1.1 Què és el foc?

Parlen els conductors de l’ambulància. Escoltem-los:

– Conduir en aquestes condicions és ben perillós… No vull ni imaginar el que podria passar si en aquest moment, mentre passo per aquest bosc espès, caigués un llamp i provoqués un incendi. Tinc ganes de deixar els arbres enrere!
– Com és que el llamp pot provocar un incendi?
– Bona pregunta. De fet, ni tan sols sé què són les flames. Tu què creus: que són materials o només són llum?
– Vols dir que pot ser que la fusta es transformi en llum?

És ben comprensible aquesta preocupació del conductor de l’ambulància, perquè sap molt bé que els arbres “atrauen el llamp”, que el “llamp pot produir foc” i les conseqüències que això tindria, amb tant d’oxigen que ens envolta. En sap força coses, del foc, com vosaltres, perquè a tots ens és familiar, però reconeix que encara no en sap prou.

Ens caldrà conèixer-lo millor per opinar sobre les dues darreres preguntes (les flames són només llum? la fusta es transforma en llum?) que formulem d’una manera una mica diferent:

Les flames són només llum o són materials?

Tots hem vist foc de prop alguna vegada: un foc de llenya, un foc de carbó, una cuina de gas o una espelma. És possible que us hagueu deixat emportar per la seva màgia en un ball incansable. Doncs ara intentarem intervenir sobre una flama, la d’una espelma, per tal de poder comprendre millor què hi està passant.

Finalment, aclarirem el misteri de la nou, ho recordeu?: com és que si ens el mengem no fa flama? Tot i així, proporciona energia igualment!

2. Anem, doncs, a investigar com funciona una espelma.

Què necessiteu?

  • tub de vidre d’uns 6 cm
  • llumins de fusta
  • pot (o vas gran) de vidre
  • placa de vidre o cristal·litzador
  • una cartolina d’uns 10 per 10 cm
  • unes tisores metàl·liques
  • llànties, quinqués…
  • espelmes de cera o parafina, de grandària variada i amb blens diferents

a) Anota en aquest requadre el pes de la vostra espelma abans d’encendre-la. Creus que haurà variat quan la pesem després de cremar una estona? Per què?

b) Enceneu l’espelma i observa’n la flama: hi veus zones diferents? Dibuixa-les. Quina creus que és la més calenta? Per què?

c) Per saber què hi ha a la flama a prop del ble, acosteu-hi un tubet de vidre. Proveu de tocar el fum que en surt.

Què creus que deu ser? Hi trobes alguna explicació? (La imatge de l’esquerra potser hi té relació…)

d) Mentrestant haureu aconseguit que l’espelma cremi bé. Llavors, si apagueu l’espelma d’una bufada, veureu que fa fum. Acosteu-hi ràpidament una flama, a un o dos centímetres del ble. Què succeeix? Com t’ho expliques?

e) Quan l’aigua canvia d’estat cal donar-li o prendre-li energia. Pots comparar-ho amb el que hem vist que li passa a la parafina de l’espelma, que ha començat en estat sòlid?

f) Poseu el pot (o vas) de vidre invertit damunt de l’espelma, de forma que el coll del pot quedi a l’alçada del ble, però sense tocar la flama. Què succeeix en el vidre al cap d’uns segons? D’on ha pogut sortir aquesta matèria que abans no hi era? Quin material és? Quins elements químics sabem que conté? On eren al començament?

g) Torneu a posar el pot com abans, però ara baixant-lo fins a la taula tots els grups simultàniament. Què passa ara? Per què? Com t’expliques la diferència del que passa quan ho feu amb pots de diferents mides?

h) Realment una simple espelma és un enginy molt ben pensat! Fixeu-vos en la “copa” de cera sòlida que envolta el ble a una certa distància i que impedeix que la cera líquida vessi. Podeu comprovar que el seu diàmetre és petit en espelmes petites i molt més gran en espelmes gruixudes. I això és una casualitat afortunada… o hi tens una explicació?

