Experimentul chimic - observaţie şi interpretare

Acum, la început de vacanţă, vă propun să ne apropiem puţin de latura practică a chimiei, experimentul. Nu voi susţine o întreagă teorie didactico-pedagogică cu privire la experiment. Doresc să menţionez doar două aspecte care, pentru elevi, asigură succesul în activitatea de învăţare a chimiei prin experimente: observaţia şi interpretarea.
Observaţia se realizează cu ajutorul simţurilor; vedem o schimbarea a culorii mediului de reacţie, o efervescenţă (degajarea unui gaz), detectăm un miros diferit sau schimbarea temperaturii vasului în care se desfăşoară reacţia. În general, observaţia este răspunsul la întrebarea Ce se întâmplă?
Interpretarea se realizează pe baza observaţiilor. Interpretarea oferă răspunsuri la întrebarea De ce se întâmplă? De cele mai multe ori, pentru a emite o judecată cu valoare generală, este necesar să repetăm acelaşi experiment, în aceleaşi condiţii, modificând însă un singur parametru.

Şi  pentru a vă da posibilitatea să observaţi şi să interpretaţi, vă propun o serie de trei încercări, de vacanţă, cu privire la indicatori şi acţiunea diferitelor substanţe asupra acestora. Orice absolvent al clasei a IX-a şi chiar şi din gimnaziu, ştie că indicatorii sunt substanţe care au proprietatea ca în prezenţa unor anumite substanţe îşi modifică aspectul coloristic. De exemplu, fenolftaleina este incoloră în mediu neutru sau acid, iar in mediu bazic devine roşu-carmin, metil-oranjul este roşu-roz-oranj în mediu acid, iar în mediu bazic devine gălbui.
Poate vă veţi întreba de unde veţi găsi indicatori, aceştia fiind produşi de sinteză? Natura ne oferă, pe langă multe alte lucruri minunate şi posibilitatea de a obţine indicatori.
Un indicator natural se poate obţine din varza roşie, astfel:

• un sfert de varză roşie se taie fin, se acoperă cu 400 ml apă fiartă, lăsându-se 10 minute.
• zeama astfel obţinută se lasă să se răcească la temperatura camerei şi se strecoară.
• se adaugă cca. 5 ml etanol (se poate folosi alcool dublu rafinat, masurat cu o seringă)

Astfel se obţine o soluţie de indicator de culoare violet inchis.
Pentru a vedea modul de comporatare a indicatorului preparat, se pot folosi diverse soluţii care se găsesc prin gospodărie (oţet, zeamă de lămâie, leşie (conţine sodă caustică, deci cu atingeţi cu mâna), lapte de var (soluţie de var stins), soluţie de săpun).
Dacă nu aveţi eprubete, folosiţi sticluţe transparente, pe care în prealabil la spălaţi bine, pentru a îndepărta eventualele imporitaţi. Adăugaţi în fiecare sticluţă 1-2 picături de indicator şi agitaţi. Notaţi pe un caiet, denumirea substanţei conţinută de soluţie, culoarea iniţială şi culoarea după adăugarea indicatorului. Încercaţi să trageţi concluzii cu privire la modul de schimbarea a culorii.

Succes şi vacanţă plăcută.

Oleum - sperietoarea falsă

Am auzit pentru prima dată despre oleum în urmă cu mulţi ani; eram elev în clasa a VIII-a. Oleum-ul se mai numeşte şi acid sulfuric fumans şi nu este altceva decât acid sulfuric concentrat în care se găseşte dizolvată o anumită cantitate de anhidridă sulfurică (trioxid de sulf SO₃).

Aveam să mă reîntâlnesc cu oleum-ul, ca şi noţiune, desigur, la Olimpiada de Chimie. De fapt ne avertizaseră colegii mai mari, spunând că problema cu oleum a fost cea care le-a creat reale dificultăţi. Bineînţeles că atenţia mea s-a orientat ceva mai pregnant către această noţiune, încercând să înţeleg unde e ... "sperietoarea". De fapt, nu era nicio sperietoare. Fiind o ştiinţă a naturii, chimia se bazează pe fenomene care au explicaţii naturale.

