Recull d’experiments de Químicaper a estudiants de batxillerat:

Fem Química al Laboratori

Facultat de Química

UNIVERSITAT DE BARCELONAU

B

Recull d’experiments de química per a estudiants de batxillerat: Fem Química al Laboratori

Francesc A. Centellas Masuet Professor titular. Departament de Química Física

Montserrat Corbella CordomíProfessora titular. Departament de Química Inorgànica

Gemma Fonrodona Baldajos Professora titular. Departament de Química Analítica

Carmen González Azón Professora titular. Departament d’Enginyeria Química

Jaume Granell SanvicenteCatedràtic d’universitat. Departament de Química Inorgànica

Ernesto Nicolás Galindo Professor titular. Departament de Química Orgànica

Barcelona, novembre 2009

Publicacions i Edicions

UNIVERSITAT DE BARCELONA

U

B

ÍNDEX

Patrocinadors i agraïments 9 Relació de professors 10 Pròleg 11 Introducció 13 La Química i la vida 15 L’ensenyament de la Química a la nostra facultat 17

- Química - Enginyeria química - Enginyeria de materials - Altres titulacions

La seguretat al laboratori 19 - Normativa - Símbols de perillositat - Elements de seguretat Material de laboratori 22 - Material general - Material per filtrar - Material per subjectar - Material per mesurar volums - Material per netejar La gestió i el tractament dels residus generats en el laboratori 25 Guions dels experiments

1. Fem reaccions a petita escala 27 2. Racó del fred 31 3. Aigües dures, aigües blanes 37 4. Destil·la que destil·laràs 45 5. Identificant analgèsics 51 6. El detectiu químic 57 7. Caiguda lliure en un medi viscós 61 8. Posa’t les piles !!! 67 9. Colorants 75 10. Materials sintètics 81 11. Dels minerals als metalls 89 12. Treure una taca 97 13. El racó del color 103 14. Il·lumina l’escena del crim 111

Si voleu, encara podeu seguir fent Química Treballant amb seguretat al laboratori 121

Descobrint algunes pàgines interessants d’Internet 122 Entreteniments 123

Pròleg

Aquest llibre presenta una selecció d’experiments de laboratori pensats específicament per a l’estudiantat de batxillerat.

Després d’una primera part en la que es fan uns breus comentaris sobre l’interès i la importància de la química a la vida quotidiana, s’introdueix al lector en alguns aspectes molt bàsics de la seguretat al laboratori i de la gestió i tractament dels residus generats. A continuació, es presenta un conjunt d’experiments de laboratori pensats per a estudiants de batxillerat de les modalitats de Tecnologia i de Ciències de la Naturalesa i de la Salut, que s’han dissenyat en base als següents criteris:

- que els puguin realitzar els propis estudiants - que els puguin realitzar en un temps relativament curt (màxim 30 minuts) - que els puguin realitzar sense perill - que permetin relacionar els productes químics emprats amb productes d’ús quotidià.

Per acabar, en la part final del llibre, es presenten uns quants exercicis per seguir treballant alguns dels conceptes que s’han tractat prèviament.

L’experiència de vuit anys consecutius realitzant aquests mateixos experiments amb més de 9.000 estudiants de primer i segon de batxillerat a la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona ens ha demostrat que el seu nivell és prou adequat i que són suficientment atractius per apropar els estudiants a la química experimental.

Per acabar, ens plau molt donar les gràcies a tots els professors de la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona i als dels centres de batxillerat que ens han visitat perquè, amb els seus comentaris i suggeriments, ens han ajudat a millorar tant aquest llibre com els experiments que conté.

Els autors

13

INTRODUCCIÓ

Fem Química al Laboratori. Per què?

Fem Química al Laboratori és una activitat que té com a principal objectiu obrir una nova via que faciliti el contacte i el millor coneixement recíproc entre els centres d'ensenyament secundari i la universitat.

Amb Fem Química al Laboratori volem contribuir a la formació de l’alumnat de batxillerat posant al seu abast, a més de tota la nostra il·lusió, alguns dels recursos amb els que compta la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona.

