Estructura de la matèria

Transcripción

1 1 Estructura de la matèria Competència comunicativa Promoure la discussió sobre les evidències experimentals i la lectura i interpretació de textos, diagrames i il lustracions Competència en recerca Realització de treballs experimentals que posin en evidència les lleis fonamentals de la química Competència en el coneixement i interacció amb el món Apropiar-se dels models químics que permeten comprendre el món material i físic D ON VE EL NOM «QUÍMICA»? E l nom d aquesta ciència prové de l àrab kimiyá, que a la vegada prové de kimi ( negre ), un terme amb el qual s anomenava Egipte a l antiguitat, ja que hi havia la civilització que més avenços havia fet en tècniques químiques Els egipcis van inventar moltes tècniques per fabricar esmalts, vidres, treballar el cuir, la llana, el cotó i el lli, tenyir, elaborar perfums, verins, sabons i betums Però la química va néixer, de fet, amb el descobriment del foc El seu origen ja el trobem en les tècniques que utilitzava l home primitiu per fer pintures, tenyir teles i obtenir metalls com el ferro i aliatges com el bronze Durant l antiguitat, els filòsofs presocràtics van tractar els problemes fonamentals de la natura i la matèria Va sorgir la idea de l existència d un principi permanent que va originar tota la matèria existent: per a Tales era l aigua, per a Anaxímenes era l aire, i per a Heràclit aquest element era el foc Per a Empèdocles eren tots aquests tres elements i, a més, la terra Aquesta última teoria, la dels quatre elements, va ser acceptada per Aristòtil i va perdurar molt de temps Durant aquella mateixa època, Leucip i Demòcrit van apuntar la idea que la matèria estava formada per àtoms, una teoria que va tornar a agafar importància al segle xvii Ara bé, fins al segle xviii la química com a disciplina científica rigorosa no va existir, sinó que com a alquímia conformava tècniques i sabers empírics i místics Avui en dia, ja al segle xxi, els coneixements que es tenen de la química són molt diferents dels que es tenien en les èpoques que s han esmentat Podem assegurar que els coneixements no són estàtics sinó que van evolucionant al llarg de la història, i la química i els seus coneixements no en són una excepció AVALUACIÓ DIAGNÒSTICA 1 A la lectura es comenta que ja fa temps que se sap que la matèria està formada per àtoms Però els àtoms, com estan formats? Són indivisibles? 2 Els àtoms que formen el calci són iguals que els que formen el clor? 3 Al món hi ha una gran quantitat de carboni Tots els àtoms de carboni són iguals? 4 El ferro està format pel mateix tipus de partícula que el sucre? 5 El sucre està format pel mateix tipus de partícula que la sal?

2 I LLEIS FONAMENTALS DE LA QUÍMICA 1 Inicis de la teoria atòmica Conèixer com està constituïda la matèria ha estat sempre un dels grans objectius perseguits pels homes de ciència A l edat antiga, en passar del segle v al iv ac, els filòsofs grecs, es preguntaven: és contínua la matèria? Si es pren un tros de ferro, quantes vegades es pot tallar, de manera que les partícules més petites segueixin sent ferro? Alguns filòsofs, com ara Leucip i Demòcrit, imaginaven que la matèria estava formada per partícules diminutes dotades de moviment, indivisibles, indestructibles i invariables, anomenades àtoms (aquesta paraula prové del grec, a significa negació, i tomos, divisió ) i que, depenent de la proximitat entre elles, donen origen als diferents tipus de matèria Creien que, a part dels àtoms, només hi havia el buit No tots els filòsofs estaven d acord amb aquesta teoria Aristòtil i Plató eren de l opinió que la matèria era contínua, que es podia dividir tants cops com es volgués i mai no s arribaria al punt de trobar una partícula indivisible 1 L anglès John Dalton ( ) va ser mestre d escola i després professor de física i química És el fundador de la teoria atòmica Posteriorment, en el segle i ac, el filòsof i poeta llatí Lucreci va recollir i difondre el pensament de Leucip i Demòcrit, i va contribuir així a la conservació i la propagació de l atomisme Perdudes i abandonades les hipòtesis atomístiques durant l edat mitjana, van ser ressuscitades en el Renaixement i sostingudes per diversos homes de ciència de l edat moderna, però no van prosperar definitivament fins que el 1803 John Dalton ( ) va formular la seva cèlebre teoria atòmica Aquesta teoria explicava satisfactòriament els resultats de les nombroses experiències dutes a terme per científics com per exemple Lavoisier, Proust, Richter i el mateix Dalton Aquestes experiències van donar origen a les lleis fonamentals de les combinacions químiques Són lleis quantitatives que es basen en la mesura dels volums de gasos i en la utilització de la balança per pesar substàncies pures Antoine Laurent Lavoisier (París, ) Jeremias Benjamin Richter (Hirschberg, Berlín, 1807) Joseph Louis Proust (Angers, ) John Dalton (Eaglesfield, Manchester, 1844) Louis Joseph Gay-Lussac (Sent Liunard, París, 1850) Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (Torí, ) Llei de la conservació de la massa Llei de les proporcions equivalents Llei de les proporcions definides Llei de les proporcions múltiples Llei volumètrica de les reaccions químiques Principi d Avogadro 6

3 2 Lleis ponderals de les reaccions químiques La paraula «ponderal» deriva del llatí i significa referent al pes Les lleis que es refereixen als pesos són aplicables a la massa i viceversa 21 Llei de la conservació de la massa o llei de Lavoisier Al darrer terç del segle xviii, el químic francès Antoine Lavoisier va utilitzar la balança per pesar tots els components que intervenien en una reacció química, fins i tot si es tractava de gasos Després de moltes experiències va arribar a la conclusió següent: En tota reacció química, la massa total de les substàncies que reaccionen és igual a la massa total de les substàncies que s han obtingut Aquest enunciat es coneix amb el nom de llei de la conservació de la massa en les reaccions químiques o llei de Lavoisier Aquesta llei, juntament amb la teoria atòmica, és considerada el punt de partida de la química contemporània, una química amb un fonament quantitatiu La llei de Lavoisier és vàlida sempre que les transformacions intercanviïn amb l exterior quantitats d energia relativament petites, com és el cas de les transformacions químiques 2 Antoine Laurent Lavoiser ( ) va contribuir a donar caràcter científic a la química gràcies als seus experiments quantitatius La seva esposa, Marie- Anne Pierrette ( ), hi col laborà activament amb aportacions de gran valor Llei de Lavoisier Segons la teoria de la relativitat d Albert Einstein ( ), físic alemany, tot sistema material de massa m té en repòs una energia E, tal que E = m c 2, en què c és la velocitat de la llum en el buit Això implica que si un sistema material cedeix una energia E a l exterior, la seva massa disminueix en m = E/c 2 Anàlogament si un sistema capta una energia E, la seva massa augmenta en m = E/c 2 Per tant, en les transformacions en què la variació d energia és significativa, com en algunes reacciones nuclears, les variacions de massa són apreciables En aquests casos la llei de la conservació de la massa no es compleix, i per obtenir una llei equivalent s hi ha d involucrar l energia Exemple Aplicar la llei de conservació de la massa 1 Es barregen 10 g de la substància A amb 8 g de la substància B, i es deixen reaccionar La substància B reacciona totalment i s obtenen 12 g de la substància C Quina massa del producte A queda per reaccionar? A + B C Massa inicial (g): 10 8 Total = 18 g Massa final (g):? 0 12 Total = 18 g Massa final sobrant de A = total C A = = 6 g 7

4 1 Estructura de la matèria EXPERIÈNCIA Comprovació de la llei de Lavoisier Per comprovar la llei de Lavoisier en una reacció química en què intervenen gasos, la reacció s ha de fer en un recipient tancat per tal que el gas no s escapi a l atmosfera 1) Aboca en un erlenmeyer petit uns 50 cm 3 d àcid clorhídric diluït Comprova que l erlenmeyer quedi ben sec per la part exterior 2) Agafa uns 5 o 6 grams de marbre trossejat i, amb una espàtula, introdueix-los en un globus de goma 3) Ajusta tot seguit la boca del globus a la de l erlenmeyer Fes servir, si cal, cinta adhesiva (Figura a) per tant que el gas que es formarà no s escapi a l atmosfera En aquesta operació, el marbre no ha de caure sobre la dissolució àcida Pesa ara el conjunt i anota l a b 4) Aboca el contingut del globus sobre la solució Immediatament podràs observar la formació de bombolles gasoses (Figura b) Són de diòxid de carboni, CO 2, obtingut en reaccionar el marbre amb l àcid clorhídric 5) Quan la reacció haurà acabat, pesa un altre cop el conjunt Es compleix la llei de Lavoisier? 22 Llei de les proporcions definides o llei de Proust El sistema de treball de Lavoisier el van utilitzar també altres químics de l època Proust, químic francès, va comprovar experimentalment en centenars d experiències que: Un compost determinat té sempre la mateixa composició, independentment del seu origen o manera de preparació Aquest enunciat es coneix amb el nom de llei de Proust i va ser formulat l any 1801 Així, per exemple, Proust va trobar que l aigua pura conté sempre un 11,2% en massa d hidrogen i un 88,8% d oxigen, és a dir, en 100 g d aigua hi ha sempre 11,2 g d hidrogen i 88,8 g d oxigen Aquest resultat també indica que si es vol obtenir aigua a partir d hidrogen i oxigen, cal que els dos gasos reaccionin en la relació: 88,8 11,2 = 7, Joseph Louis Proust ( ), farmacèutic i químic francès Per això, la llei de Proust o llei de les proporcions definides també es pot enunciar així: quan dos elements es combinen per formar un compost determinat, ho fan en una relació de massa invariable Aquesta llei, en la seva època, va ser molt important per als químics, ja que els permetia conèixer la massa de les substàncies que reaccionaven entre si per donar un compost determinat Hi ha dues lleis ponderals més, la llei de les proporcions múltiples o de Dalton i la llei de les proporcions recíproques o de Richter Les podràs estudiar en cursos més avançats Banc d activitats 1, 2, 3 i 4 8

5 3 La teoria atòmica de Dalton Les lleis ponderals de la combinació química van trobar una explicació satisfactòria en la teoria atòmica de Dalton John Dalton la va emetre el 1808 en forma de suposicions o postulats Resumidament són: 1 Cada element químic es compon d àtoms, que són partícules materials separades, indestructibles i indivisibles En les reaccions químiques, els àtoms romanen inalterables 2 Els àtoms d un mateix element són iguals en les seves propietats i tots posseeixen la mateixa massa 3 Els àtoms dels diferents elements tenen massa diferent i propietats diferents 4 Els compostos es formen per la unió dels àtoms dels elements corresponents en una relació numèrica senzilla 5 La unió d àtoms de diferents elements forma una partícula mínima del compost («un àtom compost» en paraules de Dalton) Totes les partícules mínimes del compost són iguals entre si i tenen la mateixa massa 4 El primer intent raonable de representació dels àtoms el devem a John Dalton El que ell considerava elements químics els va representar amb els sím bols que mostra la taula La simbologia actual, fonamentada en la utilització de les lletres de l alfabet, va ser proposada pel químic suec Jöns Jakob Berzelius Els postulats de Dalton expliquen les lleis ponderals de les combinacions químiques En efecte, com que els àtoms són indivisibles i indestructibles, una reacció química ha de consistir en un reagrupament d àtoms i, per tant, és lògic que es compleixi la llei de Lavoisier de la conservació de la massa De la mateixa manera, la teoria atòmica justifica la llei de Proust de les proporcions definides, ja que quan els elements s uneixen per formar compostos, els àtoms es combinen en relacions simples i definides La teoria atòmica va trobar una ràpida acceptació i va contribuir al desenvolupament posterior de la química Dalton va esdevenir el pare de la teoria atòmica moderna En aquella època, molts químics es van dedicar a determinar pesos atòmics, i van assignar inicialment el valor relatiu d unitat a la massa de l àtom de l element més lleuger, l hidrogen Més endavant, a la darreria del segle xix, els descobriments de la naturalesa elèctrica de la matèria, de la radioactivitat i les experiències del bombardeig de mostres amb diferents partícules, van evidenciar que els àtoms són entitats formades per partícules més senzilles i que els àtoms d un mateix element tenen, en la major part dels casos, masses diferents Així doncs, els àtoms són destructibles i divisibles 5 Jöns Jakob Berzelius ( ) químic suec i gran investigador, va publicar el 1818 les primeres taules de pesos atòmics amb una exactitud notable, i va descobrir tres elements químics: el seleni, el ceri i el tori Aquestes modificacions de les idees de Dalton no invaliden els resultats brillants de la seva teoria L àtom es manté com una entitat perfectament definida que, amb el descobriment de les lleis de combinacions químiques, va donar lloc a l establiment de la química com a ciència 6 Segons la teoria atòmica de Dalton, els àtoms dels diferents elements estaven representats per esferes de volum i massa diferent 9

6 1 Estructura de la matèria 4 Llei volumètrica de les reaccions químiques Com que resulta més senzill mesurar un volum de gas que pesar-lo en una balança, els químics de final del segle xviii i el començament del xix ja van estudiar les relacions existents entre els volums de gasos quan reaccionaven per formar un nou compost gasós Les experiències van donar com a resultat la llei de Gay-Lussac o llei dels volums de combinació (1809): Els volums dels gasos que intervenen en una reacció química estan en una relació de nombres enters senzills Els gasos poden formar part dels reaccionants o dels productes i s han de mesurar en les mateixes condicions de pressió i temperatura Vegem-ne dos exemples: hidrogen (g) + oxigen (g) aigua (g) oxigen (g) + nitrogen (g) òxid de nitrogen (g) 7 Louis Joseph Gay-Lussac ( ) Va ser professor de química a la Sorbona i de física a l Escola Politècnica francesa Va estudiar la dilatació dels gasos i les reaccions volumètriques de les seves combinacions Relació 2 : 1 : 2 1 : 1 : 2 Si en una reacció, a més de gasos, hi intervenen sòlids i líquids, no se ls pot aplicar la llei de volums de combinació A l època de Dalton s acceptava que volums iguals de gasos en les mateixes condicions de pressió i temperatura contenien el mateix nombre de partícules o àtoms Si la reacció suposa la combinació d àtoms en relacions senzilles, és natural que els volums es corresponguin a relacions senzilles No obstant això, Dalton havia fet unes hipòtesis de quines havien de ser aquestes proporcions, i van resultar discordants amb les trobades experimentalment per Gay-Lussac Així, per exemple, en el cas concret de l aigua, Dalton creia que la seva síntesi tenia lloc segons: L apunt Llei de Lavoisier En tota reacció química, la massa total de les substàncies que reaccionen és igual a la massa total de les substàncies que s han obtingut Llei de Proust Un compost determinat té sempre la mateixa composició, independentment del seu origen o manera de preparació Llei de Gay-Lussac Els volums dels gasos que intervenen en una reacció química estan en una relació de nombres enters senzills Principi d Avogadro Volums iguals de tost els gasos, mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, contenen el mateix nombre de molècules hidrogen (g) + oxigen (g) vapor d aigua 1 àtom + 1 àtom 1 partícula mínima de vapor d aigua formada per 1 àtom d hidrogen i 1 àtom d oxigen n àtoms + n àtoms n partícules de vapor d aigua 1 volum + 1 volum 1 volum Dalton va concloure que els volums d hidrogen i oxigen reaccionats i el volum del vapor d aigua format havien d estar en relació 1:1:1 i no pas 2:1:2, tal com afirmava Gay-Lussac Anàlogament passava en altres casos, com el de la formació d òxid de nitrogen (gas) a partir de nitrogen i oxigen Segons Dalton, la relació de volums havia de ser 1:1:1, mentre que els resultats experimentals eren de 1:1:2 En definitiva, la llei de Gay-Lussac es contradeia amb els postulats de la teoria de Dalton, però les experiències del primer van ser confirmades com a correctes 10

7 5 Teoria atomicomolecular Principi d Avogadro Amedeo Avogadro, físic italià, va reconciliar el 1811 la teoria atòmica amb els fets experimentals de Gay-Lussac, suggerint que: Volums iguals de tots els gasos, mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, contenen el mateix nombre de molècules Aquest enunciat d enorme importància en el desenvolupament de la química es coneix amb el nom de principi d Avogadro Observa que la novetat que aporta Avogadro és la introducció del concepte molècula per designar agrupacions o agregats d àtoms Segons ell, molts elements, en estat gasós, estan formats per molècules, i són freqüents les de tipus diatòmic En admetre que les partícules que formaven gasos com l oxigen, l hidrogen i el nitrogen, no eren àtoms, sinó molècules diatòmiques, Avogadro va aconseguir explicar les experiències de Gay-Lussac en la teoria atomicomolecular Així, en el cas de la síntesi de l aigua, les molècules eren H 2, O 2 i H 2 O, i en la de l òxid de nitrogen, N 2, O 2 i NO Emprant els símbols que feia servir Dalton per representar els elements, els esquemes de les reaccions anteriors són: 8 Amedeo Avogadro ( ) va ser professor de física a la Universitat de Torí La seva teoria atomicomolecular continua vigent, però ell no la va arribar a veure reconeguda 2 molècules d hidrogen + 1 molècula d oxigen 2 molècules de vapor d aigua 2 volums d hidrogen + 1 volum d oxigen 2 volums de vapor d aigua 1 molècula de nitrogen + 1 molècula d oxigen 2 molècules d òxid de nitrogen 1 volum de nitrogen + 1 volum d oxigen 2 volums d òxid de nitrogen És a dir: 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) i N 2(g) + O 2(g) 2 NO (g) Aquestes equacions químiques s ajusten a les idees d Avogadro i donen compte de les experiències de Gay-Lussac Poc conegudes a la seva època, les idees del físic Avogadro no van trobar el ressò adequat entre els químics en el decurs dels cinquanta anys següents, fins que el químic italià Stanislao Cannizzaro les va rehabilitar Van quedar llavors universalment acceptades i conegudes, com s ha indicat, amb el nom de principi d Avogadro Així com la teoria atòmica comportà la determinació de pesos atòmics, la teoria atomicomolecular va aportar la determinació de pesos moleculars i aconseguí dissipar les incerteses que el desconeixement de la fórmula dels elements gasosos havia ocasionat Banc d activitats 5, 6, 7 i 8 11

