070 – L'aspecte qualitatiu de l'equilibri químic

Aquest laboratori explora l'aspecte qualitatiu de l'equilibri químic utilitzant la reacció entre el clorur de calci i el sulfat de sodi per formar sulfat de calci, una sal lleugerament soluble. Mitjançant l'observació de la formació i la dissolució de precipitats, els estudiants demostren que les reaccions químiques poden assolir un equilibri dinàmic on coexistents els reactius i els productes.

Objectius educatius

  • Comprendre el concepte d'equilibri químic.
    • Els estudiants aprenen a distingir entre equilibri estàtic i dinàmic observant que les reaccions químiques poden semblar completes mentre que, a nivell microscòpic, els reactius i els productes continuen interconvertint-se a taxes iguals.
  • Visualitza la coexistència de reactius i productes.
    • Mitjançant l'observació directa de la precipitació i la dissolució, els estudiants veuen que tant els ions (Ca²⁺ i SO₄²⁻) com la fase sòlida (CaSO₄) poden coexistir simultàniament quan un sistema ha assolit l'equilibri.
  • Aplica el principi de Le Châtelier.
    • Afegint petites quantitats de CaCl₂ o Na₂SO₄, els estudiants observen com el canvi en la concentració d'ions pertorba l'equilibri i el desplaça cap a la formació o dissolució del precipitat, reforçant la relació entre l'estrès i la resposta de l'equilibri.
  • Diferenciar entre reaccions completes i incompletes.
    • Els estudiants reconeixen que no totes les reaccions arriben a la seva fi; algunes són reversibles, i la presència d'ions restants indica un estat d'equilibri més que una reacció final.
  • Desenvolupa habilitats d'observació i raonament experimental.
    • El laboratori fomenta l'enregistrament acurat de dades qualitatives, la interpretació de canvis visuals i la connexió de proves macroscòpiques (formació de precipitats) amb processos químics microscòpics, promovent el pensament analític en química.

    Protocol

    Preparació d'una solució de NaCl

    1. Peseu aproximadament 4,3 g (2 ml) de cristalls de clorur de sodi (NaCl).
    2. Transferiu els cristalls al vas de precipitats buit de 50 ml.
    3. Utilitzant el cilindre graduat de 70 ml, mesura 50 ml d'aigua destil·lada i transfereix-los al vas de precipitats de 50 ml.
    4. Remena el contingut amb la vareta de vidre.

    Observeu l'aparença inicial de les tres solucions estudiades: la solució de clorur de sodi (NaCl), la solució de clorur de calci (CaCl₂) i la solució de sulfat de sodi (Na₂SO₄).

    Estudi de la reacció directa CaCl2(aq) + Na2SO4(aq) = 2 NaCl(aq) + CaSO4(s)

    1. Amb el cilindre graduat, mesura 10 ml de clorur de calci (CaCl2) solució.
    2. Aboca el contingut del cilindre graduat al tub d'assaig 1.
    3. Utilitzeu el matràs aforat per mesurar 10 ml més de clorur de calci (CaCl2) solució.
    4. Aboca el contingut del vas de precipitats al tub d'assaig 2.
    5. Amb el cilindre graduat, mesura 10 mL de sulfat de sodi (Na2SO4) solució.
    6. Aboca el contingut del cilindre graduat al tub d'assaig 1.
    7. Utilitzant el cilindre graduat, mesura 10 ml més de sulfat de sodi (Na2SO4) solució.
    8. Aboca el contingut del vas de precipitats al tub d'assaig 2.
    9. Remeneu el contingut dels dos tubs d'assaig amb la vareta de vidre, o bé tapant-los i agitant-los.
    10. Deixeu reposar les mescles uns segons i espereu fins que no hi hagi més canvis observables.
    11. Utilitzant el cilindre graduat, mesura 10 mL de clorur de calci (CaCl₂).2) la solució i transferir-la al tub d'assaig 1.
    12. Utilitzant el matràs aforat, mesura 10 ml de sulfat de sodi (Na2SO4) solució i transferiu-la al tub d'assaig 2.
    13. Remeneu el contingut dels dos tubs d'assaig amb la vareta de vidre, o bé tapant-los i agitant-los.
    14. Deixeu reposar les mescles uns segons i espereu fins que no hi hagi més canvis observables.
    15. Buida els tubs d'assaig a la paperera de recuperació negra i esbandiu-los bé amb aigua destil·lada.

