Càlcul de magnituds i constants físicoquímiques fonamentals (o no tant)

En aquesta pàgina es proposen protocols de procediments experimentals per a obtenir els valors de diferents magnituds i/o constants fonamentals de la Física i la Química que es poden portar a terme en un laboratori escolar o fins i tot a cassa dels estudiants.

L’idea no és aconseguir resultats homologables per a les constants, malgrat que en molts casos s’aproximaran prou, si més no l’obtenir valors de l’ordre de magnitud i discutir les procediments i resultats amb l’alumnat.

Inicialment, quan vaig escriure per primera vegada aquesta pàgina, els dissenys experimentals als que vaig enllaçar per a trobar el valor d’alguna de les constants fonamentals es realitzaven en la major part dels casos amb procediments i materials que podríem anomenar clàssics, encara que en algun cas es feia servir l’ordinador.

A poc a poc pretén anar actualitzant les propostes per tal d’incloure com a elements d’obtenció de dades, a més de l’instrumental clàssic, els telèfons mòbils i tauletes i els microprocessadors tipus Arduino.

Mesura de la velocitat de la llum

La mesura de la velocitat de la llum per mètodes ortodoxes no està a l’abast d’un laboratori escolar, sinó és a partir de trobar els valors de la permeabilitat (μ0) i la permitivitat (ε0) del buit i després calcular la velocitat de la llum (c):

με0·c2 = 1

Malgrat aixó, Benjamín Montesinos ens explica com mesurar la velocitat de la llum amb un microones. Aquest experiment i d’altres amb un forn de microones també es troba en l’article Microones en un forn, de Lorenzo Ramírez, en el número 4 de la revista Ciències.

Determinació de la contant de Planck

L’any 2005 es va declarar Any mundial de la Física i amb aquest motiu l’Associació de Professors de Física i Química de Catalunya (APFQC) va proposar diferents reptes als centres docents. En concret va animar l’alumnat de batxillerat a determinar el valor de la constant de Planck amb el protocol Determinació de la constant de Planck a partir de l’electroluminiscència d’un díode elaborat pels professors Jordi Andreu i Josep Maria Valls.

Un grup d’alumnes de 2n de batxillerat de l’IES Maria Rúbies de Lleida va portar a terme l’experimentació en curs 2005-06 obtenint els resultats que es poden veure en aquest document.

Càlcul de la contant de Rydberg
Protocol per calcular la constant de Rydberg a partir de les línies espectrals de l’hidrogen

Decaïment radioactiu .
Protocol per realitzar una simulació del decaïment d’una mostra radioactiva i el càlcul del període de semidesintegració.

Mesura de la velocitat del so

Recopilatori de diferents propostes per mesurar la velocitat del so. N’hi ha des del mètode més tradicional d’utilitzar la ressonància en un tub parcialment submergit en aigua fins a la mesura directa del temps que triga un so en desplaçar-se una distancia.

L’acceleració de la gravetat

Avui en dia per a conèixer el valor de l’acceleració de la gravetat en el lloc on un mateix es troba no hi ha més que ficar en marxa al telèfon mòbil una aplicació que mesuri aquest valor, com per exemple Phyphox a l’apartat Aceleración con g, i fer la mesura mantenint el telèfon immòbil. El resultat el tenim en la captura de pantalla del costat.

Si volem introduir una mica més de física podem realitzar qualsevol dels experiments que mesurin directa o indirectament el temps que triga en caure lliurement un objecte.

Gravetat a la superfície de la Terra: varia d’un punt a l’altre Les zones en roig mostren àrees on la gravetat és lleugerament més intensa mentre que les blaves mostren on és menor.

I sense voler ser exhaustius, estudiant el moviment d’un pèndol simple també es pot obtenir fàcilment el valor de g. El període del pèndol es pot mesurar de moltes diverses maneres:

Caminant amb Eratóstenes. Mesura del radi de la Terra
Protocol per la mesura del radi de la Terra a qualsevol hora del dia, del mes de juny, setembre o octubre.
Resultats de la mesura del radi de la Terra realitzada per l’alumnat de 4t d’ESO de l’IES Maria Rúbies de Lleida en 2005,  l’Any Mundial de la Física.

