Teoria atòmica: homenatge a l'experiment de Rutherford

La teoria atòmica és un dels meus temes preferits. Pensar que al segle V aC el filòsof Demòcrit (i sembla que també el seu mestre Leucip) ja es va preguntar de què estaven fetes les coses i el fet que hi donés resposta, sense evidències científiques ni experiments, és clar, plantejant la paraula àtoms ("indivisible" en grec), ho trobo senzillament espectacular. Altres teories de l'època sembla que són les que van triomfar, com la d'Aristòtil, que va parlar dels 4 elements, terra, aire, aigua i foc, que combinats en diferents proporcions donaven forma a tot el nostre món material.

Pel que tinc entès, fins el 1808 quan John Dalton va elaborar la seva teoria atòmica, no es va recuperar la idea dels àtoms que proposà Demòcrit. És a dir que durant 2300 anys es va creure en la combinació dels 4 elements (més l'éter) per entendre el món. Dalton va elaborar uns postulats que venien a dir que la matèria és formada per unes partícules discretes, diminutes i indivisibles, els àtoms; que hi ha diferents tipus d'àtoms; que en les reaccions químiques els àtoms no s'alteren com a tals, si no que es combinen entre ells de diferents maneres; i que els àtoms sempre es combinen entre ells en la mateixa proporció per formar compostos químics.

Els símbols dels elements de Dalton (font: commons.wikimedia.org)

A partir de la teoria de Dalton, tot va anar molt més ràpid: la següent teoria atòmica ja només va trigar en arribar uns 90 anys, quan cap al 1904 J. J. Thomson, amb el descobriment de l'electró, va fer que la suposada indivisibilitat de l'àtom no fos tal, i plantegés el seu model de "púding de panses" (actualitzat amb els meus alumnes com a model "Chips Ahoy" (c)), segons el qual l'àtom és com una galeta compacta que té una càrrega positiva i, incrustades, té unes petites partícules de xocolata: els electrons.

Pocs anys després, cap al 1911 un alumne de Thomson, Ernest Rutherford, va proposar un nou model atòmic on clarament els àtoms estaven formats per partícules més petites (protons, neutrons i electrons) i, a més, uns estàven al centre de l'àtom o nucli (protons i neutrons) i altres (electrons) estàven a l'escorça en òrbita al voltant del nucli. Rutherford va idear el seu famós experiment, que consistia en llançar partícules alfa (nuclis de l'element Heli) contra una capa molt fina d'or.

Reproducció de l'experiment de Rutherford (font: wikimedia commons)

Al llençar les partícules alfa contra la làmina d'or, es podria esperar que aquestes atravessessin la fina capa, o pel contrari no poguessin passar i rebotessin; els resultats del seu experiment foren sorprenents, ja que hi va haver partícules alfa que van passar "a través" dels àtoms d'or de la fina capa; d'altres que van rebotar; i finalment, altres que van atravessar la capa però desviant-se de la seva trajectòria inicial. Podem deduir com és l'àtom per dins amb aquests experiments? Rutherford ho va tenir clar, i va proposar un model atòmic on hi havia un nucli format per protons i neutrons, on les partícules alfa rebotaven o es desviaven; una capa externa d'electrons (l'escorça); i una part central, entre el nucli i l'escorça on no hi ha via ABSOLUTAMENT RES (buit) i que era per on passaven les partícules alfa sense desviar-se.

Explicació de les trajectòries de les partícules alfa després de ser llançades contra la làmina d'or (Font: tap.iop.org/atoms/rutherford/index.html)

La pràctica que s'ha pensat per fer a 3r d'ESO per reproduir l'experiment de Rutherford consisteix en disposar de caniques (que faran de partícules alfa); peces de Lego (que formaran una estructura amb forats que s'amagarà); i un disc de vinil que taparà l'estructura de Lego i que deixarà passar les caniques llençades permetent veure per quin lloc surten. La pràctica consisteix en llençar 100 vegades les caniques contra l'estructura de Lego i anar anotant si les caniques a) continuen en línia recta; b) es desvien; c) reboten. A patir de l'observació de les trajectòries de sortida i la freqüència de les 3 resultats a, b i c, els alumnes poden deduir quina structura de Lego tenien amagada.

