071 – Principi de Le Chatelier

En aquesta sessió de laboratori s'estudien les reaccions químiques entre el tiocianat de potassi (KSCN) i el nitrat de ferro (Fe(NO₃)₃), centrant-se en l'observació dels canvis de color i la formació de precipitats que es produeixen sota diverses condicions, incloent-hi canvis de temperatura i l'addició de diferents reactius.

Objectius educatius

  • Reaccions químiques: Els estudiants exploraran la interacció entre el ferro i els ions tiocianat per formar complexos acolorits, millorant la seva comprensió dels mecanismes de reacció.
  • Efectes de la temperatura: L'experiment permet observar com les variacions de temperatura afecten la velocitat i la direcció de les reaccions químiques, demostrant la influència de l'energia tèrmica en els processos químics.
  • Aplicacions de la química analítica: Els participants aprendran sobre l'aplicació de les reaccions de complexació en l'anàlisi química, obtenint coneixements sobre tècniques analítiques.
  • Desenvolupament de habilitats experimentals: Els estudiants perfeccionaran tècniques de laboratori, incloent la manipulació de solucions, l'ajustament de les condicions experimentals i l'observació qualitativa de reaccions, millorant així les seves habilitats pràctiques en química.

A través d'aquest experiment, els estudiants adquiriran una comprensió pràctica de la química complexa, observant de primera mà com variables com la concentració dels reactius i la temperatura poden afectar les reaccions químiques. Aquesta experiència pràctica millora el coneixement dels principis fonamentals de la química inorgànica i analítica, il·lustrant la naturalesa dinàmica de les interaccions químiques i el paper crític de les condicions experimentals en la determinació dels resultats de les reaccions.

Protocol

Part A : Preparació de les solucions bàsiques

  1. Mesura 50 mL de la solució 0,001M de KSCN utilitzant el cilindre graduat.
  2. Aboqueu la solució mesurada en un vas de precipitats de 50 ml.
  3. Amb el comptagotes; afegeix 10-12 gotes de Fe(NO3)3 solució al vas de precipitats.
  4. Remeneu la barre amb la vareta de vidre.
  5. Utilitza el cilindre graduat de 10 ml; distribueix la solució resultant en els vuit provetes (uns 6 ml per proveta).

Part B: Canvi del punt d'equilibri

  1. Afegiu aproximadament entre 1,5 i 2 g de pols de KSCN (5 mL) al tub de proves 2 amb l'espàtula.
  2. Agita el tub d'assaig 2.
  3. Afegiu entre 1,5 i 2 g de Fe(NO3)3 (1 peça) al tub d'assaig 3 amb les pinces.
  4. Agita el tub d'assaig 3.
  5. Afegiu entre 1,5 i 2 g de pols de KSCN (5 mL) al tub de proves 4 amb l'espàtula.
  6. Agita el tub d'assaig 4.
  7. Afegiu entre 1,5 i 2 g de Fe(NO3)3 (1 peça) al tub d'assaig 4 amb les pinces.
  8. Agita el tub d'assaig 4.
  9. Afegiu 2 gotes de KOH al tub d'assaig 5.
  10. Agita el tub d'assaig 5.
  11. Afegiu entre 1,5 i 2 g de Na2HPO4 pols (5 ml) a l' proveta 6.
  12. Agita el tub d'assaig 6.
  13. Prepara un bany de gel omplint el béquer de 250 mL que conté gel amb aigua freda de l'aixeta.
  14. Aleshores, col·loca el vas de precipitats a la dreta del suport universal dret.
  15. Fixeu una pinça al peu universal de la dreta; per sobre del vas de gel.
  16. Agafa el tub d'assaig 7 i enganxa'l al clamp; de manera que el tub d'assaig quedi posicionat al recipient de gel.
  17. Barreja el tub d'assaig 7 durant la seva immersió en el bany de gel amb la vareta de vidre.
  18. Omple un segon vas de precipitats de 250 ml amb aigua de l'aixeta.
  19. Poseu el segon got a la placa d'escalfament.
  20. Fixi un clip a peu universal esquerre; per sobre del vas de precipitats que hi ha a la placa calenta.
  21. Fixa el tub d'assaig 8 a la pinça del peu esquerre; de manera que el tub d'assaig quedi posicionat dins del vas de precipitats que hi ha sobre la placa calenta.
  22. Introduïu la barra d'agitació magnètica al vas de precipitats damunt la placa i engegueu l'agitador.
  23. Ajusta la temperatura de la placa calenta a 80 °C.
  24. Un cop assolit els 80 °C de temperatura; remenar el tub d'assaig 8 durant la seva immersió en el bany d'aigua calenta amb la vareta de vidre.
  25. Observeu els canvis als tubs d'assaig 7 i 8; preneu nota de les diferències de color o precipitació.
  26. Atura l'agitador magnètic i baixa la temperatura de la placa calefactora a 15°C.
  27. Traieu la vareta d'agitació magnètica del got de precipitats.
  28. Agita tots els tubs d'assaig una última vegada per homogeneïtzar les reaccions.
  29. Feu una foto dels tubs d'assaig 2 al 8; i anoteu els seus colors fent referència al tub d'assaig de control 1.

