En aquest Any Internacional de la Taula Periòdica es dibuixaran i construiran infinitat de taules periòdiques. De fet Eduard Cremades i Pep Anton Vieta han posat en marxa el projecte Una Taula Periòdica al Dia on, com indica el seu títol, cada dia fan referència a una taula periòdica real o a qualsevol aspecte d’interès relacionada amb ella. També és segur que es realitzaran gran quantitat d’experiments químics relacionats amb el diferents elements que tenim a mà.
Complementàriament us proposo fer un taller per a una fira de ciència al carrer o al centre docent i experimentar amb les propietats físiques macroscòpiques que caracteritzen els diferents elements. Per a fer això haurem d’aconseguir una petita col·lecció de mostres de metalls i no-metalls, així com d’objectes fets amb ells, que en alguns casos seran la mateixa cosa.
Per exemple és fàcil aconseguir bocins d’alumini, de ferro (acer) i de coure. Al laboratori del centre segur que hi ha (o hi hauria d’haver) cinta de magnesi, sofre i iode. Hi ha maquinetes de fer punta d’acer, però també d’alumini i de magnesi. El plom dels pesos per pescar també és molt accessible, i segur que encara trobarem algú més.
Propietats físiques de metalls i no metalls
Hi ha tota una sèrie de propietats físiques que es poden considerar, encara que no totes elles donaran el mateix joc per experimentar: Punt de fusió, punt d’ebullició, punt de Curie, conductivitat tèrmica, conductivitat elèctrica, duresa, tenacitat/fragilitat (facilitat de trencament), ductilitat (formació de fils), mal·leabilitat (formació de làmines) i la densitat.
Hi ha molts tipus d’elements, però per a simplificar consideraré només els dos grans blocs dels metalls i els no-metalls i les propietats que caracteritzen uns i altres.
Les propietats físiques que comparteixen els metalls són la brillantor metàl·lica i la grisor, la bona conductivitat elèctrica i tèrmica, la tenacitat, la mal·leabilitat i la ductilitat. Són sòlids a temperatura ambient, resistents al ratllat (durs), posseeixen elevades densitats, és a dir, tenen molta massa per la seva grandària, la qual cosa significa que tenen molts àtoms junts en un volum petit. Existeixen algunes excepcions com el mercuri, que és líquid a temperatura ambient, o el sodi, que és tou (es talla amb facilitat) i flota en l’aigua per presentar menor densitat que ella, o el coure que és vermellós i l’or groc. Encara que la majoria son paramagnètics, alguns metalls tenen propietats ferromagnètiques, és a dir són atrets pels imants, com el ferro, el cobalt i el níquel. L’alumini és el metall més abundant a l’escorça terrestre (7,85%) de la Terra.
No només el nom, sinó també les propietats dels no-metalls s’expliquen per contraposició a les dels metalls. Els elements no metàl·lics tenen propietats físiques que els diferencien dels metalls, per exemple no condueixen la calor ni l’electricitat, són fràgils, presenten diferents colors i la majoria són gasos, amb excepció del carboni, fòsfor, sofre, seleni i iode que són sòlids, i el brom que és l’únic no metall líquid a temperatura ambient. Dins d’aquest grup l’oxigen és l’element més abundant a l’escorça terrestre.
Els metal·loides estan a la frontera i les seves característiques són intermèdies entre els metalls i no metalls, encara que aparentment semblen metalls ja que posseeixen brillantor metàl·lica quan es troben sòlids, són sòlids a temperatura ambient i també condueixen l’electricitat, raó per la qual el silici, el germani i l’arsènic són utilitzats per fabricar semiconductors.
Propostes per a l’experimentació
Brillantor i densitat
Si s’exposa damunt una taula una petita mostra de metalls i no-metalls ràpidament es fa evident que alguns del metalls brillen amb brillantor metàl·lica, com és el cas de l’alumini i el coure i que hi ha altres metalls com el ferro o el plom que pot ser semblaran negres. No hi ha més que ratllar la seva superfície amb una navalla o un paper de vidre per a que aparegui la brillantor sota la cap d’òxid del metall.