Finalment, el vinil s'aixeca per comprovar si s'ha encertat en la predicció de la forma de Lego amagada. Una pràctica que consisteix a llençar caniques contra Lego i que porta associat un repte de descobriment: en teoria no pot fallar!

Científics amb història: l'experiment de Martí i Franquès

Filosofo una mica: vivim en un mon en el que anem de bòlid, sense temps d'assaborir el significat de moltes coses quotidianes. Introdueixo això perquè durant 6 anys, ja fa temps, vaig estar anant diàriament a la Facultat de Ciències Químiques de Barcelona per obtenir la meva llicenciatura; si no sabeu on és aquesta facultat, l'adressa que cal que busqueu és carrer Martí i Franquès. Mai vaig parar-hi atenció, al nom del carrer; suposo que el fet de passar-hi cada dia no feia despertar la curiositat sobre aquest nom...

Dècades més tard, quan la meva filla gran estava a l'Escola de primària, fent una investigació sobre Ciència, vaig estar comentant el procés de la investigació amb la seva mestra, la Marta López; li va deixar un còmic biogràfic de la vida d'Antoni de Martí i Franquès, també conegut com a Martí d'Ardenya, com a exemple de científic català que va contribuir al desenvolupament de la Ciència al nostre país. La Marta ens va deixar aquest llibre perquè el seu avi va ser l'Antoni Quintana i Marí, biògraf de'n Martí i Franquès.

Amb la lectura del còmic, que és el que ens va picar la curiositat, i tirant del fil, hem pogut comprovar com a la terra natal de'n Martí i Franqués, les comarques de Tarragona, sí que el recorden, amb el nom d'un institut, carrers, plaques, etc... i hem trobat un petit vídeo on es fa una recreació d'un dels seus experiments més celebrats i importants:

Vídeo: l'experiment de Martí i Franquès sobre la composició de l'aire (5 min.)

Un experiment que en algun moment m'agradaria reproduir al laboratori de l'institut, només que cal que busqui on puc trobar el "fetge de sofre" necessari per a la reacció que ens proposen al vídeo.

Agraïments: a l'Ariadna, pero compartir el seu aprenentatge amb la seva família; a la Marta, per compartir la seva passió per l'ensenyament i la Ciència; a la Universitat Rovira i Virgili, per aquest interessant vídeo.

Lavoisier: la massa es conserva?

Avui hem experimentat al laboratori amb les reaccions químiques i n'hem fet una de senzilla, barata i efectista, per intentar comprovar si la massa és la mateixa abans (reactius) i després (productes) d'una reacció química. És el que es coneix com a llei de conservació de la massa i el primer que la va postular fou el conegut com a pare de la química moderna, Antoine Lavoisier. Hem fet servir reactius molt fàcils de trobar: bicarbonat de sodi i àcid acètic (també conegut com a vinagre) i hem utilitzat una balança per saber les masses que teniem abans i després que es produís la reacció. Aquí teniu els materials emprats:

Aquesta llei fou enunciada el 1773, pocs anys abans de la Revolució Francesa, moment important de la història d'Europa que marcaria la vida i la mort de'n Lavoisier. Aquesta llei venia a dir que en una reacció química la massa no apareix o desapareix, sinó que tota l'estona en tenim la mateixa, de massa. Això que ara ens sembla tant obvi, no ho era tant en una època en que no s'havia desenvolupat encara la teoria atòmica i es desconeixa el funcionament de la majoria de les reaccions químiques. Aquí teniu el guió de la pràctica utilitzat a Physics and Chemistry 4th ESO:

