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.

Energia de les reaccions químiques

En una reacció química es formen uns productes a partir d'uns reactius, però també es produeix un intercanvi d'energia entre el sistema format per reactius i productes i el seu entorn. Aquest intercanvi d'energia consisteix en la cessió o l'absorció de calor.

La raó cal buscar-la, un cop més, en el procés que passa a escala microscòpica. Es requereix una aportació energètica per trencar els enllaços en els reactius; per altra banda, la formació dels enllaços en els productes allibera una certa quantitat d'energia; la diferència entre les dues quantitats d'energia és l'energia intercanviada durant la reacció.

 
En el transcurs d'una reacció química té lloc un intercanvi d'energia en forma de calor entre el sistema i el medi. Si la reacció allibera calor es diu que és exotèrmica, si, per contra, absorbeix calor, es denomina endotèrmica.

La combustió és la reacció entre una substància (el combustible) i l'oxigen atmosfèric. La característica fonamental d'aquesta reacció és que és molt ràpida i desprèn gran quantitat de calor. De fet, l'interès d'aquest procés químic no està en els productes que es formen (diòxid de carboni i vapor d'aigua), sinó en l'energia alliberada, que pot aprofitar-se directament o ser transformada en altres tipus d'energia. Estudiarem aquesta reacció en la unitat següent.

 

Per representar els canvis energètics que acompanyen una reacció química, vam recórrer a un diagrama d'energia, en el qual representem l'energia al principi (reactius), durant i al final de la reacció (productes).

 

Si la reacció transcorre en presència d'un catalitzador, l'energia d'activació disminueix. Per tant, en el diagrama d'energia observaríem que l'energia màxima assolida durant el procés és menor.

Velocitat de reacció

Algunes reaccions són extraordinàriament ràpides. Passa, per exemple, quan cremem qualsevol material combustible, com pot ser fusta, gasolina o un llumí. No obstant això, la combustió no s'inicia si no aportem energia al principi, sigui calor, una espurna elèctrica o fins i tot un fort cop. Això es deu al fet que es requereix una energia elevada per començar la reacció una velocitat apreciable.

La velocitat d'una reacció química depèn, lògicament, de la mateixa naturalesa dels reactius. Però, parell fins i tot mateix procés, pot variar segons les condicions en què aquest es produeix. L'estudi experimental de la velocitat de reacció ha posat de manifest la influència de diversos factors:• Un augment de temperatura produeix un increment de la velocitat de reacció• L'agitació i la barreja eficaç dels reactius també es tradueix en una major velocitat del procés• Si la reacció té lloc entre substàncies dissoltes, la velocitat és més gran com més grans siguin les concentracions dels reactius. En el cas de reactius en estat gasós, la velocitat s'incrementa en fer-ho la pressió a la qual es trobes. Si un dels reactius és sòlid, la velocitat de la reacció augmenta a disgregar, és a dir, en fer més gran la superfície de contacte.• La presència d'algunes substàncies diferents dels reactius -catalitzadors- produeix un notable increment de la velocitat de certes reaccions.
Teoria de les col·lisionsAquesta teoria sorgeix per explicar la diferent velocitat amb la qual transcorren les reaccions químiques i la influència dels factors anteriors. La hipòtesi en la qual es basa és que la reacció es produeix per la col·lisió entre les partícules que formen els reactius. De tots els xocs que tenen lloc, només alguns tenen l'orientació adequada i l'energia suficient perquè es trenquin els enllaços entre els àtoms dels reactius i es formin els nous enllaços que donaran lloc als productes de la reacció aquests xocs es denominen xocs eficaços.

CatalitzadorsSón substàncies que no es consumeixen en la reacció química, però que augmenten significativament la seva velocitat, tot i estar presents en molt petita quantitat.D'una manera simplificat, podem afirmar que el catalitzador actua enllaçant amb els reactius, afavorint d'aquesta manera la ruptura dels seus enllaços. El resultat és que es requereix menys energia perquè el xoc sigui eficaç i es formin els productes. Al final del procés, el catalitzador es regenera i torna a actuar sobre altres partícules de reactius.

Des de fa alguns anys, en els cotxes s'incorpora un catalitzador, la funció és disminuir la quantitat de gasos nocius procedents de la combustió incompleta de la gasolina i el gasoil. Aquest catalitzador consisteix en una fina reixeta de platí i rodi. Sobre aquesta malla metàl·lica, d'una superfície total equivalent a la de 50 camps de futbol, ​​ocorren la descomposició dels òxids de nitrogen i la combustió del monòxid de carboni i de les restes d'hidrocarburs; d'aquesta manera s'impedeix que els gasos altament contaminants arribin a la atmosfera.La catàlisi és importantíssima, tant des del punt de vista de la indústria química com des del punt de vista biològic. Així, nombrosos processos químics que es duen a terme en la indústria requereixen l'ús de catalitzadors perquè la seva velocitat sigui adequada i puguin resultar rendible. Alguns exemples són la síntesi de l'amoníac o la de l'àcid sulfúric.No obstant això, on els catalitzadors adquireixen un paper fonamental és en les reaccions que sostenen la vida. Són catalitzadors els enzims i les vitamines, protagonistes de centenars de reaccions necessàries per als éssers vius.

reaccions químiques

Les reaccions químiques succeeixen a cada segon i en tot l'univers. Les mateixes tenen diverses importàncies i poden ser de diferents tipus; aquestes reaccions succeeixen en l'aire, a terra, en els vegetals, en els animals, en els humans, a la cuina, en automòbils, etc. Són exemples de reaccions químiques la respiració, la fotosíntesi, el metabolisme, la reproducció, el creixement, la formació d'òxids, d'hidròxids, d'àcids, de sals, de roques i terra, etc. No obstant això, perquè es realitzi una reacció química és necessària la presència d'una o més substàncies, perquè es descompongui o es combinin i així formar les o la nova substància

Una reacció química sol anar acompanyada per una sèrie de fenòmens fàcilment perceptibles. Són quatre:
• Els canvis de color inesperats
• L'aparició de precipitats (substàncies poc solubles en el si d'una dissolució)
• El despreniment de gasos
• I variacions brusques de temperatura

Si afegim clorur de sodi a un tub que conté nitrat de plata, es produeix un precipitat de clorur de plata, indicador d'una reacció química. Com podem veure a la imatge següent.

