2.2 El corrent elèctric: només circula o també transforma?

A la unitat anterior vàrem constatar que en un circuit de corrent continu (el que proporciona una pila) les solucions aquoses de sal o de substàncies similars eren conductores. Però sofrien canvis al passar-hi el corrent, cosa que als metalls no succeïa.

Ja hem vist que ni la sal ni l’aigua, per separat, són conductores i que no interaccionen amb el corrent. Aquest nou “poder d’interacció” de l’aigua (interaccionant amb les sals i amb el corrent) ens obre un nou panorama, en el qual ens endinsem en aquesta segona secció.

Els conductors de l’ambulància havien parlat de l’electricitat i les dissolucions. Escoltem-los de nou:

– És ben interessant això que dius. Això em fa pensar en el nou mètode que ara ens proposen per al manteniment de la piscina. Diuen que ja no caldrà afegir-hi “clor”, sinó que ara es fa per electròlisi… que és un efecte de l’electricitat sobre l’aigua.
– Vols dir que l’electricitat actua sobre l’aigua sola? Segurament té alguna substància dissolta!
– En tot cas, és una altra prova que l’aigua i l’electricitat es relacionen d’alguna manera.
– O que les substàncies dissoltes també hi tenen a veure… No em puc creure que a l’aigua de la teva piscina no se li posi clor o alguna altra substància similar.
– És veritat, ara recordo que hi afegim sal (clorur de sodi) i que hem de controlar-hi el pH…

Què és l’electròlisi? El significat d’aquesta paraula és trencament per l’electricitat, però no és gens fàcil comprendre l’abast d’aquests termes que semblen senzills i la gran importància que tenen per a la química.

Aquesta paraula ens obre els ulls i ens permet iniciar-nos en noves maneres d’intervenir en els sistemes químics, noves relacions quantitatives i, sobretot, uns nous actors: els electrons, que ens permeten “comptar” l’electricitat “química”, és a dir, la que forma part dels materials.

El joc dels ions, per preveure canvis químics

Una de les fites importants de les ciències va ser comprendre la composició elemental de l’aigua. Es va aconseguir a finals del segle XVIII, gràcies als experiments de diferents científics, com Lavoisier poc abans que morís durant la revolució francesa. A partir de reaccions químiques va trobar que la massa de l’aigua estava formada per una part d’hidrogen i vuit d’oxigen. També va identificar l’hidrogen i l’oxigen com a substàncies elementals i els va donar el seu nom actual: ‘hidrogen’ vol dir que genera aigua i ‘oxigen’ que genera àcids.

Alessandro Volta (1745-1827)

Quan el físic italià Alessandro Volta l’any 1800 va inventar la pila voltaica (imatge), ja fou possible descompondre l’aigua mitjançant l’electricitat. L’experiència va despertar un enorme interès, fins i tot en polítics com Napoleó.

Com que l’aigua és tan important, conèixer com està formada va obrir el camí a molts altres descobriments. També per a nosaltres serà molt important fer aquest experiment i, sobretot, pensar-hi i treure’n conclusions.

Esperem que trobeu aquest experiment tan interessant i sorprenent com quan es va fer per primera vegada.

Trenquem l’aigua
(ho podem dir així, metafòricament)

Tothom coneix la composició de l’aigua: oxigen i hidrogen. I també la seva fórmula: H2O. Però no es tan fàcil comprendre el significat d’aquestes dues paraules: ‘composició’ i ‘fórmula’.

Per aconseguir-ho cal haver-hi treballat experimentalment, descomponent la substància composta ‘aigua’ i tornant a formar-la a partir de les dues substàncies elementals que se n’obtenen, que són els gasos hidrogen i oxigen. Això és el que ara farem.

Què teniu?

Necessitarem un muntatge adient:

  • elèctrodes inerts (fets d’un material que no reaccioni en les condicions de l’experiment: va bé el platí, encara que és car)
  • font d’alimentació (corrent continu)
  • cables elèctrics
  • recipients per recollir els gasos

Què fareu?

