2.1 L’insòlit poder de l’aigua…

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

– I si ens aturem un moment? Com em passa sovint, tinc mal d’estómac i em cal un antiàcid. Acostumo a prendre ‘Sal de fruita’.
– És allò que ‘bull’ quan hi poses aigua, oi?
– Sí, en efecte. Trobo fascinant que només una mica d’aigua provoqui instantàniament tot aquest canvi. I, encara més, que tot seguit em trobi millor…
– Sí que sorprèn… Perquè aquí no hi ha cap llamp que engegui el procés… És que l’aigua és tan potent com el llamp?
– L’aigua i el llamp són ben diferents però tots dos són capaços d’engegar canvis, de manera diferent.
– Jo diria que l’aigua amb la sal de fruita actua de la mateixa manera que quan prenem sidral, però no sé ben bé què és el que hi deu passar.
– Va, atura’t un moment que si no em trobo bé no podré fer la feina com cal.

Els conductors de l’ambulància no en saben gaire de solucions aquoses ni de reaccions químiques. Però és certament sorprenent que una mica d’aigua provoqui un canvi sobtat en la sal de fruita o en el sidral, tot i que l’aigua no sembla haver canviat. També l’estómac deixa ràpidament de molestar quan et prens el medicament. Per què deu ser?

Hi ha molts altres canvis semblants, que es produeixen entre solucions aquoses i que també van molt ràpids. Per això val la pena esbrinar com són i com funcionen. Pot ser que els ions hi juguin algun paper?

Hi ha ions en les dissolucions de sals i d’àcids?

2. Tornarem a fer servir el muntatge que havíem fet servir a la unitat anterior per determinar si una solució era conductora o no. Això ens orientarà sobre si hi ha ions o no.

Què necessiteu?

Recupereu els resultats del trimestre passat i, per a allò que us falti, feu servir les substàncies i les dissolucions que acabeu d’utilitzar. També us caldrà:

  • un brunzidor o bombeta
  • una pila de 4,5 V
  • cable elèctric

a) El mètode de treball ja el coneixeu. Aneu investigant cada material i anoteu aquí els resultats:

b) Què pots dir, en general, sobre si les dissolucions de sals, àcids i bases contenen ions?

Com actuen els antiàcids?

L’aigua com a mediadora de canvis químics

Per alleujar les molèsties estomacals causades per un excés d’àcid s’utilitzen antiàcids com el bicarbonat de sodi.

També és un antiàcid l’anomenada ‘sal de fruita’, que és una mescla de diverses substàncies que s’indiquen a l’etiqueta. En dissoldre’s en aigua hi ha dues d’aquestes substàncies que reaccionen (el bicarbonat de sodi i l’àcid cítric), i el fet que tingui lloc una reacció química es posa de manifest per la formació de noves substàncies, entre les quals hi ha el gas diòxid de carboni (un vell conegut nostre!) que és el causant de l’efervescència.

3. Realitzarem un experiment per esbrinar quins canvis es produeixen en l’acidesa de l’estómac quan prenem un got d’aigua amb sal de fruita o amb bicarbonat de sodi. Volem simular el que passa a l’estómac quan prenem una dosi d’aquests antiàcids per entendre com realitza aquesta funció.

Disposeu de: 

  • 3 vasos de precipitats
  •  indicador universal de pH
  •  cullereta de plàstic
  • un pot de sal de fruita
  • bicarbonat de sodi
  • vareta de vidre
  • àcid clorhídric d’una acidesa
    semblant a la del suc gàstric

a) En primer lloc preparareu la solució de sal de fruita en aigua seguint les instruccions de l’etiqueta. També una altra de bicarbonat. En cada cas utilitzeu un vas amb 200 mL d’aigua, afegint-hi una culleradeta plena d’un producte o l’altre.

b) Què observes que passa?

c) Poseu-hi un parell de gotes d’indicador universal. Podreu entendre el significat dels colors que hi veieu llegint el text següent.

Què és un indicador àcid – base?

Sorprenentment, algunes substàncies tenen diferent color en medi àcid que en medi bàsic. Aquestes substàncies les anomenem indicadors àcid–base. Aquesta propietat la podem aprofitar per saber el nivell d’acidesa de qualsevol dissolució. Una acidesa que, convertida en número, anomenem el pH.

