1

Química

Han elaborat els materials:

Joan Jesús Fiol Professor Titular de Química Inorgànica. Departament de Química de la UIB

Juan Frau Professor Titular de Química Física. Departament de Química de la UIB

Enrique Gómez Catedràtic de Física i Química. IES Bendinat. Calvià

Agustí Vergés Professor de Física i Química. IES “Berenguer d’Anoia”. Inca

Amb la col·laboració del Dr. Ángel García Raso, Professor Titular de Química

Orgànica del Departament de Química i Cap d’Estudis de Química i de la Dra.

Francesca Garcias, ex-Degana de la Facultat de Ciències.

Aquest informe ha estat revisat (setembre 2009) per:

Margarita Castillo Alumna col·laboradora Demolab

Marina Rodríguez Alumna col·laboradora Demolab

Francesca Molinos

Coordinadora Demolab

Angel García Raso

Cap d’Estudis de Química

2

Organització de la visita

L’activitat que presentam està dividida en dues parts:

La realització d’unes experiències de laboratori i

Una visita–itinerari a diferents instal·lacions del Departament de

Química i dels Serveis Cientificotècnics de la UIB.

Hora Activitat

9:15

L’arribada del grup d’alumnes està prevista a les 9 hores

del matí i el lloc de recepció serà el “Laboratori Jove”

de la Facultat de Ciències que es troba a la planta baixa

de l’edifici Mateu Orfila del campus

9,15 a 9,30

Es farà als alumnes una breu explicació de l’activitat i

es parlarà sobre les normes de seguretat i eliminació de

residus. El grup es dividirà en dos subgrups (A i B)

d’acord amb les instruccions del professorat.

9,30 a 11,10

El subgrup A romandrà al laboratori per a la realització

de la pràctica corresponent mentre el subgrup B

realitza la visita-itinerari.

11,10 a 11,30 Descans.

11,30 a 13,10 El subgrup B realitzarà la pràctica en el laboratori

mentre el subgrup A desenvolupa la visita-itinerari.

13,10 Els dos subgrups es tornaran a ajuntar al Laboratori

Jove per realitzar l’avaluació de l’activitat.

13,30 final de la visita.

3

NORMES DE SEGURETAT AL LABORATORI

L’estada en un laboratori comporta uns determinats riscos. Per minimitzar

aquests és importants seguir sempre unes normes bàsiques de seguretat i

les instruccions del professor o professora.

Sempre heu de tenir en compte:

No es pot fumar, beure o menjar al laboratori.

Es recomana l’ús de bates de laboratori embotonades i d’ulleres de

seguretat, especialment quan es poden produir esquitxades de

productes químics. Durant el treball al laboratori no s’han d’usar lents

de contacte.

Algunes precaucions a prendre en relació a la manipulació de productes

químics:

Abans d’usar qualsevol producte, cal llegir detingudament l’etiqueta

de l’envàs.

Els productes tòxics, inflamables i/o volàtils s’han de manipular en

campanes o vitrines amb extracció localitzada.

Es recomana l’ús de guants adequats per evitar el contacte de la pell

amb els productes químics.

Mai no s’ha de pipetejar amb la boca.

Si sobra alguna quantitat de reactiu, mai no s’ha de tornar a introduir

al recipient original d’aquesta manera s’evitarà que es contamini.

ELIMINACIÓ DE RESIDUS I DEIXALLES

A un laboratori de pràctiques s’utilitzen una gran quantitat de productes i

es realitzen diverses operacions que generen residus, en molts casos

perillosos per a la salut i el medi ambient. Per aquest motiu, s’ha de

preveure el control, el tractament i l’eliminació dels residus que generen.

L’eliminació dels residus dels productes químics emprats dependrà de la

seva possible perillositat o de si comporten algun risc. En cas de que no sigui

així, si es tracta d’un sòlid es pot tirar a la paperera. Els líquids es poden

abocar pel desaigua amb molta aigua per diluir-los. Els residus biològics es

dipositaran únicament en el recipient dedicat a aquesta finalitat.