8 II L ÀTOM 6 Constitució dels àtoms El descobriment de l electró a la darreria del segle xix, del protó el 1906 i del nucli de l àtom el 1911, són tres fets fonamentals que indiquen que l àtom no és una bola massissa indivisible, tal com imaginava Dalton, sinó que està format per altres partícules Avui s admet que un àtom és constituït per un nucli que ocupa la part central de l àtom i per un embolcall El nucli està format, fonamentalment, per dos tipus de partícules: els protons i els neutrons L embolcall el formen els electrons Àtom Electró Nucli Nucli Neutró Protó 9 Estructura bàsica de l àtom Partícula L apunt Massa (kg) Càrrega (C) Protó 1, , Neutró 1, Electró 9, , Com de petit és un àtom? L àtom: interrogant la materia Protons, neutrons i electrons són partícules subatòmiques Els protons, p, tenen càrrega elèctrica positiva La càrrega del protó és d 1, C Aquesta càrrega rep el nom de càrrega elemental perquè és la més petita que es coneix Tota càrrega elèctrica és un múltiple enter de la càrrega elemental La massa d un protó és d 1, kg Els neutrons, n, no tenen càrrega elèctrica i la seva massa és aproximadament igual que la del protó Els protons i els neutrons, com a constituents del nucli, es designen indistintament amb el nom de nucleons Els electrons, e o e, tenen una càrrega igual que la del protó, però de signe contrari Els electrons tenen, doncs, càrrega elèctrica negativa Es mouen a gran velocitat al voltant del nucli Tenen una massa molt petita: la massa d un electró és 1836 vegades més petita que la del protó Atès que un àtom és elèctricament neutre, el nombre de protons del nucli és igual que el d electrons de l embolcall electrònic Tots els electrons són iguals entre si, encara que pertanyin a àtoms diferents, i el mateix passa amb els protons i els neutrons El nucli atòmic ocupa una fracció mínima del volum total de l àtom Un àtom està extremadament buit: la major part del seu volum no té matèria Com que els electrons tenen una massa negligible, comparada amb la del protó o neutró, quasi tota la massa de l àtom es troba al nucli, que posseeix una gran densitat 12

9 7 Nombre atòmic Element químic Metalls com el zinc, el ferro, la plata, l alumini i gasos com l heli, el neó, l oxigen, el nitrogen, l hidrogen són elements i cada un es distingeix dels altres per les seves propietats característiques Un element és una substància pura i homogènia, ja que quan s examina a ull nu o amb un microscopi, el seu aspecte és uniforme, és a dir, les seves propietats són les mateixes en tots els punts de la seva massa Els elements són els constituents fonamentals de la matèria que ens envolta La part més petita que hi pot haver d un element és un àtom Els àtoms d elements diferents es diferencien pel nombre de protons que contenen els seus nuclis Així, per exemple, tots els àtoms de carboni tenen 6 protons al nucli, tots els de ferro n hi tenen 26, tots els de mercuri, 80, etc 10 Lingots d alumini, Al Punt de fusió: 660 C Densitat: 2,7 g/cm 3 Color: gris Tots els àtoms d alumini tenen 13 protons al nucli El nombre atòmic de l alumini és Z = 13 El nombre de protons que posseeix el nucli d un àtom rep el nom de nombre atòmic El nombre atòmic se simbolitza amb la lletra Z Per tant, un element químic és una substància pura que està formada per àtoms que tenen el mateix nombre atòmic A cada element li correspon un nombre atòmic Així, per exemple, el nombre atòmic Z del carboni és 6, el del ferro és 26 i el del mercuri, 80 Actualment, es coneixen 118 elements diferents D aquests, 31 han estat obtinguts artificialment ja que no s han pogut trobar a la natura A la taula que figura al final del llibre, anomenada taula periòdica, hi ha el nombre atòmic de tots els elements coneguts ja que està ordenada per ordre creixent de nombre atòmic Damunt del nom de l element apareix el símbol amb què se l representa, i està format per una o dues lletres, excepte els elements artificials de nombre atòmic més gran que actualment consten d un nombre provisional de tres lletres 11 Lingots de coure, Cu Punt de fusió: C Densitat a 20 C: 8,95 g/cm 3 Color: rogenc Tots els àtoms de coure tenen 29 protons al nucli El nombre atòmic del coure és Z = Origen del símbol d alguns elements Els símbols actuals dels àtoms dels elements més representatius es deuen a Berzelius, que va proposar utilitzar, en comptes de signes arbitraris i artificiosos, la primera lletra del nom llatí de l element (o la primera lletra seguida d una altra de representativa del so característic del nom de l element) Així, per exemple, la plata, o argent, ve d argentum i aquesta paraula ha donat origen al seu símbol actual, Ag Anàlogament, el ferro ve de ferrum, Fe; el potassi, de kalium, K; el coure, de cuprum, Cu; el sofre, de sulphur, S; el mercuri, d hidrargirium, Hg; l antimoni, de stibium, Sb; l estany, de stannum, Sn; el sodi, de natrium, Na; el plom, de plumbum, Pb; el fòsfor, de phosphorus, P; l or d aurum Au, i el rodi de rhodium, Rh 12 Actualment, amb els microscopis d efecte túnel es poden distingir els àtoms de la superfície d una mostra de matèria 13

10 1 Estructura de la matèria 8 Isòtops a Un element queda caracteritzat pel nombre de protons que posseeixen els seus àtoms (nombre atòmic) En canvi, el nombre de neutrons no serveix per identificar o caracteritzar un element En efecte, dos nuclis de dos àtoms d un mateix element poden contenir un nombre diferent de neutrons Si això passa, els dos àtoms tenen una massa diferent i s anomenen isòtops d aquest element (el terme «isòtop» ve del grec iso, que significa igual, i topos, que vol dir lloc, perquè ocupen el mateix lloc a la taula periòdica) b El nombre de protons més el de neutrons del nucli d un àtom rep el nom de nombre de massa o nombre màssic El nombre de massa és sempre un nombre enter i se simbolitza amb la lletra A Així doncs: Els isòtops són àtoms d un mateix element que tenen diferent nombre de massa, és a dir, tenen diferent nombre de neutrons i, per tant, la seva massa és diferent 13 a) El cadmi està format per una mescla de vuit isòtops b) El fòsfor, en canvi, està format per àtoms iguals Isòtops de l hidrogen La majoria dels elements estan constituïts per una mescla d isòtops Per exemple, l element carboni, de nombre atòmic 6, està format per àtoms al nucli dels quals hi ha 6 protons i 6 neutrons (nombre de massa 12) i àtoms en el nucli dels quals hi ha 6 protons i 7 neutrons (nombre de massa 13) El carboni natural està format, per consegüent, per una mescla de dos isòtops El més abundant és l isòtop de nombre de massa 12 Per indicar el nombre de massa de cada isòtop s escriu en primer lloc el nom de l element i després el nombre màssic, separat per un guió Així, per als dos isòtops del carboni escriurem: carboni-12 i carboni-13 També hi ha el carboni-14, que és radioactiu i s utilitza en tècniques de datació Quan s utilitza el símbol de l element en comptes del nom sencer, el nombre de massa es col loca a la part superior esquerra del símbol i el nombre atòmic, a la part inferior esquerra Així, l isòtop carboni-13 s escriu: nombre de massa A nombre atòmic Z 13 C 6 El nombre d isòtops que constitueixen cada element, s ha anat descobrint experimentalment Així, per exemple, l oxigen, de nombre atòmic 8, està format per una mescla de tres isòtops, que són: 16 8 O 17 8 O 18 8 O Dels tres isòtops de l oxigen, el més abundant és el 16 8 O i el que ho és menys, el 17 8 O En canvi, el sodi natural està format per àtoms iguals, és a dir, no està constituït per una mescla d isòtops Tots els seus àtoms són del tipus Na Poden existir altres isòtops obtinguts artificialment Passa el mateix amb alguns altres elements com ara l alumini, el fòsfor, el manganès, el cobalt, l arsènic i el fluor 14 A més dels isòtops naturals, s obtenen isòtops artificials en els aparells anomenats acceleradors de partícules Banc d activitats 9, 10, 11, 12, 13 i 14 14

11 Exemple Determinar el nombre de partícules subatòmiques 2 Completa la taula següent amb el nombre atòmic, el nombre màssic i el nombre de protons, neutrons i electrons que formen cada una d aquestes espècies isotòpiques Per resoldre l exercici cal recordar que: Z = nombre atòmic = nombre de protons A = nombre màssic = nombre de protons + nombre de neutrons Per a un àtom neutre, nombre de protons = nombre d electrons Isòtop Z A Nre de protons Nre de neutrons Nre d electrons 36 Ar Ar Ar = = = Massa dels àtoms La massa dels àtoms és extremadament petita Així, la massa d un àtom d hidrogen, el més lleuger de tots, és d 1, kg i la d un àtom d urani, un dels àtoms de més massa, és de 4, kg tan sols Quan seleccionem una unitat, convé escollir-la d acord amb la quantitat que es vol mesurar Així, la massa d una persona s expressa en quilograms, mentre que, al laboratori, quan es fa una experiència, es pesen a la balança uns grams o uns mil ligrams de substància Es pren el quilogram, el gram o el mil ligram segons que puguin semblar les unitats adequades a cada cas Atès que un àtom és molt petit, per mesurar-ne la massa necessitem una unitat molt més petita que el quilogram, el gram o el mil ligram La massa dels àtoms es compara amb la massa d un àtom concret, el qual anomenarem àtom patró Encara que s han utilitzat diversos àtoms patró en el transcurs de la història de la química, el que s accepta actualment és l àtom de carboni-12, l isòtop més abundant de carboni (que conté 6 protons i 6 neutrons al nucli), al qual s assigna una massa atòmica relativa de 12,000 u La unitat de massa atòmica (u) és la dotzena part de la massa d un àtom de carboni Massa atòmica relativa d un isòtop La massa atòmica relativa d un isòtop, o massa isotòpica, és el quocient entre la massa d un àtom d un isòtop determinat i la dotzena part de la massa d un àtom de carboni-12 La massa isotòpica no té unitats, s expressa simplement amb un nombre pur Així, per exemple, la massa isotòpica del silici-28 és 27,9769 Això significa que un àtom de silici-28 té una massa 27,9769 vegades més gran que la dotzena part de la massa d un àtom de carboni-12 La massa isotòpica presenta un valor molt proper al nombre enter que indica el nombre de massa L apunt Utilitzant com a unitat la dotzena part de la massa de l àtom de carboni-12, la massa del neutró, del protó i de l electró són: Neutró: 1, Protó: 1, Electró: 0,

12 1 Estructura de la matèria 92 Massa atòmica relativa d un element (pes atòmic) Els elements estan constituïts, normalment, per una barreja d isòtops de composició pràcticament constant Interessa definir una massa atòmica que tingui en compte aquesta circumstància La massa atòmica relativa (pes atòmic) d un element és el quocient entre la massa mitjana d un àtom de l element i la dotzena part de la massa d un àtom de carboni-12 La massa mitjana d un àtom és la mitjana ponderada de la massa dels isòtops que formen l element Per exemple, l element coure, de nombre atòmic 29, està format per la mescla de dos isòtops: 75,529% 24,471% Isòtops Massa isotòpica Abundància natural (% en àtoms) Coure-63 62,93 69,09 Coure-65 64,93 30,91 15 El 75,529% del clor que trobem a la natura és clor-35, i el 24,471% és clor-37 El clor-36 és pràcticament inexistent i només apareix breument durant els processos de desintegració radioactiva La massa atòmica relativa o pes atòmic no té unitat, s expressa amb un nombre pur El símbol recomanat és A r Així, A r (Cu) = 63,54 A l annex final del llibre figura una taula amb el nom, el símbol, el nombre atòmic i la massa atòmica dels elements, relacionats per ordre alfabètic Exemples Determinar la massa atòmica relativa d un element 3 Determina la massa atòmica relativa del coure sabent quins són els seus isòtops i la seva abundància natural, tal com s observa en la taula d aquest apartat Per determinar la massa atòmica relativa cal trobar la mitjana ponderada: ,93 69, ,93 30,91 Ar = = 63, A r (Cu) = 63,54 4 Un element té dos isòtops, el nombre màssic dels quals són 34 i 35 Si el pes atòmic és 34,8, troba l abundància de l isòtop pesant Com que només té dos isòtops, les seves abundàncies relatives seran x i 100 x Apliquem la fórmula de la mitjana ponderada i aïllem la x: 34( 100 x) + 35 x = 34,8 34( 100 x) + 35x = x + 35x = 3480 x = = 80% L isòtop de nombre màssic 35 té una abundància del 80% i el de nombre màssic 34, del 20% Banc d activitats 15, 16, 17, 18, 19 i 20 16

13 10 Ions positius i negatius Un àtom pot perdre o guanyar electrons, i convertir-se així en un àtom del mateix element, carregat elèctricament En aquest cas l anomenem ió Un ió és una partícula carregada elèctricament a causa del guany o a la pèrdua d electrons Si un àtom perd un o més electrons, es converteix en un ió amb càrrega elèctrica positiva, anomenat catió Si un àtom guanya un o més electrons, es converteix en un ió amb càrrega elèctrica negativa, anomenat anió El procés en què es guanyen o es perden electrons rep el nom d ionització Les propietats d un ió no són les mateixes que les de l àtom del qual procedeix Per representar l ió, es col loca a la part superior dreta del símbol de l element un nombre que indiqui les càrregues elèctriques de l ió, seguit d un signe (+) si les càrregues són positives i d un signe ( ) si són negatives En cas que la càrrega sigui igual a 1, només s escriu el signe (+) o ( ) i no s especifica cap nombre Així, per exemple: L àtom de sodi pot perdre un electró, amb la qual cosa formarà un catió que simbolitzarem Na + Un àtom de ferro pot perdre 2 o 3 electrons Els ions resultants es representen, respectivament, Fe 2+ i Fe 3+ Un àtom de clor pot guanyar un electró i convertir-se en un anió, anomenat ió clorur, Cl Els ions no només poden ser àtoms carregats elèctricament, sinó també grups d àtoms carregats elèctricament, que són ions poliatòmics Així, per exemple, a l ió nitrat, NO 3, hi ha un àtom de nitrogen i tres àtoms d oxigen El conjunt d aquests quatre àtoms units té un electró suplementari A Z L apunt x ±q n X Símbol de l element A Nombre màssic (A = p + n) Z Nombre atòmic (Z = p) q Càrrega, si és un ió Si l àtom és elèctricament neutre ±q = 0 e = p, i no s indica Si és un ió: e = p ( ±q) n Subíndex per indicar si és diatòmic, triatòmic, etc Els isòtops d un element són àtoms amb el mateix nombre atòmic però diferent nombre màssic (els nuclis atòmics tenen el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons) Un ió és una partícula carregada elèctricament a causa del guany o la pèrdua d electrons Càlcul del nombre de partícules d un àtom Exemples Determinar la configuració d un ió 5 Troba el nombre de neutrons d un nucli sabent que té una massa atòmica de 205 u i que el seu catió de càrrega 4 presenta 76 electrons Com que és un catió ha de tenir càrrega positiva (4+) Si té 76 electrons ha de tenir 4 protons més, que són els que li donen l excés de càrrega positiva, de manera que el seu nombre de protons és: = 80 protons La massa atòmica menys el nombre de protons indica el nombre de neutrons que té: = 125 neutrons 6 Determina la càrrega relativa d un ió que té una massa atòmica de 44 u, té 23 neutrons i posseeix 17 electrons Si té 23 neutrons i la seva massa atòmica és 44, vol dir que el nombre de protons és: 23 + x = 44 x = 21 protons Com que s indica que té només 17 electrons, l ió tindrà càrrega positiva (perquè té més protons que electrons) = 4 La seva càrrega relativa és (4+) Banc d activitats 21 i 22 17

14 III MOLÈCULES 11 Molècules d elements Les molècules estan formades per la unió de dos o més àtoms Si els àtoms units per formar la molècula són d un mateix element, tenim la molècula d un element L hidrogen, l oxigen, el nitrogen, el fluor, el clor, el brom i el iode estan formats habitualment per molècules separades les unes de les altres, i cada una conté dos àtoms d un mateix element Les seves molècules són diatòmiques (Fig 16) a b c d 16 a) Model molecular del difluor b) Model molecular del diclor c) Model molecular del dibrom d) Model molecular del diiode A la pràctica, el prefix di- s acostuma a suprimir En altres casos, les molècules de l element poden estar formades per més de dos àtoms Així, per exemple, les molècules de fòsfor blanc estan formades per quatre àtoms i les de sofre en estat sòlid estan formades per vuit àtoms (Figures 17 i 18) Els àtoms també es poden unir formant grans xarxes cristal lines, tal com passa, per exemple, en el diamant i en els metalls En canvi, els gasos heli, neó, argó, criptó, xenó i radó, anomenats gasos nobles, estan formats per àtoms separats entre ells Són gasos monoatòmics Els seus àtoms no tant sols no s uneixen entre ells, sinó que difícilment s uneixen amb àtoms d altres elements 17 Model molecular del fòsfor Cada molècula està formada per quatre àtoms 18 Model molecular del sofre Cada molècula està formada per vuit àtoms 18