En el nostre experiment utilitzarem una dissolució de l’anomenat indicador universal. Com es veu a la imatge, una dissolució neutra (pH = 7) el color serà groc.

Unes gotes d’indicador universal en una dissolució àcida (pH < 7) li dona colors vermells i taronges, mentre que en dissolucions bàsiques (pH > 7) donarà colors entre el verd i el morat passant pels blaus.

Alerta: com més acidesa, menor pH!

d) Com interpretes, doncs, els colors que us han sortit?

Preparem el “suc gàstric” i el medicament

Per preparar una dissolució d’àcid clorhídric amb un pH similar al del suc gàstric necessiteu saber que el volum de suc gàstric a l’estómac és aproximadament d’uns dos litres i que té un pH aproximat de 2, que és el d’una solució 0,01 M d’àcid clorhídric.

e) Quin volum de solució de sal de fruita o de solució de bicarbonat haurem d’afegir a 100 mL de solució d’àcid clorhídric? Per què et sembla que utilitzem aquest volum i no dos litres?

f) Prepareu dos vasos grans amb 100 mL d’àcid clorhídric 0,01 M. Afegiu a cadascun un parell de gotes d’indicador universal.

g) El que voldrem amb tot això és saber quins canvis es produeixen en el pH de l’estómac al prendre una dosi de sal de fruita o de bicarbonat. Discutiu què haureu de fer per saber-ho.

h) Recolliràs a la taula següent les dades de les cinc dissolucions: les tres preparades inicialment (les dels dos antiàcids i la de ‘suc gàstric’ duplicada) i els dos resultats finals. Pinta-hi el color observat tan exacte com puguis (si no, intenta descriure’l pel nom).

i) Ara feu el treball experimental que havíeu pensat. Però barregeu les dissolucions a poc a poc i remenant tota l’estona amb la vareta, per poder veure millor els canvis de color.

j) A partir dels resultats que heu obtingut, quines conclusions pots treure sobre l’efecte de la sal de fruita o del bicarbonat en el pH del ”suc gàstric”?

k) Com explicaries als conductors de l’ambulància quin efecte produeixen els antiàcids com la sal de fruita o el bicarbonat quan ens els prenem?

La sal de fruita conté àcid cítric i bicarbonat barrejats sense reaccionar. Sorprenentment, l’aigua ha facilitat la seva reacció química. Després la mescla que en resulta ha interaccionat amb l’àcid de l’estómac.

Ho podem relacionar amb altres solucions o mescles similars (sidral, llevat químic…) en les quals es desprèn diòxid de carboni, aprofitant-ne les propietats: és un gas que forma dissolucions aquoses moderadament àcides.

Potser si esbrinem si hi ha ions en les dissolucions que hem utilitzat podrem entendre el que ha passat?

Noms que il·luminen, regles que permeten preveure

Les sals són substàncies solubles en aigua (encara que algunes ho són molt poc), que fonen a temperatures elevades i es poden cristal·litzar fàcilment. Recordem que les seves dissolucions aquoses són conductores perquè contenen ions lliures, mentre que en estat sòlid no condueixen perquè els seus ions no tenen llibertat de moviment.

Afortunadament, els noms d’aquestes substàncies ens recorden quins són els ions que les formen. Comentarem els noms d’algunes d’aquestes substàncies, en concret de les sals: totes estan formades per ions negatius (quer representarem en blau) i ions positius (en vermell). Els ions positius gairebé sempre provenen d’un metall.

Inicialment farem servir aquests colors per fer-ho més visual. Per exemple: clorur de sodi, carbonat de sodi, bicarbonat de sodi, sulfat de potassi, nitrat de plom, hidròxid de sodi, carbonat de calci, clorur de ferro

Cadascun d’aquests ions té una massa que depèn dels elements que el formen, i porta una, dues o tres càrregues. Com que la matèria sempre és neutra, la càrrega total dels ions positius ha de ser igual a la dels negatius.

Les solucions aquoses dels àcids contenen ions H30+, anomenats oxoni, que estan presents al suc gàstric de l’estómac o en la solució de qualsevol substància àcida en aigua.