i) Col·loqueu ara el tubet de vidre a la part superior de la flama. Què observes? De quina substància elemental diries que es tracta? On era aquest element al començament?

j) Si pertorbeu la flama amb una mica d’aire o la toqueu amb un objecte metàl·lic, com una reixeta metàl·lica o unes tisores que refredaran la flama, què observes? Per què succeeix això?

k) Imagineu que col·loquéssim una cartolina plana pocs mil·límetres damunt del ble, ben immòbil. Ja sabem que es cremarà. Vista des del damunt veurem que s’ennegreix, perquè es crema, començant pels llocs que estiguin a més temperatura. Per tant, per on creus que començaria a ennegrir-se? Per què?

l) Ara el professor farà l’experiment, aturant-lo abans que la cartolina s’encengui. Quina forma té la zona ennegrida? Quina és la part més calenta de la flama? Quina explicació hi trobes?

m) El carbó incandescent crema sense flama però fa llum. Per què no fa flama? En què s’assembla el carbó incandescent amb la part de dalt de la flama de l’espelma? Hi ha carbó sòlid a la flama?

Dues dades: a la pressió atmosfèrica el carboni no es fon, sinó que sublima als 3642 ºC; la temperatura de la flama d’una espelma arriba a uns 1000 – 1400 ºC.

n) Apagueu l’espelma, peseu-la de nou, anota el seu pes i compara’l amb el que tenia inicialment. Ha guanyat o ha perdut pes? Per què?

Reflexionarem sobre tot el que ha passat.

3. Parlem de les transformacions de la parafina (o de la cera).

a) Escriu el nom de les substàncies que tenim a cada moment i el seu estat [(s) vol dir que es tracta d’un sòlid]. A cada transformació indica també si aquest sistema ha rebut energia de l’entorn (+E) o bé si n’hi ha cedit i, per tant, el sistema l’ha perduda (–E).

b) Finalment es tractarà de representar el procés de combustió, indicant les substàncies d’aquest sistema que han desaparegut i les que s’han format. Indica, com abans, si durant el procés el sistema ha absorbit o cedit energia. A sota del nom de cada substància posa també els símbols dels elements que conté. I si saps les fórmules d’algunes de les substàncies també les hi pots posar.

c) A les teves respostes a les dues preguntes anteriors, allà on has considerat que hi intervenia l’energia, afegeix-hi de quina classe de transferència energètica es tracta: treball (W) o calor (Q)?

d) Pensa quines són les semblances i les diferències entre els diferents “focs” que coneixes, com el d’una espelma, un foc de carbó, foc de llenya, l’incendi d’uns dipòsits de petroli, una llàntia d’oli o la flama d’una torxa.

A la combustió d’un misto hi ha flama, però a la de la llana de ferro, no.

4. Finalment, a partir de tot l’anterior pots lligar caps i respondre amb detall:
a) Què és el foc, què és una combustió?
b) Què és una flama?
c) Per què hi ha combustions sense flama, com en el cas del carbó o de la llana de ferro?

Les preguntes que ens ajuden a pensar

Quan heu pensat sobre els experiments amb l’espelma, us heu fixat que sempre heu anat seguint uns passos semblants? Per exemple, la posar el vas sobre la flama deveu haver escrit més o menys:

“Teníem l’espelma encesa i un vas de vidre que posem damunt de la flama, de forma que l’envolti. Al cap d’una mica el pot s’ha començat a entelar, i quan hi hem passat el dit ens ha semblat que era aigua. Entenem que en la combustió de la parafina es produeix vapor d’aigua que, al trobar el vidre fred, s’hi condensa. Com que l’aigua conté els elements hidrogen i oxigen, aquest hidrogen només pot haver sortit de la parafina: la parafina ha de contenir l’element hidrogen. L’oxigen deu venir de l’aire”.

