Quin percentatge de carboni hi ha en una petxina?

 

Publicat a EduQ  Educació Química, Societat Catalana de química

Resum
En els continguts de química de primer de batxillerat figura la determinació de formules empíriques i la composició centesimal d’un compost com a temes importants dins el bloc on s’estudia el concepte de quantitat de substància.
La determinació del percentatge d’un element en un compost sigui per mètodes d’espectroscòpia o per mètodes més senzills permet mostrar als estudiants com es pot arribar a obtenir la formula empírica d’un compost.
En aquest article s’explica una manera de realitzar un treball pràctic força senzill però que presentat com a pràctica indagativa, pot ajudar a promoure entre l’alumnat un cert grau de creativitat

El que s’exposa a continuació és fruit de diferents classes amb alumnes de primer de batxillerat en que se’ls ha proposat aquesta activitat i les diferents idees, propostes i accions que han suggerit i de quina manera s’han anat resolent les dificultats que han anat sortit en el desenvolupament de l’activitat.
Les intervencions del professor s’han escrit en cursiva

Plantejament del problema. Discusió prèvia a l’aula.

Històricament, la formula dels compostos s’ha anat establint per anàlisi de manera que cada un dels elements que formen un compost s’ha identificat per les seves propietats.
En aquest cas es fixa l’atenció en unes petxines recollides de la platja que sabem que contenen àtoms de carboni en forma de carbonat de calci. El problema que es presenta és com saber quin percentatge en carboni contenen aquestes petxines.
Per trobar-ho, podem agafar la referència dels mètodes emprats pels químics en el segle XIX quan volien determinar el percentatge en carboni d’un compost orgànic: després de pesar-ne amb la màxima precisió una mostra del compost, el cremaven amb excés d’oxigen, recollien el diòxid de carboni format i en mesuraven la quantitat.

Sabent aquest procediment es planteja als alumnes la pregunta:

Com podríem “convertir” el carboni del carbonat de calci en diòxid de carboni?

Dues alumnes diuen que el carbonat de calci reacciona amb els àcids, formant-se CO2 en la reacció. Qui fa aquesta proposta recorda que haver fet una pràctica en el laboratori en que uns trossets de petxines de la platja, que el professor ha informat que són carbonat de calci, reaccionen amb l’àcid clorhídric i l’efervescència correspon al CO2 format.
El professor indica que també es pot escalfar fortament el carbonat de calci i es converteix en CO2 i CaO. (El professor indica a més, que això és el procés fonamental de la fàbrica de ciment que queda a pocs quilòmetres de la localitat, però la informació deixa força indiferents als estudiants)

S’escrieun les dues reaccions possibles:
CaCO3(s) + 2HCl(aq) = CO2(g) + CaCl2(aq) + H2O(l)
CaCO3(s) = CO2(g) + CaO(s)

Recordem que la finalitat és trobar el percentatge de carboni en el carbonat de calci. Què farem un cop hem obtingut el CO2?

Hi han opinions que diuen que cal pesar-lo. La majoria no sap que fer-ne.
Pot-ser no s’ha platejat bé la pregunta i es formula d’una altra manera:

El que necessitem és saber els mols de CO2, perquè són els mateixos que els mols d’àtoms de carboni en el carbonat de calci. Com podríem saber els mols de CO2 format?

Uns quants estudiants recorden ara que el tema que s’està fent és la determinació de formules empíriques i que han fet alguns problemes on precisament calculen els mols d’àtoms de carboni en un compost, coneixent els mols de CO2.

El CO2 és gas en condicions ambientals; canviarà la massa de la petxina un cop escalfada fortament?.

Això fa que bastants s’adonin que si es pesa una mostra, s’escalfa fort i un cop freda es torna a pesar, la pèrdua de massa serà la massa de gas, d’aquí poden trobar els mols d’àtoms de carboni en la mostra.

Per altra part, el volum molar d’un gas en condicions estàndard és de 24 litres, serveix aquesta informació si volem utilitzar la reacció del carbonat de calci amb l’àcid per mesurar els mols de CO2?