Les solucions aquoses d’un tipus de bases, com són els hidròxids, contenen ions OH, anomenats ions hidròxid: hidròxid de sodi, hidròxid de magnesi

A temperatura ambient es necessiten més de 500 milions de molècules d’aigua pura perquè només dues aconsegueixen convertir-se en un ió oxoni i un ió hidròxid. Un procés que s’anomena dissociació iònica de l’aigua. Com que la proporció de molècules dissociades és tan petita, no és suficient perquè l’aigua tingui una conductivitat elèctrica apreciable i per aquest motiu l’aigua pura és pràcticament un aïllant elèctric, com ja vam veure.

4. Com representaries simbòlicament la dissociació iònica de l’aigua?

5. Per ajudar-vos a imaginar el que passa quan una substància es dissol en aigua, fixeu-vos en aquestes animacions:

a) La manera com s’uneixen les molècules d’aigua als ions ens està indicant una propietat important de l’aigua, anomenada polaritat. Com la descriuries? Representa el dipol sobre el dibuix.

b) Quin dels dos elements de l’aigua té més tendència a acaparar electrons? Com ho saps?

c) Descriu el procés de dissolució de substàncies iòniques, basant-te en la polaritat de les molècules d’aigua.

d) Per què l’aigua és un bon dissolvent de substàncies iòniques?

e) Per què l’aigua també pot dissoldre el sucre tot i que no formi ions?

El joc dels ions, per preveure canvis químics

Volem entendre millor el comportament i propietats de les sals, àcids i bases. No és gens senzill imaginar partícules amb massa i càrrega voltant per l’aigua, que fa d’aïllant entre elles i no les deixa ajuntar-se de nou. Ens cal pensar-hi.

Per això “jugarem a ions” i, d’aquesta manera, ens representem com podria ser “per dins” una solució aquosa conductora del corrent, i com la interacció entre ions explica el comportament de les dissolucions.

Disposareu un grup de targetes, unes amb la fórmula de l’aigua i unes altres amb fórmules d’ions.

La solució inicial no pot ser gaire concentrada. Hi hauria d’haver, com a mínim, 10 o 20 vegades més quantitat d’aigua que de substancies dissoltes, però per no haver de manejar tantes targes treballarem amb moltes menys de les d’aigua de les que realment hi hauria, que podríem imaginar com en aquesta figura.

Regles del joc

  • Les dissolucions són neutres. Si contenen ions, les càrregues positives i les negatives s’han de compensar exactament. En cas contrari, elimineu els ions sobrants, començant pels que us resultin menys cone-guts. Aquests ions eliminats no els farem servir per a res.
  • Amb els ions restants començareu el joc aplicant les regles següents. Guardeu aparellats els ions que aneu eliminant.
  •  Els ions oxoni i hidròxid reaccionen i formen aigua. Per això no poden estar alhora en solució. Elimineu-los en la proporció adequada per formar aigua. És una reacció àcid-base.
  • Els ions de les substàncies insolubles tampoc poden estar alhora en una solució, perquè formen un precipitat insoluble i per tant desapa-reixen de la dissolució. A l’Annex 2 hi trobareu informació de quins ions formen substàncies insolubles. Elimineu, en la proporció ade-quada, els ions que formen precipitats. És una reacció de precipitació.
  • Els ions carbonat i els ions oxoni no poden trobar-se alhora en una solució perquè llavors formen H2O líquida i CO2. gas, que són les bombolles que observem. (L’àcid carbònic i les seves sals tenen una enorme importància a la naturalesa).
Precipitat de clorur de plata

6. Completeu la taula següent amb els vostres resultats. De cada reacció indiqueu-ne el tipus (àcid–base, de precipitació, d’alliberament de diòxid de carboni per reacció d’un àcid amb un carbonat…).

7. A la imatge podeu veure la precipitació d’una substància quan ajuntem una solució de iodur de potassi i una altra de nitrat de plom.

a) Consultant la taula de l’Annex 2, pots dir quins ions han reaccionat? Quina substància sòlida groga han format aquests ions?

b) Si hem anat afegint iodur de potassi fins que ja no quedés ió plom, quins ions quedaran a la solució?