Quan als no-metalls, tant el carboni en forma de negre de fum, com de grafit (és més difícil tenir diamants ;-), com el sofre es veuen mats. Les escates de iode, pel contrari tenen una certa brillantor, però més aviat cèria i no metàl·lica.
Aprofitant que es disposa dels exemplars de metall sobre la taula, es poden sospesar amb la mà i també amb una balança. És convenient que els bocins de metall, o bé siguin d’una grandària similar, o d’un pes similar para a que la comparació qualitativa de densitats sigui més fàcil. En les cases de material didàctic en venen col·leccions d’objectes, metàl·lics i no, per ajudar a ensenyar el concepte de densitat.
Si s’està al laboratori sempre es pot quantificar calculant la densitat a partir de la massa i el volum mesurats amb balança i proveta.
Propietats mecàniques dels metalls
Per aclarir en la pràctica el significat del binomi tenacitat-fragilitat no hi ha com donar un cop de martell a qualsevol metall i després a una barra de grafit o a uns grans de iode per a comprovar como el metall com a molt s’abonyega, mentre que la barra de grafit es trenca amb facilitat.
Es pot matisar la propietat de la tenacitat observant a simple vista mostres d’elements ja que els metalls es poden trobar en forma de lingots, de planxes o de fils, mentre que els no metalls es troben en forma de pols o petits bocins, és a dir, els metalls són dúctils i mal·leables i els no metalls no.
La duresa d’un element és l’oposició que ofereixen els materials a alteracions físiques com la penetració o l’abrasió i també està relacionada amb la facilitat de ser ratllat o no, de manera que es pot fer una escala de duresa dels diferents elements dels que disposem intentant ratllar uns amb els altres, així es pot trobar que l’alumini és més tou que el ferro, i que el coure és més dur que el plom. Hi ha diferents escales de duresa i millors que la de Mohs pera als metalls, però com aquesta és la més coneguda pel públic en general, és la que proposo utilitzar.
Per a fer-lo més senzill bastaria amb ratllar els metalls amb un bocí d’alumini i fer una classificació entre metalls dus i tous en funció de si són ratllats o no per l’alumini.
Propietats tèrmiques
És ben conegut que els metalls són bons conductors de la calor. Quantes vegades no ens hem cremat en agafar un objecte metàl·lic una part del qual ha estat escalfada al foc?. Sense arribar a cremar-nos es pot subjectar una cullera metàl·lica pel mànec i apropar l’altre extrem al foc d’un bec bunsen i en poca estona notarem com s’escalfa el mànec, senyal inequívoca de la conducció tèrmica al llarg del metall.
Una experiència molt xula per a constatar la bona conducció de la calor dels metalls consisteix en posar sota la reixeta d’un colador metàl·lic la flama d’un encenedor. Es comprova que la flama no traspassa la reixeta degut al ràpid refredament dels gasos de la flama en entrar en contacte amb el metall que dispersa la calor molt eficientment.
Al revés, si es deixa passar el gas de l’encenedor a través de la reixeta del colador, es pot encendre el gas per dalt sense que retorni la flama a sota de la reixeta.
Però la variació de la temperatura en els elements pot produir canvis en ells. Si augmenta la temperatura es dilaten, arriba un moment que fonen, o fins i tot sublimen o s’evaporen, i si la temperatura arriba al punt d’ignició i estan en atmosfera d’oxigen, cremen.
Hi ha diferents experiències per a mostrar la dilatació tèrmica dels metalls, per exemple l’anell i la bola de Gravesande que hi és al laboratori d’alguns collegis i instituts amb una certa solera, o l’escalfament d’una placa bimetàl·lica de ferro i llautó, metalls que tenen un diferent coeficient de dilatació, el que produeix que la placa es doblegui cap al ferro en escalfar-la al foc d’un bec bunsen. Precisament aquest últim fenomen és el responsable del mecanisme de control de l’escalfament de les planxes de roba.