15 12 Compostos moleculars i compostos iònics 121 Compostos moleculars Si els àtoms units per formar la molècula són d elements diferents, de la unió resulta la molècula d un compost químic anomenat compost molecular Hi ha compostos químics a partir de molècules formades per pocs àtoms com per exemple l aigua, l alcohol, el diòxid de sofre o el propà (Figures 19 i 20) Hi ha altres compostos formats per un nombre més gran d àtoms Així, per exemple, la sacarosa (sucre de taula) és un compost molecular en què cada molècula està formada per 12 àtoms de carboni, 22 àtoms d hidrogen i 11 àtoms d oxigen La seva fórmula és C 12 H 22 O 11 Hi ha molècules formades per moltíssims més àtoms: són les macromolècules Amb el microscopi electrònic o amb el d efecte túnel s ha aconseguit observar-ne alguna, ja que contenen fins a àtoms 19 Model molecular del diòxid de sofre, SO 2 El diòxid de sofre és un gas d olor sufocant, responsable de la pluja àcida Els plàstics, la cel lulosa, el cautxú, les proteïnes i el midó són exemples de substàncies formades per macromolècules (Fig 21) a b 21 a) Model molecular de l àcid desoxiribonucleic o ADN L ADN és portador de la informació genètica dels éssers vius b) ADN vist amb un microscopi d efecte túnel 20 Model de la molècula de propà, C 3 H 8 El propà és un gas insoluble en aigua És un combustible usat sovint en el transport públic 122 Compostos iònics Molts compostos, sobretot sòlids, no formen molècules, sinó que estan constituïts per ions negatius i positius, i formen un conjunt elèctricament neutre Aquests compostos químics reben el nom de compostos iònics Contenen tantes càrregues positives aportades pels cations com càrregues negatives aportades pels anions Així, per exemple, en un cristall de clorur de potassi, un compost iònic semblant a la sal comuna, hi ha alternativament ions potassi, K +, i ions clorur, Cl, atrets entre ells per forces electrostàtiques Al cristall, per cada ió clorur hi ha un ió potassi La sal comuna, l òxid de calci i el clorur de calci són exemples de compostos iònics Allò que caracteritza un compost químic, tant si està format per molècules com per ions, és la relació fixa entre els àtoms dels elements que el componen Així, l aigua és un compost químic format per molècules i cada molècula d aquesta substància consta sempre de dos àtoms d hidrogen i un àtom d oxigen El clorur de sodi és un compost químic format per ions, però per cada ió clorur hi ha sempre un ió sodi, per cada 100 ions Cl, 100 ions Na +, etc 22 En el cristall de clorur de sodi, per cada ió clorur, Cl, hi ha un ió sodi, Na + Els ions estan representats a escala 19

16 1 Estructura de la matèria 13 Massa molecular relativa Així com s ha definit la massa atòmica (pes atòmic) d un element com un nombre que ens permet comparar la massa mitjana d un àtom d aquest element amb la dotzena part de la massa de l àtom patró, carboni-12, de la mateixa manera es pot comparar la massa d una molècula amb la massa de la dotzena part de l àtom de carboni-12 S obté aleshores el que en química anomenem massa molecular relativa (o pes molecular) La massa molecular no té unitats, s expressa simplement amb un nombre Així, per exemple, la massa molecular del metà, CH 4, serà igual a la suma d una vegada la massa atòmica del carboni i quatre vegades la massa atòmica de l hidrogen: = 16 Quan diem que la massa molecular del metà és 16, volem indicar que una molècula de metà té una massa 16 vegades més gran que la dotzena part de la massa de l àtom de carboni-12 El símbol recomanat per a la massa molecular és M r Així: M r (H 2 O) = 18; M r (C 3 H 8 ) = 44 El mateix concepte i simbolisme és aplicable als compostos iònics i als ions Així per exemple: M r (NaCl) = ( ,5) = 58,5 M r (NO 3 ) = ( ) = 62 Exemple Trobar la massa molecular d un compost químic 7 Calcula la massa molecular de la vanadinita, un mineral de fórmula química Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl, principal mena del vanadi Per resoldre aquest exercici necessites consultar les masses atòmiques dels elements que formen el compost (veure taules finals), que són Pb = 207, V = 51, O = 16 i Cl = 35,5 La massa molecular d un compost és la suma de les masses dels àtoms que el componen, tenint en compte les vegades que està present cada àtom En aquest cas també cal tenir present el subíndex 3 que hi ha fora del parèntesi i que multiplica els subíndexs dels elements que hi ha a l interior Per tant hi ha 5 Pb, 3 V, 12 O i 1 Cl ,5 = 1415,5 M r (Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl) = 1415,5 Banc d activitats 23, 24 i 25 20

17 IV EL MOL 14 El mol Els àtoms i les molècules dels elements i compostos són extremadament petits En un sol gram d aigua, H 2 O, hi ha 3, molècules En un gram de ferro, Fe, hi ha 1, àtoms Qualsevol mostra de matèria que s examini conté un nombre molt gran d àtoms i molècules Les reaccions químiques no es desenvolupen entre àtoms i molècules individuals, sinó entre conjunts enormement grans d aquests àtoms i molècules Per aquesta raó, els químics han adoptat una unitat més gran que l àtom o la molècula per poder comparar quantitats de diferents elements o compostos Aquesta unitat és el mol El mol és la quantitat de substància d un sistema que conté tantes entitats elementals com àtoms hi ha en 0,012 kg de carboni-12 El mol és, doncs, la unitat de quantitat de substància i és una de les set unitats fonamentals del Sistema Internacional El símbol de la magnitud quantitat de substància és n Un mol conté 6, partícules Aquest nombre s anomena constant d Avogadro, i es representa per N A o L Així, un mol d àtoms d hidrogen, H, conté 6, àtoms d hidrogen Un mol de molècules d hidrogen conté 6, molècules d aquest gas Un mol de metà, CH 4, conté 6, molècules de CH 4 23 Un mol d àtoms de carboni-12 té una massa de 12 g Al balançó hi ha 6, àtoms de carboni-12 A r (Mg) = 24,3 A r (Sn) = 118,7 De la mateixa manera, un mol d electrons, de protons, neutrons, ions, etc, conté 6, d aquestes partícules Et pots preguntar: per què els químics compten en mols i un mol conté un nombre tan rar com 6, partícules? Per què no han escollit un nombre enter més senzill, simplement o 10 24? La raó d emprar aquest nombre rau en el fet que s ha trobat que la massa de 6, àtoms de carboni-12 és de 12 grams i 12 és precisament la massa isotòpica del carboni Un mol d àtoms de magnesi té una massa de 24,3 g i conté 6, àtoms Un mol d àtoms d estany té una massa de 118,7 g i conté 6, àtoms Atès que un àtom d hidrogen té una massa 12 vegades més petita que la d un àtom de carboni-12, la massa d un mol d àtoms d hidrogen és d 1 gram I precisament 1 és la massa atòmica de l hidrogen Per tant, en un gram d àtoms d hidrogen hi ha 6, àtoms d aquest element Com que la massa atòmica del sodi és de 23, la massa d un mol d àtoms d aquest element és de 23 grams i conté 6, àtoms de sodi En conseqüència: La massa en grams d un mol d àtoms de qualsevol element coincideix amb la seva massa atòmica (pes atòmic) 21

18 1 Estructura de la matèria M r (H 2 O) = 18 M r (NaCl) = 58,5 a b De la mateixa manera: La massa en grams d un mol de molècules de qualsevol element o compost coincideix amb la seva massa molecular (pes molecular) Igualment (Fig 25), un mol de NaCl (compost iònic) té una massa de: (35,5 + 23) = 58,5 g En 58,5 g de NaCl hi ha 6, ions Na + i el mateix nombre d ions Cl 25 a) Un mol de molècules d aigua, H 2 O, té una massa de 18 g i conté 6, molècules b) Un mol de clorur de sodi, NaCl, té una massa de 58,5 g i conté 6, ions sodi, Na +, i 6, ions clorur, Cl - La massa d un mol d àtoms, de molècules, d ions, etc, s anomena massa molar i el seu símbol és M Així: M (NaCl) = 58,5 g/mol M (Fe) = 56 g/mol M (H 2 O) = 18 g/mol M (H) = 1 g/mol S observa que, quan es parla d un mol d àtoms o de molècules, s està referint a una quantitat de substància prou gran per poder pesar-la o mesurar-ne el volum En el llenguatge col loquial, quan parlem de quantitat de substància ens estem referint sovint al volum o a la massa d aquesta substància; però en el llenguatge químic, quan parlem de quantitat de substància, fem referència als mols de partícules d aquesta substància De la mateixa manera que si escrivim «m = 3 kg», llegim «massa igual a 3 kg», i l expressió «n = 3 mol» la interpretem com a «quantitat de substància igual a 3 mols» En química sovint interessa calcular la massa d un mol d un element o compost determinat Per fer-ho, utilitzarem la taula de masses atòmiques DENSITAT d (g/cm 3 ) : m N A VOLUM V (cm 3 ) MASSA m (g) QUANTITAT DE SUBSTÀNCIA n (mol) NOMBRE DE PARTÍCULES m N A Nombre d Avogadro N A = 6, Massa molar M (g/mol) 22

19 Exemples Passar de quantitat de substància a nombre de molècules o d àtoms 8 Quantes molècules de diòxid de carboni, CO 2 hi ha en 10 mols d aquest compost? Si multipliquem el nombre de mols n per les molècules que té cada mol N A obtindrem el nombre total de molècules, N = 6, molècules de CO 2 9 Calcula quants àtoms de ferro hi ha en 0,1 mol d àtoms de ferro Si multipliquem el nombre de mols n pels àtoms que té cada mol N A, obtindrem el nombre total d àtoms N Pasar de quantitat de substància a massa de substància o viceversa 10 Calcula quina és la massa de 10 mols d aigua, H 2 O Si multipliquem el nombre de mols n per la massa de cada mol M obtindrem la massa total m Com que: M (H 2 O) = 18 g/mol La massa d aigua és: 11 Quants mols d àtoms d alumini, n (Al), hi ha en 135 g d aquest metall? Com que: N (Fe) = 0,1 mol de Fe m (H 2 O) = 10 mol H 2 O M (Al) = 27 g/mol m (Al) = 135 g Al 6, àtoms de Fe 1 mol de Fe 1 mol Al 27 g Al 18 g H 2 O 180 g H 2 O 1 mol H 2 O = = = 6, àtoms de Fe Observem que, donada la massa d un element o compost, per calcular el nombre de mols dividim la seva massa per la massa de cada mol d aquest element o compost 23

20 1 Estructura de la matèria Exemples Passar de massa d element o molècula a nombre d àtoms o molècules 12 Quantes molècules de propà, C 3 H 8, hi ha en 0,88 g d aquest gas? Primerament hem de calcular la quantitat de propà (nombre de mols, n) que hi ha en els 0,88 g n (C 3 H 8 ) = 0,88 g C 3 H 8 1 mol C 3 H 8 0,02 mol de C3 H 8 44 g C3 H 8 = Com que un mol de propà conté 6, molècules: N (C 3 H 8 ) = 0,02 mol C 3 H 8 6, molècules C 3 H 8 22 = 1,2 10 molècules de C 3 H 1 mol 8 C3 H 8 El nombre de molècules de propà es pot calcular directament utilitzant successivament els factors de conversió corresponents D aquesta manera s eviten càlculs innecessaris i el resultat obtingut és més precís Així: 1 mol C N (C 3 H 8 ) = 0,88 g C 3 H 3 H 8 6, molècules C 3 H 8 8 = 1, molècules de C 44 g C 3 H 8 1 mol C 3 H 3 H 8 8 a b Quan multipliquem la massa de propà pel primer factor a, els grams de propà es converteixen en mols de propà Quan multipliquem per b obtindrem les molècules de propà 13 Calcula quants àtoms de carboni i hidrogen formen les molècules existents en 10 g de butà, C 4 H 10 Primerament hem de calcular la quantitat de butà (nombre de mols, n) que hi ha en els 10 g d aquest gas 1 mol C n (C 4 H 10 ) = 10 g C 4 H 4 H = g C 4 H mol C H 4 10 Cada mol C 4 H 10 conté 6, molècules de C 4 H 10 i cada molècula està formada per 14 àtoms Per tant, el nombre total d àtoms, N, és: = 10 6, molècules C N (àtom) mol C 4 H 4 H mol C 4 H àtoms 24 1,5 10 àtoms 1 molècula C H 4 10 = 14 Calcula el nombre d ions que hi ha en 2,50 g de fluorur de calci, CaF 2, cristal litzat (fluorita) El fluorur de calci, CaF 2, és un compost iònic Als nusos de la xarxa cristal lina hi ha un ió calci, Ca 2+, per cada dos ions fluorur, F La quantitat de CaF 2 és: 1 mol CaF 2,50 n (CaF 2 ) = 2,50 g CaF 2 2 = mol CaF2 78,1 g CaF 2 78,1 Cada mol de fluorur de calci conté un mol d ions calci i dos mols d ions fluorur En total, tres mols d ions Per tant, el nombre total d ions, N, és: N (ions) 24

21 Exemples Calcular la massa d un àtom d un element o d una molècula d un compost 15 Quina és la massa, expressada en grams, d un àtom de plata? Com un mol d àtoms de plata té una massa de 108 g (M (Ag) = 108 g/mol) i conté 6, àtoms de plata, calculem: 108 g Ag Massa d un àtom de plata = = 17, g/àtom 6, àtoms de Ag Anàlogament, per calcular la massa, en grams, d una molècula d un compost dividirem la massa d un mol d aquest compost per 6, molècules 16 Calcula quina és la massa, expressada en femtograms, d una molècula de glucosa, C 6 H 12 O 6 Si M (C 6 H 12 O 6 ) = 180 g/mol, vol dir que un mol de molècules de glucosa té una massa de 180 g i conté 6, molècules de glucosa Per tant: g C 6 H 12 O 6 10 fg Massa d una molècula de glucosa = = 2, fg/molècula 6, molècules C 6 H 12 O 6 1 g EXPERIÈNCIA Estimació de la constant d Avogadro pel mètode de la pel lícula superficial La constant d Avogadro N A es pot calcular a partir del volum molar V m (en cm 3 /mol), d una substància i el volum, V (en cm 3 /molècula), d una molècula d aquesta substància, i ve donada pel quocient: N A = V m V Per a aquest experiment és parteix de l àcid oleic, CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH (CH 2 ) 7 COOH, que és insoluble en aigua i soluble en etanol La densitat d aquest àcid és de 0,89 g/cm 3 A través del pes molecular (en g/mol) de l àcid i la seva densitat (en g/cm 3 ) es pot calcular el volum molar V m (en cm 3 /mol) Per trobar el volum aproximat V d una de les seves molècules, haurem de realitzar l experiment següent amb la suposició que les molècules són cubs, l aresta, a, dels quals és igual a l espessor d una capa monomolecular de l àcid 3) Amb un comptagotes aboca des de molt poca altura una gota de la solució preparada 4) Quan la gota s ha estès, mesura n la superfície, S, comptant els quadres que ocupa en el paper que hem col locat al fons del vas 5) Amb les dades obtingudes, calcula: a) El volum d una gota de la solució d àcid oleic en etanol (es necessita una proveta graduada de 10 cm 3 i el comptagotes) b) La massa de l àcid oleic abocat sobre la superfície de l aigua (Es pot calcular a partir del volum d una gota de solució i de la seva concentració en massa (2 g/l)) c) El volum d àcid oleic pur abocat ja que sabem la densitat que té (0,89 g/cm 3 ) d) L espessor, a, de la capa de l àcid estesa a partir del volum i de la superfície S (Suposem que la capa és monomolecular) e) El volum V d una molècula d àcid oleic V = a 3 Mètode experimental 1) Prepara una solució d àcid oleic en etanol de concentració en massa 2 g/l (L etanol és soluble en aigua) 2) Omple d aigua un vas de precipitats de 500 cm 3 i col loca l sobre un full de paper mil limetrat La constant d Avogadro serà: N A = V m V Calcula l error relatiu a partir de les dades obtingudes Banc d activitats 26 a 70 25

