades de les quantitats de substància inicials que has emprat, omple el quadre següent i fes un càlcul de la quantitat i de la massa teòrica de l’èster que has obtingut.

àcid alcohol èster Aigua mols inicials mols que reaccionen x x mols en l'equilibri x x

[ ][ ]

[ ][ ]alcohol

aiguaàcidèster Kc =

2. Quina finalitat té buidar la mescla del matràs erlenmeyer en el vas de precipitats amb dissolució saturada d’aigua en sal? 3. Quina diferència veus entre una destil·lació simple i un reflux tant des del punt de vista del muntatge com de la finalitat del mateix?



La reacció d’esterificació Material per al professorat




Orientacions metodològiques Aquest experiment pot servir tant per practicar una reacció d’equilibri químic, amb un senzill càlcul estequiomètric, com per fer alguna pràctica de química orgànica. Els alumnes tenen ocasió de fer un muntatge amb reflux.

Orientacions tècniques Els reactius més habituals en el laboratori de química d’un centre de secundària són l’àcid acètic, de vegades el fòrmic, i els alcohols metanol i etanol, la qual cosa limita força el ventall d’aromes que es poden obtenir, per això és recomanable procurar-se altres reactius específics per a aquesta pràctica. L’àcid salicílic es compra en drogueries especialitzades. Els alcohols com 1-propanol, 2-propanol (alcohol isopropílic), butanol, pentanol (alcohol amílic) i benzílic també es poden trobar en aquestes drogueries. Vegeu la llista d’adreces a la pàgina Web http://www.xtec.es/cdec/

Cal una cura especial amb el metanol per la seva toxicitat i amb la inflamabilitat dels alcohols. Els flascons d’alcohol s’han de mantenir allunyats de qualsevol flama.

Gestió dels residus: es buiden en un recipient especial per a residus orgànics, que es manté tapat. Les deixalleries i punts verds admeten aquests residus com a dissolvents orgànics no clorats.

Conclusions

Resultats esperats Els alumnes que tinguin ocasió d’obtenir el salicilat de metil, reconeixeran fàcilment aquesta olor com la del component principal del fàrmac Reflex o dels productes desoxidants “6 en 1”.

http://www.xtec.es/cdec/



Respostes al qüestionari 2. Quina finalitat té buidar la mescla del matràs erlenmeyer en el vas de precipitats amb dissolució saturada d’aigua en sal? L’àcid carboxílic i l’alcohol que han quedat en l’equilibri químic s’hi dissolen. L’èster no s’hi dissol. Es posa sal per tenir una capa més densa que l’èster (la majoria tenen densitat entre 0,95 i 1,1 g/cm3) i facilitar la separació per decantació. 3. Quina diferència veus entre una destil·lació simple i un reflux tant des del punt de vista del muntatge com de la finalitat del mateix? Amb el reflux es conserva la mateixa composició, tant dels vapors com de la mescla del matràs.

Criteris d’avaluació Si aquesta experiència s’ha fet únicament amb caràcter il·lustratiu, l’avaluació cal fer-la sobre les respostes a les qüestions. Si són els alumnes els que munten l’aparell de reflux es tindrà en compte, a més, la correcció del muntatge en relació amb l’ajuda que ha estat demanada.

!"#$$ %"& ' !' """"(" (")*+,% % -./// , 0( 12 ( 3 2 % !"

#

− 3% % "

− . 44567− *

− /(− 8 !49:44;*

% 3< 1 =5

&#>,?@A7

# % , B 2% C

5! 407

! "

#$ 8 " !2"& ", % " =9 + % ! 3 " > ! %$1 % ! <%!"

7 ,!D"7 ! D"

/E/&

/A1,0,=#/FF/,A

7 ! %'D",% "

&$8% ! %%

"

E % 9"'(

#(G "@ > !'( "8G !"><"81<2 #)0 G0 %!*><"8*#+%),,+",' 2% !">-"

•8 < F " * H4 % 3 99 9"9"

# % H4 ! C 2 %"89 "&9"1 5 7 9"&2 9 !"

•8 " 9 !"

>I ! ! "

&% "# ! "> % !"A % ! 3 ", ! *D"

, GG!. J-"-/ #$ 2K "* %",2 ! !"%$ ED ' ,% % ! ! ! "&$ # % 3 64 %" %

0

#$>% !"%$*2 ! 3 ! 3 ! &$ 8 9' 5///716@L"7 ! !#!("7 8 4 2

1$ ?' M N" %)*+,%%% 2$#(, 0(12 9 " > +

(

/

34

1 % MN &#>,?@A ! :4 " > L4 + 2 ( ",<L4 <"# "#H! C 64 D" # " < "

- 5"

, ="/ O #8@ ! "

6

, ( ! "

' ,% %"

% ! % "# 2 ' % "

"

# M N% % "A LH %3!"8 %! "D !"#$%&' IP % H Q# 5 644H7" > !% "& ! ! !" ! 2 ' %9 !"> "

-/

7

R " 2 SH:;*%D L4445H47K % " 2 S$H;*%D O4445 7"# 66T>"

# !D9!+ H"

574 H44 444 H44 6444 6H44 L444 LH44 O444 OH44

:O

:Q

:S

S4

S6

SO

SQ

SS

$4

$6

$O

$Q

$S

44

46

4O

4Q

4S

4

574 H44 444 H44 6444 6H44 L444 LH44 O444 OH44

:Q

:S

S4

S6

SO

SQ

SS

$4

$6

$O

$Q

$S

44

46

4O

4Q

4S

4

6

574 44 644 L44 O44 H44 Q44 :44 S44

:Q

:S

S4

S6

SO

SQ

SS

$4

$6

$O

$Q

$S

44

46

4O

4Q

4S

4

6

>> 9 %5 7 "* " 2 % ! ! ! 44 "8 % 64 H

70

%$*2 !3 ! 3 ! *23 " ( % "&$8 9' 5///716@L"! !"6157ULV6@657→16@L578 4 2 44LO % LL4L5% 7 "

1$?' M N"%)*+,%%% * M() * N /,%",D# $$$/8=ASO64QL$:$Q"

2$#(, 0(12 9 "> + 8 % ",(0(12"* ,0(12 %( M" * N !)="

pràctiquesbatxilleratquimica

Documents