    Estudi de la reacció inversa: 2 NaCl(aq) + CaSO4(s) = CaCl2(aq) + Na2SO4(aq)

    1. Peseu uns 3 g (1 ml) de sulfat de calci (CaSO4).
    2. Afegeix sulfat de calci (CaSO4) al vas de precipitats de 50 mL de la dissolució de clorur de sodi preparada al principi del laboratori.
    3. Remeneu la solució durant almenys 5 segons, utilitzant la vareta de vidre.
    4. Deixeu reposar la barreja i espereu fins que no hi hagi cap canvi observable.
    5. Amb el vas de precipitats graduat, mesura 10 mL de líquid del sobrenantant d'aquesta mateixa solució (amb cura de no abocar el sòlid) i, tot seguit, aboca el líquid dins del tub d'assaig 3.
    6. Utilitzant el tub d'assaig, mesureu uns altres 10 ml de líquid sobrenadant de la mateixa solució (tenint cura de no abocar el sòlid) i, després, aboqueu el líquid al tub d'assaig 4.
    7. Utilitzant el cilindre graduat, mesura 10 mL de clorur de calci (CaCl₂).2) solució i transferir-la al tub d'assaig 3.
    8. Utilitzant el matràs aforat, mesura 10 ml de sulfat de sodi (Na2SO4) la solució i transfereix-la al tub d'assaig 4.
    9. Remeneu el contingut dels dos tubs d'assaig amb la vareta de vidre, o bé tapant-los i agitant-los.
    10. Deixeu reposar les mescles uns segons i espereu fins que no hi hagi més canvis observables.
    11. Bui-deu els tubs d'assaig al contenidor de recuperació i esbandiu-los bé amb aigua destil·lada.

    Resultats previstos

    Solucions inicials (Passos 1-3)

    • Les tres solucions preparades —clorur de sodi (NaCl), clorur de calci (CaCl₂) i sulfat de sodi (Na₂SO₄)— semblen clar, incolor i transparent.
    • Cada solut es dissol completament en aigua, cosa que indica que no hi ha cap reacció visible en aquesta etapa.

    Reacció directa: CaCl₂(aq) + Na₂SO₄(aq) → 2 NaCl(aq) + CaSO₄(s)

    • Barreja de les solucions (Passos 4–13):
      • Després d'ajuntar les solucions de CaCl₂ i Na₂SO₄ en els dos tubs d'assaig, es va observar una precipitat blanc immediat apareix. Aquest sòlid s'identifica com a sulfat de calci (CaSO₄), la qual cosa indica que el sistema ha assolit un estat d'equilibri dinàmic entre els ions dissolts i el precipitat sòlid.
    • Addició de reactius addicionals (Passos 14–19):
      • Quan s'afegeixen uns pocs mL de clorur de calci (CaCl₂) al tub de proves #1, el precipitat blanc augmenta de mida. Això demostra que augmentar la concentració de Ca²⁺⁺ ions desplaça l'equilibri cap a la formació de més CaSO₄(s), d'acord amb Principi de Le Châtelier.
      • De manera similar, quan s'afegeixen uns mL de sulfat de sodi (Na₂SO₄) al tub de proves #2, el precipitat blanc també augmenta de mida. Això demostra que augmentar el SO₄²⁻ ió la concentració també empeny l'equilibri cap a la fase sòlida.
      • Al cap d'uns instants, ambdues provetes presenten sobrenadants clars per sobre de capes més gruixudes de sòlid blanc.

    Reacció inversa: 2 NaCl(aq) + CaSO₄(s) → CaCl₂(aq) + Na₂SO₄(aq)

    • Mescla de reacció (Passos 1-4):
      • Quan s'afegeix sulfat de calci sòlid (CaSO₄) a la solució de clorur de sodi, la barreja roman pràcticament sense canvis. El sòlid no sembla dissoldre's i el sobrenadant roman clar i incolor.
      • Això demostra que la reacció inversa és mínima en condicions normals, limitada per la baixa solubilitat del CaSO₄.
    • Detecció d'ions (Passos 5-11):
      • Utilitzant només el líquid sobrenadant de la solució CaSO4(s) i NaCl s'arribarà a un nou punt d'equilibri en el qual es formarà més CaSO4(s) als provetes.
      • Uns pocs mL de clorur de calci (CaCl₂) afegits al tub de proves #3 fan que el precipitat blanc augmenti de mida, confirmant la presència de ions sulfat (SO₄²⁻) a la solució.
      • Quan s'afegeix un mL de sulfat de sodi (Na₂SO₄) al tub de proves #4, el precipitat blanc també augmenta de mida, confirmant la presència de ions de calci (Ca²⁺).
      • Aquests resultats demostren que, tot i que la major part del sulfat de calci roman sense dissoldre, una petita porció es dissocia en ions que romanen.

