Pràctica de laboratori

Aquí teniu el guió de la pràctica de laboratori que realitzarem.

"Transformació successiva d'aigua en vi, llet, llet bullint i cervesa"

Objectiu:  Veure una sèrie de reaccions químiques successives en què hi ha canvis de color i despreniment de gasos.

Reactius:  
• Hidròxid de bari  
• Fenolftaleína  
• Àcid sulfúric  
• Bicarbonat sòdic  
• Dicromat potàssic •
 5 gots de precipitat

Preparació:  
1. Preparar una dissolució saturada de Ba(OH)2 i introduir-la al primer got de precipitat.
2. Posar unes gotes de dissolució saturada de fenolftaleïna en el segon got.  
3. Introduir 1 ml de H2SO4 concentrat al tercer got.  
4. Posar mitja cullerada de bicarbonat sòdic en el quart got.  
5. Finalment, introduir uns pocs cristalls de dicromat potàssic en el cinquè got i cobrir-los amb una mica de bicarbonat sòdic.

Desenvolupament:  
1. Afegir el "aigua" (got 1) en el vas 2 per a que aquesta es converteixi en vi.  
2. A continuació transferir el vi (got 2) al vas 3 de llet per convertir el vi en llet.
3. Abocar la "llet" (got 3) al vas 4 amb bicarbonat perquè sembli que està bullint.  
4. Finalment transferir la llet (got 4) obtinguda al vas 5 per a transformar la llet en cervesa.

Qüestions:  
1. Dibuixar un esquema que indiqui que hi havia a cada vas durant la preparació.
2. Escriure que compost contenia cada got  
3. Quina reacció o procés té lloc en cadascuna de les transferències entre gots? 4. Què és el que més t'ha sorprès de la pràctica?

Reaccions redox

Habitualment fem servir el terme oxidació per referir-nos al deteriorament que pateixen els objectes metàl·lics que estan a la intempèrie. No obstant això, des del punt de vista químic, l'oxidació és un concepte relacionat amb l'intercanvi d'electrons.

Una reacció d'oxidació-reducció o redox és un procés en el qual els reactius intercanvien electrons per formar els productes. El reactiu que perd electrons s'oxida i rep el nom de reductor, mentre que el guanya electrons es redueix i és l'oxidant.

Per tant, l'oxidació i la reducció són dos processos que tenen lloc simultàniament, és a dir, si una substància es redueix (guanya electrons), és perquè la mateix temps una altra que es troba en les seves proximitats s'oxida (perd electrons). Nombrosos processos químics que succeeixen al nostre entorn són reaccions redox, com les ja esmentades de combustió.



La pila salina té un embolcall de zinc que s'oxida, mentre al seu interior una pasta de diòxid de manganès es redueix a triòxid de dimanganeso. Conté, a més, una barra de grafit que actua com a càtode i clorur amònic com a mitjà de reacció. Si, en lloc d'aquest últim, s'utilitza hidròxid de sodi o hidròxid de potassi la pila és alcalina i la seva potència i durada són més grans.

 
Els acumuladors de plom són les bateries dels cotxes. En l'ànode, una placa de plom s'oxida a ió Pb2+, que queda com sulfat de plom (II), mentre que en el càtode, una placa d'òxid de plom (IV) es redueix a ió Pb2+. El medi en el qual es desenvolupa aquest procés és àcid sulfúric concentrat, pel que cal tenir molta cura en manipular el contingut d'aquestes bateries.

Les piles de botó són de mida petita, contenen mercuri, que és molt tòxic i contaminant. El zinc s'oxida en l'ànode, mentre que l'òxid de mercuri es redueix en el càtode a mercuri elemental.