Al llarg de les jornades Fem Química al Laboratori l’alumnat farà, en una sessió d'unes tres hores, una sèrie d'activitats pràctiques. En concret, amb l'ajut dels professors de la facultat, els alumnes realitzaran per si mateixos alguns experiments, se'ls introduirà en les normes de seguretat més elementals i en la correcta gestió o tractament dels residus generats al llarg de la seva activitat.

Ens agradaria que trobéssiu que Fem Química al Laboratori és una activitat profitosa i interessant i que, en qualsevol cas, ens indiquéssiu les mancances detectades, així com els vostres suggeriments per tal de poder millorar. També ens agradaria, de pas, que us emportéssiu a les vostres cases una idea sobre la Química molt més ajustada a la realitat de la que, sovint, es presenta en alguns mitjans de comunicació social.

14

La Química. Per a què?

En primer lloc voldríem fer uns breus comentaris sobre què és la Química, quina és la naturalesa d’aquesta ciència experimental i el que la Química ha aportat (i segueix aportant) a la humanitat.

La Química es pot definir com la ciència experimental que estudia la constitució de la matèria, les transformacions que aquesta pateix i llurs propietats.

Més enllà de formalismes i definicions serioses podem afirmar que Química és tot allò que som i que ens envolta i forma part de l’univers material.

Certament, la Química existeix des de molt abans que l’home es decidís a anomenar-la d’aquesta manera. Existeix des del començament del temps, des de que es té noticia del fet més llunyà. La Química es troba lligada, juntament amb la Física, al naixement i desenvolupament de tot. Si mirem al nostre voltant, endavant i endarrera en el temps i l’espai, en qualsevol moment o situació, allà i des de sempre, hi trobarem la Química.

Fer Química és gratar en el perquè de les coses i trobar noves respostes que ens ajudin a superar els reptes que ens planteja la pròpia vida. En aquest sentit, un altre objectiu de Fem Química al Laboratori és d’apropar-vos a una ciència en la que tots hi som immersos i de la que tots ens en beneficiem, amb la voluntat de que del coneixement neixi la curiositat i que el gust per aprendre us porti a entendre millor les diferents manifestacions de l’univers material.

27

1. Fem reaccions a petita escala

INTRODUCCIÓ

Aquestes experiències es realitzaran en tub d'assaig. S'utilitzarà el comptagotes per manipular líquids. Les reaccions entre dues dissolucions es faran afegint gota a gota una de les dissolucions sobre l'altra, amb agitació.Tingueu en compte que en dissolució les sals habitualment estan totalment ionitzades i, per aquest motiu, si utilitzeu en l’experiment 1 una dissolució de iodur de potassi, KI, esteu afegint ions K+ (aq) (que en aquest experiment no reaccionen) i ions I- (aq). Realitzeu les experiències amb 1 mL de dissolució, (ompliu el tub fins una alçada de 1 cm aproximadament o bé podeu considerar que 1 mL equival a unes 20 gotes). Observeu els canvis produïts i seleccioneu una de les tres respostes que us indica el guió.

OBJECTIUS DE LA PRÀCTICA

Realitzar algunes reaccions a escala de tub d’assaig i observar els canvis produïts

PROCEDIMENT EXPERIMENTAL:

Experiment 1 Introduïu un clau de ferro dins de 2 mL d’una dissolució de sulfat de coure (II), CuSO4, i observeu el color del clau un cop hagueu acabat tots els experiments d’aquesta pràctica. La reacció que es produeix és:

3 Cu2+

(aq) + 2 Fe (s) 2 Fe3+

(aq) + 3 Cu (s)

Tenint present que el coure, Cu, és un metall de color vermell fosc, seleccioneu una de les següents respostes:

1 cm

28

No s'ha produït cap reacció ja que no observo cap canvi. L'aparició d'una capa de color vermell fosc recobrint el ferro ens indica que

s'ha produït la reacció. És impossible que es produeixi aquesta reacció ja que el ferro és un metall

molt noble (quasi tan noble com l'or).

Experiment 2 Addicioneu unes gotes d’aigua de clor, Cl2 (aq), a 1 mL d'una dissolució diluïda de bromur de potassi, KBr.