També hi ha balancins tèrmics de joguina que funcionen gràcies a una espiral bimetàl·lica
Una manera molt senzilleta de simular el funcionament d’una làmina bimetàl·lica és la d’utilitzar un rectangle de paper d’alumini enganxat a paper normal. Els dos materials són fàcils d’enganxar si el paper d’alumini ja és un rotllo autoadhesiu, però també es pot fer amb qualsevol pegament i després deixar-lo assecar. Si aquest bipaper es fica per la part de l’alumini sota la flama d’un encenedor es doblega cap a dalt ja que l’alumini es dilata més que el paper.
L’experiment de Gravesande consisteix en una petita bola de metall (normalment llautó) suspesa per una cadena des d’un suport, amb un anell de metall a sota. L’anell es prou ample per tal que quan les dues peces estiguin a la mateixa temperatura la bola passi per l’anell, però quan la bola s’escalfa submergint-la en aigua bullint o sobre la flama d’un encenedor el metall s’expandeix i ja no passa a través de l’anell. En tornar a refredar-se, torna a passar la bola.
Per a calcular el coeficient de dilatació es necessita un dilatòmetre, que en essència és un aparell que medeix per desviació d’una agulla el que s’allarga a diferents temperatures una vareta o tub que es pot escalfar de diferents maneres, per exemple, si és un tub, passant un líquid a la temperatura desitjada pel seu interior. Un esquema el tenim a sota.
Encara que la majoria dels metalls fonen a altes temperatures hi ha alguns que ho fan a temperatures tan baixes con els no metalls. Per exemple, l’estany o el plom fonen a baixa temperatura.
Si s’escalfa a la flama un bocinet de fil d’estany de soldar dins un tub d’assaig es comprova com ràpidament fon. En realitat, quan es parla de d’estany en soldadures en electrònica s’està emprant de forma impròpia perquè no es tracta d’estany només, sinó d’un aliatge d’aquest metall amb plom, generalment amb una proporció respectiva del 60% i del 40%, amb una densitat de 8,60 kg/dm3 i que fon a 186 ºC, una temperatura de fusió més baixa que la de qualssevol dels dos metalls que la composen.
L’alumini fon a una temperatura molt més elevada (650 ºC), però si es talla un quadradet de paper d’alumini i es fica sobre el foc d’un bec bunsen, al poc temps s’aprecia que l’alumini fon i llisca sense arribar a caure, ja que es manté dins una bosseta transparent que el cobreix. Aquesta bossa està constituïda per la capa fina d’òxid d’alumini que sempre es forma en la seva superfície i que el protegeix d’oxidar-se, donat lo reactiu que és.
Propietats elèctriques
Per a comprovar que tots els metalls condueixen el corrent elèctric més o menys bé no hi ha com mesurar la seva resistència amb un polímetre, en mode ohmímetre, tocant amb les dues puntes de prova en dos llocs diferents del bocí de metall. Prefereixo que el tester sigui analògic ja que en aquest cas es veu fàcilment si l’agulla es mou o no.
S’ha de parar compte amb els metalls que estiguin molts en forma de pols ja que és molt possible que en mesurar la seva resistència elèctrica surti molt gran en no fer bon contacte els granets entre sí, entre altres coses perquè la seva superfície estigui oxidada.
Els no metalls, com un tros de carboni amorf o un gra de sofre no conduiran el corrent, excepte el grafit, varietat al·lotròpica del carboni, que condueix el corrent elèctric gràcies als electrons que té deslocalitzats. Es troba fàcilment grafit en les mines dels llapis i en l’elèctrode central de les piles seques de 4,5 V.
Alguns metalls, com el coure, condueixen especialment bé i a un preu raonable, així que s’utilitzen abastament com a conductors. Si es connecta un cable de coure d’un metre de llarg a una pila de 1,5 V passarà per ell el corrent elèctric, que es pot manifestar de diferent maneres, per exemple escalfant el cable, i molt!, ja que la intensitat del corrent que passi pot ser fàcilment d’un amper (s’ha de parar compte a no cremar-se), i també produint un camp magnètic que mourà l’agulla d’una brúixola que es col·loqui per damunt o per baix del cable (experiment d’Oested).