 

Àcids i bases

Les reaccions que tenen lloc entre els àcids i les bases són de les més importants, tant en la indústria com en el metabolisme dels éssers vius. Els àcids i les bases presenten propietats físiques i químiques molt diferents. Com propietats generals podem indicar:

Els àcids:
• Sabor àcid
• Corrosius
• Reaccionen als metalls i ataquen al marbre, desprenent gasos
• Neutralitzen a les bases
• Acoloreixen de vermell la tintura de tornassol
 

Les bases:
• Sabor amarg
• Corrosives i de tacte sabonós
• Neutralitzen als àcids
• Pinten de blau la tintura de tornassol
 

Per quantificar la força d'un àcid o una base, el químic danès Soren Peter Sorense va proposar en 1909 l'escala de pH. Es tracta d'una escala que va del 0 al 14; una substància neutra (sense propietats ni àcides ni bàsiques) se situa en el 7. Els àcids tenen un pH inferior a 7 (més baix com més forts són). Les bases tenen un pH superior a 7 (que augmenta a mesura que ho fa la seva força).

 

Una de les propietats característiques dels àcids i les bases és que perden la seva acidesa o basicitat, respectivament, quan reaccionen entre si. Aquesta reacció rep, en conseqüència, el nom de neutralització. En una reacció de neutralització entre un àcid i una base, els productes de la reacció són una sal i aigua.

 Àcid + Base  ---->   Sal + H2O

Càlculs en volum i reactiu limitant

Càlculs en volum

Quan els reactius i productes d'una reacció química són gasos, es pot establir una altra relació d'estequiometria entre els seus volums. Segons la Hipòtesi d'Avogadro, en un mateix volum de diferents gasos, mesurats en idèntiques condicions de pressió i temperatura, hi ha el mateix nombre de molècules.

La hipòtesi va resultar ser correcta. En conseqüència, la proporció que hi ha entre les molècules dels reactius i els productes ha de coincidir amb la proporció entre els volums. Per realitzar càlculs estequiomètrics en volums recorrem a:

Llei dels gasos ideals:      PV = nRT

En aquesta fórmula, n és el nombre de mols de gas i R és la constant dels gasos ideals, el valor és de 0,082 atm · L / K · mol. Per tant, la pressió ha d'anar en atm, el volum en L i la temperatura a K.




Reactiu limitant

Tot i que els reactius d'un procés químic reaccionen d'acord amb una determinada proporció, és freqüent que les quantitats de reactius que realment tenim no s'ajustin a aquesta proporció. En aquest cas, queda algun reactiu sense consumir. Quan això passa, anomenem reactiu limitant a aquell que es consumeix completament. L'altre reactius (o altres) està en excés. En una situació com aquesta, els càlculs han de referir-se sempre al reactiu limitant.

Càlculs estequiomètrics

Quantitat de matèria: El mol
La proporció entre les molècules no té interès pràctic, ja que les nostres mesures i observacions es realitzen a escala macroscòpica i no molecular. Per establir un pont entre el món microscòpic (en el qual ocorre el procés) i el món macroscòpic (en el qual vam realitzar les mesures) s'ha definit una unitat que mesura la quantitat de matèria (n), magnitud fonamental del SI.
Un mol és la quantitat de matèria que conté un nombre de partícules igual a 6,022 · 10 ^ 23 (nombre d'Avogadro, Na).

Observa que el mol es refereix a un nombre fix de partícules, siguin àtoms, molècules, ions o electrons. No és una unitat de massa, ja que, segons les partícules que tinguem la massa d'1 mol serà diferent. Així, la massa d'1 mol d'hidrogen és de 2 g i d'1 mol d'oxigen és de 32 g, això seria la massa molar (M). La relació que hi ha entre la massa (m), la massa molar (M) i la quantitat de matèria (n) és n = m / M

Càlculs en mols i en massa

La utilitat de les relacions d'estequiometria obtingudes d'una equació química radica que permeten realitzar càlculs de quantitats de reactius o de productes. En aquesta reacció podem afirmar que per cada 2 mols d'hidrogen (H2) que reaccionen amb 1 mol d'oxigen (O2) es formen 2 mols d'aigua (H2O). Observa que la relació d'estequiometria molar coincideix amb la proporció entre les molècules.