La reacció que es produeix és:

Cl2 (aq) + 2 Br- (aq) 2 Cl

- (aq) + Br2 (aq)

Donat que el brom, Br2, quan es troba en medi aquós té un color taronja, seleccioneu una de les següents respostes:

S'ha produït la reacció, ja que la dissolució queda incolora. No observo cap canvi en el tub, cosa que indica que no s'ha produït la

reacció. L'aparició de color indica que s'ha produït la reacció.

Experiment 3Afegiu gota a gota 1 mL d’una dissolució d’amoníac, NH3, 2M sobre 1 mL d'una dissolució de sulfat d’alumini, Al2(SO4)3.La reacció que es produeix és:

Al 3+ (aq) + 3 OH-(aq) Al(OH)3 (s)

Donat que l’hidròxid d’alumini, Al(OH)3, és un sòlid de color blanquinós insoluble en aigua, seleccioneu una de les següents respostes:

No s'ha produït la reacció ja que, en el fons del tub d'assaig, no observo cap sòlid precipitat.

No s'ha produït la reacció ja que, en el tub d'assaig, observo una dissolució transparent.

El fet que el líquid del tub d'assaig hagi adquirit un aspecte tèrbol o lletós ens indica que s'ha produït la reacció.

29

Experiment 4

Tracteu 1 mL d'una dissolució de peròxid d’hidrogen, H2O2 al 3% amb 1 mL d'una dissolució d’àcid sulfúric, H2SO4 al 10% i afegiu a continuació unes gotes d'una dissolució de permanganat de potassi, KMnO4.La reacció que es produeix és:

2 MnO4-(aq) + 6 H

+(aq) + 5 H2O2 (l) 2 Mn

2+(aq) + 8 H2O (l)+ 5 O2 (g)

Tenint present que l’anió permanganat, MnO4-(aq), és de color lila, seleccioneu

una de les següents respostes:

No s'ha produït la reacció, ja que la dissolució queda incolora. L'aparició de color indica que s'ha produït la reacció. La desaparició de color, així com l’efervescència deguda a la formació

d’oxigen, O2 (g), indica que s'ha produït la reacció.

Experiment 5 Tracteu 1 mL d’una dissolució de peròxid d’hidrogen, H2O2 al 3% amb unes gotes d’àcid sulfúric, H2SO4, del 10% i afegiu a continuació unes gotes d'una dissolució d’iodur de potassi, KI. La reacció que es produeix és:

H2O2 (l) + 2 H+

(aq) + 2 I- (aq) 2 H2O (l) + I2 (s)

Donat que el iode, I2, en dissolució aquosa és de color marronós, seleccioneu una de les següents respostes:

No s'ha produït la reacció, ja que la dissolució queda incolora. No observo cap canvi en el tub, cosa que indica que no s'ha produït la

reacció. L'aparició de color indica que s'ha produït la reacció

Experiment 6 Tracteu 1 mL d’una dissolució de nitrat de plom, Pb(NO3)2, amb unes gotes de dissolució d’iodur de potassi, KI. La reacció que es produeix és:

Pb2+

(aq) + 2 I-(aq) PbI2 (s)

30

Donat que el iodur de plom, PbI2, és un sòlid de color groc insoluble en aigua, seleccioneu una de les següents respostes:

El fet que el líquid del tub d'assaig hagi esdevingut tèrbol i de color groc ens indica que s'ha produït la reacció.

No s'ha produït la reacció ja que, en el fons del tub d'assaig, no observo un sòlid.

No s'ha produït la reacció ja que, en el tub d'assaig, observo una dissolució transparent.

SEGURETAT I RESIDUS:

Experiment 1 Decanteu la solució al contenidor de residus de Solucions amb metalls (Al, Mn, Cu, Pb, Ag) (etiqueta groga) i el clau metàl·lic al contenidor de Compostos inorgànics no tòxics, no reactius (etiqueta groga).

Experiment 2 En acabar l’experiment, heu de gestionar la solució com un residu, abocant-lo al contenidor de Solucions amb halogens (etiqueta groga).

Experiments 3 i 4 Aboqueu els residus al contenidor de Solucions amb metalls (Al, Mn, Cu, Pb, Ag) (etiqueta groga).

Experiment 5 Aboqueu la solució al contenidor de Solucions amb halogens (etiquetagroga).

