Identificar un gas és un dels problemes més antics de la química, i encara continua ben viu: les brigades de miners i de túnels proven l'aire abans d'entrar-hi, els cervesers i els vinaters vigilen el diòxid de carboni que produeixen les seves fermentacions, i els hospitals comproven el contingut de cada canonada de gas abans que arribi a un pacient. La majoria dels gasos són incolors i inodors, de manera que l'aparença no serveix de res; un gas s'ha d'identificar pel seu comportament.
Tres proves clàssiques, juntes, distingeixen els gasos de laboratori més comuns. Una estella encesa comprova si el gas mateix és inflamable: l'hidrogen s'encén amb un petit espetec, mentre que el diòxid de carboni stoma la flama. Una estella incandescent comprova si el gas afavoreix la combustió millor que l'aire: només l'oxigen torna a encendre la brasa. I l'aigua de calç —una solució saturada d'hidròxid de calci— detecta específicament el diòxid de carboni, i es torna lletosa a mesura que es forma carbonat de calci insoluble. Cap prova sola no és concloent per si mateixa, però el patró de totes tres resultats és únic per a cada gas.
En aquest laboratori aplicaràreu els tres tests a tres gasos desconeguts, cadascun subministrat en tres tubs d'assaig tapats, registrareu el resultat de cada prova i deduireu la identitat de cada gas a partir de l'evidència combinada.
Objectius educatius
Familiarització amb l'entorn del laboratori
- Identifica la disposició i l'equipament del laboratori d'identificació de gasos, incloent-hi els tubets de prova apilats de gasos desconeguts (#1 a #9), les fèrules de fusta i l'encenedor, el suport de laboratori amb la seva pinça universal i el cilindre graduat utilitzat per mesurar l'aigua de calç.
Manipulació segura de gasos i flames obertes
- Mengeu els tubs d'assaig tancats amb el tap fins al moment de la prova, llenceu les carenes usades al contenidor de recuperació i enteneu per què només es manipulen petits volums de gas a prop d'una flama.
- Un tub d'assaig es subjecta cap per avall per a les proves de la bosqueta perquè un gas menys dens que l'aire, com ara l'hidrogen, s'escaparia abans de poder ser provat.
Correcta execució de les tres proves de gas clàssiques
- Introduïu un llumí encès en un tub invertit i interpreteu una microexplosió, una flama extingida o cap canvi.
- Apagueu una estella mantenint-la incandescent, i feu servir el caliu radiant per comprovar si el gas manté la combustió.
- Mesureu 15 mL d'aigua de calç, transferiu-los ràpidament a un tub de gas i barregeu-los per comprovar si hi ha precipitat.
Observació sistemàtica i deducció
- Registra immediatament el resultat de cada assaig a la taula de resultats.
- Deduieu la identitat de cada incògnita a partir del patró combinat de les tres proves en lloc de qualsevol observació individual.
Connectant observacions amb propietats químiques
- Relacioneu cada prova amb la propietat que avalua: la inflamabilitat, la capacitat de mantenir la combustió i la reacció àcid-base del diòxid de carboni amb l'hidròxid de calci.
- Escriviu i igualeu les equacions químiques de l'explosió del hidrogen i de l'ennegriment de l'aigua de calç.
Protocol
Identificació de gasos desconeguts
- Connecta una pinça universal al suport.
- Adjunti cap per avall un dels tubs d'assaig que conté el gas desconegut 1 (tubs d'assaig de l'1 al 3) a la pinça universal.
- Traieu el tap de la proveta invertida.
- Encén una baga de fusta.
- Introduïu la vareta ardent dins del tub d'assaig invertit.
- Una microexplosió, la desaparició o cap canvi en la flama poden proporcionar informació sobre la naturalesa del gas.
- Torna a posar el tub d'assaig al seu suport i llença la vareta al contenidor de recuperació.
- Fixeu en posició invertida un segon tub d'assaig que conté gas desconegut 1 (tubs d'assaig de l'1 al 3) a la pinça universal.
- Traieu el tap de la proveta invertida.
- Encén una altra estella de fusta.
- Agita la vareta de fusta per apagar-la mentre la mantens incandescent.
- Introduïu la vareta incandescent al tub d'assaig invertit.
- La possible ignició de la fusta pot proporcionar informació sobre la naturalesa del gas.
- Torna a posar el tub d'assaig al seu suport i llença l'estella al contenidor de recuperació.
- Aboca 15 ml d'aigua de calç al vas de precipitats graduat.
- Mentre el manteniu al tub de proves, obriu el tercer tub de proves que conté el gas desconegut 1 i aboqueu-hi ràpidament aproximadament 15 ml d'aigua de calç.
- Torna a posar el tap al tub d'assaig i barreja bé.
- La formació o l'absència d'un precipitat blanc pot proporcionar informació sobre la naturalesa del gas.
