006 – Identificarea gazelor

Identificarea unui gaz este una dintre cele mai vechi probleme din chimie și rămâne una de actualitate: echipele din mine și tuneluri testează aerul înainte de a intra, berarii și vinificatorii monitorizează dioxidul de carbon produs de fermentațiile lor, iar spitalele verifică conținutul fiecărei conducte de gaz înainte ca acesta să ajungă la un pacient. Cele mai multe gaze sunt incolore și inodore, așa că aspectul nu este de ajutor — un gaz trebuie identificat după modul în care se comportă.

Trei teste clasice, împreună, disting cele mai comune gaze de laborator. O așchie care arde testează dacă gazul în sine este inflamabil: hidrogenul se aprinde cu un pocnet ascuțit, în timp ce dioxidul de carbon înăbușe flacăra. O așchiei incandescentă testează dacă gazul întreține arderea mai bine decât aerul: doar oxigenul reaprinde tăciunele. Iar apa de var – o soluție saturată de hidroxid de calciu – detectează în mod specific dioxidul de carbon, devenind lăptoasă pe măsură ce se formează carbonatul de calciu insolubil. Niciun test luat separat nu este concludent, dar modelul tuturor celor trei rezultate este unic pentru fiecare gaz.

În acest laborator veți aplica toate cele trei teste pe trei gaze necunoscute, fiecare furnizat în câte trei eprubete astupate cu dop, veți înregistra rezultatul fiecărei probe și veți deduce identitatea fiecărui gaz din dovezile cumulate.

Obiective educaționale

Familiarizarea cu mediul de laborator

• Identificați dispunerea și echipamentul laboratorului de identificare a gazelor, inclusiv eprubetele așezate în suport care conțin gaze necunoscute (de la #1 la #9), bețele de lemn și bricheta, suportul de laborator cu clema sa universală, precum și cilindrul gradat utilizat pentru măsurarea apei de var.

Manipularea în siguranță a gazelor și a flăcărilor deschise

• Țineți eprubetele dopate până în momentul testului, aruncați bețișoarele folosite în colectorul de recuperare și înțelegeți de ce se manipulează doar volume mici de gaz în apropierea unei flăcări.
• Un eprubetă este prinsă cu gura în jos pentru testele cu eprubeta cu așchie deoarece un gaz mai puțin dens decât aerul, cum ar fi hidrogenul, altfel ar scăpa înainte de a putea fi testat.

Executarea corectă a celor trei teste clasice pentru gaze

• Introduceți o așchie incandescentă într-un tub inversat și interpretați o micro-explozie, o flacără stinsă sau nicio schimbare.
• Stinge o așchie menținând-o incandescentă și folosește cărbunele aprins pentru a testa dacă gazul întreține arderea.
• Măsurați 15 mL de apă de var, transferați-i rapid într-un tub de gaz și amestecați pentru a verifica prezența unui precipitat.

Observație sistematică și deducție

• Înregistrați rezultatul fiecărui proces imediat în tabelul cu rezultate.
• Deduceți identitatea fiecărei necunoscute din modelul combinat al celor trei teste, mai degraba decât din orice observație unică.

Conectarea observațiilor la proprietățile chimice

• Corelați fiecare test cu proprietatea pe care o sondează: inflamabilitatea, capacitatea de a susține combustia și reacția acid-bază a dioxidului de carbon cu hidroxidul de calciu.
• Ecuația chimică pentru sunetul caracteristic (pocnitura) produs de hidrogen: 2H₂ + O₂ → 2H₂O Ecuația chimică pentru tulburarea apei de var (dioxidul de carbon reacționează cu hidroxidul de calciu): CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

Protocol

Identificarea gazelor necunoscute

1. Atașați o clemă universală la suport.
2. Atașați cu susul în jos unul dintre eprubetele ce conțin gazul necunoscut 1 (eprubetele 1 - 3) la clema universală.
3. Îndepărtați dopul din eprubeta răsturnată.
4. Aprinde o așchie de lemn.
5. Introduceți bățul aprins în eprubeta răsturnată.
6. O microexplozie, dispariția sau lipsa de schimbare a flăcării pot oferi informații despre natura gazului.
7. Pune eprubeta înapoi pe stativ și aruncă scânteia în coșul de recuperare.
8. Atașați cu susul în jos un al doilea eprubetă conținând gaz necunoscut 1 (eprubetele 1 până la 3) la clema universală.
9. Îndepărtați dopul din eprubeta răsturnată.
10. Aprinde alt așchie de lemn.
11. Agitați așchia de lemn pentru a o stinge, menținând-o incandescentă.
12. Introduceți tija incandescentă în eprubeta răsturnată.
13. Aprinderea posibilă a așchiei poate oferi informații despre natura gazului.
14. Pune eprubeta înapoi pe stativ și aruncă așchia în coșul de recuperare.
15. Turnați 15 mL de soluție de var stins în cilindrul gradat.
16. Pe cât timp îl țineți pe suportul pentru eprubete, deschideți a treia eprubetă care conține gaz necunoscut 1 și turnați rapid aproximativ 15 mL de lapte de var în ea.
17. Pune dopul la loc pe eprubetă și agită bine.
18. Formarea sau absența unui precipitat alb poate oferi informații despre natura gazului.
19. Repetați pașii de la 2 la 17 cu eprubetele ce conțin gazul necunoscut 2 (eprubetele 4-6), apoi cu cele ce conțin gazul necunoscut 3 (eprubetele 7-9).
20. Verifică tabelul cu rezultate de pe tabletă pentru a deduce conținutul eprubetelor.

