Focs artificials, Química pura

Abans d’ahir, com cada 28 de juliol, es va donar per acabada la Festa Major de Blanes amb el tradicional Aplec de l’Amor a la cala de Sant Francesc. Però l’activitat més coneguda, i reconeguda arreu, de la nostra Festa Major de Santa Anna és el Concurs Internacional de Focs d’Artifici de la Costa Brava, és a dir, els Focs de Blanes. Aquesta llarga tradició de la nostra terra té un inici remot a l’Orient, amb els alquimistes de l’antiga Xina, una altra aventura de l’apassionant història de la química.

Pirotècnia Martarello. Sa Palomera, Blanes, 23 de juliol de 2009.

L’origen dels focs artificials va lligat amb el descobriment de la pólvora, com és evident. Hi ha una llegenda que explica que el seu descobriment va ésser per la, tant habitual en ciència, serendípia (serendipity en anglès). Molts descobriments científics són supostas a la serendípia segurament pel seu caràcter romàntic i misteriós, creant en alguns casos pures llegendes perfectes per l’argument d’una pel·lícula. Segurament el cas de serendípia més conegut mundialment és el descobriment de la penicil·lina per Fleming. Però tornant al cas que ens ocupa, la llegenda diu que qui va fer el primer foc artificial va ser un cuiner xinès qui, pot fer més de 2000 anys, va vessar salpetre sobre el fogó de cocció i va veure la generació d’una intensa flama. El salpetre (o salnitre), que juntament amb el sofre i el carbó és un dels components de la pólvora, no és més que el nitrat de potassi (KNO₃), el qual antigament s’utilitzava en cuina com a salt per donar gust als plats.

Pirotècnia Vulcano. Sa Palomera, Blanes, 25 de juliol de 2009.

Deixant de banda el descobriment de la pólvora {la qual és bàsica en els focs artificials com a propulsora d’aquests. A la imatge inferior veiem la pólvora (nombre 8), la qual es situa a la part inferior de la bomba  i és encesa per la metxa d’ignició(10)} un detall dels focs artificials molt lligat a la química i força complex és el dels colors dels focs artificials.

Els colors dels focs artificials són generats per 2 mecanismes diferents, la incandescència i la luminiscència. La incandescència és la llum produïda per calor. L’augment de temperatura escalfa un material fins a fer-lo brillar, que comença emetent a l’IR, després vermell, taronja, groc i, finalment, llum blanca a mida que es va tornant més calent. Quan la temperatura d’un foc artificial és controlada, la brillantor dels components, com el carbó, pot ésser manipulada fins al color (temperatura) desitjat al moment desitjat. Metalls com l’alumini, el magnesi o el titani, cremen emetent molta brillantor i són utilitzats per incrementar la temperatura d’un foc artificial. Per altra banda la luminiscència és la llum produïda mitjançant diferents fonts d’energia que la calor. Per produir luminiscència, l’energia és absorbida per un electró d’un àtom de manera que aquest passa del seu estat fonamental (el de menor energia, el més estable) a un estat excitat (de més elevada energia, corresponent a la seva de l’estat fonamental + la que ha absorbit de l’exterior, ara aquest àtom és més inestable). Aquest àtom inestable tornarà al seu estat fonamental d’energia (s’estabilitzarà) emetent l’energia que “li sobra” en forma de fotó (llum). Depenent de l’Energia del fotó emès (depenent de la freqüència de l’ona emesa) s’emetrà una llum d’un color o d’un altre. En aquest espectre electromagnètic es pot veure la relació entre la freqüència (o longitud d’ona; les quals són inversament proporcionals segons l’equació 1) d’una ona de la zona del visible i el seu color, així com el pas de les ones IR (infraroig) als visibles vermell, taronja, groc … que hem comentat abans en la incandescència d’un material (a l’augmentar la temperatura del material aquest emet ones més energètiques, de longitud d’ona més petita; l’Energia és directament proporcional a la freqüència [com veiem a l’equació 2] i inversament proporcional a la longitud d’ona, com hem vist a l’equació 1).

Espectre electromagnètic amb la zona del visible (entre 700 nm i 400 nm de longitud d’ona) ampliada.