- Repeteix els passos del 2 al 17 amb els tubs d'assaig que contenen el gas desconegut 2 (tubs d'assaig del 4 al 6), després amb els que contenen el gas desconegut 3 (tubs d'assaig del 7 al 9).
- Comprova la taula de resultats a la tauleta per deduir el contingut dels provetes.
Resultats previstos
Resultats esperats. Les tres incògnites es comporten de la manera següent.
| Desconegut | Fèrula cremada | Fèrula lluminosa | Aigua de calç | Identitat |
|---|---|---|---|---|
| Gas #1 (tubs 1–3) | microexplosió amb un "pop" sec“ | la brasa s'apaga | sense canvi | hidrogen, H2 |
| Gas #2 (tubs 4–6) | La flama crema més ràpid i més brillant | ember torna a encendre's | sense canvi | oxigen, O2 |
| Gas #3 (tubs 7–9) | La flama s'ha apagat | la brasa s'apaga | es torna de color blanc lletós | dióxid de carboni, CO2 |
Per què el hidrogen fa petar?. L'hidrogen és inflamable: barrejat amb l'oxigen de l'aire circumdant i si se li aplica una font d'ignició, crema gairebé a l'instant — 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g). La reacció és fortament exotèrmica i es propaga pel petit volum de gas en una fracció de segon, produint el característic cruixit esclatant d'una microexplosió. El tub de proves només conté uns quants mil·lilitres, i és precisament per això que la demostració és segura.
Per què només l'oxigen reencén la brasa. Una fèrula incandescente és carbó vegetal que s'oxida just per sota del llindar de la flama oberta. En l'aire ordinari, només el 21% de les molècules que xoquen amb la brasa són d'oxigen; en oxigen pur aquesta fracció puja fins al 100%, la velocitat d'oxidació augmenta aproximadament en proporció, i la calor addicional alliberada fa que la brasa superi de nou la seva temperatura d'ignició. L'hidrogen i el diòxid de carboni no contenen oxigen lliure, de manera que en qualsevol d'aquests gasos l'escorça queda privada d'oxigen i s'apaga.
Per què l'aigua de calç es torna lletosa. El diòxid de carboni és un gas àcid. Agitat amb aigua de cala —una solució saturada d'hidròxid de calci—, reacciona per formar carbonat de calci: CO2(g) + Ca(OH)2(aq) → CaCO3(s) + H2O(l). El carbonat de calci és gairebé insoluble, de manera que apareix com una suspensió de partícules fines de color blanc que dispersen la llum i fan que el líquid sembli lletós. Ni l'hidrogen ni l'oxigen reaccionen amb l'hidròxid de calci, de manera que per a aquests gasos l'aigua de calç es manté transparent.
Per què la flama s'apaga en diòxid de carboni. El diòxid de carboni és el producte de combustió totalment oxidat: no pot cremar-se més i no conté oxigen disponible per mantenir l'espàtula. Com que és més dens que l'aire, també roman dins del tub i desplaça l'aire que necessita la flama — el mateix principi que explota el CO.2 extintors.
Resum de tasques per rang de qualificació
De 9è a 10è grau
- Enfocament els gasos s'identifiquen pel seu comportament, no pel seu aspecte, i les observacions s'han de registrar de manera sistemàtica.
- Activitats: realitzeu de manera segura les proves de la flama (amb un llumí encès), de la bosqueta incandescent i de l'aigua de calç amb cada mostra desconeguda; registreu cada resultat a la taula immediatament; identifiqueu els tres gasos a partir del patró combinat; indiqueu quines observacions individuals haurien estat ambigües per sí soles.
11è curs
- Enfocament la química darrere de cada prova.
- Activitats: Escriure i ajustar les equacions de la combustió de l'hidrogen i la reacció del diòxid de carboni amb l'aigua de calç; explicar per què una ratlla d'incandescència torna a encendre's només en oxigen, en funció de la velocitat de col·lisió i la temperatura d'ignició; explicar per què els tubs es subjecten de cap per avall per a les proves de la ratlla i per què el diòxid de carboni ofega una flama.
12è curs / Nivell universitari
- Enfocament lògica analítica i el disseny d'esquemes de proves qualitatives.
- Activitats: construïu la matriu de decisió completa per a les tres proves i demostrar que cada gas d'origen dóna un patró únic; expliqueu la redissolució del precipitat d'aigua de calç en excés de CO₂2 i la seva conseqüència per a la interpretació; determineu la seqüència mínima de proves que identificar-hi cada gas i quins parells no pot separar cada prova individual; debatiu com fallaria el esquema per a un gas inert com ara el nitrogen.
Equipament de laboratori
Instruments
- Encenedor
- Provetes
- Fetes de fusta
- Suport de laboratori
- Pinça
- proveta graduada
Productes
- Gassos desconeguts (#1 a #9)
- Aigua de calç