Clementina Teixeira - Chemical Microscopy - Microscopia Química

 Dry Ice and Caustica Soda, Invitation to the Dance

Gelo Seco e Soda Cáustica, Convite à Valsa

CHEMICAL MICROSCOPY 

The study of chemical reactions by microscopy: creating beautiful patterns 

MICROSCOPIA QUÍMICA

Estudo de reacções químicas com observação ao microscópio.

 Criação de padrões decorativos

Segunda imagem: testando um kit de microscopia química (microanálise, caixa de madeira).

Algumas aplicações da microscopia química no campo das artes plásticas são exploradas nesta revista da Sociedade Portuguesa de Química:

Below: testing a new kit for chemical microscopy (small wooden box).

Some applications of chemical microscopy are described in this journal (above) from the Portuguese Chemical Society. 

Estudo da reacção do dióxido de carbono (gelo seco), com soda cáustica, em presença de um indicador de pH, utilizando uma lupa estereoscópica (microscópio estereoscópico).

The study of the reaction of carbon dioxide (dry ice) with sodium hydroxide, coloured by a pH indicator, using a stereomicroscope.

NaOH (c) + CO₂ (c)

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I

CO₂ (c) + H₂O (l)

O gelo seco dança com a água.

Dry ice invites water to the dance.

Invitation to the Dance

Começamos  de novo com  o CO₂ (c), gelo seco ou neve carbónica,  a -78ºC.

Starting with CO₂ (c), dry ice,  at -78ºC.

©IST2005

©IST2005

CO₂ (c) no "balneário", isto é, preparando-se para o espectáculo, com a sua treinadora (Vânia André) que o retira da caixa isolada de esferovite.

Dry ice in a insulated box, being prepared by the coach (Vânia André) for its performance.

©IST2004

Classes of General Chemistry, LEFT, Licenciatura de Engenharia Física Tecnológica (Engineering degree in Physics and Technology) 2003/2004. Water crystals are starting to grow on the surface of dry ice. The microscope became very curious and   wants to observe.

A dança com a água começa. Eis algumas fotos e filmes que registaram o acontecimento.

Dry ice starts to dance with water. Here are some pictures and videoclips of those exciting moments.

Começa-se a experiência com o gelo seco a chapinhar numa caixa plástica com água quente e com uma ou duas gotas de detergente apenas. O gelo seco começa a dançar com a água, todo contente! As bolhas  formam-se e o gelo desata a fazer ondas e nuvens brancas. Eis o que um químico experiente interpreta:

1-Ao dar-se a sublimação, como processo principal, as correntes de CO₂ (g) arrastam gotículas de água líquida formando abundantes nuvens brancas e bolhas que rodopiam, rebentam, acompanhadas de divertidas ondas concêntricas na superfície da água. 

2-Em menor extensão, dá-se a reacção de ácido-base CO₂ (aq) / H₂O (l): o gelo seco actua como ácido de Lewis, reagindo com a água, base de Lewis, formando o ácido carbónico que começa imediatamente os seus equilíbrios de  dissociação parcial em solução aquosa, listados em baixo (1-3).

3-Verifica-se ainda que o CO₂(c) vai criando pequenos blocos de gelo H₂O (s), mais transparentes, agarrados aos pauzinhos de gelo seco, e que parecem pequenos barquinhos  a flutuar, devido à sua menor densidade em relação à H₂O (l). Esse detalhe pode ser observado na terceira foto: os pauzinhos, com o tempo,  sobem à superfície, devido à diminuição progressiva de densidade e tornam-se muito mais transparentes. De facto, o CO₂(c)  é mais denso do que a H₂O (l) e devia ir para o fundo. É o que acontece no início da experiência. Ao fim de algum tempo, porém, cada pauzinho é já um sistema constituído por uma mistura de  CO₂(c) e H₂O (s), menos denso do que a H₂O (l) . Daí a alteração da cor, do branco para o transparente e o passar a flutuar.

É super divertido! Diria mais, altamente! Ver mais Reacções.

Subliming dry ice in a "pool" filled with warm water and but a few drops of detergent or liquid soap. Crazy bubbles are formed, starting to dance, making a lot of white clouds and waves on the water surface. Dry ice simply loves to dance with water! Here are some comments of an experienced chemist.

1- The sublimation of dry ice brings along a lot of droplets of liquid water, forming white clouds.

2-The acid-base reaction also takes place, where dry ice acts as a Lewis acid and water as Lewis base. As a result, carbonic acid will be formed in the aqueous solution. This weak acid will also start  immediately its partial dissociation processes, as shown below (reactions 1-3).

3-We also observed the formation of small ice blocks, connected to each dry ice stick. These ice blocks of minor density and higher transparency, start to float around, a lot of waves are produced and the result is very funny. The third photograph shows one of these sticks, of higher transparency, floating at the liquid surface. This happens because there is frozen water mixed with dry ice in the composition of each stick.

It's really cool! Check for more  Reactions.