Equació 1 (on f: frequència; λ: longitud d’ona i c: velocitat de la llum)

E = hf

Equació 2 (on E: energia; f: frequència i h: constant de Planck)

D’aquesta manera l’addició de diferents sals (de diferents metalls de la taula periòdica) a la mescla de deflagració donarà al foc artificial un color o un altre. Sals de diferents metalls cremen emetent llum a diferent longitud d’ona (per la teoria que ja hem explicat), és a dir, cremen donant llum de diferent color. Per altra banda l’addició de pols d’alguns metalls com el ferro o l’alumini, crea l’efecte d’espurnes brillants a la combustió. En aquest vídeo que he gravat al laboratori podem veure l’efecte de la combustió de 2 sals de diferents metalls, el clorur de liti que crema emetent a color vermell i el sulfat de coure que crema emetent a blau-verdós (mecanisme d’emissió per luminiscència que hem explicat anteriorment), i l’efecte de la combustió de la pols d’alumini, la qual genera unes espurnes brillants (mecanisme d’emisió per incandescència que hem explicat anteriorment). Per demostrar-ho ho hem fet amb 3 experiments. En el primer addicionem els compostos citats a la mescla sucre + clorat de potassi en la qual addicionem unes gotes d’àcid sulfúric per iniciar la deflagració (vídeo de la deflagració).

Clicant a la següent imatge anem a parar a una Taula Periòdica dels elements més usats pels focs artificials, on podem clicar sobre els elements destacats per conèixer la seva aplicació en pirotècnia. Per exemple trobarem que el K i el Cl són usats en forma de clorat o perclorat de potassi,forts oxidants necessaris per oxidar les mescles pirotècnies (exemple, vídeo de la oxidació del sucre pel clorat de potassi). Amb la següent Taula Periòdica també podem llegir que les sals de Cu donen colors blavosos als focs artificials, o que l’Al és usat per a produir espurnes brillants (l’Al també el trobem a les típiques bengales de Sant Joan), tal com hem experimentat al laboratori i presentem amb el vídeo anterior.

M’agradaria acabar amb un petit detall que no és més que un consell per tal de, al pròxim concurs de focs d’artifici, mirar els focs d’una forma més crítica. La qualitat dels focs també és observable mirant l’espectacle. Els colors purs, com és evident, requereixen compostos purs. De manera que, per exemple, unes petites traces d’impureses de sodi (crema a color groguenc-taronjós) a qualsevol sal és suficient per alterar-ne el color de combustió. Fins i tot una formulació curosa dels compostos que es posaran a les “bombes” pot evitar un excés de fum i residus  que emmascarin els colors desitjats. En focs artificials el cost (puresa dels compostos i cura al laboratori) és directament proporcional a la qualitat de l’espectacle, de manera que l’habilitat del fabricant com el temps que fa que la “bomba” està preparada abans del llançament afectarà a la qualitat dels focs artificials.

Pirotècnia Surex. Sa Palomera, Blanes, 24 de juliol de 2009.

Així doncs, ja tenim una mica més de coneixements i fonaments químics per ésser més (i més bons) crítics a la 40a edició del Concurs Internacional de Focs d’Artifici de la Costa Brava del proper 2010.

 

 

Ciència a la Cuina

Fa temps ja vaig presentar el meu experiment de la cocció d’un ou ferrat de color verd i una llimonada vermella formant part del projecte de Recerca en acció Ciència a la cuina. Des de llavors altres investigadors de la UdG han anat fent el seu experiment a la cuina de casa davant de les càmeres de Recerca en acció i aquí en tenim la col·lecció. Des de la preparació d’una tinta invisible per escriure missatges secrets fins a la simulació a petita escala d’una erupció volcànica tot passant per la preparació de mató a partir de la llet…

Quatre dels experiments presentats els hem dut  a terme  membres de la Càtedra de Cultura Científica i Comunicació Digital (C4D) de la UdG, i els tenim penjats al nostre canal del Youtube. Aquí els tenim:

Cuinem un ou ferrat verd i una llimonada vermella per preparar un sopar ben científic!

Fem de detectius dominant la tècnica de la cromatografia!

Provoquem un guèiser ben dolç gràcies al sidral!

Tornem a parlar d’aquest projecte de divulgació científica ja que, precisament ara mateix, al portal de Televisió de Catalunya 3cat24.cat, presenten el projecte Ciència a la cuina i animen a tota la població catalana a gravar experiments a les seves cuines i presentar-los en aquest portal, animem-nos a participar!