Experiment 6 Aboqueu el contingut del tub d’assaig al contenidor de Solucions amb metalls (Al, Mn, Cu, Pb, Ag) (etiqueta groga).

31

2. Racó del fred

INTRODUCCIÓ

Habitualment, quan volem refredar una beguda, com l’aigua o un refresc, acostumem a afegir uns glaçons de gel. Ara bé, no refredem un got de cervesa o de vi afegint-hi gel, ja que s’aigualeix la beguda. Per tant, el gel, tot i que molts cops és adient per refredar, presenta algunes limitacions, que es poden evitar utilitzant altres substàncies refrigerants, com poden ser la neu carbònica o el nitrogen líquid. Per escollir quin és el refrigerant més adient en cada cas, cal basar-se en les seves propietats.

Gel (H2O sòlida)

Tal i com ja hem comentat, el gel és la substància que utilitzem més habitualment per refredar. El posem en les begudes, el fem servir per conservar aliments i també quan ens hem donat un cop, per fer baixar la inflamació.

A la pressió d’1 atm el gel fon a 0º C. En aquestes circumstàncies, hi ha el canvi de fase de sòlid a líquid, o de líquid a sòlid, i per això a aquesta temperatura se l’anomena temperatura normal de fusió, Tf.

TfH2O (s) H2O (l)

Per tant, el gel refreda fins a temperatures properes als 0 ºC. Per altra banda, en fondre forma aigua, cosa que suposa que pot mullar o diluir el producte que estem refredant si el posem al seu interior.

Neu carbònica o gel sec (CO2 sòlid)

El diòxid de carboni, CO2, quan es troba en estat sòlid té un aspecte força semblant al de la neu, d’aquí que se l’anomeni neu carbònica.

Tot i que a temperatura ambient el diòxid de carboni és un gas, pot solidificar refredant-lo a –78 ºC. Un cop refredat a aquesta temperatura, aquest compost té la peculiaritat de que, a pressió atmosfèrica, passa directament de l’estat sòlid a la forma gasosa sense passar per la fase líquida. A aquest fenomen se l’anomena sublimació i la temperatura a la que es dóna aquest procés quan la

!

El fred també crema!

32

pressió és d’1 atm rep el nom de temperatura normal de sublimació (Ts = -78 ºC).

TsCO2 (s) CO2 (g)

Com que el CO2 sòlid, a diferència del gel, no passa per la fase líquida, pot refredar un producte sense mullar-lo ni humitejar-lo. Aquesta és la raó per la que se l’anomena gelsec.

El CO2 en estat sòlid, o sigui, en forma de neu carbònica o gel sec, està com a màxim a –78 ºC, cosa que ens permet refredar a temperatures força més baixes que el gel i la fredor es conserva molt més temps. Això fa que sigui molt útil, per exemple, en la conservació i transport de productes congelats (medicaments, substàncies i teixits biològics, aliments, etc.), ja que amb

un adequat aïllament de porexpan es pot fer un trajecte d’uns 10 dies de viatge, sense haver d’afegir més neu carbònica per refredar.

Una altra aplicació curiosa de la neu carbònica és que permet eliminar la pintura (o vernís) d’una superfície amb molta facilitat, sense necessitat d’utilitzar dissolvents. Quan es bombardeja la superfície a netejar amb trossos de CO2 (sòlid), la pintura es tona fràgil, es contrau, el que provoca la formació d’esquerdes i acaba trencant-se, desprenent-se de la superfície. Aquest sistema no embruta, ja que només queden les restes de pintura o vernís i el CO2, que a temperatura ambient passa a gas. A més, i a diferència del que succeeix quan s’utilitzen dissolvents, en ser el diòxid de carboni pràcticament atòxic, aquesta mena de decapatge és segur per la persona que el realitza.

Nitrogen líquid, N2 (l)

El Nitrogen, que a temperatura ambient és gas, pot convertir-se en líquid si la temperatura és prou baixa. La temperatura en la que podem trobar el nitrogen en forma líquida és a –196 ºC. Aquesta és l’anomenada temperatura de liquació Tl (pas de gas a líquid) o temperatura d’ebullició (pas de líquid a gas)

Tl N2 (g) N2 (l)

Per tant, donada la baixa temperatura a la que es troba el nitrogen líquid, permet refredar molt ràpidament, des de temperatura ambient (25º C) fins a temperatures properes als –196º C.