El ferro també s’escalfa per conducció elèctrica, de manera que si disposem d’una mica de llana d’acer de la que s’utilitza per a polir el terra i es toca alhora amb els dos pols d’una pila de petaca de 4,5 V o de 9 V, augmenta tant la seva temperatura que comença a cremar-se. El bocí de llana d’acer s’ha d’agafar amb unes pinces metàl·liques i apartar al públic parant compte de que no toqui ni la pell ni la roba de ningú.
Propietats magnètiques
Els elements de la taula periòdica es poden dividir respecte al seu comportament magnètic pràcticament en dos grups, els paramagnètics i els diamagnètics. Ara bé, per a fer demostracions la gràcia no està ni en uns ni en els altres, sinó en tres elements que presenten un comportament molt peculiar, els ferromagnètics ferro, cobalt i níquel.
El ferromagnetisme es defineix com el fenomen pel qual alguns materials, com el ferro, són magnetitzats quan són posats sota l’acció d’un camp magnètic extern i continuen magnetitzats durant un cert temps un cop ja no hi ha la influència del camp. Els materials paramagnètics presenten en una mesura menyspreable el fenomen de ferromagnetisme, és a dir, els materials paramagnètics són materials atrets per imants, però no es converteixen en materials permanentment magnetitzats. El diamagnetisme, és una forma molt dèbil de magnetisme que tendeix a repel·lir el camp magnètic extern.
La primera experiència a realitzar és la de comprovar quins materials son atrets pels imants. Es veu com dels materials que tenim al voltant només els que contenen ferro, com una barra d’acer o una moneda de cèntim d’euro, són atrets, ja que hi ha pocs objectes que continguin cobalt o níquel en suficient quantitat per a notar-lo (ni els fregalls anomenats de níquel). L’excepció són les monedes d’un i dos euros que contenen en el seu interior una làmina de níquel, que es veu perfectament si es talla la moneda amb una serra metàl·lica.
Però hi ha centenars d’experiments relacionats amb els metalls i el magnetisme o l’electromagnetisme, molts dels quals són espectaculars. Entre tots he seleccionat els sis que segueixen: l’experiment de Gilbert, el pont magnètic, la Inducció electromagnètica en metalls no ferromagnètics, la magnetització del ferro per la Terra, el diamagnetisme del grafit i el rifle de Gauss.
El primer experiment científic, l’experiment de Gilbert
És una meravella d’experiment per la seva senzillesa i alhora pels conceptes físics involucrats: la inducció magnètica, el propi concepte de què és un imant i la tercera llei de Newton. Ja el vaig descriure fa dies en aquest mateix bloc.
L’anomeno “El primer experiment científic” perquè és l’experiment clau del llibre De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magne Magnete Tellure (Sobre el magnetisme, cossos magnètics i el gran imant tel·lúric) de William Gilbert, que és el primer llibre que es pot considerar de ciència moderna.
Consisteix en penjar dos clips d’un fil cadascú per sobre d’un imant. Els clips es converteixen en dos nous imants per inducció magnètica que s’atreuen amb l’imant que els genera, i alhora es repel·leixen entre ells
Pont magnètic i altres equilibris amb monedes
Per començar amb els equilibris amb monedes no hi ha més que posar un imant sobre una taula i anar col·locant monedes d’1, 2 o 5 cèntims d’euro a sobre, de manera que s’aconsegueixi fer el castell de monedes més gran i/o més bonic que es pugui.
Però si es vol veure una experiència espectacular s’ha de fer un muntatge una mica més sofisticat. Amb un filferro, d’una perxa d’acer per exemple, s’ha de fer un arc corbant el fil de manera que el centre de l’arc tingui una alçada igual a dos vegades el diàmetre de la moneda que es vagi a utilitzar després (1 cèntim d’euro). S’ha de subjectar el filferro corbat a una peça prima de fusta o de plàstic, fixant-la d’alguna manera.