8. Com interpretes ara el que ha passat quan heu afegit aigua a la sal de fruita?

PER APROFUNDIR-HI
Neutralitzem

9. Si pots aconseguir tant bicarbonat de sodi com àcid cítric per separat, pots fer el següent:

a) Prepara dissolucions separades d’aquestes dues substàncies, de manera que una sigui una mica més concentrada que l’altra (tindrien la mateixa concentració si en el mateix volum d’aigua hi ha 84 g de bicarbonat de sodi o 192 g d’àcid cítric). Utilitza un indicador per saber la seva acidesa respectiva.

b) Escriu una predicció argumentada del que creus que passarà quan mesclem les dissolucions.

c) Ves abocant la dissolució més concentrada sobre l’altra, a poc a poc i remenant, fixant-te bé en el color fins que pel color de l’indicador notis que ja has arribat a la neutralització.

d) Evapora una part de la dissolució. Després, potser utilitzant algun sistema d’augment, compara els cristalls obtinguts amb els de les substàncies inicials.

e) Prepara una presentació ben documentada per explicar tot això als teus companys.

Dos tipus de reaccions

Ara el professor/a (o un de vosaltres que farà la funció de “demostrador”) realitzarà davant dels companys dos experiments:

  • una reacció àcid–base
  • i una reacció de precipitació
    per deixar clar com podem saber què ha succeït.

Necessiteu les següents solucions aquoses diluïdes:

  •  àcid clorhídric
    (0,1 M = 3,6 g/L)
  •  hidròxid de sodi
    (0,1 M = 4,0 g/L)
  • nitrat de plom
    (0,1 M = 33,2 g/L)
  •  iodur de potassi
    (0,1 M = 16,6 g/L)

Com heu fet en altres ocasions, fixeu-vos en l’etiqueta de les ampolles, que ens dóna informacions importants. A cada ampolla hi trobareu el seu nom i fórmula. anoteu-los.

Per saber si una solució és àcida, bàsica o neutra podem utilitzar el mateix indicador àcid–base que hem utilitzat en l’experiment de la sal de fruites: l’indicador universal. Podreu llegir el pH a l’escala de colors.

En el cas que es formi algun precipitat ja el veureu a ull nu.

Experiment 1:
Mesclarem solucions d’hidròxid de sodi i d’àcid clorhídric

Experiment 2:

Mesclarem una solució de nitrat de plom amb una de iodur de potassi

10. Observeu atentament i discutiu què tenim, què fem, què passa i per què passa.

a) Quan estigueu del tot d’acord, anota-ho a la taula següent

b) Com si utilitzessis les targetes, escriu l’equació química dels dos processos.

c) Fixeu-vos que en les etiquetes posa 0,1 M. Què creus que vol dir? És important controlar les proporcions? Per què?

Obtenim substàncies noves

Ara dissenyareu un experiment per aplicar el que heu après. Caldrà que feu una de les feines que fan els químics: obtenir noves substàncies. Es tracta d’obtenir clorur de sodi i clorur de coure cristal·lins.

Necessiteu les següents solucions aquoses diluïdes:

  • àcid clorhídric (0,1 M = 3,6 g/L)
  •  carbonat de sodi (0,1 M = 10,6 g/L)
  •  carbonat de coure (0,1 M = 12,4 g/L)

Triar les dissolucions que han de reaccionar en cada cas us serà fàcil. Però saber les quantitats exactes de cadascuna no serà tan evident: no pot sobrar gens de les dues substàncies inicials! Recordeu que les dues sals han de ser ben pures i cristal·lines. Hi haureu de pensar i posar-vos d’acord abans de fer res.

11. Finalment feu una proposta i…

a) un cop acordada amb el professor escriu el que fareu. Ja podreu posar-la en pràctica.

b) Escriu les equacions químiques de tots dos processos. També aquí les targetes dels ions us poden ser útils.

Ara entenem que l’aigua facilita la interacció entre materials o substàncies químiques perquè actua sobre elles, en dissoldre-les, separant els ions i fent més fàcil i ràpida la seva interacció.

A més a més, també facilita la interacció dels ions amb el corrent elèctric, com veurem a continuació.

◀︎ 2. L’aigua i l’electricitat

2.2 El corrent elèctric: només circula o també transforma? ►

Hits: 5