Revenind la problema oleum, am să încerc în căteva rânduri să explic de ce nu trebuie considerata o sperietoare. Şi pentru că nu mai ţin minte exact datele de atunci şi nici formularea exactă, am să propun un text alternativ, dar care poate ilustra suficient de bine fenomenul.

Fie 100 grame oleum care conţine 10% anhidridă sulfurică. Ce cantitate de apă, sub formă de vapori, este necesar a fi reţinută de oleum, astfel încât concentraţia soluţiei finale să fie 90%?

Rezolvare:

Soluţia finală, va conţine acid sulfuric şi apă. Se pune problema: cât acid sulfuric şi câtă apă?

Având în vedere că anhidrida sulfurică, reacţionează cu apa, formând acid sulfuric

SO₃ + H₂O ------> H₂SO₄    (1)

mai trebuie calculat câtă apă se consumă în această reacţie şi cât acid sulfuric se formează, deoarece anhidrida se consumă în totalitate.

La acest moment vom avea doar acid sulfuric concentrat (100%). Mai trebuie facut un calcul banal pentru a determina câtă apă mai trebuie adăugată pentru a obţine o soluţie de concentraţia cerută.

Conform datelor problemei:

• masa de acid existentă iniţial, notată m_ac1=90 g
• masa de anhidridă m_anhidrida = 10 g de unde rezultă conform ecuaţiei (1)
• masa de apă consumata notată m_a1= 2,25 g iar masa de acid formată notată m_ac2= 12,25 g
• masa totală de acid m_ac=m_ac1+m_ac2= 102,25 g
• soluţia finală, de concentraţie 90%, va avea raportul masic solvat la solvent (acid sulfuric la apă) 9:1, de unde rezultă că masa de apă adăugată m_a2=11,36 g
• cantitatea totală de apă va fi în acest caz m_apă=m_a1+m_a2=2,25+11,36=13,61 grame

De remarcat două aspecte:

1. Vaporii de apă - nu se adaugă apă în acidul sulfuric pentru diluare, de aceea am preferat formularea cu absorbţia apei sub formă de vapori.
2. Cantitatea de apă sub formă de vapori reţinută este utilizată în primul rand pentru consumarea anhidridei şi apoi pentru diluare.

Chiar dacă este o abordare din punctul de vedere al chimiei anorganice, aplicaţiile la problemele de chimie organică sunt foarte interesante.

Ozonoliza - oxidarea alchenelor cu ozon

Ozonoliza constă, practic într-o succesiune de două reacţii:

1. Acţiunea moleculei de ozon asupra legăturii C=C, cu formare de ozonidă, instabilă, explozivă.
2. Hidroliza ozonidei, cu formarea de compuşi carbonilici (aldehide sau cetone) corespunzători.

Voi descrie în cele ce urmează cele două etape ale ozonolizei, pentru etenă.

Acţiunea ozonului asupra legăturii duble C=C

1. După cum spuneam mai sus, are loc atacul moleculei de ozon (O₃) asupra alchenei, în caul nostru etena.
2. Se poate observa formarea ozonidei, structură heterociclică, alcătuită din 3 atomi de O şi cei doi atomi de C ai etenei (numerotaţi 1 şi 2). Acest intermediar face parte din clasa trioxolanilor. În continuare ozonida este supusă hidrolizei. Am marcat cu culoare roşie modul de scindare a legăturilor, pentru a fi mai intuitiv.



Hidroliza ozonidei cu formarea compuşilor carbonilici corespunzători. (În cazul de faţă se obţine formaldehida.)

Pe lângă compuşii carbonilici obţinuţi se poate observa şi obţinerea de apă oxigenată.

Oxidarea alchenelor

Reacţia de oxidare a alchenelor este, probabil, cea mai populară reacţie de oxidare. Şi spun asta, având în vedere frecvenţa cu care apare referirea la aceasta în diverse probleme de structură.

Voi prezenta pe scurt variantele de oxidare a alchenelor, menţionând că, cele prezentate sunt valabile în general pentru legatura dublă C=C.

Oxidarea totală (arderea): este reacţia comună tuturor hidrocarburilor şi derivaţilor acestora, produşii de reacţie fiind dioxidul de carbon (CO₂) şi apa (H₂O). 

