(Actualitzat a 24/06/2024)
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)
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 en té 127.825 visualitzacions:
Tant en el text del llibre com en el vídeo s’indica sense vacil·lacions que la balança indica la mateixa massa al llarg de la reacció quan hi ha una diferència clara d’un gram. Es poden repassar en internet els molts textos i vídeos que expliquen aquest experiment, com aquest altre per exemple, 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 el globus 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 (814 k visualitzacions):
- S’enganxa una espelma al fons d’un plat fondo i s’encén l’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 que es consumeix 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 quan tapa la vela: 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 petita quantitat.
Encara 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 ja està calent i més que 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.
Per últim estan els que estudien el fenomen quantitativament:
El professor de Física Aplicada de la Universitat de Murcia Rafael García Molina juntament amb el professor de secundaria Antonio Tomás Serrano, han publicat dos articles, Una contribución para dilucidar las principales causas del ascenso de agua en un vaso invertido sobre la llama de una vela (2023) i Ascenso de agua por el interior de un recipiente que cubre una vela sobre un plato con agua: un experimento poco comprendido, análisis de un error persistente y propuesta para superarlo (2024) en els que expliquen el fenomen però aportant mesures quantitatives de ‘oxigen consumit, la diferència de pressió obtinguda, l’altura de l’aigua , etc.
Per exemple, en el primer article mostren que la combustió no consumeix més de la tercera part de l’oxigen atrapat al got o que el major responsable de la pujada d’aigua és la sortida inicial de l’aire del got abans de tapar la vela.
A més en el segon article proposen variants de l’experiment que poden permetre l’alumnat (i a nosaltres) entendre més bé el que passa. Per exemple, l’experiència en la que indiquen que una vegada el vas sobre la flama es retiri de la vela i es fiqui directament a l’aigua és magnífica per mostrar la importància del gas calent que s’introdueix en el vas abans de tapar la vela (foto anterior).
Experimentació lliure 