Al barrejar els dos REACTIUS (bicarbonat de sodi i vinagre) es produeix una reacció on obtenim uns PRODUCTES (acetat de sodi, aigua i diòxid de carboni) que podem escriure de la següent manera:

NaHCO3 (s) + HAc (aq) = NaAc (aq) + H2O + CO2 (g)

Com veiem, es forma un gas com a producte, per això necessitem un globus, per recollir-lo i després poder pesar-lo. Compte! Cal, a l'inici, haver pesat el globus sol, ja que això ens permetrà, per diferència, saber la masssa de producte gasós obtingut. Aquí tenim el resultat de la reacció química:

(Foto feta i cedida per Júlia Rodríguez)

Quins resultats hem obtingut? Hem pogut comprovar la llei de la conservació de la massa de Lavoisier? Els resultats han estat els següents:

Grup ESLA: massa reactius = 40 g massa productes = 38,8 g
Grup NICE: massa reactius = 40 g massa productes = 38,6 g
Grup JIRC: massa reactius = 40 g massa productes = 39,8 g

Sembla que no acabem de demostrar en la seva totalitat la llei, tot i que ens hi acostem!

Finalment, he recordat la història de Lavoisier, breument explicada al llibre d'Isaac Asimov "Grandes momentos de la Ciencia" on explica el context històric en el que va viure. Cercant per la xarxa, he pogut llegir com Lavoisier va ser el que es diu "geni i figura", ja que fins i tot en el moment de morir, va decidir fer un experiment; ens ho expliquen al blog de'n Daniel Closa http://ciencia.ara.cat/

http://danielclosa.cat/centpeus/lultim-experiment-de-lavoisier/

Preguntes a l'aire:

1) Hem fet l'experiment amb 10 g de bicarbonat i 30 de vinagre. El grup del Carlos s'ha equivocat i han pesat 1 i 3 g respectivament: "Profe, obtindrem al final 10 vegades menys de productes si hem fet servir 10 vegades menys de reactius?"

2) El globus ple del gas producte d'aquesta reacció si el deixem anar cau a terra com una pilota. Per què? No és un gas i hauria de ser com l'aire?

3) Com podem calcular el volum de CO2 que hem obtingut al globus?

Canvis d'energia amb el saltwater car

Vacances! Aquest any hem anat amb la família a l'illa de Gran Canària i avui hem dedicat el dia a visitar Las Palmas. Al matí hem anat al barri fundacional de Vegueta, on després de caminar una mica hem visitat el Museo Casa de Colón; gran errada si no hi haguéssim anat, com era la nostra primera intenció. Molt recomanable, l'edifici espectacular, mapes amb els seus viatges molt ben explicats i videos sobre els aparells que portaven els vaixells per orientar-se: astrolabi, regleta, noctulabi, etc... Ja farem uns altra entrada sobre això. A part, maquetes dels vaixells, reproducció de la cambra de Colón, mostres d'art precolombí, quadres de l'època... molt complert i interessant.

Hem dinat molt bé per la zona: papas arrugás, gofio, calamares saharianos... A la tarda hem passejat pel barri i pel de Triana, tot ple de botigues; entre d'altres la botiga Tiger, on no m'he pogut estar, per 6 €, de comprar un cotxe que funciona amb una solució d'aigua i sal! Com és possible?

Resulta que per aquest preu tenim una pila, amb un ànode de magnesi i un càtode d'aire. Estan separades per un paper de filtre mullat per la solució salina (en proporció 5 a 1) que fa de pont salí i activa la pila, que està connectada a una bobina que transforma l'energia química de la pila en mecànica i per uns engranatges es transmet a les rodes davanteres.

Ha costat una mica que funcionés, ja que el contacte no era bo, però al final ho hem aconsseguit. A veure qui s'anima a muntar-lo i a explicar les reaccions redox que hi tenen lloc. Jo hem posaré a investigar sobre el tema, que tinc molt rovellat el tema de l'electroquímica.