22 V FÓRMULES MOLECULAR I EMPÍRICA 15 Fórmula molecular i fórmula empírica 151 Fórmula molecular Per indicar el nombre i la classe d àtoms d una molècula se n fa servir la fórmula molecular La fórmula molecular d un compost s estableix escrivint, l un al costat de l altre, els símbols dels elements amb subíndexs que indiquen quants àtoms de cada element formen la molècula esmentada El subíndex 1 se sobreentén i no s escriu Així, per exemple, el metà té com a fórmula CH 4 Això significa que cada molècula de metà està formada per un àtom de carboni i quatre àtoms d hidrogen Si els àtoms units per formar una molècula són d un mateix element, parlem de la molècula d un element Observa que el símbol de l element nitrogen o àtom de nitrogen és N, però el nitrogen de la natura i que forma part de l aire està integrat per molècules diatòmiques La seva fórmula és N 2 26 Model molecular del metà Cada molècula està formada per un àtom de carboni i quatre d hidrogen Quan dos o més compostos diferents tenen la mateixa fórmula molecular es diu que són isòmers El fenomen corresponent rep el nom d isomeria i és molt freqüent en compostos orgànics Quan una fórmula ens indica com estan distribuïts els àtoms en el compost s anomena fórmula constitucional Per simbolitzar la constitució d una molècula utilitzem l anomenada fórmula desenvolupada plana, que ens detalla cadascun dels enllaços que uneixen els àtoms en la molècula Per exemple, la fórmula desenvolupada plana de la molècula d amoníac, NH 3, és: H N H Aquesta fórmula ens indica que els tres àtoms d hidrogen estan units a un mateix àtom de nitrogen, però no dóna informació sobre la seva disposició a l espai Quan una fórmula indica, a més, la disposició dels àtoms a l espai s anomena fórmula configuracional (anomenada també fórmula estructural) a b 27 a) Model molecular de l amoníac, amb boles i varetes que indiquen la direcció dels enllaços b) Model molecular compacte de l amoníac 26

23 152 Fórmula empírica La fórmula empírica ens indica la relació de proporcionalitat que hi ha entre els àtoms que formen el compost Per exemple el cas del peròxid d hidrogen Se sap que les seves molècules estan formades per dos àtoms d hidrogen i dos àtoms d oxigen La seva fórmula molecular és H 2 O 2 La seva fórmula empírica és, doncs, HO Fórmula molecular Fórmula empírica Aigua H 2 O H 2 O 2 H 2 O Peròxid d hidrogen HO En els compostos iònics no té sentit parlar de fórmula molecular perquè no existeixen molècules aïllades Sí que té sentit parlar de fórmula empírica, que ens indica la relació de proporcionalitat que mantenen els ions que formen el compost Fórmula constitucional Model de boles i varetes H O H H O O H Així, per exemple, la sal comuna és un compost iònic: per cada ió clorur, Cl, hi ha un ió sodi, Na + La fórmula empírica del clorur de sodi és, per tant, NaCl Model espaial El clorur de calci també és un compost iònic En aquest cas, per cada ió calci, Ca 2+, hi ha dos ions clorur, Cl La fórmula empírica del clorur de calci és CaCl 2 28 Diferents models de representació de l aigua i del peròxid d hidrogen Observa que la fórmula del clorur de sodi podria ser Na 50 Cl 50 o Na 7 Cl 7, o la del clorur de calci Ca 20 Cl 40 Tanmateix, els químics les representen com a NaCl i CaCl 2 Aquestes fórmules són les més senzilles perquè els seus subíndexs són els menors possibles 153 Determinació de fórmules empíriques i moleculars La determinació de la fórmula empírica d un compost es fa a partir de la seva composició centesimal, que es calcula a partir d una anàlisi química del compost pur La composició centesimal d un compost és el tant per cent de la massa corresponent a cadascun dels elements que el formen Si prenem 100 g de compost com a base de càlcul, la composició centesimal ens dóna la massa en grams de cada element que hi ha en els 100 g del compost Per establir la fórmula molecular d un compost, s ha de conèixer, a més de la fórmula empírica, la massa molecular, trobada, en general, amb força aproximació S observa que la fórmula molecular d un compost pot coincidir amb la fórmula empírica o ser-ne un múltiple enter El problema invers, és a dir, trobar la composició centesimal d un compost a partir de la fórmula empírica o molecular una dada que pot ser útil en casos concrets, es resol fàcilment amb un càlcul de les proporcions, tenint en compte la massa atòmica dels compostos El coneixement de la fórmula empírica o la molecular d una substància no implica cap coneixement sobre la seva fórmula configuracional o estructural, però determinar-la és important per a un primer estudi de substàncies noves La determinació de la fórmula estructural requereix tècniques com ara l espectroscòpia i la difracció de raigs X A continuació, i mitjançant exemples, s explica com es poden determinar fórmules empíriques i moleculars a partir de dades experimentals En l últim dels exemples, es mostra la manera d operar per trobar la composició centesimal d un compost a partir de la seva fórmula i de les masses atòmiques dels elements que el formen 27

24 1 Estructura de la matèria Exemples Determinar fórmules empíriques 17 En analitzar la mostra d un hidrocarbur, es troba experimentalment que conté un 85,62% de carboni Troba la fórmula empírica d aquest hidrocarbur Com que un hidrocarbur és un compost molecular que conté únicament carboni i hidrogen, el percentatge d hidrogen a la mostra serà del 14,38% Si es pren com a base de càlcul 100 g del compost, tindrà 85,62 g de carboni i 14,38 g d hidrogen Els mols d àtoms de carboni i hidrogen en els 100 g de mostra seran: n mol d àtoms mol d àtoms n mol d àtoms mol d àtoms Aquest resultat ens indica que, per cada 7,128 mol d àtoms de C, hi ha 14,27 mol d àtoms de H La relació entre mols d àtoms és la mateixa que entre àtoms Per tant, 7,128 àtoms de C : 14,27 àtoms de H Però en els compostos, els àtoms estan en una relació de nombres enters senzills Per trobar aquesta relació, dividim els dos resultats obtinguts pel nombre més petit: I resulta pràcticament una relació 2:1 Per tant, a la molècula del compost hi haurà dos àtoms d hidrogen per cada àtom de carboni (La lleugera discrepància trobada 2,002 àtoms en comptes de 2 és deguda a la utilització de dades experimentals, d exactitud sempre relativa) La fórmula empírica d aquest compost és: CH 2 18 Una mostra de 0,386 g d un òxid de crom conté 0,264 g de crom Troba n la fórmula empírica No és condició necessària partir de 100 g de mostra per trobar la relació entre el nombre d àtoms de cada element que hi ha en un compost Es pot utilitzar qualsevol quantitat de mostra com a base de càlcul Un cop observades les dades del problema, utilitzarem com a base de càlcul els grams d òxid analitzat En 0,386 g d òxid hi ha 0,264 g de crom i 0,122 g d oxigen Els mols d àtoms de cada element presents en els 0,386 g d òxid són: La relació entre els mols d àtoms de crom i d oxigen és la mateixa que la relació entre àtoms Per tant, en l òxid de crom tindrem 5, àtoms de crom per cada 7, àtoms d oxigen que, dividint pel valor més petit, ens dóna una relació d 1 àtom de Cr : 1,5 àtoms de O La relació trobada expressada en nombres enters és: 2 àtoms de Cr : 3 àtoms de O La fórmula empírica buscada és: Cr 2 O 3 28

25 19 Si s escalfen a l aire 0,853 g d òxid de manganès(iv), MnO 2, pur, s observa que es desprèn oxigen i queda un residu de 0,775 g d un òxid de manganès diferent del de partida Troba n la fórmula empírica Si en escalfar el MnO 2, es desprèn oxigen, la massa de manganès continguda en 0,853 g de MnO 2 ha de ser la mateixa que la continguda en 0,775 g del nou òxid obtingut m ja que M (Mn) = 54,94 g/mol i M (MnO 2 )= 86,94 g/mol En 0,775 g del nou òxid hi ha 0,539 g de manganès i la resta és oxigen La massa d oxigen al nou òxid és: m (O) = 0,775 g d òxid 0,539 g Mn = 0,236 g O Així en 0,775 g d òxid hi ha 0,539 g Mn i 0,236 g O La quantitat de cada element serà: En el nou òxid de manganès hi ha 9, àtoms de manganès per cada 1, àtoms d oxigen Dividintho pel valor més petit ens dóna una relació d un àtom de manganès per cada 1,5 àtoms d oxigen, una relació equivalent a la de 2 àtoms de manganès per cada 3 àtoms d oxigen La fórmula empírica buscada és: Mn 2 O 3 20 Per combustió d 1,000 g d un compost orgànic que conté carboni, hidrogen i oxigen, s obtenen 1,913 g de diòxid de carboni i 1,174 g d aigua Cerca la fórmula empírica del compost analitzat Calculant els grams de carboni que hi ha en 1,913 g de CO 2 i els grams d hidrogen que hi ha en 1,174 g de H 2 O, sabrem la massa de carboni i hidrogen que hi ha en 1,000 g del compost orgànic original Per tant: m m La massa d oxigen que hi ha en 1,000 g del compost es calcula per diferència: m (O) = 1,000 g del compost (0,5220 g C + 0,1314 g H) = 0,3466 g d oxigen Com que tenim totes les dades referides a la mateixa base de càlcul (1,000 g de mostra), podem calcular el nombre de mols d àtoms de cada element: En aquest compost hi ha 0,0435 àtoms de carboni per cada 0,0217 àtoms d oxigen i per cada 0,1304 àtoms d hidrogen Dividint-ho pel valor més petit, obtindrem la relació equivalent expressada en nombres enters: 2 àtoms C : 1 àtom O : 6 àtoms H La fórmula empírica buscada és: C 2 H 6 O 29

26 1 Estructura de la matèria Exemples Determinar fórmules moleculars 21 Quan analitzem la mostra d un compost orgànic trobem que conté un 18,18% de carboni, un 24,24% d oxigen i un 57,58% de fluor Un gram (1,00 g) d aquest compost en estat gasós ocupa, en CN, 0,340 L Busca: a) La fórmula empírica b) La fórmula molecular c) La massa molecular del compost orgànic a) Per trobar la fórmula empírica prendrem com a base de càlcul 100,0 g del compost Seguint el mateix raonament que en problemes anteriors: El resultat ens indica que en el compost analitzat la relació entre àtoms és: 1,514 àtoms C : 1,515 àtoms O : 3,031 àtoms F Dividint els tres resultats pel valor més petit, la relació és equivalent a 1 àtom C : 1 àtom O : 2 àtoms F La fórmula empírica és, doncs: COF 2 Per tant, la massa és: 12, , ,00 = 66,01 b) La fórmula molecular serà COF 2 o un múltiple enter, (COF 2 ) n, en què n és igual a 1, 2, 3 Per establir la fórmula molecular cal conèixer la massa molecular del compost Es pot trobar la massa molecular del compost amb força aproximació utilitzant les dades que figuren a la segona part de l enunciat del problema La massa molecular trobada a partir de les lleis dels gasos és aproximada, ja que apliquem a un gas real les lleis dels gasos ideals La massa molar aproximada del compost és: M L L La seva massa molecular aproximada és: M r = 66,0 Com que el grup COF 2 té una massa fórmula igual a 66,01, en aquest cas, la fórmula empírica i la molecular coincideixen Per tant: La fórmula molecular del compost és: COF 2 c) La massa molecular exacta del compost es calcula a partir de la fórmula molecular trobada i de les masses atòmiques dels elements que el componen: M r (COF 2 ) = 66,01 30

27 22 Un compost orgànic conté carboni, hidrogen i clor Per combustió d 1,000 g d aquest compost s obtenen 1,364 g de diòxid de carboni i 0,698 g d aigua En estat gasós 5,098 g del compost ocupen un volum d 1,00 dm 3 a una temperatura de 314 K i pressió de 102,5 kpa Calcula: a) La fórmula empírica b) La fórmula molecular c) La massa molecular o pes molecular del compost orgànic analitzat a) Per trobar la fórmula empírica procedim com a l exemple 20: m (Cl) = 1,000 g de compost (0,3722 g C + 0,0781 g H) = 0,5497 g de clor El nombre de mols d àtoms de cada element continguts en 1,000 g del compost serà: La relació d àtoms en el compost analitzat és: 0,0310 àtoms C : 0,0775 àtoms H : 0,0155 àtoms Cl Dividint pel valor més petit, la relació anterior és equivalent a: La fórmula empírica és: C 2 H 5 Cl 2 àtoms C : 5 àtoms H : 1 àtom Cl La seva massa és: 2 12, , ,45 = 64,51 b) La fórmula molecular serà (C 2 H 5 Cl) n (n = 1, 2, 3) Per trobar-la cal conèixer, encara que sigui aproximadament, la seva massa molecular Amb les dades que figuren a la segona part de l enunciat del problema i utilitzant l equació general dels gasos perfectes podem trobar aquesta massa molar aproximada (en què m és la massa de gas): m pv n T T M La massa molar aproximada del compost és: M m R T pv m La massa molecular trobada és, doncs, 129,8 g/mol Com que aquesta massa molecular és aproxima dament igual al doble de la massa de la fórmula empírica, n és igual a dos Efectivament: n = La fórmula molecular és: C 4 H 10 Cl 2 c) La massa molecular exacta és: M r (C 4 H 10 Cl 2 ) = 64,51 2 = 129,0 31

28 1 Estructura de la matèria D O C U M E N T Anàlisi de substàncies mitjançant espectrografies Espectroscòpia infraroja L espectroscòpia infraroja estudia la radiació infraroja (IR) i la interacció d aquesta amb la matèria La va descobrir l astrònom alemany Friedrich Wilhelm Herschel ( ) l any 1800 gràcies a l efecte calorífic d uns raigs que acompanyen l espectre de la llum solar a freqüències més petites que les de la radiació roja Quan la radiació infraroja incideix sobre una mostra és capaç de provocar canvis en els estats vibracionals de les molècules que la constitueixen de les freqüències de ràdio Com que les freqüències d aquesta absorció depenen de l entorn del nucli, la RMN contribueix a determinar l estructura de la molècula a la qual pertany el nucli Isidor Isaac Rabi va descriure aquest fenomen l any 1938 La RMN s aplica per detectar àtoms com 1 H, 13 C, 19 F i 31 P Atès el caràcter no destructiu de la RMN, s utilitza en medicina per estudiar el cos humà i en química orgànica per fer anàlisis estructurals Espectrometria de massa En principi, cada molècula presenta un espectre IR característic, ja que totes (excepte les molècules diatòmiques homonuclears com el O 2 i el Br 2 ) tenen algunes vibracions que, en activar-se, provoquen l absorció de radiació d una longitud d ona determinada en l espectre electromagnètic corresponent a la regió IR Si s analitzen quines són les longituds d ona a les quals una substància absorbeix a la zona de la IR, es pot obtenir informació sobre les molècules d una mostra És important l aplicació de l espectroscòpia IR en l anàlisi qualitativa Espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear (RMN) Alguns nuclis atòmics sotmesos a un camp magnètic absorbeixen radiació electromagnètica a la regió L espectrometria de massa és una interacció matèriamatèria entre electrons i la molècula que s ha d analitzar Permet determinar la massa molecular d un compost i la d alguns fragments iònics procedents de la molècula de partida Cambra d aceleració A Cambra d ionizació Cambra de desviació B m 1 m 2 Camp magnètic C La mostra que s ha d analitzar s introdueix en estat gasós a la cambra d ionització (A) i s exposa a un feix d electrons Els ions obtinguts són accelerats per un camp elèctric a la cambra d acceleració (B) per ser desviats posteriorment a la cambra de desviació (C), on estan sotmesos a un camp magnètic uniforme A conseqüència d això, descriuen trajectòries semicirculars, el radi de les quals depèn de les càrregues i les masses dels ions La RMN permet obtenir imatges del cos humà mitjançant la detecció dels camps magnètics que generen els àtoms d hidrogen estimulats per camps electromagnètics Els ions més lleugers són més desviats que els de més massa D aquesta manera es poden separar els diferents fragments ionitzats de la molècula de partida i calcular-ne la càrrega i la massa a partir del valor del camp magnètic aplicat Els diferents fragments permeten conèixer l estructura de la molècula i la seva massa total 32

29 Entendre la ciència Descoberta una anella perduda de la taula periòdica Competències cc ci cp Físics russos i nord-americans han creat un nou element químic que eleva a 117 el nombre de distingits membres de la taula periòdica El material, conegut provisionalment com a ununsepti (Uus), és el primer element fabricat sintèticament des de l any 2006, quan es van anunciar els que se situaven justament abans i després, és a dir, els números el 116 i el 118 L avenç científic cobreix, doncs, un buit que ja havia estat predit teòricament L ununsepti o ununseptium, equivalent a 117 en llatinisme científic, és un element superpesant amb uns àtoms que contenen 117 protons (i 117 electrons) L abundant plom, famós pel seu gran pes, ocupa el lloc 82 i és un 40% més lleuger Del franci a l urani L experiment del 117 va començar el juny passat i va obtenir resultats preliminars al gener Els detalls definitius es publicaran pròximament a la revista especialitzada Physical Review Letters L últim element estable descobert en la naturalesa va ser el franci, el 1938 De fet, amb el franci es va cobrir un altre buit que havien previst Mendelèiev i altres teòrics del segle xix Tot i que des d aleshores s han descobert una trentena d elements químics, en tots els casos han sorgit fugaçment o han estat fabricats sintèticament No existeixen en la natura de forma estable El més pesant existent de forma natural és l urani, el número 92 Bombardeig d àtoms en un accelerador Per obtenir el nou element, els físics van bombardejar amb ions de calci-48 el nucli d un altre material sintètic, el berkeli, que havien obtingut al laboratori nord-americà d Oak Ridge, a Tennessee Per al treball final es va usar l accelerador de partícules U-400 de l Institut Conjunt de Recerca Nuclear (JIRN) de la ciutat de Dubna, al nord de Moscou Com tots els àtoms superpesants, l element 117 és inestable: dura només unes fraccions de segon abans d autodestruir-se i donar lloc a elements més lleugers Després d impactar els àtoms de calci a la diana de berkeli, l equip investigador va deduir l existència volàtil de l element 117 estudiant les partícules emeses Després es va esfumar Es van fabricar sis àtoms «Hem verificat en sis ocasions el naixement dels nuclis de l element 117 i hem omplert el buit que hi havia en la taula de Mendelèiev entre el 116 i 118», va comentar a l agència Novosti el coordinador del treball, Iuri Oganesian Els científics de Dubna es dediquen a sintetitzar els nous elements des dels anys 60 En l època soviètica es van obtenir els que se situen entre el 104 i el 108 Després van arribar el 112, el 113, el 114 i el 115 I finalment, el 2006, el 118, que continua sent l element més pesant conegut fins ara Illa d habitabilitat Malgrat la curta vida de l àtom, l element 117 viu més que molts elements més lleugers El descobriment confirma la teoria que prediu que el 117 i els seus cosins 116 i 118 existeixen en una «illa d habitabilitat» de la taula periòdica Només sintetitzant elements cada vegada més pesants es mostrarà fins on s estén la regió estable de la llista d elements Tot i que no es coneix cap aplicació pràctica per a aquests elements de vida curta, la síntesi d elements superpesants és vital per provar els models que expliquen com els neutrons i protons que formen tots els elements s uneixen entre si, expliquen els investigadors El Periódico, 7/4/2010 Activitats El supercol lisionador del CERN 1 c1 Explica el procediment seguit per sintetitzar aquest nou element 2 c1 Indica quin és l últim element estable descobert a) Berkeli c) Radi b) Franci d) Urani 3 c2 Es poden estudiar les característiques físiques i químiques d aquests nous elements? 4 c2 Què és el CERN? On és? Investiga quines similituds i diferències principals hi ha entre aquestes instal lacions i el JIRN de Dubna? 5 c3 Explica quina és la teva opinió respecte la gran quantitat de diners que s han hagut d invertir per posar en funcionament aquesta instal lació