El projecte ciència a la cuina forma part de la Nit de la Recerca 09 que, a casa nostra, tindrà lloc a la casa de la Cultura de Girona el proper 25 de setembre. Us hi esperem!

Electròlisi de l’aigua + explosió

La molècula d’aigua està formada per 2 àtoms d’H i 1 àtom d’O. Mitjançant un procés d’electròlisi, fent-li passar corrent elèctric a través seu, aconseguim la descomposició d’aquesta H₂O en H₂ i O₂. Evidentment s’obtenen els 2 gasos esmentats en proporció 2:1, és a dir, el nombre de molècules d’H₂ produïdes és el doble del de molècules d’O₂ i, per tant, assumint unes condicions iguals de pressió i temperatura pels dos gasos, el volum d’H₂ desprès és el doble que el d’O₂. El corrent elèctric necessari per dur a terme el procés electrolític l’apliquem mitjançant un transformador connectat a la xarxa elèctrica i 2 elèctrodes que submergim a l’aigua cadascun dels quals estan connectats a un pol de la font de corrent. Ara bé, perquè el circuit elèctric es tanqui cal que els electrons puguin ésser conduits pel medi aquós (des d’un elèctrode a l’altre) i, com bé sabem, l’aigua destil·lada (amb molt baixa concentració d’ions, quasi bé aigua pura) presenta una conductivitat elèctrica molt baixa, per tant per poder dur a terme el procés electrolític es requereix l’addició d’un electròlit a l’aigua pura. L’electròlit ha de ser una substància soluble en aigua la qual en ésser addicionada en la segona es dissociï en els seus anions i cations. Així, com a electròlit podem utilitzar un àcid, una base o una sal.

Esquema del moviment dels electrons i trencament de l’H₂O en l’electròlisi de l’aigua.

En el nostre cas, per dur a terme l’experiment de l’electròlisi de l’H₂O hem utilitzat un erlenmeyer de 500 mL que l’hem omplert amb una dissolució d’àcid sulfúric 1 M (H₂SO₄ és l’electròlit), 2 elèctrodes de Pt (on el càtode està carregat negativament i l’ànode és positiu) i un transformador de 24 V.

La nostra cel·la electrolítica.

La reacció neta que té lloc a la nostra electròlisi és la següent:

Per tal de demostrar el poder explosiu de la mescla de gasos H₂ i O₂ fem un 2n experiment on creem una petita bombolla amb la mescla gasosa provinent de l’electròlisi i hi acostarem un misto. Per fer-ho només necessitem un tub de goma, un tap per l’erlenmeyer amb 3 forats (mà de trepant) i una solució sabonosa, nosaltres concretament vàrem fer la tradicional H₂O/glicerina/sabó líquid (80:10:10) .

Sense més preàmbuls, aquí tenim el vídeo del nostre experiment:

Aquest experiment, que el vàrem dur a terme la setmana passada durant el 2n Jove Campus de Recerca per tal de complementar la part experimental del Treball de Recerca de l’Helena Canet, l’hem d’agrair molt especialment a Josep Corominas que ens va encuriosir amb l’experiment de les “bombolles explosives” aquella jornada divulgativa al Saló de l’ensenyament i que ara ens ha passat el procediment per reproduir-lo. Gràcies !

Copernici?

El passat 25 de juny parlàvem del nou element químic de nombre atòmic 112. Segons el sistema de denominació sistemàtic dels nous elements de la IUPAC fins ara, i temporalment, l’hem anomenat Uub però el passat 17 de juliol l’equip del Dr. Hofmann (els descobridors de l’Uub) van proposar-ne el seu nom definitiu. La seva proposta és batejar-lo com a  Copernici amb símbol Cp, en honor al científic i astrònom polonès Nicolau Copèrnic (1473-1543) qui va proposar el model heliocèntric del sistema solar. És una manera de remarcar la importància de la química nuclear a altres camps de la ciència, com l’astrofísica, així com honorar un científic que no va rebre el reconeixement que mereixia durant la seva vida,  “un científic extraordinari, que va canviar la nostra visió del món”, diu Hoffman.

Nicolau Copèrnic.

