Les 10 (o més) reaccions de Química més espectaculars (5)

Cinquena i última entrega de les 10 reaccions de Química més espectaculars que es poden fer en un laboratori escolar. Amb aquesta entrega acabem amb el foc, i amb la sèrie.


9.- Arc de Sant Martí de foc (cremant sals)

Quan s’escalfen sals metàl•liques a la flama d’un bec bunsen, els ions que les composen emeten llum de diferents colors. En funció del metall que contingui la sal s’obté un color característic del que és responsable el metall. Aquesta és una tècnica d’anàlisi químic qualitatiu anomenada assaig a la flama, que es realitza de manera ortodoxa amb fils de platí impregnats dels clorurs metàl•lics corresponents. Els de Quimitube expliquen la tècnica i el fonament fisicoquímic de les coloracions que apareixen i com aconseguir els diferents colors.

Flama de l'estronci
Flama de color vermell de l’estronci

En absorbir energia l’àtom quan s’escalfa, els electrons pugen a nivells d’energia superiors, però la tendència que tenen a recuperar l’estat fonamental fa que retornin l’energia extra emetent radiació, que és pròpia de cada element. Si aquesta radiació està en el rang del visible s’observen colors característics. Aquestes flames acolorides permeten detectar qualitativament elements en mescles.

La llum visible està formada per ones electromagnètiques la longitud d’ona de les quals va aproximadament des dels 350 nm (violeta) fins als 750 nm (vermell). Així, dos raigs de llum amb la mateixa longitud d’ona tenen la mateixa freqüència i el mateix color. Però un color és un fenomen físic que pot estar associat a diferents longituds d’ona de la zona visible de l’espectre electromagnètic, de manera que quan veiem un color en l’assaig a la flama, normalment estem veiem una barreja de freqüències. La percepció del color és un procés neurofisiològic molt complex en el que no entraré, però en el que podeu endinsar-vos una mica, per exemple en la pàgina sobre la percepció del color de J. Antonio Aznar, professor de la Facultat de Psicologia de la Universitat de Barcelona.

 

Una altra cosa és l’espectre d’emissió que s’obté quan s’analitza la llum emesa en l’assaig a la flama dels metalls, que es mostra a l’ull com un únic color, amb un espectroscopi. Un espectre atòmic d’emissió està compost per una o diverses longituds d’ona a causa que els electrons excitats dels àtoms, en passar d’uns nivells d’energia a uns altres inferiors, emeten les diferències en forma de radiació de diverses longituds d’ona i aquesta és registrada en l’espectre com una sèrie de línies.

Estronci espectre de emissió
Espectre d’emissió de l’Estronci?

Estem acostumats a veure la flama dels encenedors de cuina (o de cigarrets) blava o ataronjada, però la gama de colors que es poden aconseguir amb sals de diferents metalls és molt gran. A la wikipedia teniu una taula amb els colors d’alguns metall i fotografies de flames de colors. Recentment, els de Compound Interest han fet una infografia molt bonica amb els diferents colors. Els que més m’agraden són els colors menys habituals en les flames, els del liti i l’estronci.

Flame_tests

Si en lloc d’utilitzar un fill de platí el que es fa és dissoldre la sal en una mica d’aigua, i després d’afegir-li abundant metanol, es fica en un gresol i se li cala foc, podem mantenir la flama acolorida per més temps, de manera que podem presentar tota una gama de colors en filera, per exemple els colors de l’arc de Sant Martí. S’ha de fer cada sal per separat, no es poden barrejar diferents sals juntes en un gresol per tal d’aconseguir un efecte d’arc de Sant Martí de foc, no sortiria. Els profes de l’institut Jorge Manrique de Palència fan una proposta quantitativa que els hi dona bons resultats.

 

Assaig a la flama del Liti
Assaig a la flama del Liti ruixant la dissolució amb un esprai

Més espectacular és preparar dissolucions en alcohol de les sals com he dit abans, i ficar-les en una pistola polvoritzadora de plàstic d’aquelles dels productes de neteja o de tirar-se colònia, i ruixar una flama d’un bec bunsen. És el que proposen els profes de l’IES Juana de Pimentel i cia en el seu treball Ensayos a la llama. Si darrera el cremador es col•loca una pantalla en vertical de paper d’alumini sobre la que xoqui la flama de color, el resultat millora molt.