Aquí us deixo un vídeo amb el muntatge i funcionament de l'andròmina en qüestió.

Let's assemble a Salt Water Battery Car Kit

Eratòstenes: mesura de la longitud de la circumferència de la Terra

Al llarg de la història de la humanitat han aparegut persones avançades al seu temps que han fet descobriments que ens han deixat bocabadats. Un dels que em va cridar l'atenció en un dels capítols de la famosa sèrie de divulgació científica dels anys 80 "Cosmos", va ser el savi grec Eratòstenes, que al segle III aC va ser capaç de donar arguments que la Terra era rodona i no plana i fins i tot se les va enginyar per poder calcular com de gran és el nostre planeta. Com ho va fer? Utilitzant les poques eines que tenia i el cervell, és clar.

A finals de juny de 2018 vaig acompanyar els alumnes de 4t en el seu viatge de final de curs a Itàlia, del qual guardo molt bon record. Venècia, Florència, Pisa i Siena van ser les parades del nostre periple, que va durar 5 dies i 4 nits. L'anada la vam fer en avió i la tornada en ferry: serien un munt d'hores, des de les 22.00 hores del 20 de juny fins a les 19.00 del dia següent. Com? Just el dia del solstici d'estiu? Ja que serem al vaixell tantes hores podriem dedicar una mica del nostre temps a fer un experiment... i si ens fiquem en la pell d'Eratòstenes i intentem mesurar el tamany del nostre planeta Terra?

Pero fer-ho, cal saber abans una mica de teoria al respecte ("Ooooooh!" - decepció entre el públic- "Teoria? Que estem al viatge de final de curs!"). Vinga va, que pot ser curiós; veiem en aquest video de 3 minuts de la sèrie "Cosmos" com ens ho describia Carl Sagan:

Cosmos: Carl Sagan explica com va mesurar Eratòstenes la longitud de la circumferència de la Terra

També hi ha aquest video de 4 minuts extret del fantàstic programa de TV3 "Què Qui Com", on ens expliquen quin és el raonament seguit per Eratòstenes per fer el seu càlcul:

Què Qui Com: mesura de la grandària de la Terra fa 2300 anys

Pero als que no us agraden el vídeos, les idees bàsiques són:

1.- Eratòstenes va veure que a Assuan (Egipte) el dia del solstici d'estiu, just al migdia solar, no hi havia ombres (els raigs de Sol hi cauen perpendicularment, ja que la ciutat es troba just al Tròpic de Càncer i això fa que en aquell moment no hi hagi ombra)

2.- Al mateix moment, a Alexandria, ciutat al nord d'Assuan, sí que hi havia ombres, de manera que sembla ser que la terra no és plana, sinó esfèrica.

3.- Mesurem a Alexandria les longituds d'un pal i de la la seva ombra projectada just al migdia solar d'aquell dia

4.- Mesurem la distància entre Alexandria i Assuan (sembla que Eratòstenes va enviar a un esclau o va contractar algú per anar d'Alexandria fins a Assuan i saber la distància que separava les 2 ciutats)

FONT: es.slideshare.net/saltamentes/eratostenes

5.- Finalment,un cop tenim les dades, apliquem els nostres coneixements de trigonometria (potser també es pot aplicar la semblança de triangles), de manera que:

tangent angle alfa = catet oposat / catet contingu

que en en el nostre cas seria:

tangent angle alfa = longitud ombra del pal / longitud del pal

FONT: es.slideshare.net/saltamentes/eratostenes

Nosaltres haurem de veure la distància entre el lloc on ens trobem fent les mesures i el Tròpic de Càncer i així poder calcular el nostre angle alfa.

El dijous 21 de juny de 2018 ens hi vam posar a la terrassa del ferry, al costat de la piscina en una taula rodona i sota un sol de justícia (ideal per a les nostres mesures); cal dir que no hi va haver gaire presència d'alumnes, ja que la nit anterior va ser mooooooolt llarga per ells, tot i que alguns es van acostar a veure què feien els profes.