4

Pel contrari, si es tracta de residus perillosos es recolliran en contenidors

especials per al seu posterior tractament. Els sòlids s’abocaran en el

contenidor que indiqui “sòlids perillosos”. Per als líquids o dissolucions

s’emprarà un dels quatre contenidors especials (àcids, residus inorgànics,

residus orgànics no clorats i residus orgànics clorats).

IMPORTANT: pots informar-te de les indicacions de perill (frases R) i

condicions de maneig de les substàncies (frases S) en el cartell que

trobaràs en una de les parets del laboratori.

Per exemple: R1 Explosiu en estat sec,

S7 Cal mantenir el recipient ben tancat,...

En aquest laboratori també durem a terme una separació de les deixalles

que no corresponguin a productes químics. Per aquest objectiu tenim els

contenidors adients de recollida de paper, vidre i plàstic que s’hauran

d’emprar sempre.

Aquestes normes de Seguretat i Eliminació de Residus s’han

adaptat del llibre “Normes d’actuació, seguretat i tractament

de residus en el laboratori”

Autors: Catalina Estelrich, Silvia Moreno, José M. Natta,

Miquel Palou i Agustí Vergés

Editat pel Col·legi Oficial de Químics de les Illes Balears amb

el suport de la Conselleria d’Educació i Cultura de les Illes

Balears

Àcids

Inorgànics

Orgànics no clorats

Orgànics clorats

5

PICTOGRAMES DE PERILLOSITAT DELS

PRODUCTES QUÍMICS

EXPLOSIU Substància que pot

explosionar per efecte

d’una flama, de calor o

de xocs

CORROSIU Substància que, en

contacte amb teixits

vius, els destrueix

Xn NOCIU Substància que, per

inhalació, ingestió o

contacte pot provocar

dolències importants

Xi IRRITANT Substància que, en

contacte amb la pell

o mucoses, pot pro-

vocar una inflamació

INFLAMABLE Substància que es pot

inflamar en l’aire a

temperatura ambient

COMBURENT Substància que, en

contacte amb altres

inflamables, pot pro-

duir foc

TÒXIC Substància que, per

inhalació, ingestió o

contacte pot provocar

efectes greus i, fins i

tot, la mort

PERILLÓS PER AL

MEDI AMBIENT Substància que pot

constituir un perill

per al medi ambient

6

MATERIAL DE LABORATORI

Material de vidre

Embut Embut de decantació Kitasato Erlenmeyer

Vas de precipitats Matràs fons rodó Matràs fons pla Matràs aforat

Proveta Pipeta graduada Pipeta aforada Bureta

7

MATERIAL DE LABORATORI

Material de vidre (cont)

Refrigerant Tub d’assaig Termòmetre Tub de seguretat

Tub centrífuga Dessecador Cristal·litzador Vidre de rellotge

Flascó comptagotes

8

MATERIAL DE LABORATORI

Material vari

Flascó rentador Pinça de fusta

Material de porcellana

Càpsula Gresol Morter Embut Büchner

Material de ferro

Cèrcol Nou doble Pinça Espàtula

Trespeus Gradeta Bec Bunsen Suport

Gradeta Escovilló

9

Introducció

La química és la ciència que estudia les propietats i la composició de les

substàncies així com els processos de transformació que aquestes

substàncies experimenten. Aquestes dues activitats es realitzen des de

l’aparició dels humans a la Terra, però durant el darrer segle i especialment

en els darrers 30 anys la velocitat amb què obtenim coneixements i

aplicacions d’aquestes activitats ha augmentat de forma espectacular.

La química està relacionada amb les substàncies que es troben a la

natura, com per exemple: els minerals de la terra, els gasos de l’aire, l’aigua

i les sals dels oceans, i els productes químics dels organismes vius. Està

relacionada amb transformacions i canvis naturals com ara la combustió de

la llenya, els canvis químics essencials per a la vida, i també amb noves

transformacions inventades i creades pels químics i les químiques.

La química té en comú amb altres ciències l’exploració del món natural

que ens envolta i el propòsit d’entendre’l. Però, a més a més, la química

expandeix el món creant noves substàncies i inventant noves reacciones

químiques.