Nota: Assegureu-vos que les solucions estiguin davant d'un cartró negre; per tal de distingir clarament els canvis de color.

  1. Buidar el contingut dels tubs d'assaig al contenidor de recuperació i esbandir l'equip utilitzat amb aigua destil·lada.

Resultats previstos

Proveta #1:
Serveix com a color de referència, descrit constantment com un to vermellós transparent, que representa la barreja d'equilibri dels ions Fe³⁺, SCN⁻ i FeSCN²⁺.

Proveta #2:
Mostra una coloració marró rogenca lleugerament més profunda, que indica un augment aproximat de 50% en la formació d'FeSCN²⁺. Això suggereix que la reacció directa (de formació de producte) està favorecida sota aquestes condicions.

Proveta #3:
Exhibeix una intensa coloració rogenca, que indica una concentració més alta de FeSCN²⁺ a mesura que l'equilibri es desplaça més cap a la formació de productes.

Proveta #4:
Presenta un color marró molt fosc, la coloració més intensa entre totes les mostres. Aquesta observació implica un augment substancial de la concentració de FeSCN²⁺, atribuït a l'addició simultània de Fe(NO₃)₃ i KSCN, resultant en un canvi pronunciat cap al costat dels productes de l'equilibri.

Proveta #5:
Mostra un líquid transparent acompanyat d'un precipitat marró fosc, indicant la formació de Fe(OH)₃ a mesura que els ions Fe³⁺ reaccionen amb els ions hidròxid (OH⁻).

Proveta #6:
Mostra un líquid transparent amb un precipitat marró fosc, suggerint la formació de FePO₄ resultant de la reacció entre ions Fe³⁺ i fosfat (PO₄³⁻).

Proveta #7:
Amb el refredament, presenta una tonalitat marró més fosca, indicativa d'una millora en la formació de FeSCN²⁺. Això dóna suport a la conclusió que la reacció és exotèrmica, ja que les temperatures més baixes afavoreixen la formació del producte.

Proveta #8:
En escalfar-se, presenta una coloració vermellosa intensa, demostrant un desplaçament de l'equilibri cap als reactius. Aquesta observació indica que la dissociació de FeSCN²⁺ en Fe³⁺ i SCN⁻ és un procés endotèrmic.

L'experiment demostra vívidament el principi de Le Chatelier, mostrant com el sistema respon als canvis de concentració, temperatura i la presència d'reactius o productes addicionals. Els canvis de color en cada proveta proporcionen una mesura qualitativa dels desplaçaments de l'equilibri, posant de manifest la naturalesa dinàmica dels equilibris químics i els factors que els influeixen. Aquest enfocament permet una comprensió visual dels desplaçaments d'equilibri, reforçant els conceptes teòrics amb evidències tangibles.

