012 – Proprietăți fizice și identificarea produselor

Nicio substanță pură nu are exact aceleași proprietăți fizice ca alta. Fiecare are propriul său punct de fierbere și propria sa densitate, iar aceste constante sunt catalogate în tabele de referință pe care chimiștii le consultă în fiecare zi. Ac Acesta este motivul pentru care o sticlă etichetată nu este niciodată identificată prin presupuneri: măsurarea a uneia sau a două proprietăți fizice bine alese și compararea rezultatelor cu valorile cunoscute sunt de obicei suficiente pentru a denumi o substanță. Aceeași abordare este utilizată în controlul calității, în laboratoarele forenzice și în verificarea purității substanțelor chimice fabricate.

Două proprietăți susțin acest laborator. Punctul de fierbere este temperatura la care presiunea de vapori a unui lichid este egală cu presiunea atmosferică din jur; în timp ce un lichid fierbe, temperatura sa încetează să mai crească, deoarece căldura furnizată este consumată de schimbarea stării de agregare, mai degrabă decât de încălzirea lichidului. Densitatea este raportul dintre masă și volum, ρ = m/V. Aceasta este o proprietate intensivă – un fragment mare și unul mic oferă aceeași valoare – iar pentru un solid neregulat, volumul se măsoară cel mai ușor prin dezlocuirea apei, intuiție atribuită lui Arhimede.

În acest laborator veți identifica patru substanțe necunoscute. Două lichide necunoscute sunt încălzite pe plite încinse reglate la 105 °C, în timp ce termometrele le înregistrează temperatura: platoul pe care îl atinge fiecare lichid este punctul său de fierbere, iar numele său derivă de la acesta. Două solide necunoscute sunt apoi cântărite pe balanța electronică și scufundate într-un vas plin cu preaplin, apa deplasată fiind colectată într-un cilindru gradat; masa și volumul luate împreună dau densitatea, iar densitatea oferă identitatea.

Obiective educaționale

Familiarizarea cu mediul de laborator

• Localizați și utilizați echipamentul unei mese de chimie umedă: plite electrice, stative universale și cleme, agitatoare magnetice, balanța electronică, vasul de preaplin și recipientul de recuperare.

Utilizarea echipamentului de protecție și conduita sigură în laborator

• Purtați echipamentul de protecție corespunzător manipulării lichidelor aproape de fierbere și aruncați probele utilizate în recipientul de recuperare.
• Explicați de ce degetele nu trebuie să atingă apa în timpul unei măsurători de deplasare: orice obiect scufundat își adaugă propriul volum și distorsionează rezultatul.

Măsurarea volumului și a masei

• Măsurați volumele de lichid la menisc cu cilindrul gradat corespunzător.
• Cântăriți substanțele solide pe o balanță electronică folosind o tăviță de cântărire și înregistrați fiecare măsurătoare cu unitatea sa de măsură.

Determinarea punctului de fierbere

• Asamblați o instalație de încălzire cu un termometru fixat cu clemă, o bară de agitare magnetică și o înregistrare cronometrată a temperaturii.
• Recunoașteți platoul de temperatură care marchează fierberea și folosiți-l — nu fierberea însăși — ca punct de fierbere măsurat.

Determinarea densității prin deplasarea apei

• Măsurați volumul unui solid neregulat pe baza cantității de apă pe care acesta o expulzează dintr-un recipient plin, prevăzut cu sistem de preaplin.
• Calculați densitatea conform formulei ρ = m/V pe baza masei măsurate și a volumului deplasat.

Identificarea substanțelor din proprietățile fizice

• Comparați punctul de fierbere sau densitatea măsurate cu valorile de referință și justificați identificarea.
• Precizați limitele comparației: cât de apropiate pot fi două valori de referință înainte ca o singură proprietate să nu mai permită diferențierea candidaților.