 
El coneixement de l'estructura atòmica de la matèria ha permès comprendre què passa durant un procés químic i justificar les lleis experimentals. Ara sabem que una reacció química té lloc quan els àtoms dels reactius es reagrupa de forma diferent per donar els productes. Això vol dir que es trenquen els enllaços en els reactius i es formen nous enllaços, que donen lloc als productes de la reacció.

En la reacció de formació de l'aigua, els àtoms d'hidrogen i d'oxigen, inicialment enllaçats entre sé, es reagrupen formant molècules triatòmiques. Com ve representat en la següent imatge.

 

Parlar de reaccions químiques és parlar de canvis, els quals succeeixen a cada moment i en qualsevol lloc, pel que el seu estudi és de vital importància. Entre les importàncies estan:
• Mitjançant elles es produeixen nous compostos, com medicines.
• Els éssers es mantenen vius gràcies a elles, és el cas de la digestió, la fotosíntesi i la respiració.
• En el medi ambient ocorre la combustió (el foc per a diversos usos).

Classificació de les reaccions químiques:

Actualment coneixem una enorme quantitat de reaccions químiques. Per facilitar el seu estudi, es classifiquen segons els reactius que intervenen o el procés que té lloc. Algunes de les més importants són les següents:

• Reaccions de formació, en què es forma un compost a partir dels seus elements constituents.

En el vídeo adjunt pots observar la reacció de formació del clorur de sodi:
2 Na + Cl2 → 2 NaCl
El vídeo està subtitulat en anglès i és de fàcil comprensió.

 

• Reaccions de descomposició, en què un compost es descompon en altres més simples o, fins i tot, en els seus elements constituents.

• Reaccions de substitució, en què una part de la molècula d'algun reactiu és substituïda per una altra, procedent d'un altre dels reactius.

En el vídeo adjunt s'aboca dissolució de AgNO3 sobre un fil de coure. Quan es posa en contacte l'AgNO3 amb el coure, observes que el fil canvia de color i es fa més gruixut. En acostar la imatge veus els cristallets de plata. Al cap d'un temps, la dissolució es torna blau. En agitar el fil la plata es desprèn. S'ha produït la reacció:
Cu + AgNO3 → Cu (NO 3) 2 + Ag

 

• Reaccions de neutralització àcid-base, en què els reactius són un àcid i una base, i els productes una sal i aigua.

• Reaccions redox, en què té lloc un intercanvi d'electrons entre els reactius. Dins d'aquestes, destaquen per la seva importància les reaccions de combustió, un dels reactius és l'oxigen. Les reaccions àcid base i les redox les estudiarem amb més detall al final de la unitat.

El color verd de les mongetes

La verdor de les mongetes verdes les fa apetitoses. Què es pot fer per conservar-lo? Els següents trucs ens poden ajudar:
 
• Posar un gran volum d'aigua a bullir i amb sal. Però no "aigua salada", en el punt mitjà està la virtut. D'aquesta manera aconseguim dues coses, una que les verdures no perdin les seves pròpies sals minerals a una aigua sense sal. I la segona que l'aigua bullint no trenqui aquest punt d'ebullició en incorporar les verdures més fredes.

• Observarem que les verdures de seguida es posen verd intens. Si ens passem en el temps de cocció, no només les verdures estaran toves sinó que a més perdran el color, convertint-se en un verd apagat. Això es deu a la clorofil·la que hi ha al seu interior.

• Provarem les verdures, quan estiguin al “dente”, com la pasta, les traiem i servim de manera immediata o bé, la refresquem en aigua freda de forma, també, immediata. D'aquesta manera aconseguim que la clorofil·la es fixi a la verdura i no es perdi si la deixem refredar a temperatura ambient. Després podríem donar-li calor, o gratinar, o simplement reescalfar una mica al microones o donant-li una immersió en aigua bullint d'uns segons.
 

El color verd dels vegetals es deu a les molècules de clorofil·la de les seves cèl·lules. Quan les mongetes s'il·luminen amb llum blanca, les molècules de clorofil·la absorbeixen cert rang de l'espectre visible; això els confereix el color verd. La clorofil·la deu el seu capacitat d'absorció de la llum a la seva estructura química,, en el centre hi ha quatre àtoms de nitrogen que envolten a un magnesi. L'estructura guarda semblança amb la de l'hemoglobina, si bé en aquesta, que és la responsable del color vermell de la sang, el centre l'ocupa l'àtom de ferro, no de magnesi.

Certes reaccions químiques canvien el color d'aquesta categoria de molècules: en medi àcid, l'àtom central de magnesi es reemplaça per un hidrogen. Així esdevé quan es couen les mongetes en presència d'un àcid la clorofil·la es transforma en feofitina, un compost que confereix a les mongetes un color groc marró poc apetitós. L'addició de bicarbonat, que torna bàsica la solució (és a dir, redueix la concentració d'ions hidrogen), evita el venes grogues.

La degradació de la clorofil·la durant la cocció dels vegetals constitueix un problema industrial. Atès que els consumidors jutgen el frescs dels vegetals pel seu color, nombrosos equips d'investigació s'han centrat en el estudis de l'estabilitat de la clorofil·la.