Es col·loca la moneda tocant a l’arc de filferro i sota de la fusta un imant. Es comprova que en deixar la moneda lliure, queda enganxada al filferro i no cau. Si ara es mou l’imant sota de la superfície de la fusta, la moneda lliscarà fins topar amb els extrems de l’arc de filferro. El que passa és que el filferro es converteix en un altre imant al ser imantat per inducció per l’imant de sota de la fusta i atrau amb més força la moneda si inicialment l’està tocant.
Si en lloc de ser el fill d’acer és de coure la moneda queda enganxada a la fusta quan a sota es fica un imant. Si es llisca l’imant per sota de la fusta la moneda és arrossegada per sobre, però mai s’enganxa al fil de coure, ja que aquest no és un material ferromagnètic.
Inducció electromagnètica
S’agafa un tub de plàstic i un altre d’un metall no ferromagnètic com per exemple d’alumini o millor de coure, aproximadament d’1 m de llarg i uns 2 cm de diàmetre (els pals de les escombres d’alumini van bé i són barat) i un conjunt de quatre o cinc imants de neodimi, de secció una mica menor que els tubs.
Es deixa caure els imants pel tub de plàstic, posant la mà o un coixí sota per tal que no colpegin el terra ja que és poden trencar i sense necessitat de cronometrar s’aprecia clarament la diferència de temps que tarden a caure els imants en els diferent tubs.
El mateix fenomen passa si es deixen caure els imants per perfils de plàstic i alumini una mica inclinats, amb l’avantatja de que es veu com cau el tren d’imants i es pot estudiar quantitativament el seu moviment.
L’experiment es pot fer al revés, deixant caure un tub o un anell travessant un imant de neodimi. En el següent vídeo es té el resultat:
I encara una altra manera de comprovar la generació de corrents induïdes i la llei de Lenz és mitjançant el moviment d’un imant per sobre d’alumini o coure.
Si s’agafa un bocí d’alumini o de coure (d’un tub metàl·lic, d’una planxa, etc.) i es comprova que no atrau un imant de neodimi. Si ara es frega el bocí metàl·lic amb l’imant es notarà una certa dificultat per moure’l.
També, si es penja un imant (preferiblement de neodimi, però també serveixen els de ferrita) d’un extrem d’un fil com si fos un pèndol i es deixa anar, oscil·larà com un pèndol durant molta estona, però si es repeteix l’experiència col·locant a sota del pèndol d’imant un bocí d’alumini o coure, de manera que en oscil·lar l’imant quasi toqui el metall, s’observarà que les oscil·lacions s’amorteixen ràpidament. Si l’imant és de neodimi, quasi en sec.
Magnetització d’una barra d’acer per la Terra
Si s’apropa una barra llarga d’acer a una brúixola aquesta normalment indica que la barra està magnetitzada. Si no és així, es deixa caure la barra paral·lelament al terra en la mateixa direcció del camp magnètic terrestre i ja es troba la barra imantada. Si la barra de ferro està imantada, per desimantar-la s’ha de deixar caure paral·lelament al terra, però aquesta vegada en direcció perpendicular al camp magnètic terrestre. La direcció del camp en el lloc es definirà amb la brúixola.
Magnetitzar el ferro està tirat, pràcticament qualsevol bocí de ferro o d’acer que et trobis ho està ja que estan immersos en el camp magnètic terrestre. Lo difícil és desmagnetitzar-lo. S’ha de tenir una mica de paciència ja que a la primera vegada que cau la barra perpendicular al camp magnètic terrestre no sempre es desmagnetitza. La barra ha de caure ben plana de manera que xoqui tota ella. Normalment després de tres o quatre caigudes ja es nota una diferència substancial al apropar una punta a la brúixola respecte a quan estava imantada.
Desimantada atrau per igual als dos extrems de l’agulla de la brúixola. Imantada atrau un extrem i repel·leix l’altre.