Fareu l’experiment de manera qualitativa, sense fer mesures, però us facilitarem dades quantitatives que s’han pogut obtenir en molts altres experiments (fa més de dos-cents anys que es fa aquesta reacció i molts científics hi han treballat!)

Aquests que veieu aquí són alguns exemples de muntatges, que varien en funció del material utilitzat. Fixeu-vos bé en les connexions que cal fer.

1. Sobre aquest experiment,

a) fes un diagrama del vostre muntatge real.

b) Quina és la funció de cada component del vostre muntatge?

c) Connecteu la font d’alimentació, observeu el que va passant, i quan ja tingueu resultat visible, representa’l en el diagrama i descriu-lo, per poder-ho comentar amb els vostres companys.

d) Què passaria si mescléssim una mica de l’oxigen i de l’hidrogen obtinguts i acostéssim un llumí encès a la mescla? Quina substància s’obtindria?

e) El vostre professor o professora farà aquest experiment. Fixeu-vos-hi bé i observeu les parets del tub on s’ha fet la prova: què hi ha aparegut?

f) Si l’hidrogen i l’oxigen reaccionen de nou, en quina proporció de volums creus que ho faran (mantenint la temperatura i la pressió)?

g) Proposa una explicació als fets tenint en compte quines substàncies han desaparegut, quines han aparegut de nou, quin elements s’han conservat, les masses de reacció, quin canvi d’energia s’ha produït…

Per complementar les teves explicacions pots utilitzar la informació següent, obtinguda en experiments com aquest que s’ha fet mesurant la massa i el volum dels gasos:

La massa d’oxigen que s’obté a l’elèctrode positiu és 8 vegades superior a la massa d’hidrogen que s’obté en el negatiu. Curiosament, el volum d’hidrogen és el doble que el volum d’oxigen.

També podeu mirar un vídeo de l’electròlisi de l’aigua feta utilitzant xeringues, on podreu veure els volums de gasos recollits:
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=xRLGyZD4yNc

En 20 minuts a l’elèctrode positiu s’han recollit 10 mL de gas
Mentrestant, en l’elèctrode negatiu se n’han generat 20

Hem après coses noves:

1) la relació entre les masses i els volums dels gasos que reaccionen

2) la reacció química que s’ha produït per interacció dels ions de l’agua amb les càrregues elèctriques dels elèctrodes, un d’ells positiu i l’altre negatiu.

3) Podem dir que hem sintetitzat aigua a partir de substàncies elementals i que l’aigua està composta dels elements oxigen i hidrogen.

Dos àtoms d’hidrogen i un d’oxigen: H2O

En aquesta activitat ens centrarem en la relació entre les masses i els volums dels gasos que reaccionen, a partir de la informació que ens dóna la formula de l’aigua i fent servir el sentit comú.

Acceptem el “missatge” de la fórmula: una molècula d’aigua està formada per 2 àtoms d’H i un àtom d’O. Tenint-ho en compte, proveu de respondre les següents preguntes.

2. Ara elaborareu un resultat molt rellevant:

a) Sabent que les masses d’interacció d’hidrogen i d’oxigen estan en la relació 1: 8, i tenint en compte la fórmula de l’aigua, quina relació hi ha entre la massa de l’àtom d’hidrogen i la massa de l’àtom d’oxigen?

Els següents rectangles representen els volums d’hidrogen i oxigen obtinguts en una electròlisis. El volum d’hidrogen és el doble del d’oxigen.

b) Recordant que els gasos hidrogen i oxigen estan formats per molècules de dos àtoms, dibuixa com t’imagines el contingut de cada recipient.