La modul general arderea alchenelor decurge conform reacţiei de mai jos:

C_nH_2n + ³ⁿ/₂O₂ -----> nCO₂ + nH₂O, degajându-se şi o anumită cantitate de energie termică, aceasta fiind de fapt domeniul de aplicaţie practică a reacţiei.

Oxidarea blândă: are la bază labilitatea legăturii de tip π faţă de unii reactivi. Iar în această categorie intră şi soluţia bazică de KMnO₄ denumită Reactiv Bayer. O astfel de reacţie de oxidare conduce la obţinerea de dioli vicinali, grupările hidroxil fiind grefate la atomii de carbon care iniţial făceau parte din legătura dublă C=C.

Oxidarea alchenelor cu reactiv Bayer

Oxidarea energică: este poate cea mai pomenită reacţie din categorie, pe baza ei construindu-se numeroase probleme care au pus la încercare arta rezolvitorilor.
Încă de la început trebuie precizate condiţiile în care decurge această reacţie: condiţii energice! Mediul de reacţie poate fi constituit din KMnO₄ sau K₂Cr₂O₇, soluţii acidulate cu H₂SO₄ concentrat.
Caracteristica generală a acestor reacţii, indiferent de agentul oxidant folosit este aceea că legătura dublă C=C se distruge în totalitate.
În funcţie de natura atomilor de carbon implicaţi în formarea legăturii duble C=C, se vor forma produşi de reacţie diferiţi.
Astfel:

• atomii de carbon secundari se transformă în CO₂ şi apă H₂O
• atomii de carbon terţiari se transformă în grupări carboxil (-COOH), caracteristice acizilor organici.
• atomi de carbon quaternari se trensformă în grupări carbonil (C=O) de tip cetonic.

Am exemplificat mai jos etapele scrierii în mod corect a unei reacţii de oxidare energică:

Oxidarea energică a unei alchene

Pentru început să observăm că am notat cu 1 şi 2 atomii de carbon din legătura dublă. După cum se poate observa, 1 este un atom de carbon terţiar, iar 2 este un atom de carbon secundar.

În etapa următoare, se scindează total legătura dubla C=C, rezultând două "fragmente". Se observă că afectaţi vor fi doar atomii de carbon din legătura dublă, restul moleculei nefiind supusă altor modificări. Astfel, legătura sigma existentă între atomul de carbon 1 şi restul moleculei (R) se păstrează intactă, transformarea realizăndu-se doar la nivelul acestui atom de carbon terţiar, care devine grupare carboxil. Atomul de carbon notat cu 2, fiind secundar se transformă în dioxid de carbon şi apă, conform celor precizate mai sus.

Despre randament

Noţiunea de randament pare a fi percepută ca un bau-bau în cadrul problemelor de calcul stoechiometric. Cauza pare a fi o anume deficienţă în înţelegerea textului. Chiar dacă se cunoaşte relaţia care exprimă la modul general randamentul, elevii sunt de-a dreptul bulversanţi în modul de identificare a cantităţilor practice sau teoretice.

O formulare de genul: "Să se calculeze cantitatea de substanţă obţinută în urma reacţiei, dacă randamentul este x%.", indică faptul că se solicită determinarea cantităţii practice, prin aplicarea randamentului la cantitatea teoretică, adică cea calculată pe reacţie.

Exemplu: 3,36 l (c.n.) dintr-o alchenă gazoasă adiţionează Brom. Calculaţi cantitatea de produs de reacţie, exprimată în moli, dacă randamentul reacţiei de adiţie este 60%.

Rezolvare:

Conform ecuaţiei reacţiei chimice se determină numărul de moli care ar rezulta teoretic din reacţie (la un randament de 100%).

n_t=1*3,36/22,4=0,15 moli produs de reacţie

aplicând randamentul, obţinem cantitatea practică:

n_p=n_t*60/100=0,09 moli.

 Cu totul altfel stau lucrurile atunci cănd din datele problemei se cunoaşte cantitatea de substanţă obţinută, precum şi randamentul. De cele mai multe ori, în asemenea cazuri se solicită să se calculeze cantităţi (mase, moli sau volume) ale reactanţilor.