Si voleu les flames en moviment, aquí i aquí podeu veure un parell de vídeos ben bonics amb les flames de colors


10.- Reaccions de l’alumini

Estem acostumats a veure finestres amb el marc d’alumini i molts estris d’alumini sempre brillants i inalterables i la idea que ens podem fer al respecte és que l’alumini és un dels metalls més estables de la natura, comparable al coure. La veritat és que l’alumini és un dels metalls més reactius i que la seva aparença inert respon a la seva gran reactivitat.

L’alumini en contacte amb l’oxigen de l’aire reacciona immediatament formant una pel•lícula molt prima i molt ben adherida al propi alumini que no deixa passar a través seu més oxigen, de manera que s’atura l’oxidació. No més cal eliminar aquesta pel•lícula per qualsevol medi per que torni a mostrar la seva espectacular reactivitat.

Alumini i Iode

Alumini-iodeEn afegir una mica d’aigua a una barreja de iode en pols i d’alumini en pols es produeix una reacció exotèrmica espectacular, formant-se flames i núvols tant de vapor de iode com de iodur d’alumini.

S’agafen uns 2 g de iode, que ha d’estar sec, i es piquen en un morter fins a fer-los pols. Després s’afegeixen al iode uns 0,3 g d’alumini en pols i es barregen bé amb una espàtula, però sense picar junts quan estan junts. Es col•loca la barreja sobre una superfície resistent a la calor o sobre una safata o tapa metàl•lica. També es pot fer en un tub d’assaig, com en la foto, o en un gresol, com en el vídeo. Com la reacció és violenta i es desprenen gasos tòxics s’ha de fer en una vitrina de gasos o sortir al pati a l’aire lliure.

Amb un comptagotes s’afegeixen unes gotes d’aigua a la barreja. Després d’uns segons comencen a desprendre’s uns núvols porpres de vapor de iode, el que indica que ha començat una reacció exotèrmica. Uns pocs segons més i es desprenen espurnes i la barreja esclata en flames. Quedarà una mica d’alumini i iode sense reaccionar i un residu de iodur d’alumini blanc.

La reacció que ha tingut lloc ha estat:

2 Al (s) + 3 I2 (s, l, g) → 2 AlI3 (s)

On la funció de l’aigua és dissoldre una mica de iode i permetre que els reactius s’ajuntin. En quan comença la reacció, l’energia despresa sublima una mica de iode i la reacció s’accelera.

Si es vol comprovar l’obtenció del iodur d’alumini, es pot dissoldre una mica del residu en aigua desionitzada, filtrar-la per eliminar l’alumini que no ha reaccionat i afegir al filtrat amb una dissolució de nitrat de plata, per exemple. L’aparició d’un precipitat groc, en aquest cas, indica la presència d’ions iodur.

El vídeo de sota mostra la reacció. Està fet per la Càtedra de Cultura Científica i Comunicació Digital de la Universitat de Girona i s’inclou dins la col•lecció Reacciona…Explota!

Alumini versus coure

En una dissolució d’ions coure, per exemple de sulfat de coure, es fica una mica d’alumini com pot ser un bocinet de paper d’alumini (del que s’usa a casa), i aparentment no passa res; però si a la dissolució de coure s’afegeix un mica de sal comuna es veu com el paper d’alumini es va transformant amb una certa rapidesa en un pols marró fosc, com a conseqüència de la reacció d’oxidació reducció entre els ions coure i l’alumini.

Quim paper juga el clorur de sodi?. En el vídeo de dalt s’equivoquen quan que la sal augmenta la conductivitat, el que afavoreix la reacció. La conductivitat de la solució no té res a veure amb la reacció (malgrat això, el vídeo reflexa prou bé la reacció). El que passa realment és que els ions de la sal són capaços de dissoldre la fina capa d’òxid d’alumini que protegeix inicialment l’alumini d’entrar en contacte amb els ions coure, i així propicien l’augment en la velocitat de la reacció.

L’alumini (Al) s’oxida perdent electrons i passant a Al3+, el coure (II) (Cu2+) pot guanyar electrons i passar a Cu0, la reacció ajustada seria:

3Cu2+ + 2Al ⇌ 3Cu + 2Al3+

Sent la semireacció de reducció: Cu2+ + 2e- ⇌ Cu
i la d’oxidació: Al ⇌ Al3+ + 3e-

Una altra manera de fer aquesta reacció és la de posar una mica d’alguna sal de coure (II) (per exemple, clorur de coure o sulfat de coure) sobre paper d’alumini i afegir unes gotes d’aigua salada. Al poc temps comença a adquirir un color marró i es desprenen gasos i calor de forma bastant espectacular.