La IUPAC encara no ha aprovat oficialment el nom de Cp per l’element 112, esperant els resultats del període de discussió de 6 mesos entre la comunitat científica.

Llocs web on ja n’han fet referència: http://chemistry.about.com/od/elementfacts/a/ununbium.htm; http://blocfiq.ub.edu/2009/07/16/copernicium-proposta-de-nom-per-a-lelement-112/; http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8153596.stm.

ACTUALITZACIÓ

Finalment la IUPAC ha aprovat el símbol Cn pel Copernici, ja que una molècula orgànica ja és simbolitzada per Cp (ciclopentadiè), així evitarem confusions.

Polaritat?

Com feia aquell acudit…?

P: Imaginem que estem observant a 2 óssos. 1 d’ells es troba passejant pel Pirineu català mentre que l’altre, a uns 10000 km de distància del primer, passeja per la zona nord d’Alaska. Si tots 2 cauen en un estany al mateix instant, quin es dissoldrà primer?

R: L’ós d’Alaska ja que és Polar.

Es tracta d’un acudit que als químics ens fa certa gràcia tot i que pot sonar una mica estúpid des de fora. La gràcia real de l’acudit es troba en el poder que té l’aigua com a bon dissolvent per a molècules polars (que no óssos polars).

La molècula d’aigua està formada per 1 àtom d’oxigen (element molt electronegatiu) i 2 àtoms d’hidrogen (element molt petit i poc electronegatiu). Aquesta diferència d’electronegativitats dels àtoms que formen l’aigua fa que aquesta molècula tot i ser globalment neutra (la seva càrrega global és 0) presenta una separació de càrregues, presenta una polarització dels enllaços H-O (l’àtom d’O atreu molt més fortament els electrons que formen l’enllaç H-O que no pas l’H). La molècula d’aigua és polar. En química existeix una dita quan es parla de solubilitat: semblant dissol semblant, per això la molècula d’aigua (polar) dissol substàncies polars.

Al model s’indica la diferent distribució de càrregues en la molècula d’aigua amb el símbol de densitat positiva (δ⁺, al voltant dels H) i de densitat de càrrega negativa (δ^–, al voltant de l’ O).

Precisament aquesta distribució de càrregues en la molècula d’aigua és el que la fa que elles es mantinguin “unides” per unes febles interaccions electrostàtiques anomenades interaccions de pont d’hidrogen.

En en model podem veure 5 molècules d’aigua on la molècula central forma 4 enllaços de pont d’hidrogen amb les 4 molècules perifèriques.

Aquesta polaritat de l’aigua, juntament al fet de que dissol indistintament substàncies àcides com bàsiques  (l’aigua presenta un pH neutre) és el que la fa ésser anomenada el dissolvent per excel·lència o dissolvent universal. L’aigua és el dissolvent que dissol més substàncies (les quals són anomenades hidrofíliques, mentre que les que no es dissolen en aigua, com els greixos, se les anomena hidrofòbiques). D’entre les moltes substàncies que dissol l’aigua trobem les sals, les quals (com a exemple més quotidià tenim la sal de cuina, el clorur de sodi, NaCl) en ésser addicionades en aigua es dissocien, és a dir, té lloc la separació dels ions que la formaven. En aquesta animació es representa la dissociació del NaCl en H₂O. Quan aquesta dissociació ha tingut lloc diem que la sal s’ha dissolt en l’aigua.

Cal fixar-se en que els cations de la sal (Na⁺) són envoltats per la zona de densitat negativa de les molècules d’aigua (al voltant de l’O), en canvi els anions (Cl^–) són envoltats per la zona més positiva de l’aigua. Aquest procés se’n diu solvatació.

Detall de la solvatació d’un catió Na⁺ per 6 molècules d’H₂O.

Ara ja sabem perquè l’ós polar de l’acudit és dissolt ràpidament per l’aigua. Els acudits poden donar per molt.

Animem-nos a fer servir l’humor per divulgar ciència!