La mesura de l’ombra del Sol, per l’Associació astronòmica de barcelona, ASTER.

Determinació del zero absolut de temperatures

Hi ha diverses maneres d’estudiar la relació entre les magnituds involucrades en l’equació dels gasos ideals i que permeten obtenir per extrapolació el valor del zero absolut de temperatura. A l’any 2021 vaig fer un recopilatori sobre les lleis dels gasos, i com es veu en els experiments relacionats amb aquestes lleis es poden obtenir valors prou bons que oscil·len entre -274 i -280 ºC.

Llei de Charles i Gay-Lussac

Segona llei de Gay-Lussac: Pressió temperatura

Determinació de la constant universal dels gasos

Per a calcular R, la constant que relaciona les magnituds a l’equació dels gasos ideals també podem acudir a algun altre dels experiments llistats al recopilatori sobre les lleis dels gasos que ja he comentat a dalt, els que relacionen la pressió i el volum.

En tot cas s’ha de trobar la massa de gas o el nombre de mols amb que es fa l’experiment com proposen en el protocol La constant universal dels gasos, del material de suport pel batxillerat internacional (2007), a partir del valor de la pressió atmosfèrica on es fa l’experiment.

Una alternativa molt xula és la de Antonio Tomás Serrano i Jerónimo Hurtado-Pérez (2020), Determinación de la constante de los gases usando un manómetro y una balanza, en el volum 17, n 3 de la Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias.

Determinació del nombre d’Avogadro

Encara que el que fan els científics per a obtenir un valor per al nombre d’Avogadro sigui comptar el nombre d’àtoms en una esfera de silici-28 d’alta puresa, aquí us proposo dos mètodes que tradicionalment s’han portat a terme als laboratoris escolars: el de la tac d’oli i el de l’electròlisi.

Com es pot calcular la constant d’Avogadro?. Protocol del CDEC que utilitza la mesura del volum de l’àcid oleic.

Determinación de la constante de Avogadro mediante un experimento de electrólisis realizado con productos de bajo coste, de Tomás-Serrano i Rafael Garcia-Molina, publicat en el núm 113 (2017) de la Revista Anales de Química.

Determinació de la constant de Faraday (i la càrrega de l’electró)

La constat de Faraday (F) forma part de l’equació que regeix l’electròlisi de qualsevol ió tal que la massa de l’element que es diposita en un elèctrode és:

On m és la massa dipositada, Mol és la massa molar de l’ió, I la intensitat de corrent, t el temps que circula el corrent, n la càrrega de l’ió i F la constant de Faraday.

Un bon sistema per obtenir del valor de la constat de Faraday, per tant, es fer-lo mitjançant una electròlisi.

El professor Salvador Gil ens proposa fer-lo amb el Sulfat de coure en el Proyecto 86 Estimación de la carga del electrón (pag 344) del capítulo 29 en la part 3 del llibre Experimentos de Física de bajo costo usando TICs.

Amb un aparell d’electròlisi (voltàmetre de Hofmann) també es pot determinar la constant de Faraday mitjançant l’electròlisi de l’aigua.

Una vegada aconseguida la constant de Faraday (F) es pot determinar la càrrega de l’electró si es coneix el nombre d’Avogadro (NA) ja que estan relacionats per:

Encara que tradicionalment s’ha fet al revés, és a dir, aconseguir el valor del nombre d’Avogadro a partir del valor de la càrrega de l’electró amb l’electròlisi d’una sal de plata, de forma anàloga a com hem vist que feien a dalt Antonio Tomás-Serrano i Rafael Garcia-Molina.

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out /  Canvia )

Google photo

Esteu comentant fent servir el compte Google. Log Out /  Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out /  Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out /  Canvia )

S'està connectant a %s

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir els comentaris brossa. Apreneu com es processen les dades dels comentaris.