Les dades que vam recollir van ser les següents:

Longitud del pal:
La Glòria ens va deixar el seu pal selfie per poder tenir un objecte del que fos fàcil mesurar-ne l'ombra. La pobra va haver d'estar més de 2 hores sense fer-lo servir! Vam mesurar una longitud de 60 cm.

Longitud de l'ombra del pal:
Aquí comencen els dubtes: segons informació buscada a internet, el 21 de juny és el dia del solstici solar, però quina és l'hora exacta en la que els rajos del Sol incideixen sobre el Tròpic de Càncer de manera perpendicular? Segons alguna font, les 12:07, segons altres, les 13:53. Al no tenir-ho clar vam començar la mesura de l'ombra del nostre pal cap a les 11:56 i ho vam prolongar fins a 14:15. El moment en el que tinguem l'ombra més curta serà el migdia solar i en el Tròpic de Càncer no tindrem ombra. Els resultats són aquests:

Sembla que l'ombra més curta correspon a la mesura de les 13:45, que va fer l'Oriol, que em va substituir per a que pogués anar a dinar (gràcies i positiu!): 22.1 centímetres. Ja tenim 2 de les 3 dades que necessitem per aplicar els càlculs que deiem abans; veiem-ho:

tangent angle alfa = longitud ombra del pal / longitud del pal

tg alfa = 22.1 cm / 60 cm

tg alfa = 0.36833333333333

alfa = 20.22º

Distància entre el ferry i el Tròpic de Càncer:
En aquest cas es tractaria de saber la distància entre el lloc en el que estàvem (mar Mediterrani, a mig camí entre Sardenya i Barcelona) i el Tròpic de Càncer. No tenia clar com fer-ho, en tot cas a posteriori, però la Glòria (un altre cop salvant el projecte!) va utilitzar el seu mòbil per calcular la posició en la que estàvem: les mesures eren latitud N 41º 17' 8" (valor estable al llarg de 3 mesures ja que ens moviem, teòricament en línia recta d'Oest a Est, però sempre a la mateixa alçada); i longitud E 5º 30' 49" (valor variable ja que ens moviem cap a l'Est). La posició del Tròpic de Càncer és latitud N 23º 26′ 14″. Sembla que amb aquests dades ja podem mesurar la distància entre la nostra posició i el Tròpic de Càncer, fent servir alguna eina digital, no?

Després de barallar-me amb google i google maps durant 2 hores, he trobat la manera de mesurar la distància entre els 2 punts desitjats.

En total 1,987 kilòmetres

Ja tenim totes les dades! Només queden fer els càlculs: estarem aprop de la mesura d'Eratòstenes? Hauran sigut importants els errors en la medició que hem comès? Comprovem-ho.

Ara senzillament cal fer una regla de 3: si per un angle de 20.22º tenim una distància de 1,987 Km, llavors per un angle de 360º (l'esfera terrestre sencera) tindrem una longitud de l'esfera terrestre de...:

20.22º 1,987 kilòmetres
------ = -----------------------------------
360º longitud circumferència terrestre


Si ho resolem, obtenim que la longitud de la circumferència de la Terra és de: 35,376.86 kilòmetres

Ens hem equivocat de molt? La longitud de la circumferència (meridional) de la Terra és de 40,007.86 kilòmetres. Si calculem l'error relatiu veiem que ens hem equivocat d'un 11,58%. La propera vegada ho intentarem fer millor! I és que és veritat que hi han hagut moltes possibles fonts d'errors:

a) no podem assegurar que el pal selfie formés exactament 90º amb la taula
b) el vent que hi havia a coberta no permetia apuntar correctament el lloc on es projectava l'ombra
c) la precisió amb googlemaps podria haver estat millor, si el programa permetés calcular directament la distància entre 2 punts de coordenades
d) altres: influia en canvi de posició del vaixell? El pal mesurava exactament 60 cm? Les línies calculades manualment sóc precises? etc...