Per evitar que els alumnes no perdin el fil del que s’ha fet fins ara, es posen en dues columnes els dos mètodes discutits i es comença redactar dos procediments alternatius:

Art petxina-1

Els muntatges proposats corresponen als següents esquemes:

Art petxina-2

Les xeringues de que disposem poden mesurar un màxim de 60 cm3. Les provetes fins a 250 cm3. Això condiciona la massa inicial de la mostra que hem d’agafar. Si és molt gran, el volum de gas serà superior al que podem mesurar, si és massa petit, obtindrem tant poc gas que difícilment el podrem apreciar. Si volem obtenir entorn dels 50 cm3 de gas, amb quina massa de carbonat de calci és convenient treballar?
En uns experiments fets anteriorment, s’ha trobat que 100 g de CaCO3 generen 1 mol de CO2, que en condicions estàndard són 24 L…..

Uns quants alumnes calculen per una “regla de tres” que la massa ha de ser tant petita com de l’ordre d’uns 0,2 g (hi ha qui necessita ser informat de que 1 litre correspon a 1000 cm3).
Si seguim l’alternativa 1 (escalfar fortament) necessitarem tenir una massa més gran, de lo contrari les balances de que disposem, no marcarien la diferència de pes . Prenem de l’ordre de 2 g

Abans de començar, és millor assegurar-se de quina temperatura cal assolir per que el carbonat de calci de la petxina es descomposi en CO2(g) i CaO(s). Si escric en un cercador a Internet “Forn de calç”, el primer enllaç que trobo em porta a:
http://ca.wikipedia.org/wiki/Forn_de_cal%C3%A7
i aquest a :
http://lafura.cat/suplements/arxius/ARXIUS/PAISATGE/fitxa%201/PAISATG1.HTM

On trobo la següent informació:

En les valls del Foix, del Gaià de Miralles i del massís del Garraf era (el forn de calç) una activitat molt habitual i aquest era un treball complementari en el cicle de feines del pagès.

El procés de transformació de la pedra en calç es feia per combustió, en un forn de forma rodona a dins la terra o a la roca. Es necessitaven temperatures de 800°C perquè el carbonat càlcic s’alliberés de l’anhídrid carbònic i passés a òxid de calci. La calç obtinguda tenia moltes aplicacions: servia per emblanquinar, desinfectar, per ensulfatar les plantes contra les plagues i per a la construcció.

El professor aclareix que qui ha escrit el text, on diu l’anhídrid carbònic es refereix al CO2

La dada de que cal arribar a 800ºC i que amb el bec de Bunsen no hi arribarem, fa que quedi descartada l’alternativa 1.

Pot ser en alguna sortida a la muntanya o en un excursió heu vist antics forns de calç actualment abandonats. En la nostra comarca abunda la roca calcària i sempre hem disposat de fusta, la calç (òxid de calci) s’ha fet servir per la construcció durant molts segles.

Per tant, ens quedem amb els dos procediments dissenyats en l’alternativa 2 .
Es fan sis grups (total 19 alumnes) tres seguiran el procediment de recollir el gas amb una xeringa, els altres tres, recollir sobre aigua.

Quin material ens caldrà per cada un dels procediments?
Matràs erlenmeyer 250 mL amb tap foradat
Recipient gran o cristal•Litzador i proveta de 100 mL
Xeringa gran
Solució HCl 1 M
Mostra de la petxina
Tub de goma
Balança (sensibilitat 0,01 g)

Per a recordar els passos dissenyats es facilita a cada estudiant un full resum del procediment consensuat. (Annex-1)

És important recordar que teniu temps suficient per repetir més d’una vegada la determinació.
La quantitat de dissolució HCl ha de ser d’uns 50 mL.

A més es fa mirar el pictograma de seguretat del flascó de HCl. El professor indica on estan les ulleres de seguretat. Tots agafen les ulleres. La majoria se les prova, després se les deixa sobre el cap o les té ben posades damunt la taula de treball.

Resultats obtinguts:

Els grups que utilitzen el muntatge amb la xeringa, necessiten lubricar-la molt bé amb vaselina per que l’èmbol es mogui amb facilitat. Malgrat això, observen que el volum obtingut els porta a resultats de l’ordre d’un 7% o d’un 8% de carboni en el carbonat de calci en la petxina.

Els grups que recullen el gas, per desplaçament d’aigua troben percentatges d’un 10% aproximadament

No tenen gaires dificultats en la manipulació,
El que costa més és tenir la proveta ben plena d’aigua i invertida dins el cristal•litzador. Tots necessiten una demostració prèvia de com fer-ho.
Posem uns 50 mL de la solució HCl 1 M en el matràs, pesen la mostra, de la que el professor, prèviament n’ha fet trossos petits d’uns 0,2 g, i la llencen dins el matràs. que tapen immediatament.