Avui en dia, encara queden moltes qüestions importants per resoldre, i

molts d’objectius pràctics que permetran a la química contribuir, encara

més, al benestar de la humanitat. Els estudiants que consideren la química

com la seva carrera professional tenen la possibilitat de realitzar noves

contribucions per a la millora de la salut humana, dissenyar nous materials

amb importants aplicacions, ajudar a millorar el medi ambient, ajudar a

avançar en la revolució tecnològica dels ordinadors, contribuir a elucidar els

fonaments químics de la vida, o ajudar a entendre els fonaments de la

mateixa química. Com podeu veure, el desenvolupament de la química té un

impacte molt important en l’evolució socioeconòmica de la humanitat.

Amb aquesta activitat es pretén que els alumnes i les alumnes de

Batxillerat vegin més accessible el món de la ciència i la importància de les

seves aplicacions en la seva vida quotidiana. Les pràctiques i les visites que

s’han dissenyat tenen un fonament senzill i que està inclòs en les

programacions de les respectives etapes però que difícilment poden ser

dutes a terme en els centres de secundària pels mitjans que requereixen.

10

És aigua o una altra cosa?

Productes Pictograma Frases R Frases S

Acetat de sodi, Na(CH3COO)

Àcid acètic, CH3COOH C R 10-35 S 23-26-36/37/39-51

Àcid clorhídric, HCl C R 34-37 S 2-26

Aigua destil·lada, H2O

Amoníac, NH3 C, N R 34-50 S 26-36

Carbonat de sodi, Na2CO3

Clorur d’amoni, NH4Cl Xn R 22-36 S 22-46

Clorur de bari, BaCl2 T R 20-25 S 45

Orto-fenantrolina,

T, N R 25-50-53 S 45-60-61

Corrosiu (C) Tòxic (T) Nociu (Xn) Perillós per al

medi ambient (N)

Frases R (riscs) Frases S (consells de seguretat) R10 Inflamable S2 Allunyar dels nins R20 Nociu per inhalació S22 No en respireu la pols R22 Nociu per ingestió S23 No en respireu els vapors

R25 Tòxic per ingestió S26 En cas de contacte amb els ulls rentar

amb molta aigua i acudiu a un metge R34 Causa cremades S36 Portar roba adient R35 Provoca cremades greus S37 Usau guants adequats R36 Irrita els ulls S39 Usau protecció per als ulls

R37 Irrita el sistema respiratori S45 En cas d’accident o malestar, acudiu

immediatament a un metge

R50 Molt tòxic per als organismes

aquàtics S46 En cas d’ingestió, acudiu immediatament a

un metge

R53

Pot provocar a llarg termini

efectes negatius en el medi

aquàtic

S51 Usau-lo únicament en llocs ben ventilats

S60

Eliminau el producte i el recipient com a

residu perillós

S61 Evitau-ne l’alliberament al medi ambient

N N

11

Tractament de residus

L’orto-fenantrolina que queda com a residu s’ha de dipositar al

recipient compostos orgànics no clorats.

Els filtres amb carbonat de calci i hidròxid de ferro s’han de

dipositar al contenidor compostos inorgànics no tòxics i no reactius.

La mostra sobrant s’ha de dipositar al contenidor compostos

inorgànics no tòxics i no reactius.

Seguretat

S’han d’utilitzar ulleres de seguretat i bata de laboratori.

12

ACTIVITATS EXPERIMENTALS

1. Agafam 125 ml de líquid problema amb una proveta i ho introduim

dins un vas de precipitats.

Quan tenim un líquid incolor i inodor (propietats externes de l’aigua

pura), com podem saber si només és aigua o realment conté altres

substàncies? També sabem que l’aigua és insípida però, evidentment, no

podem tastar un líquid si abans no sabem que no és un producte perillós

per a la salut.

2. Amb una pipeta pasteur afegim unes gotes de líquid problema sobre

un vidre de rellotge o capsula de porcellana i ho escalfam

Què passaria si només es tracta d’aigua?

Observa el resultat de l’operació i treu-ne una conclusió.