30 R E S U M Teoria atòmica de Dalton 1 Cada element químic es compon d àtoms, indestructibles i indivisibles A les reaccions químiques els àtoms resten inalterables 2 Els àtoms d un mateix element són iguals en massa i propietats 3 Els àtoms d elements diferents tenen massa i propietats diferents 4 Els compostos es formen per la unió dels àtoms dels elements corresponents en una relació numèrica senzilla 5 Les partícules mínimes d un compost són iguals entre si i tenen la mateixa massa Actualment se sap que els àtoms no són indivisibles, sinó que estan formats fonamentalment per: Protó Neutró Electró Massa (kg) 1, , , Càrrega (C) 1, , Aquestes partícules es distribueixen a l àtom: Escorça Electrons Ions Variació del nombre d electrons Àtom Protons Nombre atòmic Z Nombre de protons Nucli Neutrons Nombre màssic A Nombre de protons i neutrons Isòtops Variació del nombre de neutrons Substàncies atòmiques Substàncies moleculars Substàncies iòniques El mol és la quantitat de substància d un sistema que conté tantes entitats elementals com àtoms hi ha en 0,012 kg de carboni-12 Un mol conté 6, partícules Mol: conjunt format per 6, partícules Constant d Avogadro (N A )

31 R E S U M La massa atòmica relativa A r d un element és el quocient entre la massa mitjana d un àtom de l element i la dotzena part de la massa d un àtom de carboni-12 La massa mitjana d un àtom és la mitjana ponderada de la massa dels isòtops que formen l element Nombre d Avogadro N A = 6, Massa molar M (g/mol) VOLUM V (cm 3 ) DENSITAT d (g/cm 3 ) MASSA m (g) : m m QUANTITAT DE SUBSTÀNCIA n (mol) N A N A NOMBRE DE PARTÍCULES Composició centesimal: ens dóna per a cada element la massa en grams que hi ha en 100 g del compost Fórmula empírica: indica la relació més senzilla entre els àtoms d un compost Fórmula molecular: indica el nombre real d àtoms de cada element que forma la molècula La fórmula molecular és igual o un múltiple de la fórmula empírica Procediment per trobar la fórmula empírica i la fórmula molecular Per determinar la fórmula empírica d un compost és necessari: Disposar de substàncies pures Fer una anàlisi qualitativa per saber quins elements formen el compost Fer una anàlisi quantitativa per conèixer-ne la composició centesimal Fins aquí la tasca és experimental Un cop coneguda la composició centesimal es calculen els mols d àtoms de cada element que formen el compost La relació entre mols és la mateixa que la relació entre àtoms, tenint en compte que en els compostos els àtoms estan en una relació de nombres enters senzills Per determinar la fórmula molecular s ha de conèixer la massa molecular del compost

32 A C T I V I T A T S I Lleis fonamentals de la química 1 Quina és la massa de clor necessària per reaccionar amb 4,02 g de sodi, si sabem que al final de la reacció s obtenen 10,2 g de clorur de sodi? En quina llei fonamental es basa la resposta a la pregunta formulada? 2 Experimentalment es troba que 5,58 g de ferro es combinen amb 3,21 g de sofre i s obté un compost anomenat sulfur de ferro a) Calcula la massa de ferro necessària per reaccionar amb 1,23 g de sofre i obtenir aquest sulfur de ferro b) En quina llei fonamental es basa la resposta a la pregunta formulada? Enuncia-la 3 De forma empírica es troba que 1,003 g de sodi es combinen amb 0,6970 g d oxigen i s obté òxid de sodi Calcula la massa de sodi i d oxigen que s han de combinar per obtenir 2,943 g d aquest òxid 4 cc Quan la fusta crema, els productes de la combustió pesen més que la fusta inicial Quina explicació té aquest fet? 5 cc Comenta la frase: La llei de Lavoisier, juntament amb la teoria atòmica de Dalton, constitueixen el punt de partida de la química amb fonament quantitatiu 6 cc cd Fes un comentari de cada postulat de la teo ria atòmica de Dalton Rectifica ls d acord amb els descobriments fets al segle xx 10 ci Copia i completa la taula següent: Nombre atòmic 30 Nombre de massa 50 Nombre de protons Nombre de neutrons Símbol de l isòtop de l element 112Sn El ferro està constituït per la barreja de quatre isòtops de nombres de massa 54, 56, 57 i 58 Indica el nombre de protons i de neutrons que hi ha al nucli de cada isòtop i el nombre d electrons de l embolcall 12 Els dos isòtops del bor són el bor-10 i el bor-11 Consulta la taula periòdica i escriu el simbolisme químic de cada un 13 Indica el nombre de neutrons que hi ha al nucli de cadascun dels àtoms següents: a) Ni b) Br c) Si 14 El potassi de la natura està format per una mescla de tres isòtops: K, K i 41K Indica com està constituït el nucli de cada isòtop del potassi 15 L element clor està format per una mescla de dos isòtops, el clor-35 i el clor-37 Si sabem que les masses isotòpiques del clor-35 i del clor-37 són, respectivament, 34,969 i 36,966 i el tant per cent en àtoms a la mescla és, respectivament, 75,529 i 24,471, calcula la massa atòmica relativa del clor 7 cc Explica per què la teoria atòmica de Dalton no pot donar compte de la llei de Gay-Lussac dels volums de combinació 16 ci El sofre de la natura està format per la mescla de tres isòtops: 8 cc En què consisteix la modificació introduïda per Avogadro a la teoria atòmica de Dalton? Isòtops Massa isotòpica Abundància natural (% en àtoms) II L àtom 9 Quins són els gasos nobles? 32 S 31,972 95,0 33 S 32,971 0,76 34 S 33,968 4,22 Calcula la massa atòmica del sofre 36

33 17 La massa atòmica relativa de l element carboni és 12,01 Aquest element està format per una mescla de dos isòtops de nombres màssics 12 i 13, i la massa isotòpica del carboni-13 és 13,003 Calcula quin percentatge d àtoms de carboni-13 hi ha al carboni natural 18 L element químic brom està format per una mescla de dos isòtops: el brom-79 i el brom-81 La relació entre tots dos a l element brom és: nombre d àtoms de brom-79 = 1, nombre d àtoms de brom-81 Calcula la massa atòmica relativa de l element químic brom, si sabem que la massa isotòpica del brom-79 és 78,91835 i la del brom-81 és 80, L element plata està format per la mescla de dos isòtops, plata-107 i plata-109, les masses isotòpiques dels quals són, respectivament, 106,90 i 108,90 Calcula quin és el tant per cent en àtoms de cada isòtop, si sabem que la massa atòmica de l element plata és 107,87 20 cc Respon aquestes qüestions: a) Quantes vegades és més gran la massa d un àtom d urani que la massa d un àtom de ferro? b) Quantes vegades és més gran la massa de 10 6 àtoms d alumini que la massa de 10 6 àtoms de carboni? 21 cc Explica el significat d aquests conceptes: a) Nombre atòmic b) Isòtops c) Nombre de massa d) Ió 22 Explica què pretenem indicar quan escrivim: K +, S 2, Al 3+, SO 4 2, NO 3 III Molècules 23 Quins elements, a temperatura ordinària, estan constituïts per molècules diatòmiques? 24 cc Es tenen en flascons separats 10 g de clorur de sodi, NaCl, i 10 g de clorur de potassi, KCl Tots dos compostos són iònics Si sabem que la massa atòmica del potassi és més gran que la del sodi, digues, raonant-ho, quin dels dos flascons conté més ions 25 Troba la massa molecular dels compostos següents: a) octà, C 8 H 18 b) cloroform, CHCl 3 c) permanganat de potassi, KMnO 4 IV El mol 26 Calcula la massa de: a) 0,3 mols d àtoms de sodi b) 2,0 mols de diòxid de carboni, CO 2 c) 2, molècules de iode, I 2 27 Els gasos nobles o inerts He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn són monoatòmics El descobriment que els gasos nobles poden formar compostos químics data de 1962 La major part dels compostos coneguts són de xenó Calcula el nombre de molècules existent en 10 g de tetrafluorur de xenó, XeF 4 28 Calcula quina és la massa de 10 mols d àtoms de sodi 29 Quantes molècules de propà, C 3 H 8, hi ha en 2 mols d aquest compost? 30 Un flascó de laboratori conté 100 g de carbonat de sodi, Na 2 CO 3 Calcula la quantitat (nombre de mols) de carbonat de sodi que hi ha al flascó 31 Calcula la massa de 100 mols d amoníac, NH 3 32 Una gota d aigua té, a 4 C, un volum de 0,05 cm 3 Quantes molècules d aigua hi ha a la gota? 33 Quants cm 3 d aigua destil lada, a 4 C, s hauran de mesurar en una proveta per tenir 0,5 mol d aigua? 34 Quants àtoms de carboni formen les molècules contingudes en 10 g d età, C 2 H 6? 35 Calcula quina és la massa de molècules de diòxid de sofre 36 Quants mols d àtoms de ferro hi ha en 1,68 g d aquest metall? I quants àtoms? 37 Quantes molècules de pentà, C 5 H 12, hi ha en 2,16 g d aquest hidrocarbur? 37

34 38 cr Un dels compostos formats per fluor, clor i carboni que destrueixen la capa d ozó de l atmosfera és el CClF 3 Aquest compost té un punt d ebullició de 23,8 C i la seva densitat, en estat líquid, és d 1,47 g/cm 3 a) En un laboratori cau una gota (0,05 cm 3 ) de CClF 3, que immediatament s evapora Calcula quantes molècules d aquest compost passen a l atmosfera b) Calcula quants àtoms de carboni, clor i fluor formen les molècules contingudes en 1 mg d aquest compost 39 cc El descobriment en aquests últims anys de materials que tenen resistència elèctrica zero (superconductors) quan se ls refreda a temperatures al voltant de 150 C és, sens dubte, un dels descobriments més importants de la física Un d aquests materials és un òxid mixt d itri, bari i coure de fórmula YBa 2 Cu 3 O 5 Calcula quants àtoms d itri conté 1 g d aquest òxid 40 L alcohol, C 2 H 5 OH, té una densitat de 790 kg/m 3 En un litre d alcohol, quants grams d alcohol hi ha? Quants mols? Quantes molècules? 41 Quants àtoms d hidrogen formen les molècules contingudes en 0,1 mol de glucosa, C 6 H 12 O 6? 42 Calcula quina és la càrrega d 1 mol d electrons (Dada: La càrrega d un electró és igual a 1, C) 43 cp En la respiració, una persona adulta emet per terme mitjà uns 960 g de diòxid de carboni, CO 2, al dia Calcula quantes molècules de CO 2 s expiren per terme mitjà cada dia 44 La nicotina (substància metzinosa present al tabac) té com a fórmula molecular C 10 H 14 N 2 Calcula quants àtoms formen les molècules contingudes en 1 g de nicotina 45 La sacarina és unes 500 vegades més dolça que el sucre Es fa servir com a edulcorant no calòric La seva fórmula molecular és C 7 H 5 O 3 NS Calcula: a) La massa de molècules de sacarina b) El nombre de molècules existent en 1 mg de sacarina 46 El clorur de calci, CaCl 2, és un compost iònic Calcula el nombre d ions que hi ha en 100 g d aquest compost 47 Calcula els àtoms que formen les molècules existents en 1 cm 3 d aigua a 4 C 48 Calcula la massa de 0,1 mol de protons (Dada: Massa d un protó: 1, kg) 49 Calcula el nombre d àtoms que formen les molècules que hi ha en 90,2 g de sofre ròmbic, S 8 50 El trinitrotoluè, TNT, de fórmula molecular C 7 H 5 (NO 3 ) 3, és un important explosiu Calcula el nombre de molècules contingudes en 100 g d aquest compost 51 Tenim en recipients separats: 1 g de diiode, 1 g de dibrom i 1 g de triòxid de sofre, SO 3 Quin recipient conté més molècules? 52 Calcula quina de les mostres següents conté més molècules: a) 0,2 mol de CO 2 b) 5 g de NH 3 c) 9 cm 3 d H 2 O a 4 C 53 Calcula el nombre d ions Ca 2+ que hi ha en una mostra de 10 g de clorur de calci, CaCl 2 54 Quants àtoms d hidrogen formen les molècules contingudes en 10 cm 3 d alcohol, C 2 H 5 OH? (Dada: La densitat de l alcohol és ρ = 0,79 g/cm 3 ) 55 Calcula la massa, expressada en femtograms, d una molècula de butà, C 4 H Calcula el nombre d ions que hi ha en 5,0 g de fluorur de potassi, KF (Nota: El fluorur de potassi, igual que el clorur de sodi, és un compost iònic) 57 cr En una piscina cau accidentalment un terròs de sucre de 3 g Un cop ha passat prou temps perquè el sucre s hagi dissolt uniformement, calcula el nombre de molècules de sucre que hi ha a cada cm 3 d aigua de la piscina (Dades: El sucre ordinari és el compost químic sacarosa de fórmula molecular C 12 H 22 O 11 El volum d aigua de la piscina és de 900 m 3 ) 38

35 58 cr El diàmetre mitjà de les gotes d aigua de pluja és d 1 a 2 mm S han arribat a detectar gotes de fins a 8,8 mm de diàmetre Calcula el nombre de molècules d aigua que hi ha en aquestes gotes d aigua gegants (Suposa que la temperatura de l aigua és de 4 C) 59 Quantes molècules hi ha en 3 mols d amoníac, NH 3? Masses atòmiques: N = 14; H = 1 60 Quina és la massa d un mol de cafeïna, C 8 H 10 N 4 O 2? I la massa d una molècula d aquesta substància? Masses atòmiques: C = 12; H = 1; N = 14; O = Un got conté 72 g d aigua Quants mols d aigua són? Masses atòmiques: H = 1; O = Quants mols i quantes molècules hi ha en 100 g de sucre, sacarosa,c 12 H 22 O 11? Masses atòmiques: C = 12; H = 1; O = 16 N A = 6, mol Quants àtoms hi ha en 16 g de sofre? Massa atòmica: S = 32 N A = 6, mol Ordena de més gran a més petita les masses de diòxid de carboni següents: a) 33 g b) 9, molècules c) 1,5 mols 65 En un tros de guix, CaSO 4 2 H 2 O, de 5 g, quantes molècules d aigua hi ha? Masses atòmiques: Ca = 40; S = 32; O = 16, H = 1 N A = 6, mol Al platet esquerre d una balança hi ha 20,0 g d estany, Sn Quants mols d hidròxid de sodi, NaOH s han de posar a l altre platet per equilibrar la balança? 67 A quina quantitat de substància (mol) equivalen 85 g de CO 2? 68 A quants grams equivalen 1,35 mols de glucosa, C 6 H 12 O 6? 69 Tenim 10,787 g d argent i volem saber: a) Quants mols representa? b) Quants àtoms hi ha? 70 cc Respon aquestes qüestions: a) Què s entén per fórmula molecular i per fórmula empírica? Ajuda t d exemples per respondre b) Per què la fórmula dels compostos iònics és sempre l empírica? V Fórmules molecular i empírica 71 cc Explica la diferència que hi ha entre la fórmula empírica i la fórmula molecular d un compost 72 Quina dada experimental es necessita per saber la fórmula molecular, una vegada trobada la fórmula empírica? 73 cc La fórmula molecular del benzè és C 6 H 6 i la de l etí o acetilè és C 2 H 2 La composició centesimal del benzè és la mateixa que la de l acetilè? Raona-ho 74 Quina diferència hi ha entre una fórmula molecular i una fórmula estructural? 75 Un òxid de ferro conté un 72,34% de ferro i un 27,66% d oxigen Determina n la fórmula empírica 76 Un compost orgànic format per carboni, hidrogen i oxigen conté un 69,72% de carboni i un 11,70% d hidrogen Determina n la fórmula empírica 77 En escalfar un clorur de platí, es descompon en clor i platí Si s escalfen 2,000 g d aquest clorur s obtenen 1,158 g de platí Calcula la fórmula empírica del compost analitzat 78 cc El xenó reacciona amb el fluor i s obtenen, segons les condicions, XeF 2, XeF 4 o XeF 6 Un recipient tancat d 1,00 dm 3 conté fluor i xenó a les pressions parcials respectives de 7, Pa i 1, Pa, i una temperatura de 298 K La mescla s escalfa durant un cert temps i un cop refredada una altra vegada a 298 K, s analitza el contingut del recipient Tot el gas xenó ha reaccionat per formar un compost sòlid de fluor i xenó La pressió del fluor que queda sense reaccionar és de 3, Pa Quina és la fórmula empírica del fluorur de xenó obtingut? 39