  • L'addició de reactius (KSCN o Fe(NO₃)₃) desplaça l'equilibri cap a una major formació de producte (FeSCN²⁺), com ho demostra el color més fosc.
  • Eliminar un reactant o un producte (com en els tubs de prova #5 i #6) desplaça l'equilibri per compensar-ho, reduint aquí la concentració d'FeSCN²⁺.
  • Els canvis de temperatura també afecten l'equilibri; el refredament afavoreix les reaccions exotèmiques, mentre que l'escalfament afavoreix les reaccions endotèmiques.
Lliçons apreses

Principi de Le Chatelier: l'experiment demostra vívidament com un sistema en equilibri respon als canvis externs per mantenir l'equilibri.

Els desplaçaments de l'equilibri: entendre que l'addició d'un reactant o producte desplaça l'equilibri cap a un costat, mentre que la seva eliminació el desplaça cap a l'altre.

Efectes de la temperatura: observar com els canvis de temperatura influeixen en l'equilibri, oferint informació sobre la naturalesa exotèrmica o endotèrmica de les reaccions.

Principis químics que hi ha al darrere

Equilibri químic: l'equilibri dinàmic on la velocitat de la reacció directa és igual a la velocitat de la reacció inversa.

  • Canvi de color com a indicador: el canvi en la intensitat del color serveix com a indicador qualitatiu del canvi en les concentracions d'equilibri.
  • Reaccions de precipitació: la formació de Fe(OH)₃ demostra com la formació de precipitats es pot utilitzar per deduir canvis en les concentracions d'ions en una mescla de reacció.

Aquest experiment proporciona una comprensió pràctica de com responen els equilibris als canvis de condicions, il·lustrant l'adaptabilitat dels sistemes químics per mantenir l'equilibri, d'acord amb el principi de Le Chatelier.

Resum de tasques per rang de qualificació

Cursos 3-5 (Edats 8-10)

  • Enfocament: Introducció bàsica a les reaccions químiques i l'observació de canvis de color.
  • Activitats: Observacions senzilles de canvis de color en barrejar tiocianat de potassi i nitrat de ferro, comprensió de conceptes bàsics de reaccions químiques, instruccions bàsiques de seguretat.

Cursos 6è-8è (Edats 11-13 anys)

  • Enfocament: Comprensió intermèdia dels mecanismes de reacció, els efectes de la temperatura i la química analítica bàsica.
  • Activitats: Realitzar experiments per observar canvis de color i la formació de precipitats, mesurar els efectes de la temperatura sobre les velocitats de reacció, explorar tècniques analítiques bàsiques, seguir protocols de seguretat detallats.

Cursos 9-12 (Edats 14-18)

  • Enfocament: Comprensió avançada del principi de Le Chatelier, la complexació de reaccions i les aplicacions de la química analítica.
  • Activitats: Realitzar experiments precisos amb tiocianat de potassi i nitrat de ferro, observant i registrant l'impacte de la variació de les condicions, analitzant els efectes de la temperatura i la concentració dels reactius, gravació i interpretació detallada dels resultats, adherint-se a protocols de seguretat avançats, reforçant conceptes d'equilibri químic i mecanismes de reacció.

Equipament de laboratori

Instruments

  • Anells (50ml, 250ml i 1000ml)
  • Gotes
  • Balança electrònica
  • Barra de vidre
  • Cilindres graduats (10 ml i 70 ml)
  • Plaqueta elèctrica
  • Banc de laboratori i pinces
  • Agitador magnètic
  • Espàtules
  • Provetes
  • Termòmetres

Productes

  • Nitrat fèrric (solució)
  • Nitrato de ferro (cristalls)
  • Hidroxida de potassi (solució)
  • Tiocianat de potassi (dissolució)
  • Tiocianat de potassi (pols)
  • Fosfat de sodi i hidrogen (pols)
<< tornar a la llista