 

Si ara considerem la massa molar de reactius i productes, arribem a la relació estequiomètrica en massa. Tornem a l'exemple de la formació de l'aigua:

Per tant podem dir que per cada 4 g d'hidrogen (H2) que reaccionen amb 32 g d'oxigen (O2) es formen 36 g d'aigua (H2O). En el següent vídeo teniu una explicació de com fer els càlculs.

Equacions químiques

Tota la informació, tant qualitativa com quantitativa, sobre una reacció química es plasma en l'equació química. En una equació química es representen els reactius a l'esquerra i els productes a la dreta, mitjançant les seves fórmules respectives, separats per una fletxa que indica el sentit del procés.

A més, s'ha d'indicar l'estat d'agregació de cada substància: sòlid (s), líquid (l), gas (g) o en dissolució (aq). L'equació pot incloure també la calor de reacció; en el cas que sigui exotèrmica, la calor apareixerà com a producte de la reacció. Si és endotèrmica s'escriu al costat dels reactius.

Perquè l'equació química reflecteixi el procés real que té lloc a escala atòmica, cada substància va precedida d'un nombre (el seu coeficient estequiomètric), de tal manera que el nombre d'àtoms de cada element en els reactius i en els productes sigui el mateix . En aquest cas, diem que l'equació aquesta ajustada i podem interpretar-la tant qualitativa com quantitativament.

Moltes reaccions químiques no transcorren en un únic sentit, ja que a mesura que es formen els productes, aquests també reaccionen entre si per regenerar els reactius. En aquest doble procés, arriba un moment en el qual s'assoleixen unes determinades concentracions fixes de reactius i productes, es diu que s'ha aconseguit l'equilibri químic.

L'obtenció dels coeficients estequiomètrics d'una equació química sense ajustar es basa en un procediment de tempteig. Fixa't en el següent exemple:

 

Lleis de les reaccions químiques

Llei de conservació de la massa

Enunciada pel químic francès Antonie Laurent de Lavoisier en 1789, és considerada la primera de les lleis de la química, doncs, malgrat la seva simplicitat, té una gran importància per a l'estudi quantitatiu de les reaccions.

Llei de conservació de la massa: En tota reacció química, la massa total dels reactius és igual que la massa total dels productes, és a dir, la massa es conserva.

Es justifica considerant novament que una reacció química és el resultat d'una reordenació dels àtoms dels reactius; en el procés no es perden ni es creen àtoms, només es reagrupen. Per tant, la massa total ha de ser la mateixa abans i després de la reacció.

 

Llei de les proporcions definides

Va ser descoberta pel químic francès Joseph Louis Proust al voltant de 1800, quan investigava la proporció entre les masses dels reactius consumits en diversos processos químics.

Llei de les proporcions definides: Les masses dels elements que es combinen per formar un determinat compost guarden sempre la mateixa proporció.

Aquesta llei es compleix en qualsevol reacció de formació. Per exemple, en la reacció de formació de l'aigua, tot i que les quantitats d'hidrogen, oxigen i aigua variïn, la proporció entre elles es manté constant.


Altres lleis de les reaccions químiques

A més de la llei de conservació de la massa i de la llei de les proporcions definides, en la mateixa època es van descobrir altres lleis que relacionaven les quantitats de reactius i productes en els processos químics.

Una d'elles és la llei de les proporcions múltiples de Dalton, segons la qual les quantitats d'un element que es combinen amb una quantitat fixa d'un altre per formar diferents compostos estan en una proporció de nombres enters senzills.

 

Una altra és la llei dels volums de combinació de Gay-Lussac, que ens diu que els volums dels gasos que intervenen en una reacció química, mesurats en les mateixes condicions, es troben en una relació de nombres enters senzills.