Per a fer l’experiència en públic recomano desmagnetitzar primer la barra i guardar-la. El primer que es fa és mostrar al públic que la barra no està magnetitzada i a continuació es tira la barra paral·lela al camp per magnetitzar-la, que sempre és més fàcil.
També ens poden ajudar d’un martell. En lloc de deixar caure la barra, es subjecta amb una mà i amb l’altra se li dóna un cop de martell en un extrem, com es piqués un clau, bé en la direcció del camp o perpendicular. Si no te pegues en la mà és molt efectiu 😉
Diamagnetisme del grafit
El grafit pirolític té una susceptibilitat negativa a temperatura ambient. La imatge és un mostra de grafit pirolític suspesa sobre una matriu d’imants de neodimi. El grafit pirolític que flota és una fina làmina molt lleugera. Els imants estan organitzats de manera que el camp magnètic és vertical i s’alterna entre imants veïns, de manera que si el camp d’un dels imants apunta cap amunt, el del veí apunta cap avall. Es pot comprar el kit DIALEV (DIAmagnètic i LEVitació) per uns 20 euros.
Una alternativa és la de construir un pèndol de torsió amb un fil de cosir i dos grans de raïm o de maduixa. També es necessita un imant de neodimi.
Rifle de Gauss. Accelerador magnètic
El canó magnètic o rifle de Gauss és un dispositiu electromagnètic que accelera un projectil ferromagnètic mitjançant el camp magnètic generat per unes bobines col·locades en línia. El nostre canó magnètic és una variant que usa imants de neodimi per impulsar una boleta d’acer.
Si en una guia no ferromagnètica (alumini, plàstic, fusta) es fiquen un seguit de bitlles d’acer tocant-se entre si i es llança una altra bola per les guies sobre elles i xoca, la boleta de l’altre extrem surt disparada, en el millor dels casos, amb la mateixa velocitat de la bola que impacta per tal de conservar la quantitat de moviment.
Però si la primera bola contra la que es xoca no és d’acer sinó un imant de neodimi la situació canvia. En llançar com abans una altra bola d’acer dins de les guies contra l’imant, en ser atreta per aquest va guanyant velocitat fins a xocar amb ell. La quantitat de moviment i l’energia transferides en el xoc alliberen la bola d’acer que estava a l’altre costat de l’imant al final de la filera i subjecta per ell. Aquesta energia li permet a la última bola salvar la barrera de potencial que la subjectava, sumant a la velocitat inicial de la primera bola la que guanya per l’atracció magnètica.
Els xocs que es produeixen són pràcticament elàstics, el que permet tenir en consideració les lleis de conservació de la mecànica, tant de la quantitat de moviment como de l’energia. En el recorregut cap a l’imant les boles d’acer guanyen energia cinètica perdent la potencial que tenien per la seva distància a l’imanti.
Encara que de manera estricta no existeix una energia potencial magnètica, si hi ha una energia potencial entre dos imants que interaccionen, l’imant de neodimi i les boles d’acer que han estat convertides en imants per inducció.
Per a augmentar la potencia del rifle es col·loquen quatre imants potents (de neodimi) alternant els seus pols sobre una regla de fusta, plàstic o simplement un llistó de fusta. És preferible que la regla tingui un solc al seu centre, encara que no cal. La distància òptima entre els imants és l’equivalent a 4 vegades el diàmetre de les boles d’acer que s’utilitzin i és convenient subjectar els imants a la regla amb cinta adhesiva, procurant que l’eix de l’imant estigui a la mateixa altura que el centre de les boles. Tot el conjunt ha de quedar perfectament alineat.
A continuació, per armar el rifle es col·loquen vuit boles distribuïdes per parelles darrere de cadascú dels imants, tal com mostra el dibuix en el que només hi ha tres imants. Una novena bola es llança i és la que fa que comenci la reacció en cadena: quan aquesta xoca amb el primer imant transfereix la seva energia i la tercera bola surt disparada fins a arribar al segon imant, després sortirà la cinquena, la setena i finalment la novena bola que és llançada amb una energia cinètica prou més alta que la que tenia la primera.
Experimentació lliure 