36 79 Per combustió de 0,2460 g d un colorant anomenat groc d anilina (un compost orgànic que conté carboni, hidrogen i nitrogen) s obtenen 0,7090 g de diòxid de carboni i 0,1320 g d aigua Calcula la fórmula empírica del compost analitzat 80 Disposem d una mostra d un compost gasós format per bor i hidrogen Per combustió d 1,192 g d aquest compost obtenim 2,34 g d aigua i tot el bor es converteix en B 2 O 3 (sòlid) El gas, en CN, té una densitat d 1,23 kg m -3 Calcula la fórmula molecular de l hidrur analitzat 81 En analitzar una mostra d un compost orgànic gasós, trobem que conté un 53,3% de carboni, un 31,1% de nitrogen i un 15,6% d hidrogen A una pressió d 101,1 kpa i una temperatura de 298 K, aquest compost té una densitat d 1,84 kg/m 3 Calcula la fórmula molecular del compost analitzat 82 Un compost líquid molt volàtil format per sofre i fluor conté un 25,23% de sofre A 373 K i 101 kpa, aquest compost, en estat gasós, té una densitat de 8,3 g dm -3 Calcula la fórmula empírica, la fórmula molecular i la massa molecular del compost analitzat Anomena l 83 Un compost orgànic conté carboni, hidrogen i oxigen Per combustió de 0,875 g d aquest compost obtenim 1,283 g de diòxid de carboni i 0,525 g d aigua En estat gasós, la seva densitat respecte a l aire és de 2,08 Calcula la fórmula molecular del compost analitzat 84 Determina la fórmula molecular d un compost orgànic sabent que conté un 8,1% d hidrogen, un 48,7% de carboni i la resta és oxigen, i que 0,629 g d aquest compost, en estat gasós, ocupen 260,0 cm 3 mesurats a 373 K de temperatura i 101,1 kpa de pressió 87 El nitrat de sodi, NaNO 3, i el nitrat de potassi, KNO 3, són dos compostos químics que s utilitzen com a adobs nitrogenats Calcula quin dels dos conté un tant per cent més alt de nitrogen 88 Els dos compostos químics inorgànics de més incidència en l economia d un país industrial són: l àcid sulfúric, H 2 SO 4 i l amoníac, NH 3 Calcula la composició centesimal de cadascun d aquest compostos 89 Els gasos nobles o inerts, He, Ar, Kr, Xe i Rn, són monoatòmics El descobriment que els gasos nobles poden formar compostos químics data de 1962 La majoria dels compostos coneguts són de xenó Calcula la composició centesimal del tetrafluorur de xenó, XeF 4 90 El fosfat de calci, Ca 3 (PO 4 ) 2, és un compost químic insoluble en aigua En canvi, el permanganat de potassi, KMnO 4, és soluble en aigua Calcula la composició centesimal de cada un Investiga 91 cr ci Investiga com s obté el ferro i quines propietats i aplicacions té 92 Investiga sobre John Dalton, fundador de la teoria atòmica 93 cr ci Investiga les aplicacions del carboni cr cl Investiga els mètodes per determinar masses moleculars 95 cr cl Investiga com determinaries el nombre de molècules d aigua de cristal lització del sulfat de coure de color blau Indica el material emprat 85 Un compost químic format per potassi, clor i oxigen conté el 28,25% de potassi, el 25,64% de clor i la resta és oxigen a) Determina n la fórmula empírica b) Si en aquest cas la fórmula empírica és igual a la molecular, anomena el compost analitzat 86 La mostra d 1,000 g d un compost format per fluor, alumini i sodi conté 0,5419 g de fluor, 0,1302 g d alumini i 0,3279 g de sodi Determina n la fórmula empírica 40

37 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics Competència comunicativa Utilització del llenguatge simbòlic per descriure i explicar les propietats dels fenòmens químics: símbols, fórmules, equacions, etc Competència en recerca Realització de treballs experimentals on cal enregistrar mesures, analitzar dades i extreure conclusions Competència personal i interpersonal Reflexió sobre les dimensions socials i ètiques de les aplicacions de la química L OXIDACIÓ DEL FERRO meteòric, ja que el ferro no es troba nadiu a la superfície terrestre, és a dir, sempre està combinat amb altres elements, sobretot amb l oxigen que la superfície de contacte amb l oxigen sigui la màxima possible, cosa que es pot aconseguir en forma de pols de ferro E l ferro és un dels elements més abundants de l escorça terrestre fins al punt que representa el 5% del seu pes Però si tenim en compte el conjunt del planeta (cal tenir present que el nucli està constituït per un aliatge de ferro i níquel), aleshores aquest element suposa gairebé un terç del pes de la Terra L abundància i la duresa del ferro fan que sigui el metall més utilitzat El seu ús està documentat des de molt antic No en va hi ha una etapa de la prehistòria anterior al naixement de l escriptura anomenada edat del ferro Ara bé, sorprenentment els primers objectes d aquest metall estaven fets de ferro La facilitat del ferro per oxidar-se o rovellar-se (el ferro a la intempèrie es cobreix paulatinament d una pàtina marronosa i de mica en mica es va esmicolant) és un problema i cal tractar les estructures fèrriques amb recobriments especials Un objecte rovellat pesa més que abans de rovellar-se L òxid de ferro ha incorporat l oxigen atmosfèric i n ha d haver augmentat la massa Si volguéssim reproduir el procés d oxidació a una velocitat més ràpida el podríem cremar a alta temperatura En els dos casos el ferro es combina amb l oxigen i es forma un òxid de ferro Per facilitar la combustió del ferro i que la velocitat de reacció sigui més alta, cal procurar Elements majoritaris de l escorça terrestre (percentatge en pes) Oxigen: 47% Silici: 28% Alumini: 8% Ferro: 5% Calci: 3% Sodi: 3% Potassi: 2,5% Magnesi: 2% Altres: 1% De la mateixa manera que els objectes de ferro s oxiden amb l oxigen atmosfèric, es produeix un procés similar en el cas dels compostos químics que contenen alguns vegetals (carxofes, patates, fruita ) Una vegada tallats, queden exposats a l oxigen atmosfèric i s enfosqueixen Una manera d evitar l oxidació consisteix a submergir l aliment en aigua o untar-ne la superfície amb un àcid, com poden ser el suc de llimona o el vinagre AVALUACIÓ DIAGNÒSTICA 1 Explica quina diferència hi ha entre els reactius i els productes en una reacció química 2 Quins són els reactius de la reacció d oxidació del ferro? 3 Un dels principis químics més importants és la Llei de Lavoisier o llei de conservació de la massa Creus que en el procés de formació de l òxid de ferro es compleix aquesta llei? 4 La velocitat de reacció és un paràmetre que pot variar Quins factors penses que modifiquen aquesta velocitat? De quina manera? Pots justificar aquesta relació?

38 I REACCIONS QUÍMIQUES L apunt Canvis físics No hi ha cap canvi en la composició de les substàncies Per exemple, els canvis d estat 1 Importància de les reaccions químiques En el curs de la seva vida, l ésser humà ha de satisfer un conjunt de necessitats materials Per fer-ho, transforma i consumeix els productes que té al seu abast En el desenvolupament dels avenços científics i tecnològics, la química ocupa un lloc molt important i es fa cada vegada més diversa i ramificada Pocs esdeveniments de la nostra vida queden fora de l abast de la química Perquè els aliments arribin a nosaltres en bones condicions es necessiten productes químics La majoria de la roba que portem és sintètica, fem servir colorants i altres productes per al seu processament El sabó, els detergents, els metalls, el vidre, les pintures, els plàstics, els fertilitzants i els nous materials com ara les fibres de vidre o les resines, tots són resultat de reaccions químiques També ho són els medicaments, les vitamines, els anestèsics, les vacunes o els antibiòtics, productes que permeten controlar moltes malalties que altrament serien mortals La repercussió global més evident de la importància d aquests productes ha estat la millora de la qualitat de vida i també una longevitat més alta Canvis químics Hi ha algun canvi en la composició de les substàncies Quan es dóna un d aquests canvis es diu que s ha produït una reacció química Però, alhora que l activitat industrial creix i es desenvolupa, una manca de previsió i de respecte pel medi ambient, sobretot en els darrers seixanta anys, ha fet que la preservació del planeta, i la seva capacitat per al manteniment de la vida, siguin de les qüestions que més afecten la població del segle xxi La indústria química ha estat responsable de molts problemes relacionats amb el medi Ara bé, en els darrers anys, s han investigat i s han posat en marxa nombrosos sistemes de control per reduir o eliminar la contaminació i per utilitzar fonts d energia renovables a nivells econòmicament acceptables 2 Reaccions químiques Quan a partir d una o més substàncies se n obté una altra o unes altres de propietats característiques diferents de les propietats de les substàncies inicials, es diu que s ha produït una reacció química Significat dels subíndexs que acompanyen les fórmules: (aq) (s) (g) (l) L apunt Aquós, és a dir, dissolt en aigua Sòlid Gas Líquid Una reacció química s anomena, també, un fenomen químic o un canvi químic Tota reacció química va acompanyada d alliberament o d absorció d energia Generalment, aquesta energia es desprèn o s absorbeix en forma de calor En una reacció química, les substàncies inicials que reaccionen s anomenen reactius, i les substàncies obtingudes, productes de reacció En l experiència que es proposa a continuació, el ferro reacciona amb l àcid sulfúric i s obté sulfat de ferro(ii) i dihidrogen La reacció química que es produeix es pot escriure de la manera següent: àcid sulfúric (aq) + ferro (s) reactius sulfat de ferro(ii) (aq) + dihidrogen (g) productes 134

39 EXPERIÈNCIA Reacció química entre un metall i un àcid Material i productes: Tub d assaig i gradetes Càpsules de Petri de vidre Llimadures de ferro, Fe Àcid sulfúric, H 2 SO 4 Procediment 1) En un tub d assaig col loquem una quantitat petita de llimadures de ferro (0,5 g aproximadament) a b 2) A continuació, hi afegim uns 10 cm 3 d àcid sulfúric, de 1 mol/dm 3 Immediatament s hi observa la formació de bombolles de gas (Figura a), que són hidrogen gas, H 2 També comprovem com el tub d assaig s escalfa 3) Al cap de poc temps, les llimadures de ferro han «desaparegut» i al tub queda un líquid de color verdós (Figura b) 4) Si es col loca aquest líquid en una càpsula de Petri i es deixa evaporar l aigua, hi queden uns cristalls de color verdós, que són un compost químic anomenat sulfat de ferro(ii), FeSO 4 Les substàncies obtingudes són completament diferents de les que teníem en un inici En efecte, a partir d un sòlid i un líquid s ha obtingut un gas que s ha difós a l atmosfera i una substància de color verdós que ha quedat dissolta en l aigua, i s ha desprès energia en forma de calor 3 Equacions químiques Com intervenen els àtoms, les molècules o els ions en les reaccions químiques? Com es representen les reaccions químiques? Ho explicarem amb un exemple de reacció química en què intervenen molècules senzilles i ajudant-nos de models moleculars El gas natural està format sobretot per metà, CH 4(g) Quan aquest gas reacciona amb el dioxigen, O 2(g), s obté diòxid de carboni, CO 2(g) i vapor d aigua, H 2 O (g) Aquesta reacció desprèn energia en forma de calor i llum És una combustió S observa que el nombre i el tipus d àtoms que formen les substàncies inicials i finals són els mateixos però agrupats de manera diferent 1 molècula de metà reacciona amb 2 molècules d oxigen i s obtenen 1 molècula de diòxid de carboni i 2 molècules d aigua 135

40 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics L apunt Una reacció química consisteix en una reagrupació d àtoms que, ordenant-se de manera diferent de com estaven inicialment, constitueixen noves substàncies pures El nombre i el tipus d àtoms que formen les substàncies inicials i finals són els mateixos, però agrupats de manera diferent, ja que la massa dels productes resultants d una reacció química és igual a la massa dels reactius (llei de Lavoisier) Les reaccions químiques es representen de manera abreviada mitjançant l ús de les fórmules de les substàncies pures que intervenen en el procés En aquest cas, la reacció química que s ha descrit s escriu així: Coeficient estequiomètric (si val 1, no s indica) CH 4(g) + 2 O 2(g) reactius Subíndex que indica en quin estat físic es troba la substància CO 2(g) + 2 H 2 O (g) productes CH 4(g) + 2 O 2(g) Aquesta expressió s anomena equació química CO 2(g) + 2 H 2 O (g) Els nombres que es col loquen davant de les fórmules dels reactius i els productes s anomenen coeficients de l equació química o coeficients estequiomètrics, i apareixen quan les reaccions químiques s igualen Una equació química és una representació simbòlica d un procés real i ens indica el balanç de matèria d aquest procés En efecte, observa que en l exemple proposat l equació expressa en quina proporció reaccionen les substàncies: per a cada molècula de metà, CH 4(g), que reacciona es necessiten dues molècules de dioxigen, O 2(g) i s obté una molècula de diòxid de carboni, CO 2(g) i dues molècules d aigua, H 2 O (g) Una equació química ha d estar igualada, és a dir, el nombre d àtoms de cada element ha de ser el mateix en cadascun dels membres de l equació Mai no s ha d igualar una equació química modificant els subíndexs de les fórmules, ja que això equivaldria a reemplaçar una substància per una altra Reacció no igualada Reacció igualada N 2 + H 2 NH 3 2 àtoms de N 1 àtom de nitrogen 2 àtoms d H 3 àtoms d hidrogen N 2 + 3N 2 CO NH 3 2 àtoms de N 2 àtoms de N 6 àtoms d H 6 àtoms d H 1 Els avions es propulsionen gràcies a la força generada per l expansió dels gasos de combustió i que pot ser obtinguda per motors de reacció 4 Mols i reaccions químiques En la reacció entre el metà i el dioxigen de l exemple, és important adonar-se que, encara que reaccionin masses petitíssimes d ambdós gasos, hi intervé un nombre extraordinàriament gran de molècules de les dues substàncies Aquestes molècules es mouen en un moviment ràpid i incessant, xoquen les unes amb les altres i s obtenen moltíssimes molècules de diòxid de carboni i aigua 136

41 L equació química CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) no només ens indica que: 1 molècula de metà reacciona amb 2 molècules d oxigen i s obté 1 molècula de diòxid de carboni i 2 molècules d aigua sinó també que: 6, molècules de metà reaccionen amb 2 6, molècules d oxigen i s obtenen 6, molècules de diòxid de carboni i 2 6, molècules d aigua que és el mateix que dir: 1 mol de metà reacciona amb 2 mols d oxigen i s obtenen 1 mol de diòxid de carboni i 2 mols d aigua Així doncs: Els coeficients estequiomètrics d una equació química indiquen en quina proporció intervenen en la reacció els mols de reactius i de productes de la reacció Si a més utilitzem les masses molars, podem saber en quina proporció intervenen en la reacció les masses dels reactius i de productes de la reacció 2 Els abocadors acumulen una gran quantitat de restes de matèria orgànica en descomposició que generen gas metà, CH 4 Si les temperatures són prou altes, el metà reacciona amb l oxigen atmosfèric i entra en combustió provocant un incendi 5 Igualació d equacions químiques senzilles Per igualar les reaccions es pot seguir el mètode algèbric o el mètode del tempteig El mètode del tempteig és especialment útil i pràctic sobretot per a reaccions no gaire complexes, com són les reaccions que treballarem en aquesta unitat Els passos que cal seguir són: 1 Escrivim les fórmules de les substàncies, amb els reactius a l esquerra de la fletxa i els productes a la dreta 2 Comencem igualant els elements metàl lics 3 Després igualem els elements no metàl lics, diferents a l hidrogen i l oxigen (si hi són presents, els deixem per al final) Practica la igualació de reaccions químiques senzilles 4 Igualem l hidrogen i l oxigen 5 Revisem que en algun dels passos no ens hagi quedat desajustat cap dels elements que ja havíem igualat en passos anteriors En els exemples desenvolupats a continuació s aplica el procediment per igualar equacions químiques senzilles Banc d activitats 1, 2, 3 i 4 137