Protocol

Identificarea lichidelor necunoscute

1. Măsurați cu precizie 50 mL din lichidul necunoscut 1 cu ajutorul cilindrului gradat de 50 mL.
2. Turnați lichidul din cilindrul gradat într-un pahar de laborator de 100 mL marcat cu litera A.
3. Clătiți cilindrul gradat.
4. Repetați pașii de la 1 la 3 cu lichidul necunoscut 2, folosind paharul de laborator B.
5. Așezați paharul de laborator A pe placa de încălzire din stânga și paharul de laborator B pe placa de încălzire din dreapta.
6. Puneți o bară magnetică de agitare în fiecare pahar de laborator.
7. Fixați o clemă universală pe suporturile situate deasupra centrului fiecărui pahar de laborator.
8. Așezați un termometru în fiecare pahar de laborator, fixându-le cu ajutorul cleștilor atașați la suporturile universale.
9. Porniți cronometrul.
10. Porniți agitatoarele magnetice.
11. Reglați temperatura plăcilor de încălzire la 105 °C.
12. În tabelul cu rezultate, verificați variația temperaturii.
13. Având în vedere temperatura de fierbere, ce ar putea fi lichidele necunoscute?
14. Când s-a atins temperatura maximă de fierbere pentru fiecare pahar de laborator, opriți agitatoarele magnetice.
15. Oprește cronometrul.
16. Reduceți temperatura plăcii de încălzire la 15 °C.
17. Desprindeți termometrele de cleme.
18. Scoateți barele magnetice de agitare din paharele de laborator.
19. Goliți conținutul paharelor de laborator în recipientul de colectare.

Identificarea substanțelor solide necunoscute

1. Cu ajutorul pensetei, așezați 5 bucăți din substanța solidă necunoscută 1 pe balanță, folosind barcuța de cântărire. Notați greutatea totală a celor 5 bucăți.
2. Umpleți un recipient cu orificiu de preaplin cu apă de la robinet până la capacitatea maximă, înainte de a se revărsa (500 ml). Lăsați apa în exces să se scurgă în chiuvetă.
3. Așezați vasul de preluare a excesului de lichid pe blat, chiar lângă cilindrul gradat de 25 mL, astfel încât acesta din urmă să fie poziționat sub orificiul de preluare al vasului de preluare a excesului de lichid.
4. Goliți cu grijă bucățile de substanță solidă 1 din vasul de cântărire în vasul de preluare. Atenție! Degetele nu trebuie să intre în contact cu apa, pentru a nu denatura rezultatele.
5. Folosind debitul de preaplin din vasul de preaplin și meniscul din cilindrul gradat, determinați volumul substanței solide 1.
6. Așteptați până când curgerea se oprește complet.
7. Notați volumul ocupat. Folosind greutatea pieselor cântărite la pasul 1, veți putea astfel să calculați densitatea.
8. Cu ajutorul pensetei, scoateți bucățile de substanță solidă 1 din vasul de preluare a excesului și aruncați-le în coșul de colectare.
9. Goliți lichidul din cilindrul de 25 mL în recipientul de colectare.
10. Folosind apă de la robinet, umpleți din nou vasul de preaplin până la capacitatea maximă înainte de a se revărsa (500 ml). Lăsați apa în exces să se scurgă în chiuvetă.
11. Așezați vasul de preluare a excesului înapoi pe banc, chiar lângă cilindrul gradat de 25 mL, astfel încât acesta din urmă să se afle sub orificiul de preluare al vasului de preluare a excesului.
12. Cu ajutorul pensetei, așezați 5 bucăți din substanța solidă necunoscută nr. 2 pe balanță, folosind barcă de cântărire. Notați greutatea totală a celor 5 bucăți.
13. Goliți cu grijă bucățile de solid 2 din barca de cântărire în vasul de preaplin. Atenție! Degetele nu trebuie să intre în contact cu apa pentru a nu distorsiona rezultatele.
14. Folosind debitul din vasul de preaplin și meniscul din cilindrul gradat, determinați volumul solidului 2.
15. Notați volumul ocupat. Folosind greutatea pieselor cântărite la pasul 12, veți putea astfel să calculați densitatea.
16. Astfel vei putea identifica cele 2 corpuri necunoscute folosind densitatea lor.

Rezultate anticipate

Partea A — lichidele necunoscute. Ambele pahare de laborator sunt încălzite pe plăci setate la 105 °C, puțin peste punctul de fierbere al apei, astfel încât fiecare lichid ajunge în cele din urmă la o temperatură de platou pe care nu o poate depăși. Temperaturile de platou constituie criteriul de identificare.