33

La majoria de productes biològics, quan es refreden amb nitrogen líquid, congelen ràpidament sense que es trenquin les parets cel·lulars. És per això que el nitrogen líquid es fa servir en la preparació d’aliments congelats.

En medicina, el nitrogen líquid permet conservar teixits, òrgans i mostres diverses, per a la seva anàlisi o per a una posterior utilització, sense que s’alterin. Les cèl·lules, submergides en ell, poden conservar-se durant anys. També s’utilitza en cirurgia, especialment en dermatologia, atès que el fred fa disminuir el dolor i les hemorràgies.

PROCEDIMENT EXPERIMENTAL:

Ara podrem “jugar” una mica amb aquestes substàncies refrigerants.

1 Posa sobre un vidre de rellotge un tros de gel, H2O(s) i sobre un altre vidre de rellotge una barreta de neu carbònica, CO2 (s).

Passats uns minuts observa què queda sobre cada vidre de rellotge i dóna’n una explicació.

2 Posa una mica de neu carbònica en un got amb aigua. Com pots explicar el que passa? Compara el pH de l’aigua abans d’afegir-hi la neu carbònica i després d’afegir-la.

3 En un got de precipitats posa-hi una mica d’acetona i a continuació hi afegeixes amb precaució unes barretes de neu carbònica. Què observes? (La temperatura d’ebullició de l’acetona és de 55 ºC i la temperatura de fusió de –95 ºC).

4 Posa una mica d’aigua en un tub d’assaig i refreda aquest tub amb la mescla frigorífica obtinguda en l’apartat anterior. Observa el que passa i contesta la següent pregunta:

Es congela l’aigua? sí no

5 Introdueix una mica de neu carbònica en un globus de goma làtex. Tanca el globus amb un nus i observa què passa en el decurs del temps.

6 En les condicions ambientals usuals (temperatura propera als 25 ºC i pressió atmosfèrica d’1 atm (1.013 hPa), en quin estat físic creus que es trobaran aquests tres compostos:

34

H2O sòlid líquid gas

CO2 sòlid líquid gas

N2 sòlid líquid gas

7 Submergeix amb molt de compte un globus de goma làtex ple d’aire en nitrogen líquid,

Què observes?

a) no passa res

b) el globus s’encongeix

c) el globus s’infla més

Tenint present la llei dels gasos ideals:

Què creus que ha passat?

a) s’ha escapat l’aire de dins del globus

b) en disminuir la temperatura (T), el volum (V) ocupat per l’aire ha disminuït

c) en disminuir la temperatura, la pressió (P) exercida sobre el globus disminueix

8 Treu, amb l’ajuda d’unes pinces, el globus del bany de nitrogen líquid i comprova l’aspecte que té.

Espera uns minuts i indica el que observes:

a) no passa res.

b) el globus s’infla de nou.

9 Introdueix el globus que havies omplert amb neu carbònica, dins del bany de nitrogen líquid. Què observes? Passa el mateix que quan el globus està ple d’aire?

10 Treu el globus del bany de nitrogen líquid. Fixat en la presència d’un sòlid a l’interior del globus. Quin compost és aquest sòlid?

11 Submergeix amb molt de compte un tros de goma elàstica, un tros de plàstic i una fulla o una flor, en nitrogen líquid, N2.

Treu-los i observa els canvis induïts: (elasticitat i fragilitat).

PV = n RT

35

Deixa’ls que recuperin la temperatura ambient. Es recupera també l’elasticitat d’aquests materials?

12 Posa en dos tubs d’assaig una mica de sofre en pols i introdueix un d’aquests tubs en el bany de nitrogen líquid. Al cap d’uns minuts observa la diferència de color entre el sofre que has refredat i el que s’ha mantingut a temperatura ambient.

TRACTAMENT DELS RESIDUS

De fet, en aquest experiment no es generen residus especials.

En tot cas, al finalitzar la pràctica podem llençar el material que hem fet servir (globus, gomes...) que no es pot tornar a utilitzar al contenidor de residus banals.

I PER ACABAR, UNA ENDEVINALLA

Què refreda més, un quilogram de gel o 10 gde neu carbònica?