Ara us podríeu preguntar per què la fórmula de l’aigua no és H4O2. Us falta una important informació, que no podeu comprovar en les condicions d’un laboratori escolar:

Si tant el vapor d’aigua que obtenim en la reacció entre oxigen i hidrogen com aquests dos gasos estiguessin en les mateixes condicions de temperatura i pressió, el volum de vapor seria el mateix que el de l’hidrogen, i el volum d’oxigen utilitzat seria la meitat.

c) Amb tot això, intenta justificar que la fórmula ha de ser H2O i no H4O2 o altres múltiples.

Els canvis químics i els electrons

Ara convindria pensar una mica més en la mena de canvi químic que s’ha produït en l’electròlisi. Recapitulem: el canvi químic el localitzem en els elèctrodes, i degut a aquest canvi el flux d’electrons pel circuit no s’interromp. Per tant, haurem de considerar que els electrons han intervingut en el canvi químic. De quina manera?

3. Per explicar què ha passat concentreu-vos en el canvi que es produeix en el càtode (l’elèctrode negatiu) on es forma l’hidrogen:

a) Representa amb símbols la formació d’una molècula d’hidrogen a partir d’ ions oxoni.

b) Enuncia una nova regla del canvi químic que expressi la proporcionalitat entre ‘quantitat de corrent’ i ‘quantitat de materials transformats’ (concretament la quantitat d’aigua que ha desaparegut i les quantitats d’hidrogen i d’oxigen obtingudes).

L’electricitat ha desvetllat noves característiques de l’aigua:

  • L’hidrogen i l’oxigen combinats s’han comportat de manera diferent. L’hidrogen s’ha mostrat positiu i ha “xuclat” electrons. L’oxigen s’ha mostrat negatiu i ha cedit electrons.
  • Però el funcionament del circuit no s’ha alterat i la pila ha continuat empenyent els electrons. Els elec-trons no s’aturen a l’elèctrode negatiu perquè els agafen els ions oxoni. A l’elèctrode positiu, els elec-trons els dóna el ió hidròxid… de forma que el circuit “no nota” res i funciona amb normalitat!

No oblidem que els electrons són matèria, i que la matèria es conserva!

Una informació important: per obtenir 1 g d’hidrogen en una electròlisi, cal que hi circuli una càrrega de 96 500 coulombs, una quantitat d’electricitat que caldria recordar.

Amb aquesta quantitat de corrent es poden obtenir altres substàncies elementals per electròlisi dels seus compostos, però la quantitat en grams és sempre més gran que aquesta de l’hidrogen. (Més endavant justificarem que l’àtom d’hidrogen és el que té menys massa).

Acabem de veure que els electrons que es desplacen per un circuit (empesos per la diferència creada per un generador de corrent o una pila) es poden intercanviar amb els electrons de les substàncies i que, en fer-ho es produeix un canvi químic.

4. Pots donar informacions pertinents als conductors de l’ambulància, abans de continuar escoltant la seva conversa: així doncs, el corrent elèctric només circula o també transforma?

La gran noticia d’aquesta secció que estem acabant és que els electrons que circulen poden provocar un canvi químic. I n’hem vist un de molt important: la descomposició de l’aigua. Ens ha portat a reflexionar sobre les quantitats de reacció i els volums de reacció que es fan evidents en aquest canvi.

I el mateix que hem fet amb l’aigua ho podem fer amb altres sistemes químics. Tot ells “gasten energia” i per això els anomenem endotèrmics, perquè cal fer treball sobre els electrons, donar-los energia per tal que passin d’uns àtoms als altres i completin el circuit.

Si els electrons corrent pel circuit poden produir canvis químics… seria possible generar corrent a partir de certs canvis químics? Doncs resulta que sí, és el que fan les piles electroquímiques. Quina llàstima que aquest curs no tinguem temps d’estudiar-ho!

En tot això, els protons “no hi juguen” cap paper directe. Però a la següent secció veurem com en són, d’importants.

◀︎ 2.1 L’insòlit poder de l’aigua…

3. La Taula Periòdica ►

Hits: 2