Si només és aigua, ja tens identificada la substància. En cas contrari

hauràs d’esbrinar els ions que hi ha dissolts.

13

3. En funció del color obtingut esbrina de quins ions es tracta.

Anions

(amb catió sodi)

Carbonat (CO32-)

Clorur (Cl-)

Fluorur (F-)

Fosfat (PO43-)

Nitrat (NO3-)

Sulfat (SO42-)

Incolors

Cromat (CrO42-) Groc intens

Dicromat (Cr2O72-) Taronja intens

Permanganat (MnO4-) Violat intens

Cations

Alcalins i alcalinoterris,

NH4+, Al3+, Ag+, Cd2+,

Hg2+ i Pb2+

Incolors

Co2+ Rosa

Cr3+ Verd

Cu2+ Blau

Ni2+ Verd

Fe2+ Verd molt clar

Fe3+ Incolor o groc

Mn2+ Rosa dèbil

4. Apunta els ions que creus que hi pot haver en el líquid problema.

D’aquesta manera, amb el color, ja has pogut descartar alguns ions que

no podem trobar a la dissolució. Quins?

Anions Cations

14

Dels possibles ions presents, la dissolució problema conté els següents:

Cations: Ca2+ i Fe2+.

Aquests cations es troben sovint en diferents tipus d’aigües. El primer

va associat a la duresa de l’aigua i la seva concentració és més elevada en

aigües de sòls calcaris, com en el cas de l’illa de Mallorca. Per altra

banda, el ferro és un metall considerat com a paràmetre indicador de la

qualitat de les aigües de consum humà, però la seva concentració no ha

de superar el valor de 200 g/L (RD 140/2003).

Anions: sulfat (SO42-) i nitrat (NO3

-).

Aquests anions també es poden trobar a les aigües de consum. Les seves

concentracions no han de superar els 250 g/L i 50 mg/L,

respectivament.

Es troben aquests ions dins la relació d’anions i cations que has

donat com a possibles? És coherent el color de la teva dissolució

amb la presència d’aquests ions?

5. Ara procedirem a la separació dels ions presents en el líquid

problema.

a) Separació i determinació del Fe2+

Per separar el Fe+2, agafam 100 ml de la dissolució problema i afegim

unes gotes de dissolució tampó (clorur d'amoni/amoníac) i així

separam el Fe+2en forma d'hidròxid de ferro que es caracteritza pel

color verd. Per afavorir la precipitació es necessari escalfar sense

arribar a l'ebullició. Una vegada que tot estigui precipitat, ho hem de

deixar refredar.

Mentre esperam que refredi, farem la determinació quantitativa de

Fe+2. La determinació de la concentració del ferro normalment es duu

a terme a partir de la coloració que forma el Fe2+ amb una substància

orgànica anomenada orto-fenantrolina. El compost que formen és de

color taronja vermell i es pot detectar fins a concentracions molt

baixes. Aquest compost de color vermell dóna un espectre amb un

màxim d’absorció de la llum a una longitud d’ona de 510 nm.

15

Per obtenir-ne l’espectre emprarem un aparell que es diu

espectrofotòmetre. Per aconseguir-ho es preparen unes dissolucions

de Fe2+ de concentracions conegudes, i es fan reaccionar amb orto-

fenantrolina, que ens serviran per fer uns patrons de concentració

coneguda i a partir d'aquests patrons l'espectrofotòmetre és capaç

de determinar la concentració de Fe2+ a la nostra mostra.

Per determinar la concentració de ferro, agafam un matràs aforat de

100 ml i afegim:

a) 1 ml de mostra:

b) 1 ml de dissolució reguladora de pH = 4 (acètic-acetat)

c) 1 ml de dissolució de fenantrolina 0,01 M (gota a gota)

d) 1 ml de dissolució d’hidroxilamina al 5% (per aconseguir que el

Fe estigui en forma de Fe(II) (L’oxigen de l’aire fa que molt

fàcilment el Fe(II) passi a Fe(III))

A continuació enrasa la dissolució resultant fins a 100 ml

En primer lloc farem una primera aproximació a la determinació de

ferro, comparant el color del nostre matràs amb el color de les

mostres del Laboratori

Quin valor de concentració diries que té la dissolució per

comparació amb les mostres?