42 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics Exemples Igualar una equació química 1 L alcohol, de fórmula molecular C 2 H 5 OH, és un líquid d olor agradable Quan reacciona amb el dioxigen de l aire, s obté diòxid de carboni (gas) i vapor d aigua Aquesta reacció desprèn energia en forma de calor i llum (combustió) Escriu l equació química corresponent Per plantejar l equació química corresponent, en primer lloc escrivim a l esquerra de la fletxa les fórmules dels reactius, i a la dreta, les fórmules químiques dels productes de la reacció: C 2 H 5 OH (l) + O 2(g) CO 2(g) +H 2 O (g) L equació química escrita així no està igualada Aquesta equació no conté elements metàl lics, per tant comencem igualant els elements no metàl lics, diferents a l hidrogen i l oxigen, en aquest cas, el carboni S hi observa que cada molècula de C 2 H 5 OH conté 2 àtoms de carboni Per tant, si tot el carboni d una molècula d alcohol passa a formar molècules de CO 2, per cada molècula de C 2 H 5 OH que reaccioni se n formaran 2 de CO 2 A continuació igualem l hidrogen En una molècula d alcohol hi ha 6 àtoms d hidrogen Com que tot l hidrogen contingut en una molècula passa a formar molècules d aigua, per cada molècula de C 2 H 5 OH se n formaran 3 d aigua Per tant, podem escriure (es posa una ratlla a sota dels compostos que ja s han igualat): C 2 H 5 OH (l) + O 2(g) 2 CO 2(g) +3 H 2 O (g) Finalment, igualem l oxigen per obtenir 2 molècules de CO 2 i 3 d aigua són necessaris 3 àtoms d oxigen Atès que una molècula d alcohol aporta un àtom d oxigen, es necessiten tres molècules de dioxigen per reaccionar amb una d alcohol Així doncs, l equació química igualada serà: C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) +3 H 2 O (g) Aquesta equació indica que, per a cada mol d alcohol que reacciona, es necessiten 3 mols de dioxigen i s obtenen 2 mols de diòxid de carboni i 3 mols d aigua 2 Quan s escalfa el clorat de potassi, compost sòlid de fórmula KClO 3, es descompon en clorur de potassi, KCl (sòlid), i dioxigen, O 2 (gas) Escriu la reacció química corresponent i iguala-la Per escriure l equació química corresponent, seguim el mateix esquema que el proposat per igualar la reacció entre l alcohol i el dioxigen: KClO 3(s) KCl (s) +O 2(g) Com que el KClO 3 i el KCl no formen molècules sinó que són compostos iònics, el procediment d igualar l equació química es fa directament en mols Observem que tot el clor i el potassi del KClO 3 passen a formar KCl Per tant, per a cada mol de clorat potàssic descompost obtindrem 1 mol de clorur de potassi Ara només falta igualar l oxigen Cada mol de KClO 3 conté 3 mols d àtoms d oxigen Per tant, quan es descompon 1 mol de clorat de potassi es formaran 3/2 mols de O 2 L equació igualada serà: KClO 3(s) KCl (s) +3/2 O 2(g) Perquè no apareguin coeficients fraccionaris, podem multiplicar per 2 tots els coeficients estequiomètrics: 2 KClO 3(s) 2 KCl (s) +3 O 2(g) 138

43 EXPERIÈNCIA Reacció dels carbonats amb l àcid clorhídric Material i productes: 1 tub d assaig 1 vas de precipitats 1 llumí 1 tub en colze Bocins de marbre Àcid clorhídric diluït Hidròxid de calci Aigua destil lada 1) Col loca en un tub d assaig gran trossos petits de marbre, roca formada sobretot de carbonat de calci Afegeix-hi a continuació àcid clorhídric diluït Hi podràs observar una efervescència provocada pel diòxid de carboni que s obté Si no teniu marbre podeu emprar qualsevol altra roca calcària, tot i que cal tenir en compte que acostumen a tenir més impureses a L equació química corresponent és: CaCO 3(s) + 2 HCl (aq) CaCl 2(aq) + CO 2(g) + H 2 O (l) 2) Si col loques un llumí encès a la boca del tub, s apaga ja que el diòxid de carboni no serveix per a la combustió (Figura a) 3) Pots repetir l experiència utilitzant carbonat de magnesi o carbonat de sodi Anota les teves observacions i escriu les equacions químiques corresponents 4) Observa la figura b Torna a repetir la reacció entre el carbonat de calci i l àcid clorhídric, però fent bombollejar el gas obtingut per una solució saturada d hidròxid de calci anomenada aigua de calç b Aquesta solució permet detectar la presència de CO 2, perquè aquest gas reacciona amb l hidròxid de calci i s obté carbonat de calci insoluble i aigua Observa com la solució d aigua de calç, inicialment incolora, s enterboleix Escriu l equació química corresponent 139

44 II ESTEQUIOMETRIA Analitzar l enunciat Igualar la reacció Convertir les unitats a mols Relacionar els mols Convertir els mols a unitats Analitzar el resultat Exemples 6 Reaccions químiques i càlculs estequiomètrics Una equació química, una vegada igualada, permet relacionar les quantitats de reactius i de productes que intervenen en la reacció química corresponent Això té una gran importància, ja que llavors es poden calcular: La quantitat de reactiu o de reactius necessaris per obtenir una quantitat determinada de producte o de productes de la reacció La quantitat de producte o de productes obtinguts a partir d una quantitat determinada de reactiu que hagi reaccionat Aquests càlculs s anomenen càlculs estequiomètrics i la part de la química que estudia aquestes relacions numèriques és l estequiometria Trobar la quantitat de substància implicada en una reacció química 3 El pentà (líquid), C 5 H 12, reacciona amb el dioxigen, i s obté diòxid de carboni i vapor d aigua: C 5 H 12(l) + 8 O 2(g) 5 CO 2(g) + 6 H 2 O (g) a) Quina quantitat (nombre de mols) de diòxid de carboni, n (CO 2 ), s obté si reaccionen 3 mols de pentà? b) Calcula la massa d aigua obtinguda si reaccionen 360 g de pentà a) L equació química indica que, per cada mol de C 5 H 12 que reacciona, s obtenen 5 mols de CO 2 : 5 mol CO 2 n (CO 2 ) = 3 mol C 5 H 12 = 15 mol de CO 2 1 mol C 5 H 12 b) En primer lloc calculem la quantitat de pentà que reacciona: 1 mol C 5 H 12 n (C 5 H 12 ) = 360 g C 5 H 12 = 5 mol de C 5 H g C 5 H 12 Segons l equació química, per cada mol de pentà que reacciona s obtenen 6 mols d aigua Per tant: 6 mol H 2 O n (H 2 O) = 5 mol C 5 H 12 = 30 mol H 2 O 1 mol C 5 H 12 La massa de 30 mols de H 2 O és: m (H 2 O) = 30 mol H 2 O 18 g H 2 O 1 mol H 2 O = 540 g de H 2 O La massa d aigua obtinguda es pot calcular directament utilitzant successivament els factors de conversió: 1 mol C 5 H 12 6 mol H 2 O 18 g H 2 O m (H 2 O) = 360 g C 5 H g C 5 H 12 1 mol C 5 H 12 1 mol H 2 O = 540 g de H O 2 a b c Quan es multiplica la massa de pentà pel primer factor a, els grams de pentà es converteixen en mols de pentà En multiplicar per b, tindrem els mols d aigua obtinguts que, multiplicats per c, ens donaran la massa, en grams, d aigua obtinguda 140

45 4 El zinc (sòlid) reacciona amb l àcid sulfúric diluït i s obté sulfat de zinc, ZnSO 4 que queda dissolt en l aigua, i el dihidrogen que es desprèn en forma de bombolles de gas a) Escriu l equació química corresponent al procés indicat b) Calcula el volum de dihidrogen mesurat en condicions estàndard (10 5 Pa) a 0 C, que es podrà obtenir en reaccionar 3,28 g de zinc amb un excés d àcid sulfúric a) Zn (s) + H 2 SO 4(aq) ZnSO 4(aq) + H 2(g) b) Segons l equació química, per cada mol de zinc que reacciona s obté un mol de H 2(g) que, a 10 5 Pa i 0 C, ocupa 22,7 dm 3 Utilitzant els factors de conversió corresponents s obté: V (H 2 ) obtingut = 3,28 g Zn 1 mol Zn 1 mol H 2 65,4 g Zn 1 mol Zn 22,7 dm 3 H 2 1 mol H 2 = 1,14 dm 3 H 2 5 Tenim un aliatge lleuger de magnesi i alumini Per conèixer-ne la composició, fem reaccionar 2,00 g d aliatge amb un excés d àcid clorhídric El magnesi i l alumini reaccionen amb l àcid clorhídric i proporcionen, respectivament, clorur de magnesi i clorur d alumini solubles En cada reacció es desprèn dihidrogen Si el dihidrogen obtingut ocupa un volum de 2,02 L, mesurats en CN, calcula la composició, expressada en tant per cent en massa, de l aliatge analitzat Les reaccions que tenen lloc són: Mg (s) + 2 HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2(g) Al (s) + 3 HCl (aq) AlCl 3(aq) H 2(g) El volum total de dihidrogen obtingut és la suma del que s ha obtingut en les dues reaccions Com que s obtenen en condicions normals: 1 mol H 2 2,02 L = 0,09 mol H2 (totals) 22,4 L H 2 Com que partim de 2 g d aliatge, si x és la massa (en grams) de magnesi en la mostra, (2,00 x) serà la massa (en grams) d alumini Es pot plantejar l equació següent, d acord amb l estequiometria de les dues equacions: 1 mol Mg 1 mol H 2 1 mol Al 1,5 mol H 2 x g Mg + (2,00 x) g Al = 0,09 mol H 2 24,3 g Mg 1 mol Mg 27,0 g Al 1 mol Al mols de H 2 producte de la reacció amb el magnesi mols de H 2 producte de la reacció amb l alumini Per trobar el valor de x cal resoldre l equació de primer grau resultant del balanç anterior: Fent les operacions x = 1,45 g x (2,00 x) 1,5 + = 0,09 24,3 27 Per tant, els 2,00 g d aliatge contenen 1,45 g de Mg i 0,55 g de Al Si expressem aquest resultat en tant per cent en massa, tenim: 1,45 g Mg % de Mg = 2,00 g d aliatge % Al = = 28% 100 g aliatge = 72 % Tant el magnesi com l alumini reaccionen amb l àcid clorhídric En una reacció i en l altra es desprèn dihidrogen 141

46 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics 6 El benzè, C 6 H 6, és un líquid a temperatura ordinària Els seus vapors són tòxics i cancerígens La seva densitat a 20 C és de 878 kg/m 3 El benzè crema amb el dioxigen i s obté diòxid de carboni i vapor d aigua Si cremem 200 cm 3 de benzè a 20 C, calcula: a) El volum d aire necessari per a la combustió, mesurat a 20 C i 1, Pa b) La massa de diòxid de carboni obtingut c) El nombre de molècules de vapor d aigua obtingudes Dada: L aire conté un 21% en volum de dioxigen a) L equació química corresponent al procés que ha tingut lloc és: o també: Segons l equació química, per cada mol de C 6 H 6 que reacciona es necessiten 7,5 mols de O 2 La quantitat (nombre de mols) de C 6 H 6 que reacciona és: La quantitat de dioxigen necessària és: Per calcular el volum ocupat pel dioxigen, apliquem: R i R Substituint: El volum d aire necessari és: b) Segons l equació química, per cada mol de C 6 H 6 que reacciona s obtenen 6 mols de CO 2 La massa de CO 2 obtinguda en reaccionar els 2,25 mol de C 6 H 6 és: c) Segons l equació química, per cada mol de C 6 H 6 que reacciona, s obtenen 3 mols de H 2 O El nombre de molècules de H 2 O obtingudes, N(H 2 O), és: = 4, molècules H 2 O Banc d'activitats 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 i

47 61 Reactiu limitant Quan es produeix una reacció química, és gairebé impossible indicar-hi la quantitat estequiomètrica exacta de cada reactiu El més probable és que un dels reactius es transformi completament, i que dels altres en quedi una part El reactiu que s acaba primer és el reactiu limitant Els reactius sobrants són les substàncies que es troben en excés Analitzar l enunciat Igualar la reacció Trobar quin dels reactius és el reactiu limitant Relacionar mols del reactiu limitant Convertir els mols a unitats Analitzar el resultat Fixar el reactiu limitant (A) i calcular la quantitat que necessitarem de l altre (B) El resultat (B) és superior a la dada de l enunciat (B ) El resultat (B) és inferior a la dada de l enunciat (B ) El reactiu triat (A) no és el limitant El reactiu triat (A) és el limitant Exemples Determinar el reactiu limitant 7 A temperatura ambient, el dihidrogen no reacciona amb el dioxigen, però en fer saltar una guspira elèctrica en una mescla d aquests dos gasos, té lloc una reacció química molt violenta: es produeix una explosió El dihidrogen reacciona amb el dioxigen i s obté aigua L equació química corresponent és: 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) Disposem d una mescla formada per 10 g de H 2 i 10 g de O 2 Una vegada que els gasos han reaccionat, calcula el volum de vapor d aigua obtingut mesurat a 200 C i 10 5 Pa Observa que, per cada mol de O 2 que reacciona es necessiten 2 mols de H 2 i s obtenen 2 mols de H 2 O La quantitat inicial de cada reactiu és: 1 mol H 2 1 mol O n (O 2 )= 10 g O 2 2 n (H 2 )= 10 g H 2 = 5,0 mol H 2 = 0,31 mol O 2 2 g H 2 32 g O 2 Si reaccionessin els 5,0 mols de dihidrogen es necessitarien 2,50 mols de dioxigen i només disposem de 0,31 mol de dioxigen Per tant, el dihidrogen hi és en excés, ja que no disposa de prou dioxigen per reaccionar El dioxigen, en canvi, està en defecte; és, per tant, el reactiu limitant La substància que està en defecte, el reactiu limitant, reacciona totalment i consumeix el nombre de mols necessaris de la que es troba en excés En aquest exemple, el dioxigen reaccionarà totalment En acabar la reacció, a més de l aigua obtinguda, quedarà dihidrogen sense reaccionar Per tant, la quantitat de H 2 O obtinguda és: n (H 2 O) = 0,31 mol O 2 2 mol H 2 O 1 mol O 2 = 0,62 mol H 2 O 143

48 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics Per calcular el volum ocupat pel vapor d aigua obtingut s aplica l equació dels gasos perfectes: n R T p V = n R T V = Substituint: p V = 0,62 mol 8,31 J 473 K 10 5 Pa K mol = 0,024 m 3 = 24 dm 3 de vapor d aigua 8 El propà, C 3 H 8(g), és un combustible important En la seva combustió completa s obté diòxid de carboni i vapor d aigua a) Escriu l equació química corresponent a la combustió del propà (gas) b) Inicialment tenim una mescla gasosa formada per 80 cm 3 de dioxigen i 10 cm 3 de propà Una vegada els gasos han reaccionat, calcula el volum final de la mescla gasosa si tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura (Nota: Considera l aigua obtinguda en estat gasós) a) C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g) b) Si tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, el volum ocupat per un mol de propà és el mateix que l ocupat per un d oxigen, de diòxid de carboni o de vapor d aigua Per tant, si: C 3 H 8(g) 1 mol O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g) 5 mol reaccionen 3 mol + 4 mol i s obté també: 1 volum + 5 volums reaccionen i s obté 3 volums + 4 volums Total: 7 volums La mescla reaccionant conté inicialment 10 cm 3 de C 3 H 8 i 80 cm 3 de O 2 D acord amb l equació química, els 10 cm 3 de C 3 H 8 necessiten només 50 cm 3 de O 2 per reaccionar totalment i, per tant, el O 2 hi és en excés El C 3 H 8 hi és en defecte i és, doncs, el reactiu limitant En acabar la reacció, a més de CO 2 i H 2 O (g), quedarà O 2 sense reaccionar Volum de gas obtingut (mescla de CO 2 i H 2 O): V = 10 cm 3 de C 3 H 8 7 cm 3 de gas 1 cm 3 de C 3 H 8 = 70 cm 3 de gas Volum de O 2 sobrant = volum de O 2 inicial volum de O 2 reaccionat = (80 50) cm 3 = 30 cm 3 Volum de la mescla gasosa després de la reacció = 70 cm cm 3 = 100 cm 3 És important observar que, quan es tracta de reaccions entre gasos i tots estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, els coeficients estequiomètrics indiquen també en quina proporció intervenen en la reacció els volums de reactius i productes de la reacció Banc d activitats 13, 14, 15, 16, 17 i

49 62 Impureses dels reactius És difícil tenir reactius amb una puresa del 100% Habitualment presenten restes d altres espècies químiques, que considerem impureses Si en una reacció s obté menys quantitat de productes que els esperats teòricament, pot ser que els reactius no siguin totalment purs, és a dir, que tinguin un cert tant per cent d impureses Analitzar l enunciat Igualar la reacció Convertir les Relacionar els mols Convertir els unitats a mols mols a unitats Analitzar el resultat quantitat de substància pura Aplicar el percentatge de puresa Puresa = 100 quantitat de substància impura Exemple Calcular el percentatge d impureses d una mostra 9 El clorur d amoni (sòlid) reacciona en calent amb una solució d hidròxid de calci i s obté amoníac (gas), clorur de calci i aigua a) Escriu l equació química corresponent al procés indicat b) En reaccionar amb un excés d hidròxid de calci, una mostra de 3,00 g d un clorur d amoni comercial impurificat amb clorur de potassi, s obtenen 1,27 dm 3 d amoníac (gas) mesurats a 20 C i 1, Pa Calcula el tant per cent d impureses que conté la mostra analitzada a) 2 N H 4 Cl (s) + Ca(OH) 2(aq) 2 N H 3(g) + CaCl 2(aq) + 2 H 2 O (l) b) La quantitat de NH 3(g) obtinguda es pot calcular aplicant: Substituint: p V n (NH 3 ) = R T n (NH 3 ) = 1, Pa 1, m 3 8,31 J K -1 mol K = 0,052 mol NH 3 L etiquetatge dels productes químics ha d indicar-ne el grau de puresa D acord amb l equació química, la massa de clorur d amoni que ha reaccionat és: m (NH 4 Cl) = 0,052 mol NH 3 1 mol NH 4 Cl 53,5 g NH 4 Cl = 2,79 g de NH 4 Cl 1 mol NH 3 1 mol NH 4 Cl En 3,00 g de clorur d amoni comercial només 2,79 g són de clorur d amoni pur, i la resta, 0,21 g, són impureses El tant per cent d impureses en la mostra analitzada és: % d impureses = 0,21 g d impureses 3 g de mostra 100 g de mostra = 7,00 % Banc d activitats 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 i