Un lichid intră în fierbere atunci când presiunea sa de vapori este egală cu presiunea atmosferică de deasupra lui. Din acel moment, căldura furnizată de placa de încălzire este folosită pentru transformarea lichidului în vapori, nu pentru creșterea temperaturii, astfel încât valoarea indicată de termometru încetează să mai crească — se ajunge la un platou — chiar dacă placa este setată la o temperatură cu 5 °C mai mare. Deoarece lichidul necunoscut #2 fierbe la 78 °C, cu mult sub 100 °C, acesta începe să fiarbă primul; observarea paharului de laborator care fierbe mai repede constituie în sine o dovadă, iar valorile de platou confirmă apoi identificarea.

Partea B — substanțele solide necunoscute. Se cântăresc câte cinci bucăți din fiecare substanță solidă, apoi se introduc într-un vas de preluare umplut la capacitate maximă (500 ml); apa pe care o alungă se scurge în cilindrul gradat de 25 ml, indicând direct volumul bucăților.

Relația de bază este ρ = m/V. Pentru solidul #1: ρ = 14,5 g ÷ 5,4 mL = 2,7 g/mL, ceea ce corespunde cu densitatea de referință a carbonatului de calciu de 2,71 g/mL, în limita preciziei de citire a cilindrului. Pentru solidul #2: ρ = 63,75 g ÷ 12,2 mL = 5,2 g/mL, ceea ce corespunde cu oxidul de fier (III) la 5,24 g/mL. Densitatea este o mărime intensivă, motiv pentru care cinci bucăți dau aceeași valoare ca una singură — utilizarea a cinci bucăți face pur și simplu ca atât masa, cât și volumul deplasat să fie suficient de mari pentru a putea fi citite cu precizie.

Metoda deplasării funcționează deoarece un solid scufundat împinge în lateral exact propriul său volum de apă — aceasta este descoperirea lui Arhimede. Metoda presupune ca solidul să se scufunde și să fie, în esență, insolubil, ambele condiții fiind îndeplinite în cazul de față. De asemenea, aceasta explică avertismentul din protocol referitor la degete: orice alt element care intră în apă adaugă propriul său volum la cantitatea de apă revărsată și denaturează rezultatul măsurătorii. Veți observa, de asemenea, că apa capătă o nuanță portocalie după adăugarea solidului necunoscut #2 — particule fine de oxid de fier (III), pigmentul ruginii, rămân în suspensie în apă. Culoarea este un indiciu calitativ util, dar densitatea este dovada.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Concentrare: proprietăți fizice ca identifianți și măsurare atentă cu unități corecte.
• Activități: măsurați volumele și masele; observați cele două lichide pe măsură ce se încălzesc și înregistrați temperaturile de platou; lăsați să cadă solidele cântărite în vasul de preaplin și citiți volumul dezlocuit; calculați fiecare densitate cu $\rho = m/V$ și potriviți toate cele patru necunoscute cu valorile de referință.

Clasa a XI-a

• Concentrare: tratamentul cantitativ al fierberii și al densității.
• Activități: schițează temperatura în funcție de timp pentru ambele pahare și explică platoul prin energia care se duce în schimbarea de stare; explică de ce plita este setată la 105 °C; păstrează numărul corect de cifre semnificative în ambele calcule de densitate; explică de ce se folosesc cinci bucăți în loc de una.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Concentrare: identificarea unei singure proprietăți și când este nevoie de a doua proprietate.
• Activități: Discutați dependența punctelor de fierbere de presiune; evaluați când densitatea singură nu poate separa doi candidați și propuneți un test de confirmare independent; clasificați proprietățile utilizate ca intensive sau extensive și justificați de ce doar proprietățile intensive identifică substanțele.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahare Berzelius (100 mL)
• Cântar electronic și vas de cântărire
• Cilindri gradați (25 mL și 50 mL)
• Plite electrice
• Suporturi și cleme de laborator
• Agitatoare magnetice și bare de agitare
• Vas de preaplin (500 mL)
• Coșul de reciclare
• Termometre
• Cronometru
• Pensetă

Produse

• Lichide necunoscute (#1 și #2)
• Substanțe solide necunoscute (#1 și #2)
• Apă de la robinet