I en segon lloc, amb l’espectrofotòmetre mesurarem la quantitat de

ferro d'una manera més rigorosa.

Quin resultat has obtingut? [Fe] =

16

Supera aquest valor l’orientació que dóna la legislació actual per a

la qualitat d’una aigua potable?

Una vegada que hem fet la determinació quantitativa de ferro per

poder determinar el Calci és important eliminar tot el ferro en el

líquid problema. Per això agafam la mostra que hem deixat refredar i

la filtram al

buit.

b) Separació i determinació del Ca2+ Ara ja estam en condicions de determinar la concentració de calci.

Per aconseguir-ho, precipitarem aquest catió en forma de carbonat

de calci.

Addiciona gota a gota una dissolució d’aquest compost fins que

comprovis que no es forma més precipitat. Una vegada format tot el

carbonat de calci, ho filtrarem, tal com ho hem fet abans.

El filtre on ha quedat retingut el carbonat de calci sòlid s’haurà

d’eixugar dins una estufa per llevar tota l’aigua que l’acompanya. Pots

dipositar el filtre sobre un vidre de rellotge.

Important: Calcula la massa del filtre abans

d’emprar-lo en la filtració!

17

Càlculs

M1 (vidre de rellotge) = g

M2 (vidre de rellotge + filtre) = g

M3 (vidre de rellotge + filtre + carbonat

de calci eixut)

= g

Així, la massa de carbonat de calci que hem obtingut val:

M = g

Calcula ara la massa de calci que hi ha en el carbonat de calci

que has separat.*

= g

*Masses atòmiques: C=12; O=16; Ca=40

c) Identificació de l’anió sulfat En un tub d’assaig, posa 1 o 2 ml de dissolució de la mostra. Afegeix-hi

unes quantes gotes de dissolució de clorur de bari. Què succeeix?

L’anió sulfat té una reacció característica que consisteix en la formació

de BaSO4 (sòlid blanc) al addicionar catió Ba2+. Aquest precipitat és

insoluble si hi afegim dissolució d’àcid clorhídric o nítric, aspecte que

permet diferenciar el sulfat d’altres anions que formen sals insolubles

amb el Ba2+.

Si ara hi afegim unes quantes gotes d’àcid clorhídric, es dissol el

precipitat? És sulfat de bari?

Quina conclusió en pots treure?

18

És aigua o una altra cosa?

…/…

19

És aigua o una altra cosa?

…/…

.../...

Identificació de l'anió

sulfat

Es forma un

precipitat?

SÍ

NO

... afegir BaCl 2

No és SO42-

Es redissol? SÍ

NO

... afegir HCl

És SO42-

Determinació del

catió Ca2+

Es forma un

precipitat?

SÍ

NO

... afegir NH 4OH + NH4Cl

No tenim Ca2+

SÍ

NO

és verd

(FeCO3)?

eliminació del Fe(II)

present

... a la dissolució afegir Na 2CO3

Es forma un

precipitat?

És CaCO3 (precipitat blanc)

Fitrar, Eixugar i pesar

[Ca2+]

Determinació

del Ferro

20

Itinerari Químic

Com activitats complementàries a les pràctiques de química que duran a

terme els alumnes al Laboratori Jove es realitzarà un itinerari que comprèn

una visita a un grup de recerca del Departament de Química on s’explicaran

alguns dels projectes que actualment desenvolupen i les seves repercussions

socials, i una visita a un laboratori d’investigació del Departament o dels

Serveis científicotècnics (SCT).

Grups d’investigació

1) Contaminació de la Mar

2) Reactivitat Molecular i Disseny de Fàrmacs

3)) Laboratori d’Investigació en Litiasi Renal

4) Química Bioinorgànica i Bioorgànica

5) Tecnologia d’aliments

6) Reutilització d’aigües grises

7) Química i art

8) Química analítica, automatització i medi ambient

9) Química inorgànica

10) Química supramolecular

11) Síntesi i catàlisi asimètrica