En fi, per mi ha estat divertit i profitós fer l'experiment, ja que he après ha utilitzar googlemaps i he entès una mica que signifiquen les dades de latitud i de longitud, que fins ara no me n'havia preocupat. Ha estat un plaer reproduir d'alguna manera aquest experiment i admirar-me que es va fer (amb menys error que el nostre, segons algunes fonts) fa uns 2300 anys.

NOTA: les xifres s'han escrit en notació anglosaxona, és a dir, el nostre punt aquí és una coma i al inrevés, ja que la matèria de Física i Química la fem en anglès (Physics and Chemistry).

AGRAÏMENTS: els meus agraïments a tots els que hi heu participat: en Ramon per fer un munt de fotografies, la Marta per fer-me de professora amb el googlemaps, l'Anna G. i en Joan R. per mostrar-me els exemples en que ells hi havien participat; l'Oriol, que el vaig enganxar quan ja havia dinat i va estar gairebé una hora fent mesures; i sobretot a l'Àngels i la Glòria per animar-me a fer l'experiment, acompanyar-me en el procés de mesura i compartir aquest viatge per Itàlia.

Preparació de solucions d'aigua i sucre

Continuem treballant la matèria a 3r d'ESO i avui hem anat al laboratori per parlar de mescles homogènies o solucions i preparar-ne: hem afegit a l'aigua diferents quantitats de sucre, i a cada solució l'hem "pintat" amb un colorant alimentari diferent. Al tenir diferents densitats, les 3 solucions no es barregen i el resultat és aquest.

(Foto: Dani Aguilera)

Lab: acid and base challenge

Hi, boys and girls!

Did you like your last practice in the lab? The challenge consisted on guess which substance was on each test-tube: you can use litmus paper, red cabbage juice and your sense of smell! The colours obtained are wonderful and they will help us to predict the susbtances, considering their acid-base properties: bleach? ammonia? hydrochloric acid? Human urine (dilution)?

Here's an interesting report of the practice: thanks Claudia, nice pictures!

Acid and base challenge: what is there inside the test-tubes?

Pupils from 4th Physics and Chemistry went to the lab and found 6 test-tube with 6 mysterious substances. They have to guess which substance is in the 6 test-tubes from a list of 12 by using red cabbage juice for knowing if it's an acid or a base (or even a neutral substance) and using litmus paper for having an approximation of its pH.

The results of the experiment are so interesting and very visual!


(Photo by Paula Merino)

Will the pupils guess what substance is in each test-tube? We will see...

Tipus de forces, la constant G i experiment de forces en equilibri

L'últim dia a classe vam parlar de diverses coses. Entre d'altres vam dir que les forces gravitatòries només es noten quan les masses dels cossos són molt grans, com per exemple passa entre la Terra i la Lluna. Tot i ser forces entre objectes molt grans, vam dir que aquestes forces es consideren dèbils. També vam dir que els físics creuen que a l'Univers només hi ha 4 tipus de forces. Ja heu trobat quines? Són "dèbils" o són "fortes"?

Una de les preguntes que van sorgir a classe va ser: "D'on surt el valor de la constant de gravitació universal (G)?". Aquesta constant l'haurem de fer servir en bastants dels problemes que farem. Algú ha trobat quin és l'origen d'aquesta G?

I finalment us deixo un experiment casolà. Necessiteu 2 escuradents, 2 forquilles i una ampolla que tingui un tap de suro on deixar recolzat un dels escuradents. Sou capaços de reproduir el que es veu a la foto?

Si ho aconsseguiu deixareu als familiars i amics que vinguin a casa aquest Nadal bocabadats. Algú s'atreveix a reproduir aquest equilibri de forces a classe?
Fins aviat!