Nesta experiencia estudaremos como se comportan os gases a partir do amplamente reproducido, pero non sempre ben interpretado, experimento da candea que se apaga.

Imaxe

 

Cesta de materiais

Preme nos puntos interactivos da imaxe.

Mans á obra

Paso 1

 

• Fíxanse as candeas á base do recipiente de vidro. Para iso, quéntase, cun chisqueiro, a súa base, aproveitando a cera xerada coma pegamento. Colócase, nun extremo, unha candea, e, no outro, dúas xuntas.

 Paso 2

 

• Engádese auga da billa no recipiente de vidro ata, aproximadamente, a metade do seu volume.
• Pódese engadir unha gota de colorante alimentario para tinguir a auga e facer os resultados máis visuais.

Paso 3

 

• Acéndense as candeas co chisqueiro. O resultado ha de ser semellante ao que se amosa na imaxe:

Imaxe

Paso 4

 

• Colócanse, de maneira simultánea, os dous vasos sobre as candeas, de maneira que asenten na base do recipiente de vidro. Observarase que, aos poucos segundos, as candeas apáganse, e a auga sobe polo vaso ata un punto, no que se detén.

Paso 5

 

• Repítese o proceso, pero colocando, no canto de dúas, tres candeas xuntas nun dos extremos do recipiente de vidro que as contén. Observarase algo semellante ao que acontece no punto 4, pero cunha lixeira diferenza (ver apartado 'Tips docentes').

Paso 6

 

• Analízanse os resultados obtidos no punto 4 e no punto 5 

Paso 7

 

• Pódese realizar un experimento análogo, empregando candeas con base de aluminio, en lugar das empregadas neste experimento. Aquí, ao non ser posible alterar o número de candeas nun caso e noutro, pódese analizar o que ocorre tapando unha candea cun vaso quente (pódese quentar, por exemplo, cun chisqueiro) e cun frío (pódese arrefriar, por exemplo, introducíndoo nun recipiente con auga e xeo).

 

Tips docentes

INTRODUCIÓN TEÓRICA

Presión e temperatura nos gases

A presión exercida por un gas é o resultado da colisión das partículas que o conforman contra as paredes do recipiente que o contén. Así, para unha certa masa de gas pechada nun recipiente de paredes ríxidas (volume constante) a presión dependerá, de maneira directamente proporcional, da temperatura á que se atope o gas. A temperatura é unha medida da enerxía cinética das partículas do gas, polo que, a máis temperatura, maior velocidade de desprazamento terán. Isto fai que o número de colisións contra as paredes do recipiente aumente, aumentando, tamén, a súa presión. A expresión matemática que relaciona a presión e a temperatura dun gas a volume constante coñécese como a lei de Gay-Lussac, e ten a seguinte forma:

p = k ^. T;  onde p é a presión, en atm, k é unha constante de proporcionalidade e T é a tempertura, en K.

Para afondar no entendemento de como se comportan os gases, pódese empregar o seguinte laboratorio virtual PhET (https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas-properties_all.html?locale=es):

Imaxe

 

CONSELLOS METODOLÓXICOS E TÉCNICOS

Neste experimento, teranse en conta os seguintes puntos:

a) Entre un experimento e o seguinte, a non ser que se empreguen candeas novas, é importante secalas ben, pois móllanse ao ascender a auga polo vaso.

b) Entre un experimento e o seguinte, deberemos de secar o interior dos vasos cun pouco de papel absorbente. Ademais, axitarémolos un par de veces, co fin de renovar o aire contido no seu interior. Do contrario, poden almacenar un exceso de dióxido de carbono procedente da combustión que provoque a extinción do lume das candeas antes do que sería desexable.

c) Non adoita acontecer se se fixan ben, pero se as candeas se despegan da base do recipiente de vidro a medida que a auga ascende polo vaso, pódese empregar un pouco de plastilina para fixalas máis firmemente.

d) Intentaremos tapar as candeas da maneira máis homoxénea posible. A modificación desta variable pode, especialmente no caso das candeas con base de aluminio, alterar os resultados.

e) No punto 4, pódeselle plantexar ao alumnado que explique por que se observa un lixeiro burbullar cando se tapan as candeas cos vasos.

f) No punto 5, o alumnado pode elaborar unha hipótese dos resultados agardados. Algunhas cuestións para guiar a súa elaboración poden ser as seguintes: que pasa co aire do vaso cando temos tres candeas, en lugar de dúas, quentándoo? O nivel da auga no vaso será o mesmo ca no punto anterior, superior ou inferior? Cabería agardar que o burbullar ao tapar as candeas co vaso fora máis intenso ou menos intenso ca no punto 4?

ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS

A miúdo emprégase este experimento coma un xeito sinxelo de determinar a cantidade de osíxeno no aire. Así, adoita indicarse o seguinte:

i) Ao tapar a candea co vaso, o osíxeno esgótase, pois consómese na combustión, e a candea apágase.

ii) Ao esgotarse o osíxeno, hai menos gas no interior do vaso, exercendo, polo tanto, unha menor presión ca o aire exterior.

iii) Xérase, así, unha especie de baleiro que fai que a auga ascenda polo vaso ata que as presións no interior e no exterior se igualan de novo.

iv) A auga que ascende polo vaso coincide exactamente co volume de osíxeno no aire, pois é a única substancia presente no aire que se esgota. É importante ter en conta que no proceso de combustión o osíxeno consómese, pero prodúcense outros gases, coma dióxido de carbono e vapor de auga (que, finalmente, condensa), o que invalida completamente a utilidade deste experimento para determinar o volume de osíxeno no aire.

Se todo o exposto fora certo, entón no noso experimento obteriamos o mesmo resultado, independentemente do número de candeas empregado en cada caso, pois o volume de aire (e, polo tanto, de osíxeno) encerrado no interior do vaso é exactamente o mesmo. Se acaso, poderiamos observar pequenas variacións (case insignificantes) no nivel da auga ao modificar o número de candeas, tendo en conta que o espazo ocupado por unha candea non pode ser ocupado polo aire. O que se observa é o seguinte:

Imaxe

 

Vese perfectamente que o vaso con dúas candeas absorbe máis auga ca o que ten só unha. Isto explícase da seguinte maneira:

1. A presión dun gas aumenta ao incrementar a súa temperatura, pois as partículas que o conforman móvense a maior velocidade.

2. A presión do aire encerrado no vaso das dúas candeas será superior á do aire pechado no vaso con só unha.

3. A presión do aire encerrado no interior dos vasos será superior á atmosférica, pois está máis quente. Isto provoca que parte do aire do interior dos vasos "escape" do sistema e forme un leve burbullar cando os vasos se somerxen na auga. Resulta obvio que escapará un maior volume de aire canto máis quente estea, pois exercerá unha maior presión. Así, neste intre, dispoñemos dunha menor masa de aire no vaso con dúas candeas ca no vaso con unha. Porén, chega un punto no que a presión externa e interna se igualan en ámbolos dous casos, polo que non se observa, durante un moi breve instante de tempo, nin burbullar, nin absorción da auga polas paredes do vaso.

4. O CO₂ producido no proceso de combustión fai que a candea se apague, pois é un gas máis denso ca o osíxeno, e tenderá a quedar nas proximidades da chama. O osíxeno non chega a esgotarse por completo, tal e como demostran diversos estudos (ver, por exemplo, o traballo The Persistence of the Candle-and-Cylinder Misconception, publicado en J. Chem. Ed. 1999, 76, 914).

5. Ao apagarse a candea, descende drasticamente a temperatura da masa de gas contida no interior do vaso, o que fai que a súa presión caia, véndose superada pola presión atmosférica (a presión exercida polo aire externo sobre a auga), e que o vapor de auga condense (as paredes do vaso empánanse).

6. A caída de presión será máis acusada no vaso que teña un maior número de candeas, pois perdeu unha maior cantidade de aire en primeira instancia, o que provoca que o volume de auga absorbido sexa maior.

Neste punto, repítese o proceso, tal e como se indica no punto 5 do procedemento experimental, empregando tres candeas xuntas, nun dos extremos do recipiente, en lugar de dúas. Os resultados, ao realizar o experimento, foron os seguintes:

Imaxe

 

O volume de auga no vaso con tres candeas é considerablemente superior ao que se observa cunha única candea, e ao observado, tamén, no vaso con dúas candeas, o que está en consonancia coas explicacións anteriores.

Cómpre destacar, non obstante, que o indicado nos puntos anteriores son liñas xerais, e que existen diversas situacións intermedias que requerirían unha análise máis detallada. Por exemplo, cabería supoñer, en base ao exposto, que a auga non debería de subir polo vaso ata que a candea se apagase, algo que non é exactamente así. Isto pode explicarse tendo en conta que parte do vapor de auga condensa nas paredes do vaso antes de que a candea se apague, así coma considerando que a enerxía cinética das partículas do gas non é a suficiente para contrarrestar a presión atmosférica, entre outros aspectos.

Se se realiza o experimento con candeas de base de aluminio, tal e como se indica no punto 7 do apartado 'Mans á obra', intentaremos que o diámetro das candeas e o dos vasos sexa o máis axustado posible, a fin de obter uns resultados máis claros. Se realizamos a experiencia tal e como se indica, obteremos un nivel de auga claramente distinto nun vaso e noutro, tal e como se amosa na imaxe. A explicación é análoga á do experimento comentado previamente.

Imaxe

 

 

A túa clase nun clic

Implementa esta microsecuencia na túa aula Moodle (Descarga dispoñible en galego ou castelán).

Imaxe

Imaxe