La combustió de l’espelma fa entelar el vidre

Aquesta explicació conté quatre parts, i és convenient que qualsevol explicació científica d’un fenomen també les tingui:

En definitiva, què hem de fer i pensar quan fem experiments de química? Ja heu vist que és útil intentar contestar les anteriors preguntes:

5. Fes el mateix amb una altra de les teves explicacions dels experiments amb l’espelma, modificant-la i completant-la, si cal, per donar-li aquesta mateixa estructura:

6. Parlant de regles, completa la conversa d’uns alumnes de química que preparen un examen, tot resumint el que han après:

7. Pensant en la combustió de l’espelma, justifica les següents afirmacions:

a) “L’energia es conserva en aquest procés”

b) “La capacitat de canvi es va acabant”

c) “Pensant en les conseqüències ambientals, és millor cremar fusta que no pas petroli o carbó”

8. I, amb tot això, ja podem deixar clar si la parafina s’ha transformat en llum o no, responent les preguntes amb les que hem iniciat aquest apartat i explicant com ho sabeu:
a) Són només llum, o són materials, les flames?
b) La cera es transforma en llum?

9. Ara vosaltres, finalment, utilitzant les regles que ens ajuden a pensar i el que heu après amb els experiments de l’espelma, com explicaríeu el que està succeint en el sistema químic que anomenem espelma encesa?

Retrat de Lavoisier i Mari-Anne Paulze, obra del pintor Jacques-Louis David (1788)

Recordem Lavoisier i com la balança va ajudar a la química

Encara ens cal fer unes quantes mesures per poder respondre les preguntes que es feien els conductors de l’ambulància. Les farem seguint les passes dels químics de finals de segle XVIII, dels quals Lavoisier és el millor representant.

Antoine-Laurent de Lavoisier (1743–1794) va ser un químic francès que va posar les bases de la química moderna, escrivint amb molta claredat sobre els coneixements químics de l’època i els que amb el seu equip havia anat descobrint. Com a recaptador d’impostos es guanyava bé la vida i va poder muntar a casa seva un laboratori de química ben equipat.

Marie-Anne Paulze, científica, traductora i il·lustradora, fou una col·laboradora decisiva en la seva tasca científica. Durant els desordres revolucionaris ella perdé tant el pare com el marit, executats.

Posteriorment, Marie-Anne sempre defensà la memòria d’ambdós i fou qui va recollir i editar els resultats de les recerques que Lavoisier no havia pogut publicat.

Una de les principals idees que els van servir per organitzar el coneixement i la recerca en química fou la seva intuïció sobre si la matèria podia aparèixer o desaparèixer.

Alguns dels instruments del laboratori de Lavoisier

La matèria pot aparèixer i desaparèixer?

Qui ha vist cremar un foc de llenya ha vist que comencem amb troncs enormes i acabem amb només unes cendres que pesen molt poc. Tot i això, farem un experiment en unes condicions més controlades.

10. Es perd pes quan una pastilla efervescent es desfà en aigua?

Què necessitarem?

  • un pot de vidre amb tapadora que es pugi roscar i ajusti bé
  • unes balances
  • mitja pastilla efervescent

Què farem?

a) Peseu el pot amb una mica d’aigua, la tapadora i la pastilla. Anota el resultat.

b) Tireu la pastilla a l’aigua i tapeu ben de pressa el pot, deixant-lo ben ajustat.

c) Creieu que ara pesarà més o menys? Per què?

d) I si deixéssim que acabés l’efervescència i obrim el pot? Per què?

e) Després de les prediccions, peseu el pot tancat. Com t’expliques el resultat?

f) Obriu el pot amb el màxim silenci i escolteu si se sent res. Alguna explicació?

g) Torneu a pesar-ho tot junt, però ara amb el pot obert. Resultat? Explicació?

h) Finalment, la conclusió general. En una reacció química realitzada en un sistema tancat, què és més gran: la massa inicial o la final? Per què creus ha de ser així?

