Els experiments de Lavoisier a l’escola

Si us heu preocupat una mica per conèixer la figura d’Antoine Laurent de Lavoisier ja en sabeu que va fer molts experiments al llarg de la seva vida, així que parlar de l’experiment de Lavoisier per referir-se a un d’ells no és més que expressar les preferències per un o altre.

Els experiments que habitualment més es remarquen d’ell són els d’escalfar aigua o mercuri en un matràs tancat de vidre, o els de cremar sofre, fòsfor o hidrogen, també la descomposició de l’aigua amb carboni o ferro, i les seves recerques sobre la respiració i la fermentació, etc., tots ells explicats en el seu Traité élémentaire de Chimie (hi ha edició en català i castellà)

Gravat de Marie-Anne Pierrette Paulze, Madame Lavoisier (a la dreta), mentre assistia al seu marit en la investigació sobre la respiració humana (Wellcome Institute, London)

Malgrat això, en l’àmbit escolar es venen reproduint des de fa anys un parell d’experiments atribuïts a Lavoisier que me sembla que el no va realitzar mai. Són els anomenats Experiment de Lavoisier de conservació de la massa i Experiment de la vela de Lavoisier. Ambdós experiments tenen la gràcia, a més de ser inventats, de que l’explicació que es fa del que passa en ells normalment és errònia o incompleta.

L’experiment de la conservació de la massa

Si hi ha alguns experiments de Lavoisier que els experts senyalen com claus per mostrar la llei de conservació de la massa serien els de la revisió de la transmutació d’aigua en terra o el de la calcinació de metalls que li serviren per a qüestionar la teoria del flogist, i que analitzava en base a la conservació de la massa.

Però en els laboratoris escolars l’experiment estrella “de Lavoisier” per a mostrar la llei de la conservació de la massa és la reacció del bicarbonat de sodi amb vinagre en una botella amb un globus acoblat a la boca.

I no he de passar-li el mort a ningú. Altres companys i jo mateix varen escriure en 2002 el llibre 190 experiencias de ciencias para la enseñanza secundaria en el que es descriu l’experiència però canviant el bicarbonat i l’àcid acètic per carbonat i bicarbonat de sodi i àcid cítric, components de qualsevol pastilla efervescent:

95.- Ley de conservación de la masa

En una reacción química lo que se produce es una reorganización de partículas, pero no aparecen átomos nuevos ni desaparecen y por tanto la masa de los reactivos será igual a la masa de los productos.

Para demostrar la ley de Lavoisier se utilizará una balanza de dos platos. En uno de ellos pondremos un erlenmeyer con agua, una pastilla efervescente y un globo; en el otro se pondrán las pesas hasta equilibrarla. Se introduce la pastilla efervescente en el erlenmeyer y se tapa rápidamente con el globo.

Para no perder masa de gas, se puede meter la pastilla en el globo, si hace falta troceándola y ajustar éste a la boca del erlenmeyer de manera que el globo cuelgue lateralmente y, una vez pesado el conjunto, se pone vertical el globo, dejando caer la pastilla. Al disolverse la pastilla se produce dióxido de carbono que se recoge en el globo (que se hincha) y por tanto la balanza no se desequilibra.

Es veu perfectament l’experiència en el següent vídeo que té 122.865 visualitzacions:

Tant en el text del llibre com al final del vídeo s’indica sense vacil·lacions, o bé que la balança no es desequilibrarà, o bé que si es deixa acabar la efervescència la balança tornarà a indicar la mateixa massa. Es poden repassar en internet els molts textos i vídeos que expliquen aquest experiment i en tots ells es diu que la massa no varia, o que la variació és tant petita que no cal considerar-la.

La realitat és que la massa disminueix mentre la reacció avança. Fins i tot quan s’utilitzen balances que només discriminen el gram es veu clarament que la massa disminueix en un o dos grams. Si en el vídeo apareix una balança de dos decimals la diferència és flagrant.

Les primeres vegades que jo vaig fer aquesta reacció sobre una balança de laboratori de dos dígits vaig veure que en lloc de mantenir-se el pes, de seguida disminuïa a poc a poc. No baixava gaire, com un gram, però era evident que no es conservava el pes. La primera gran pensada va ser: el gas s’escapa entre el globus i la boca de la botella, i la següent vegada vaig tancar molt bé la unió amb cinta adhesiva. El problema va ser que el pes continuava disminuint al llarg de la reacció.

Sabia que el diòxid de carboni i l’aire són capaços de travessar les parets d’un globus de goma, però era un procés que trigava hores o dies. Això no podia passar en segons, així que un dia, repassant amb l’amic Anicet algunes meravelles de l’experimentació li vaig comentar el problema que ens ocupa i me va donar la solució.

Precisament la gràcia de l’experiment, el que el fa vistós, que és una reacció en la que apareixen gasos que es mostren inflant un globus, és també la causa del problema. Si es fa dins la botella o el matràs qualsevol altra reacció en la que no intervinguin més que líquids i sòlids, una reacció de precipitació per exemple, la conservació de la massa surt clavada, no hi ha problema. Però que passa amb el gas?.