    Observacions finals

    • Després de l'estada, no s'observen més canvis visibles. Tots els tubs d'assaig contenen un precipitat sòlid blanc a baix i un supernatant clar i incolor A dalt. No s'observa formació de gas ni canvi de color al llarg de l'experiment.

    Interpretació

    • La reformació d'un precipitat blanc després de l'addició de CaCl₂ o Na₂SO₄ confirma que tant els ions Ca²⁺ com SO₄²⁻ persisteixen a la solució fins i tot després de la finalització aparent de la reacció. El sistema és, per tant en equilibri químic, on s'iguala la taxa de precipitació a la taxa de dissolució.
    • L'constant d'equilibri, Keq, es manté constant a temperatura ambient, mentre que la posició d'equilibri es desplaça en resposta a canvis en la concentració d'ions. Aquest experiment proporciona evidència qualitativa de la naturalesa dinàmica de l'equilibri químic.

    Lliçons apreses

    • Equilibri químic: comprendre que a l'equilibri, les reaccions directa i inversa continuen produint-se a velocitats iguals, permetent la coexistència de reactius i productes.
    • La naturalesa dinàmica de l'equilibri: l'equilibri no significa que les reaccions s'hagin aturat, sinó que es produeixen a velocitats iguals en ambdues direccions.
    • Reversibilitat: l'experiment subratlla que els equilibris químics són reversibles, i la presència de productes i reactius és essencial per a l'estat d'equilibri.
    • Control de les condicions de la reacció: l'experiment emfatitza la importància de condicions experimentals controlades per estudiar l'equilibri, assegurant que els reactius estiguin en les proporcions estequiomètriques correctes.

    Principis de la química

    • Concepte d'equilibri: l'experiment il·lustra el concepte bàsic d'equilibri químic, mostrant que les reaccions poden arribar a un estat on la velocitat de la reacció directa és igual a la velocitat de la reacció inversa.
    • Reacció de precipitació: la formació d'un precipitat sòlid a partir de solucions aquoses demostra un tipus comú de reacció química on els ions es combinen per formar un compost insoluble.
    • Principi de Le Chatelier: aquest principi s'observa indirectament ja que el sistema s'ajusta als canvis (addició de més reactius) formant més productes.
    • Reversibilitat de la reacció: destacar que moltes reaccions químiques són reversibles, un concepte fonamental per comprendre l'equilibri químic. Aquest experiment ofereix una demostració pràctica de l'equilibri químic, mostrant com, en condicions d'equilibri, els reactius i els productes coexisteixen i com el sistema respon als canvis, reforçant conceptes clau en cinètica química i equilibri.

    Resum de tasques per rang de qualificació

    Cursos 3-5 (Edats 8-10)

    • Enfocament: Introducció bàsica a les reaccions químiques i l'observació de precipitats.
    • Activitats: Observacions senzilles de solucions salines que formen precipitats, comprensió de conceptes bàsics de solubilitat, instruccions bàsiques de seguretat.

    Cursos 6è-8è (Edats 11-13 anys)

    • Enfocament: Comprensió intermèdia de les reaccions de precipitació, la solubilitat i les reaccionsReversibles.
    • Activitats: Realitzar experiments per formar precipitats, observar els efectes de la solubilitat de les sals, explorar reaccionsReversibles, seguir protocols de seguretat detallats.

    Cursos 9-12 (Edats 14-18)

    • Enfocament: Comprensió avançada de l'equilibri químic, reaccions de precipitació i precisió experimental.

    Activitats: Realitzar experiments amb precisió per estudiar reaccions de precipitació, mesurar i analitzar els efectes de la solubilitat, explorar reaccions tant directes comReversibles, enregistrament i interpretació detallats dels resultats, adherir-se a protocols de seguretat avançats, reforçar conceptes d'equilibri químic i principis de solubilitat.

    Equipament de laboratori

    Instruments

    • Anelles (50ml)
    • Gotejador
    • Balança electrònica
    • Barra de vidre
    • Cilindres graduats (10 ml i 70 ml)
    • Banc de laboratori i pinces
    • Espàtules x3
    • Tubets d'assaig 50ml x4

    Productes

    • Clorur de sodi (cristalls)
    • Sulfat de calci (en pols)
    • Sulfat de sodi 0,005M (dissolució)
    • Clorur de calci 0,005 M (dissolució)
    << tornar a la llista