Al laboratori de Lavoisier feien servir les balances per detectar sobretot substàncies invisibles, com us ha passat amb els gasos de l’efervescència.

La manera de raonar de Lavoisier, encara vigent, és la següent:

  • Com que en els canvis químics de les substàncies la matèria es conserva, la massa és la mateixa abans i després del canvi.
  • Si resulta que pesa menys, és que s’ha escapat un material invisible, probablement un gas, que s’hauria de poder recollir amb un dispositiu experimental adequat.
  • Si trobem que pesa més, és que s’hi ha incorporat un material invisible, probablement un gas.
  • Si està més calent al final que al començament (com en el cas de l’espelma), s’anirà refredant i perdent energia, de forma que el sistema que reacciona acabarà amb menys energia que al principi.
  • Si es refreda durant el procés, el raonament haurà de ser l’invers, acabant amb més energia.
  • Tant la llum com les altres formes d’energia no pesen, no són materials. Són propietats del sistema material: aquest és el que pesa, no les seves propietats.

I ara, amb aquestes idees, fareu de Lavoisier

Imagineu que feu cremar l’espelma, però que feu mesures de massa (amb la balança). Serà un “experiment mental”: us proporcionem les dades perquè us serveixin de base per raonar sobre què succeeix. Llegiu atentament l’enunciat següent: cal comprendre’l bé per tal de poder arrodonir l’experiment imaginat.

Aquestes són les dades d’un experiment possible (un experiment mental):

11. Tenim una espelma de parafina, que és un hidrocarbur. L’espelma pesa 20 g. L’encenem, la deixem encesa una llarga estona i l’apaguem. La tornem a pesar i, com podem suposar, pesa menys: ara la seva massa és 16,5 g. Hem anat recollint els gasos que s’han format, que són diòxid de carboni i aigua i veiem que junts pesen 15,5 g. Si refredem els gasos l’aigua es condensa i pesa 4,5 g. Ja sabem, per experiments anteriors, que quan es cremen 12 g de carbó pur es formen 44 g de diòxid de carboni. I que cremant 2 g d’hidrogen obtenim 18 g d’aigua.

a) Amb aquestes dades completa el quadre següent per arribar a saber quant de carbó i quant d’hidrogen hi havia a la parafina que s’ha cremat:

b) A partir de les xifres anteriors, completa aquest diagrama de tot el procés de combustió de la parafina. Assegura’t que totes les quantitats quadren:

Practiquem el raonament quantitatiu en química

12. Al cremar alcohol hem obtingut les següents dades:

  • Cremem 46 g d’alcohol i obtenim 142 g de gasos
  • Aquests gasos són només CO2 i H2O.
  • L’aigua es condensa i pesa 54 g.

També ens poden ser útils dades procedents d’altres experiments:

  • Sabem que 12 g de carboni formen 44 g de diòxid de C
  • I que al cremar 2 g d’hidrogen es formen 18 g d’aigua.
Etanol en combustió (Viquimèdia)

a) Quina ha estat la reacció (posa-hi el nom ‘alcohol’ en comptes de la seva fórmula, que de moment no sabem).

b) Prenent l’exercici anterior com a model, es tracta d’interpretar totes aquestes dades i completar la taula anterior.

I ara que ja saps fer aquesta mena de càlculs, assegurant sempre que el números quadren, ja pots afrontar els següents reptes.

Combustió d’una cinta de magnesi (simple science)

13. Quan es cremen 24 g de magnesi s’obtenen 40 g d’una pols blanca. Al cremar llana de ferro, incorpora 1 g d’oxigen per cada 3,5 g de ferro, formant òxid de ferro. Assumirem que en les dues reaccions reaccionen un àtom de metall amb un àtom d’oxigen.

Combustió de llana de ferro lligada a un cordill.

a) Escriu les dues reaccions i anota les masses que reaccionen de cada element en els reactius i en els productes.
b) Quin dels dos àtoms de metall té més massa: el de ferro o el de magnesi? Quina és la relació entre les dues masses?