El gas infla el globus en un volum d’un decímetre cúbic, pot ser fins a dos, i ho fa en l’atmosfera del laboratori, per la qual cosa pateix un empenyiment vertical i cap amunt igual al pes del volum d’aire desallotjat, aproximadament un gram-pes per litre desallotjat.

Ara, torneu a repetir l’experiment amb aquesta idea al cap. Mesureu la massa abans i després i també el volum del globus inflat, amb l’aproximació de que és esfèric, col·locant-lo entre dues caixes sense comprimir-lo i mesurant el seu diàmetre. Veureu com ara el resultat quadra més.

L’experiment de la vela

L’altre experiment que s’atribueix a Lavoisier, el de la vela, és espectacular, molt conegut i apareix molt sovint en les fires de ciència al carrer, però quan s’intenta explicar per què puja l’aigua normalment es donen explicacions incompletes o simplement errònies.

El procediment és el següent, i el podeu veure en el vídeo de sota (301.411 visualitzacions):

  • S’enganxa una espelma al fons d’un plat fondo i s’encen la espelma. A continuació s’omple el plat amb aigua amb colorant fins un parell de centímetres d’alçada.
  • Es col·loca un recipient de vidre alt (un pot de conserva, una botella, etc) cap avall sobre l’espelma de manera que la deixa tancada, i s’espera a veure què passa.
  • S’observa com poc a poc entra l’aigua al recipient i va pujant l’alçada. Mentre, es veu com al poc la flama de l’espelma va disminuint fins que s’apaga als pocs segons de tapar-la.
  • Tot seguit el nivell de l’aigua torna a elevar-se dins el pot quan s’apaga l’espelma, mentre es buida el plat d’aigua.

Les explicacions al fenomen no passen de dir que si l’aigua puja és perquè es fa buit dins el recipient i que en aquest cas la pressió atmosfèrica empeny l’aigua cap amunt, el que és veritat, però el lio ve quan s’intenta explicar com és que apareix aquest buit parcial.

Els més agosarats indiquen que la combustió de la vela consumeix l’oxigen de l’aire i que l’aigua puja fins emplenar un quart del volum del recipient, com va mostrar Lavoisier (?). Tenen raó en lo de l’oxigen, però no es fixen en que es produeix diòxid de carboni i aigua.

Els que se’n adonen de l’aparició del CO2 i de l’aigua inclouen un nou argument, que és el del escalfament dels gasos del recipient: Si els gasos s’escalfen, en refredar-se disminueixen de volum, el que faria disminuir la pressió i que entrés l’aigua dins el recipient. En aquest cas tenen una petita part de raó, però molt petita, ja que fora necessari que en escalfar-se els gasos dins el pot i expandir-se sortís del recipient una part d’ells, el que no passa més que en una petitíssima quantitat.

Per últim estan els que donen una explicació raonable:

Quan la vela està ardent té lloc una reacció de combustió que és exotèrmica (emet calor). En la reacció s’obté diòxid de carboni i aigua; en canvi, l’oxigen es va esgotant. Com a conseqüència, la flama s’apaga donat que per a que la combustió es produeixi és necessària la presència d’un mínim d’oxigen (no es consumeix tot).

Quan s’encén l’espelma, i mentre crema destapada, no té lloc un escalfament massa gran de l’aire que l’envolta, ja que aquest puja tot seguit un cop s’escalfa, però quan es tapa l’espelma amb el recipient l’aire que queda dins s’anirà escalfant per la combustió, provocant un augment de pressió dins el pot, que pot fer sortir una mica d’aire (el que després pot ajudar a fer una mica més de buit). En apagar-se l’espelma la temperatura tornarà a baixar dins el pot i és quan el nivell de l’aigua fa la pujada més gran.

Per explicar el fenomen hem de tenir en consideració la disminució del nombre de partícules de gas tancades a l’interior del pot. La reacció de la combustió de la cera de la vela podria ser:

C29H60 (s) + 44 O2 (g) –>  29 CO2 (g) + 30 H2O (g)

A primera vista no sembla que hi hagi una disminució del nombre de mols de gas, sinó tot el contrari:  29 + 30 – 44 = 15

Però resulta que l’aigua formada es transforma en aigua líquida una vegada s’apaga l’espelma i es refreda el gas (s’aprecien gotetes d’aigua en les parets del got!). Aquesta disminució del nombre de partícules de gas (29 – 44 = -15) és la que fa disminuir la pressió a l’interior del got i la diferència amb la pressió atmosfèrica exterior fa pujar l’aigua del plat a l’interior.


 

Anuncis

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 )

Google photo

Esteu comentant fent servir el compte Google. 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 )

S'està connectant a %s

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir els comentaris brossa. Apreneu com es processen les dades dels comentaris.