Rezultate anticipate

Rezultate așteptate. Cele trei necunoscute se comportă după cum urmează.

De ce explodează hidrogenul. Hidrogenul este inflamabil: amestecat cu oxigenul din aerul înconjurător și în prezența unei surse de aprindere, arde aproape instantaneu — 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g). Reacția este puternic exotermă și se propagă prin volumul mic de gaz într-o fracțiune de secundă, producând sunetul caracteristic de lătrat sau scârțâit al unei micro-explozii. Eprubeta conține doar câțiva mililitri, motiv exact pentru care demonstrația este sigură.

De ce doar oxigenul reaprinde tăciunele. O așchie incandescentă reprezintă cărbune care se oxidează chiar sub pragul flăcării deschise. În aerul obișnuit, doar 21% dintre moleculele care intră în coliziune cu cărbunele incandescent sunt de oxigen; în oxigenul pur, această fracțiune crește la 100%, rata de oxidare crește aproximativ proporțional, iar căldura suplimentară eliberată împinge cărbunele incandescent înapoi peste temperatura sa de aprindere. Hidrogenul și dioxidul de carbon nu conțin oxigen liber, așa că, în oricare dintre aceste gaze, cărbunele incandescent rămâne lipsit de oxigen și se stinge.

De ce apa de var se tulbură. Dioxidul de carbon este un gaz acid. Agitat cu apă de var — o soluție saturată de hidroxid de calciu — acesta reacționează formând carbonat de calciu: CO₂(g) + Ca(OH)₂(aq) → CaCO3₃(s) + H₂Carbonatul de calciu este aproape insolubil, așa că apare ca o suspensie de particule albe fine care împrăștie lumina și fac lichidul să pară lăptos. Nici hidrogenul, nici oxigenul nu reacționează cu hidroxidul de calciu, așa că pentru acele gaze apa de var rămâne limpede.

De ce se stinge flacăra în dioxid de carbon. Dioxidul de carbon este produsul complet oxidat al combustiei: nu mai poate arde și nu conține oxigen disponibil pentru a susține eprubeta. Fiind mai dens decât aerul, el persistă, de asemenea, în tub și dislocă aerul de care flacăra are nevoie — același principiu exploatat de CO₂ stingătoare de incendiu.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Concentrare: gazurile sunt identificate prin comportamentul lor, nu prin aspectul lor, iar observațiile trebuie înregistrate în mod sistematic.
• Activități: efectuați în siguranță testele cu așchia aprinsă, așchia incandescendentă și apa de var pentru fiecare eșantion necunoscut; înregistrați imediat fiecare rezultat în tabel; identificați cele trei gaze pe baza modelului combinat; menționați care observații individuale ar fi fost ambigue luate separat.

Clasa a XI-a

• Concentrare: chimia din spatele fiecărui test.
• Activități: Scrierea și egalarea ecuațiilor: 1. Arderea hidrogenului: 2H₂ + O₂ → 2H₂O 2. Reacția dioxidului de carbon cu apa de var (hidroxid de calciu): CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O De ce un bețișor incandescent se aprinde din nou doar în oxigen: În aer, rata ciocnirilor dintre particulele combustibile și oxigen este mai mică din cauza prezenței azotului inert. În oxigen pur, concentrația ridicată crește frecvența ciocnirilor utile pe secundă, accelerând rata reacției exoterme. Această căldură suplimentară atinge rapid temperatura de aprindere a bețișorului incandescent, determinându-l să reaprindă flacăra. De ce eprubetele sunt prinse cu gura în jos pentru testele cu bețișorul: Hidrogenul este mult mai ușor decât aerul (are o densitate foarte mică), ceea ce face ca acesta să se ridice și să iasă din eprubetă dacă aceasta este ținută cu gura în sus. Prin menținerea eprubetei cu gura în jos, gazul este prins și reținut în interior prin deplasarea aerului. De ce dioxidul de carbon înăbușe o flacără: Dioxidul de carbon este mai greu decât aerul și nu este întreținător al combustiei. Când este direcționat spre o flacără, acesta formează un strat dens care izolează combustibilul de oxigenul din aer. Fără un aport continuu de oxigen, flacăra se stinge.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Concentrare: logica analitică și proiectarea schemelor de testare calitativă.
• Activități: construiește matricea decizională completă pentru cele trei teste și arată că fiecare gaz produce un model unic; explică redizolvarea precipitatului de apă de var în exces de CO2₂ și consecința sa asupra interpretării; determinați secvența minimă de teste care ar identifica fiecare gaz și pe care perechi nu le poate separa un singur test; discutați modul în care schema ar eșua în cazul unui gaz inert, cum ar fi azotul.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Brichetă
• Eprubete
• Așchii de lemn
• Suport de laborator
• Clește
• Cilindru gradat

Produse

• Gaze necunoscute (de la #1 la #9)
• Apă de var