14. En un experiment semblant es cremen 63 g de coure metall en pols i s’obté un sòlid negre, òxid de coure, que pesa 79 g. L’òxid de coure reacciona amb 6 g de carbó, formant-se de nou coure i desprenent un gas.

a) Quin gas pot ser?

b) Pots ‘repartir les masses’ en aquestes dues reaccions?

Òxid de coure(II) (Wiquimèdia)

El misteri de les nous… i de les explosions!

Combustió d’un cacauet

Vam veure que les nous –com altres fruits secs– poden cremar amb flama, produint, com l’espelma, diòxid de carboni i vapor d’aigua, alliberant molta energia en el procés.

Combustió d’una nou

Quan mengem i digerim una nou, no hi ha cap flama, però hem inspirat aire i també acabem espirant vapor d’aigua i diòxid de carboni, mentre hem aprofitat l’energia per al funcionament del cos.

Com la vagoneta de la muntanya russa que, deixada anar des de dalt de tot ens tornava sempre la mateixa energia, fos pel camí que fos, aquí també la combustió d’una nou, amb flama o sense, ens aporta la mateixa quantitat d’energia.

15. Dibuixa en els eixos següents l’evolució aproximada de l’energia del “sistema nou” al llarg del temps, indicant quins materials tenim al principi i al final:
a) quan el cremem amb flama
b) quan el digerim

16. Podem fer explotar un petard o, obrint-lo amb cura, treure’n la pólvora i fer-la cremar amb flama. Com imagineu l’evolució de l’energia del “sistema pólvora” en cada cas? (Penseu si a la pólvora li cal aire o no per poder cremar).

Aquests casos de la nou i del petard són només exemples que ens mostren que el foc també es pot anar “domesticant”, controlant. Podem fer que les reaccions químiques es desenvolupin de la forma que considerem millor.

La nutrició i l’energia

Hem vist flames, hem vist foc sense flames. Tot molt calent. Però la digestió dels aliments permet cremar-los a baixa temperatura, en un procés lent que aprofita molt millor l’energia dels nutrients per fer treball útil.

Tan semblants i tan diferents alhora, tots aquests processos de “cremar” tenen un nom genèric que ja hem fet servir, que és el de combustions. Totes les combustions que hem vist tenen en comú tant un dels reactius com el seu balanç energètic.

17. Ara és un bon moment per recordar d’on venen tots aquests materials orgànics vegetals que mengem i on va la seva energia. Ho recollirem en el diagrama següent.
a) Completa els reactius i productes del procés de combustió dels aliments
b) Col·loca a cada fletxa el nom del procés corresponent
c) Indica, amb fletxes afegides, la incorporació o la pèrdua d’energia en aquests processos

d) En tots aquests processos en què tot canvia, què es manté inalterat?

18. Ara ja entens bé com funciona un foc, que es manté per la presència de tres condicions. Pots utilitzar-ho per pensar diferents maneres d’apagar un foc, aplicables en casos diferents.

a) Quines són aquestes tres condicions que han de coincidir perquè el foc es mantingui?

b) De quina manera pots suprimir cadascun d’aquests tres factors? Posa’n exemples.

19. Ara convé fer un recull de tot el que has après estudiant les flames:

a) Què passa amb tots els materials que hi intervenen? Quins noms genèricament se’ls dóna?

b) Com evoluciona la massa del sistema durant la combustió? Per què?

c) Quan el sistema emet llum, varia la massa del sistema? Per què?

d) Què passa amb la temperatura? Quina relació té amb l’energia? I amb la llum?

e) Quina és la funció del llumí o de l’espurna capaços de desencadenar la combustió?

f) Fer cremar –per exemple una espelma– és un procés “que va sol” o “que s’ha d’arrossegar” amb algun altre sistema? Per què?

◀︎ 1. El foc (les flames) i el llamp (la incandescència)

1.2 Els colors dels focs d’artifici ►

Hits: 18