Un gran pas per la humanitat

El proper 20 de juliol es celebraran els 40 anys del primer allunament (o no? ja sabeu que encara hi ha molts escèptics que recolzen la teoria de la conspiració. Fins i tot els coneguts Caçadors de mites presenten les diverses fotos d’aquell esdeveniment les quals poden fer pensar que van ésser fetes en un plató i reprodueixen a petita escala les condicions de la coneguda foto de les ombres en diferent direcció). En aquella expedició els astronautes Michael Collins, Edwin E. “Buzz” Aldrin i Neil A. Armstrong van sortir el 16 de juliol de 1969 de Cap Canaveral (Florida, EUA) amb la nau Apollo 11 que va ésser impulsada a l’espai pel coet Saturn V. Després d’un viatge de  4 dies, el 20 de juliol (a les 20:17:40 UTC) van arribar a la Lluna.

Aldrin aquell 20 de juliol de 1969 a la superfície de la Lluna

Gràcies al google moon podem recórrer la mateixa zona de la superfície lunar que aquell 20 de juliol va ésser trepitjada per primer cop per Armstrong. Quan l’Apollo 11 es va situar a l’òrbita lunar, Aldrin i el Armstrong es varen traslladar al mòdul lunar Eagle, mentre que Collins es va quedar a la nau recolzant les maniobres del mòdul lunar. Armstrong va ésser el primer en baixar del mòdul lunar, convertint-se així en la primera persona que trepitjava la  tant somniada superfície de la Lluna. I ho va fer amb la frase, ja cèlebre, Aquest és un petit pas per a un home, però un gran salt per a la humanitat.

Petjada d’Aldrin, la qual ha serit per estudiar les propietats del sòl llunar.

Per acabar m’agradaria fer referència a la propera missió de la NASA a la lluna del 2020 i del LER (Lunar Electric Rover). Aquest petit vehicle de 12 rodes servirà com a casa pels astronautes durant la missió i permetrà recórrer la superfície lunar. Per llegir més informació sobre el LER clica aquí. Com a curiositat podeu visitar el web spaceyourface de la NASA on adjuntant una foto de la vostra cara podeu veure la fila que faríeu com a astronautes a una missió de la NASA.

Aquí em veieu sortint del LER a la superfície llunar.

Un Univers per descobrir

La UdG s’ha sumat a la commemoració de l’Any Internacional de l’Astronomia oferint la projecció-espectacle Un univers per descobrir per a tota la ciutadania. L’acte tindrà lloc el proper dimarts 14 de juliol a la Plaça dels Jurats de Girona a 2/4 d’11 de la nit.

L’organització de l’espectacle ha estat a càrrec de Marta Peracaula del grup de Visió per computador i robòtica de la UdG, i ha comptat amb l’equip humà de Xevi Cufí, Jordi Freixenet i Joseta Roca del mateix grup, de Joan Miró de l’Institut de Química Computacional de la UdG, i de José Maria Torrelles del Departament d’Astronomia i Meteorologia de la UB.

Com a sinopsi a la fitxa tècnica de l’activitat trobem:

Sabies que la llum del centre de la nostra galàxia triga 26.000
anys en arribar-nos?
Sabies que el nostre Sol és una estrella de tercera generació i
que el calci dels nostres ossos prové de les estrelles?
Quan fa que no mires el cel nocturn? Quan fa que no
contemples les estrelles?

Fins dimarts !

Avogadro

Avui fa 153 anys que va morir el científic Avogadro (podríem dir que és el seu 153è mortiversari, que deien a Harry Potter i la cambra secreta).

Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e di Cerreto (1776 – 9 juliol de 1856) fou un científic italià el nom del qual relacionem directament als gasos pel llegat que va deixar a la química, la llei dels gasos ideals, altrament coneguda com la Llei d’Avogadro (1811). La llei dels gasos ideals diu que

Iguals volums de tots els gasos ideals a les mateixes condicions de pressió i temperatura contenen el mateix nombre de partícules.

El nombre de partícules en un mol de substància és el conegut 6.02*10²³, el qual va ésser anomenat nombre d’Avogadro en el seu honor.

Ara he recordat un divertit acudit químic en anglès. Per entendre’l s’ha de tenir en compte que el Guacamole és una salsa culinària feta en base d’alvocat i que l’alvocat en anglès es diu avocado (nom molt semblant al del científic Avogadro). Aquí tenim l’acudit, en base a una petita conversa entre els 2 personatges A i B:

A: What do chemists use to make guacomole?
B: Avogadros.

A: How many atoms in a guacamole?
B: Avocado’s number.