Cal tenir una mica de cura amb les projeccions ja que la barreja s’escalfa bastant (és una reacció exotèrmica). Al final veureu com el paper d’alumini arriba a foradar-se i queda recobert d’un residu de color marró. L’alumini es dissol en l’aigua i el residu marró és el coure metàl•lic que es forma per reducció. Aquí teniu un vídeo:

Si hem vist el que passa amb l’alumini, que no passarà amb altres metalls que quan s’oxiden no formen una capa d’òxid impenetrable, com és el cas del ferro. Així el desplaçament del ferro pel coure en una solució de sulfat de coure (II) és més ràpid i sense necessitat de clorur de sodi. Aquí teniu un vídeo amb la reacció accelerada, que millora l’espectacle.

Alumini i àcid clorhídric

Si es fica un bocí d’alumini en una solució d’àcid clorhídric concentrat, desprès d’un temps (el que tarda l’àcid en perforar la làmina d’òxid d’alumini que protegeix el metall) es produeix una reacció redox exotèrmica molt violenta amb despreniment de gasos (hidrogen i vapor d’aigua) i gran quantitat de calor

2Al (s) + 6HCl (aq) → 2AlCl3 (aq) + 3H2 (g)

Com el salfumant i el paper d’alumini es venen en qualsevol supermercat és molt fàcil pels nois caure en la tentació d’utilitzar-lo per fer saltar taps en botelles de vidre o esclatar botelles de plàstic. A més de l’augment de la pressió per la formació d’hidrogen, l’escalfor produïda en ser una reacció exotèrmica afavoreix l’estovament del plàstic de la botella i que finalment pugui esclatar, escampant l’àcid i bocins de plàstic per tot arreu. És el que els nois no haurien de fer mai: barrejar àcid muriàtic i alumini.

Alumini i l’hidròxid de sodi

En un matràs erlenmeyer es fica una solució d’hidròxid de sodi concentrada (≈ 40%) i s’afegeixen unes boletes de paper d’alumini (≈ 5 g). Poc temps després es produeix una reacció violenta amb despreniment d’un gas, que es pot recollir si es fica un globus en la boca del matràs. Aquest gas esclata com l’hidrogen (és hidrogen), així que s’ha de parar molt de compte amb les flames ja que l’explosió de l’hidrogen pot fer esclatar el matràs i convertir-lo en una bomba de metralla.

Sota circumstàncies normals, l’alumini no reacciona amb l’aigua a causa d’una capa protectora impermeable d’hidròxid d’alumini, ja sigui perquè aquesta capa es formi a l’aire en segons o perquè ja es trobi formada. Amb l’addició d’hidròxid de sodi el que s’aconsegueix dissoldre la capa protectora amb la producció de aluminats (Al(OH)4-) que són amfòters (capaç d’actuar com a àcids o com a bases), de manera que l’hidròxid d’alumini que es pugui formar Al(OH)3 també es dissol:

Al2O3 + 2 NaOH +3 H2O → 2 Na+ + 2 [Al(OH)4]–

Al (OH)3 + NaOH → Na+ + [Al(OH)4]–

La reacció global serà:      2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2

De manera que l’alumini es dissol i l’aigua actua aquí com un àcid (com el clorhídric del cas anterior).

Reacció de la termita (aluminotèrmia)

Coneguda químicament com aluminotèrmia, és una reacció d’oxidació-reducció tremendament exotèrmica. Es realitza entre l’alumini metall i un òxid d’un altre metall, de manera que l’alumini s’oxida agafant l’oxigen de l’òxid de l’altre metall i reduint-lo a element metàl•lic. Es pot fer amb qualsevol òxid de metall que sigui menys reactiu que l’alumini (la majoria), per exemple de crom o de ferro.

És una reacció molt cridanera i això ha estat aprofitat per molts shows de televisió. És una reacció perillosa ja que es produeixen ejeccions de materials a molt alta temperatura i, per tant, no és recomanable fer la si no es prenen moltísimes precaucions. El vídeo de sota explica molt bé la reacció i com fer-la. Està fet per la Càtedra de Cultura Científica i Comunicació Digital de la Universitat de Girona i s’inclou dins la col•lecció Reacciona…Explota!


One comment

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s