 CO₂ (aq)+ H₂O(l) ↔ H₂CO₃ (aq)        (1)

H₂CO₃ (aq) ↔ HCO₃⁻ (aq)+ H⁺(aq)     (2)

HCO₃⁻ (aq) ↔ CO₃²⁻(aq)  + H⁺(aq)        (3)

Forma condensada de escrever os dois equilíbrios de dissociaçãoF(2) e  (3)

This is the condensed way of writing the equilibria (2) and  (3)

H₂CO₃ (aq) ↔ HCO₃⁻ (aq) ↔ CO₃²⁻(aq)  

     K_a1                        Ka₂

K_a1 = 4.2x10^-7  (298K)  (ácido fraco, weak acid); 

 Ka₂ = 5.0x10^-11  (298K) (ácido muito fraco, very weak acid, neglectable)

O banho pode ser melhorado, acrescentando à água um corante vermelho (corante alimentar vermelho), estilo sais de banho! Então ainda é mais divertido vê-lo a dançar, devido ao contraste das cores! De novo se mostra na última imagem um pedaço de gelo mais transparente a flutuar.

This bath can turn even more attractive, colouring the water with a red dye (food dye), enhancing the colours contrast. The last image shows a transparent stick of mixed composition (dry ice and common ice).

Banho de Espuma II

Se o objectivo for a observação destas bolhas, convém não deitar demasiado gelo seco na água, como se pode ver no videoclip em baixo.

If the main goal of the experiment is the production of floating bubbles one shouldn't add too much dry ice.

Gelo seco em água com corante

II

CO₂ (c) + NaOH (c)

O que acontece quando se adicionam pastilhas de soda cáustica ao gelo seco, na presença de indicador universal de pH (1-13) concentrado.

Adding NaOH pellets to dry ice and Universal  pH indicator (1-13) without dilution.

Continuação de  Microscopia Química 5

Escala do indicador de pH utilizado, 1-13, variando do vermelho em meio ácido ao verde e azul em meio básico.

The colours range of the universal pH indicator, from red (acid medium) to green and blue (basic medium) (1-13).

Observação a olho nú, escala de 10⁰, reacção do gelo seco com três pastilhas de NaOH e adição do indicador.

Naked eye, 10⁰ observation, dry ice and three pellets of NaOH, universal pH indicator addition.

Observação 10x, 10¹. Adicionando algumas gotas de indicador universal de pH iremos dar cor às micropaisagens, além de mantermos o pulsar constante do CO₂(g). O indicador não deve ser diluído para obter coloração mais intensa. A criação de interfaces e de movimento são os ingrediente que tornam os viedoclips mais interessantes.

Em cima podemos observar uma pinça metálica de precisão, duas pastilhas de NaOH coloridas de verde pelo indicador universal, algum gelo seco misturado com gelo que se foi formando colorido de laranja, no centro da figura, e à direita gelo seco acrescentado, branco, ainda sem indicador.

As três imagens de baixo mostram a adição de mais indicador com uma pipeta plástica descartável. O indicador fica vermelho no gelo seco e uma das pastilhas de NaOH fica colorida de azul forte.

Observation 10x, 10¹. Adding a few drops of commercial pH universal indicator, concentrated, will produce wonderful colours in the pulsing microlandscapes. These will become more interesting if several phases and their bounderies are present, as well as lots of motion, in this case  brought by the pulsing CO₂(g). The snaphot above shows two NaOH pellets coloured green by the pH indicator, a precision metallic pincet touching a block of dry ice and ice coloured orange, and a piece of white fresh dry ice. The other pictures show the addition of a drop of pH indicator, with a plastic Pasteur pipet. The indicator turns red on the surface of the fresh dry ice and colours dark blue one of the NaOH pellets.

©IST2007

Continuação das filmagens, observação 10x, 10¹. À esquerda: gelo seco colorido de vermelho e amarelo pelo indicador, gelo formado por arrefecimento colorido de laranja, à direita e ao fundo na imagem, pastilha de NaOH colorida de verde. À direita - adição de duas novas pastilhas de NaOH.

Observation 10x. Left: dry ice coloured red and yellow by the indicator, ice coloured orange and NaOH pellet green. Right: two new pellets of NaOH are added.

©IST2007

À esquerda: as duas pastilhas de NaOH aind sem o indicador. À direita: a pastilha de NaOH está colorida de azul.

Left: two new pellets of NaOH are added. Right : NaOH is coloured blue.

©IST2007

À esquerda: mudando a posição da pastilha azul de NaOH com uma pinça. À direita: formam-se cristais de gelo sobre uma gota vermelha do indicador.

Left: changing the position of a blue pellet of NaOH, using a pincet. Right: water crystals growing on a drop of frozen red indicator.

©IST2007

Mudando a posição da pastilha azul de NaOH com uma pinça.

Changing the position of a blue pellet of NaOH, using a pincet.

NaOH, CO2, Indicador, parte VII

©IST2009