Anàlisi dels resultats

En realitat podem comprovar si el percentatge que heu trobat és el que hauria de tenir la mostra si fora tota de carbonat de cali.
Si faig el càlcul, sabent la formula, em dóna que el percentatge de carboni ha de ser del 12%.
Quin percentatge heu trobat vosaltres?

La diversitat de resultats obre un debat entre ells. Queda clar que el mètode de recollir el gas omplint una xeringa no és tant bo com semblava, malgrat que amb el segon procediment tampoc es troba el percentatge que se suposa té.

Quines accions del procediment que heu seguit sembla que es podríem millorar i reduirien l’error?

Unànimement la culpa és del material i instrumental emprat: xeringa de plàstic que no funciona bé, balança que té poca “precisió”… A més alguns reconèixen haver tardat una mica massa de temps entre que han llançat la mostra i han tapat el matràs.

Realment aquestes xeringues tenen el problema de que hi ha força fregament i per tant, possiblement el volum que marca és de gas CO2 comprimit i no a la pressió atmosfèrica, és a dir, hem obtingut el gas que caldria, però no hem pogut mesurar el seu volum correctament.

Quina era la sensibilitat dels aparells i instruments de mesura que heu fet servir en aquest experiment?

La pregunta sorprèn a l’alumnat, cal tornar a agafar una proveta i fer observar que la sensibilitat és de 2 mL i que la xeringa també està graduada en 2 mL

Alguns afegeixen a la llista de millora del procediment: “usar una proveta i una xeringa amb més sensibilitat”

El procediment de recollir el gas de manera que desplaça aigua pot ser també té algun inconvenient i hi han detalls que no hem tingut en compte. per exemple: en el volum de gas que llegim hi ha el CO2 però també una mica de vapor d’aigua…

Ara uns quants afegeixen a la llista: ”caldria tenir en compte el volum ocupat per el vapor d’aigua”

Per últim faré una demostració d’una propietat característica del gas diòxid de carboni que pot explicar, que malgrat que veiem que el tros de petxina desapareix i es forma CO2, el volum de gas recollit és inferior al que hauríem de tenir…

El professor mostra una ampolla d’una beguda carbònica (en aquesta ocasió una gasosa), tancada i per estrenar. Fa veure que dins només s’observa un líquid transparent, és a dir només veiem una fase. Ara obre l’ampolla i es formen nombroses bombolles de gas.

El gas que ara s’escapa, és CO2, abans estava dissolt. El CO2 és un gas força soluble en aigua….
Sabent això, què caldria fer amb el procediment per recollir tot els gas que es forma?

Les propostes dels estudiants són força interessants: fins i tot suggereixen de canviar l’aigua per oli o de substituir l’aigua per la gasosa que “com que ja té gas, ja no s’hi dissoldrà més”
La “pèrdua” de volum de gas degut a la seva solubilitat en aigua, es produeix en els dos procediments, encara que quan es recull amb una xeringa, l’error és sens dubta per la poca facilitat de lliscar de l’èmbol.
Conclusió

Aquest treball pràctic, realment necessita molt més temps de l’habitual. La major part s’inverteix en la planificació i en l’anàlisi dels resultats.
Als estudiants se’ls insisteix que no és tracta d’obtenir el valor correcta, si no de provar la millor manera de posar en pràctica una idea i de poder avaluar si aquesta és prou bona o es pot millorar.
Tots els estudiants reconeixen que el fet de que en lloc de seguir un full d’instruccions, hagin anat elaborant el procediment, els ha permès intervenir més directament.

Es podria dedicar molta més atenció a l’anàlisi dels resultats i fer, per exemple les correccions al volum mesurat, tenint en compte la pressió de vapor de l’aigua a la temperatura de l’experiment. Altra millora seria, la lectura del volum, igualant les pressions del gas recollit amb la pressió atmosfèrica (vegeu el mètode en el protocol “Com es pot determinar la massa atòmica del magnesi” a la Web del CDECT:
http://www.xtec.es/cdec/recursos/pagines/practicq.htm )

 

ANNEX 1 subministrat als alumnes, com a recordatori dels passos a realitzar per fer els càlculs.Art petxina-3

jcorominas

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà Els camps necessaris estan marcats amb *