Recomandat este ca pe ecuaţia reacţiei chimice, pentru calcul stoechiometric să se lucreze cu cantităţile teoretice, cantitatea de substanţă obţinută  va fi de fapt cantitatea practică din expresia matematică a randamentului. Nu trebuie decât calculată cantitatea teoretică de substanţă, aceasta fiind utilizată în continuare la calcului stoechiometric.

Pas cu pas

Pe parcursul lecţiilor de chimie, elevii acumulează treptat cunoştinţele necesare rezolvării problemelor complexe. Mai jos este prezentată o astfel de problemă care se pretează la o astfel de abordare secvenţială.


Despre hidrocarbura A se cunosc următoarele date:

• Conţine 87,8%C
• Adiţia halogenilor decurge în raport molar A:X₂ = 1:1
• 4,1 grame A adiţionează 8 grame de Brom.
• Catena nu prezintă ramificaţii

Determinaţi formula moleculară şi de structură a hidrocarburii A


Rezolvare:
În primul rând din textul problemei observăm ca este vorba despre o hidrocarbură adică o substanţă în compoziţia căreia regăsim C şi H.

Se cunoaşte conţinutul procentual de Carbon, deci, prin scădere din 100 se află conţnutul în Hidrogen. (%H=12,2%).Aplicând algoritmul clasic de determinare a formulei brute obţinem (C₃H₅)_{n
Având în vedere faptul că adiţia halogenilor decurge în raport molar de 1:1 putem trage concluzia că hidrocarbura A conţine o singură legătură dublă între 2 atomi de Carbon.}
4,1 grame hidrocarbură A adiţionează 8 grame de Brom.

 

Din reacţia de mai sus se determină masa moleculară M_A=82 g/mol, astfel că, din formula brută se obţine formula moleculară C₆H₁₀. Nesaturarea echivalentă fiind NE=2, coroborat cu faptul că există doar o singură legătură dublă iar catena nu prezintă ramificaţii, structura hidrocarburii este:

ciclohexena.

După cum se poate observa, rezolvarea acestei probleme ne conduce prin ouă capitole ale chimiei organice: cel legat de structura substanţelor organice precum şi capitolul despre hidrocarburile nesaturate.

Amestec şi procente

În afara problemelor în care arderea hidrocarburilor este utilizată ca metodă cantitativă de determinate a formulelor moleculare, exista o seamă de probleme în care se foloseşte arderea amestecurilor de hidrocarburi, cunoscute de aceasta dată, cea mai frecventă cerinţă fiind determinarea compoziţiei amestecului, în procente de masă sau moli. Un exemplu în acest sens îl constituie problema de mai jos.
Un amestec de propenă şi etenă cu volumul de 6,72 cm³ este supus combustiei, obţinându-se 15,68 cm³ de CO₂ măsurat în condiţii normale. Determinaţi compoziţia în procente de moli a amestecului de hidrocarburi supus combustiei.


Deoarece cerinţa problemei este aceea de a calcula compoziţia în procente de moli a amestecului iniţial, recomand transformarea cantităţilor volumetrice în moli. Astfel, amestecul iniţial de hidrocarburi (6,72 cm³), transformat în moli va fi de 0,3 mmoli. Analog, pentru CO₂ rezultat vom obţine 0,7 mmoli.


Scriem ecuaţiile reacţiilor chimice de argere pentru fiecare hidrocarbură în parte şi notăm:
- n₁ numărul de moli de propenă
- n₂ numărul de moli de etenă
- a numărul de moli de CO2 obţinuţi din arderea propenei
- b numărul de moli de CO2 obţinuţi din arderea etenei

Cunoaştem că n₁+n₂=0,3 şi a+b=0,7
De pe ecuaţiile reacţiilor se determina a=3n₁ şi b=2n₂.
Rezolvând sistemul astfel obţinut, se detrmină n₁=0,1 mmoli C₃H₆ şi n₂=0,2 mmoli C₂H₄, iar compoziţia în procente de moli va fi 33,33% C3H6 respectiv 66,67%c2H4.


De reţinut faptul că în cazul amestecurilor de gaze, compoziţia în procente de moli este egală cu compoziţia în procente de volum.