50 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics Analitzar l enunciat Igualar la reacció Convertir les unitats a mols Relacionar els mols Convertir els mols a unitats Analitzar el resultat Aplicar el % del rendiment al resultat teòric de puresa 63 Rendiment d una reacció Moltes vegades en una reacció química s obté una massa més petita de producte del que se n pot esperar teòricament Anomenem rendiment de la reacció la relació entre la massa de producte obtingut i la massa de producte teòric L expressem en tant per cent massa obtinguda Rendiment = 100 massa teòrica Exemples Calcular el rendiment d una reacció 10 La reacció de 6,8 g d àcid sulfhídric, H 2 S (gas), amb excés de diòxid de sofre, SO 2 (gas), produeix 8,2 g de sofre, S (sòlid) i vapor d aigua, H 2 O: Calcula el rendiment d aquesta reacció química 2 H 2 S (g) + SO 2(g) 3 S (s) + 2 H 2 O (g) En primer lloc determinem la màxima quantitat teòrica de sofre que es pot obtenir a partir de 6,8 g de H 2 S (g) 1mol HS 2 3mol S 32 gs 6,8 ghs 2 =9,6 gdes 34 ghs 2mol HS 1mol S 2 2 Dividim la quantitat real de sofre obtinguda per la màxima teòrica, i multipliquem per 100: 8,2 100 = 85,4% 9,6 11 El carbonat de magnesi (sòlid) constitueix el mineral anomenat magnesita En escalfar-lo fortament es descompon en òxid de magnesi (sòlid) i diòxid de carboni Calcula la massa de magnesita (en la qual la riquesa en MgCO 3 és del 90%) necessària per obtenir 10,0 g d òxid de magnesi, si el rendiment de l operació és del 80% L equació química corresponent al procés indicat és: MgCO 3(s) CO 2(g) + MgO (s) Si el rendiment fos del 100%, per cada 100 mols de MgCO 3 descompost obtindríem 100 mols de MgO Atès que el rendiment és del 80%, per cada 100 mols de MgCO 3 obtenim només 80 mols de MgO Per tant, la massa de MgCO 3 (pur) necessària per obtenir els 10,0 g de MgO serà: 1 mol MgO 100 mol MgCO m (MgCO 3 ) = 10 g MgO 3 40,3 g MgO 80 mol MgO 84,3 g MgCO 3 1 mol MgCO 3 = 26,1 g MgCO 3 (pur) Que es disposi d una magnesita del 90% de riquesa, significa que de cada 100 g només 90 g són de MgCO 3 La resta són impureses Per tant, la massa de magnesita necessària serà: m (magnesita) = 26,1 g MgCO 3 100,0 g magnesita 90,0 g MgCO 3 = 29,1 g de magnesita Banc d activitats 30 i

51 III CLASSIFICACIÓ DE LES REACCIONS 7 Tipus de reaccions químiques Hi ha moltes classes de reaccions químiques Des del punt de vista elemental i general es poden classificar en reaccions de combinació, reaccions de descomposició, reaccions de substitució o desplaçament i reaccions de doble descomposició a) Reaccions de combinació Són reaccions en les quals dos o més elements o compostos formen, quan reaccionen, un compost únic Exemples: Na 2 O (s) + H 2 O (l) Cl 2(g) + H 2(g) 2 NaOH (aq) 2 HCl (g) 2 SO 2(g) + O 2(g) 2 SO 3(g) b) Reaccions de descomposició Són reaccions en les quals s obtenen dues o més espècies químiques elements o compostos a partir d un compost determinat Exemples: CaCO (s) CaO (s) + CO 2(g) 2 HgO (s) 2 Hg (l) + O 2(g) KClO 4(s) KCl (s) + 2 O 2(g) c) Reaccions de substitució o desplaçament Són reaccions en què un element en desplaça un altre en un compost Exemples: Zn (s) + CuSO 4(aq) ZnSO 4(aq) + Cu (s) 2 Al (s) + 6 HCl (aq) 2 AlCl 3(aq) + 3 H 2(g) d) Reaccions de doble desplaçament Són reaccions en què dos elements es desplacen mútuament a partir dels compostos que els formen Són reaccions de bescanvi Exemples: AgNO 3(aq) + NaCl (aq) NaNO 3(aq) + AgCl (s) A més de la classificació elemental que s ha explicat, hi ha altres criteris generals per classificar les reaccions químiques, un dels quals, segurament més útil, es refereix a la naturalesa de la reacció química que es produeix Així, hi ha reaccions de neutralització, de precipitació, d oxidació-reducció, d hidròlisi, de complexació, etc a b 3 Moltes reaccions químiques tenen lloc espontàniament a la natura, com per exemple l oxidació del ferro, que és una reacció de combinació (a), o la descarbonatació de les roques calcàries, que és una reacció de desplaçament (b) Banc d activitats 32 i

52 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics L apunt Una solució és més bàsica com més gran és la concentració d ions hidròxid, OH (aq) Algunes bases fortes NaClO: lleixiu, molt utilitzat com a blanquejador i desinfectant NaOH: sosa càustica, utilitzada per exemple, per desembussar clavegueres Algunes bases febles NH 3 : amoníac, utilitzat com a producte de neteja, per curar picades d insectes NaHCO 3 : bicarbonat sòdic, llevat artificial utilitzat en rebosteria per reaccionar amb altres components, alliberar CO 2 i esponjar la massa 8 Reaccions de neutralització Reaccions àcid-base En química, els àcids i les bases són dues famílies de compostos molt importants, i les reaccions àcid-base són algunes de les més destacades en els sistemes químics i biològics Aquestes són algunes de les seves característiques: Àcids Tenen gust agre, n hi ha molts que reaccionen amb alguns metalls, com el zinc, el magnesi, el ferro, etc, i produeixen hidrogen gasós Quan reaccionen amb els carbonats alliberen diòxid de carboni Són capaços de canviar el color d alguns pigments vegetals i en solució aquosa condueixen el corrent elèctric Bases Tenen gust amarg, són sabonoses al tacte, canvien el color d alguns pigments vegetals, però amb un color diferent que els àcids i les seves solucions també són conductores del corrent elèctric La primera explicació sobre la seva naturalesa la va donar Svante August Arrhenius, un químic suec, l any 1884 Va definir l àcid com una substància capaç d alliberar ions H + quan es troba en solució aquosa Així l àcid clorhídric, HCl, l àcid nítric, HNO 3, i l àcid perclòric, HClO 4, són àcids perquè en aigua s ionitzen: HCl (g) HNO 3(l) HClO 4(l) H 2 0 H 2 0 H 2 0 H + (aq) + Cl (aq) H + + NO (aq) 3 (aq) H + + ClO (aq) 4 (aq) Quan un àcid en solució diluïda es pot ionitzar totalment és un àcid fort En cas contrari, quan només allibera una part dels ions hidrogen que té, s anomena àcid feble Una base és una substància que, en solució aquosa, allibera ions OH Així l hidròxid de sodi, NaOH, és una base perquè en aigua s ionitza: NaOH (s) H 2 0 Na + (aq) + OH (aq) La reacció més important dels àcids i les bases és la reacció de neutralització Consisteix en la combinació de H + de l àcid amb l ió OH de la base per tal de donar aigua: H + (aq) + OH (aq) H 2 O (l) Indicadors àcid-base A més de l aigua s obté també una sal Per exemple, es fa reaccionar l àcid clorhídric amb l hidròxid de sodi L àcid clorhídric és un àcid fort que, en solució aquosa, està totalment ionitzat: HCl (aq) H 2 0 H + + (aq) Cl (aq) I l hidròxid de sodi és un compost iònic que, en solució aquosa, està totalment dissociat en els seus ions: (Na +, OH ) (s) Na + (aq) + OH (aq) 4 La mesura de l acidesa o la basicitat d un producte determinat és molt important, tant en els processos naturals com en els industrials i al laboratori, com per exemple en la producció del vi, en la indústria farmacèutica i en la dels cosmètics 148

53 Quan es mesclen totes dues solucions té lloc la reacció de neutralització: Que, en forma iònica, és: HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) àcid + base sal + aigua H + (aq) + Cl (aq) + Na+ (aq) + OH (aq) Na+ (aq) + Cl (aq) + H 2 O (l) Com es pot observar, els ions Cl i Na + no intervenen en la reacció, estan igual al principi que al final de la reacció; són contraions o ions espectadors Per tant, la reacció real de neutralització és: H + (aq) + OH (aq) H 2 O (l) La sal que s obté, cristal litzada si s evapora l aigua, prové de l anió de l àcid i del catió de l hidròxid En general, quan es neutralitza una solució d un àcid amb un hidròxid o viceversa, s obté aigua i una solució d una sal en aigua (si la sal és soluble) Aquestes reaccions s anomenen de neutralització perquè les propietats de l àcid queden «neutralitzades» per l acció de la base i viceversa L escala de ph L apunt El grau d acidesa o basicitat d una solució s expressa fent servir una escala numèrica que va del 0 al 14 L escala de colors correspon a la del paper indicador d ús més habitual Més àcid Més bàsic Àcid clorhídric Suc de llimona Vinagre Vi Suc de tomàquet Aigua destil lada Aigua de mar Bicarbonat de sodi Pasta de dents Amoníac Lleixiu Exemple Calcular l àcid necessari per a una neutralització 12 Una solució conté 0,56 g d hidròxid de potassi dissolt, KOH (aq) Calcula el volum d àcid sulfúric, H 2 SO 4(aq) 0,10 mol/dm 3 necessari per a la seva neutralització La reacció química corresponent a la neutralització de l hidròxid amb l àcid és: H 2 SO 4(aq) + 2 KOH (aq) K 2 SO 4(aq) + 2 H 2 O (l) Segons l equació, cada mol de H 2 SO 4, reacciona amb 2 mols de KOH Per tant, els mols de H 2 SO 4 necessaris per neutralitzar els 0,56 g de KOH són: n (H 2 SO 4 )= 0,56 g KOH 1 mol KOH 56 g KOH 1 mol H 2 SO 4 2 mol KOH = mol H 2 SO 4 El volum de solució àcida necessari per a la neutralització serà: 1 dm V solució = mol H 2 SO 4 = 0,050 dm 3 = 50 cm 3 0,10 mol H 2 SO 4 Emula quantitativament diferents reaccions de neutralització Si afegim unes gotes d un indicador anomenat fenolftaleïna a una solució d un hidròxid, apareix un color rosa violat característic 149

54 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics EXPERIÈNCIA Determinació de l acidesa d un vinagre utilitzant una solució d hidròxid de sodi de concentració coneguda Material i productes: Matràs aforat de 250 cm 3 Matràs d Erlenmeyer de 200 cm 3 Pipeta graduada de 25 cm 3 Bureta de 50 cm 3 Vas de precipitats de 100 cm 3 Suport Pinces de bureta Solució d hidròxid de sodi, 0,2 mol/dm 3 Fenolftaleïna (indicador) Vinagre de color clar Aigua destil lada L acidesa del vinagre és deguda a l àcid acètic, CH 3 COOH, que conté L equació química corresponent a la reacció de neutralització de l àcid amb l hidròxid de sodi és: CH 3 COOH (aq) + NaOH (aq) CH 3 COONa (aq) + H 2 O (l) Procediment 1) Mesura amb la pipeta 25 cm 3 de vinagre i introdueix-los en un matràs aforat de 250 cm 3 2) Afegeix-hi aigua fins a l enrasament Cal agitar-ho bé 3) Neteja la bureta i esbandeix-la amb uns 5 cm 3 de la solució de NaOH 4) Afegeix a la bureta uns 40 cm 3 de la solució de NaOH Obre la clau i deixa sortir suaument la solució fins que s ompli la punta de la bureta Anota el volum inicial 5) Introdueix a l Erlenmeyer 15 cm 3 de la solució continguda en el matràs aforat 6) Afegeix-hi 50 cm 3 d aigua i dues gotes de fenolftaleïna Agita-ho 7) Afegeix-hi lentament la solució bàsica, agitant al mateix temps l Erlenmeyer 8) Atura t quan la solució adquireixi un dèbil color rosat 9) Anota el volum consumit de la solució bàsica 10) Repeteix la neutralització dues o tres vegades 11) Amb les dades obtingudes, calcula els grams d àcid acètic dissolts en cada litre de vinagre de partida Observa que en aquesta experiència s ha determinat la massa de l àcid present en una solució a partir de la solució d una base de concentració coneguda Aquest mètode quantitatiu d anàlisi s anomena anàlisi volumètrica Exemple Determinar la concentració d ions d una solució 13 Es mesclen 100 cm 3 de solució d hidròxid de bari 0,1 mol/dm 3 (solució 1) amb 50 cm 3 d àcid clorhídric de la mateixa concentració (solució 2) Suposant volums additius, calcula: a) La concentració d ions hidròxid en la solució obtinguda b) La nova concentració d ions bari (Nota: volums additius significa que, quan es barregen dues solucions, el volum total obtingut és la suma dels volums mesclats) a) L àcid clorhídric és un àcid fort i en solució diluïda es troba totalment ionitzat: HCl (aq) Cl (aq) + H+ (aq) L hidròxid de bari, Ba(OH) 2, és un compost iònic En solució aquosa es troba totalment dissociat: (Ba 2+, 2 OH ) s aigua Ba 2+ (aq) + 2 OH (aq) 150

55 Quan es mesclen les dues solucions, té lloc la reacció de neutralització: 2 HCl (aq) + Ba(OH) 2(aq) BaCl 2(aq) + 2 H 2 O (l) Que en forma iònica és: H (aq) + 2 Cl (aq) + Ba (aq) + 2 OH (aq) Ba (aq) + 2 Cl (aq) + 2 H 2 O (l) S observa que els ions Cl i els ions Ba 2+ no intervenen d una manera directa en el procés, ja que es troben de la mateixa manera al principi i al final de la reacció Per tant, la reacció de neutralització és: H + (aq) + OH (aq) H 2 O (l) Abans de mesclar les dues solucions, tenim: 0,1 mol Ba(OH) Solució 1: n (OH )= 0,1 dm mol OH = 0,02 mol OH 1 dm 3 1 mol Ba(OH) 2 0,1 mol HCI 1 mol H + Solució 2: n (H + )= 0,05 dm 3 1 dm 3 1 mol HCl = 0,005 mol H + Quan es mesclen totes dues solucions, 0,005 mol H + reaccionen amb 0,005 mol OH i s obtenen 0,005 mol H 2 O Els ions OH hi són en excés La quantitat de OH que no reacciona és: n (OH ) = 0,02 0,005 = 0,015 mol OH Si el volum total de la solució és ( ) cm 3, la concentració d ions hidròxid en la solució resultant és: [OH ] = 0,015 mol OH 0,150 dm 3 solució = 0,1 mol/dm 3 b) La quantitat d ions bari és la mateixa al principi que al final de la reacció, però no la seva concentració 0,1 mol Ba(OH ) n (Ba 2+ )= 0,1 dm mol Ba 2+ = 0,01 mol Ba 2+ 1 dm 3 1 mol Ba(OH) 2 La concentració d ions bari final és: [Ba 2+ ] = 0,01 mol Ba 2+ = 0,07 mol/dm 3 0,150 dm 3 solució Banc d activitats

56 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics 9 Reaccions de precipitació Les reaccions de precipitació es caracteritzen per la formació d un producte sòlid que s anomena precipitat La formació del precipitat és deguda al fet que una de les substàncies formades no és soluble en l aigua i, per tant, resta en forma sòlida Per exemple, si es mesclen una solució de clorur de sodi amb una altra de nitrat de plata es forma un precipitat de clorur de plata de color blanc: NaCl (aq) + AgNO 3(aq) NaNO 3(aq) + AgCl (s) Si escrivim aquesta reacció en forma iònica tenim: Na + (aq) + Cl (aq) + Ag+ (aq) + NO3 (aq) Na+ (aq) + NO3 (aq) + AgCl (s) Els ions sodi i nitrat no intervenen directament en la reacció Són contraions o ions espectadors Com que el nitrat de sodi és una sal soluble, queda a la solució, però el clorur de plata és insoluble i per això precipita en forma sòlida A més de la temperatura, la solubilitat d una substància iònica depèn de la naturalesa del seu reticle cristal lí Així hi ha sals molt solubles, com tots els nitrats, els acetats, els clorats i els perclorats dels metalls alcalins; en canvi la majoria dels sulfurs, hidròxids i carbonats (excepte els de metalls alcalins) són insolubles EXPERIÈNCIA Obtenció d un compost insoluble Material i productes: Vas de precipitats de 100 cm 3 Solució de nitrat de plata, AgNO 3(aq) Solució de iodur de potassi, KI (aq) 1) Col loca en un tub d assaig 5 cm 3 de solució de nitrat de plata 2) Afegeix-hi a continuació 2 o 3 cm 3 de solució de iodur de potassi 3) Observa la formació d una substància de color groc insoluble en aigua: s ha obtingut un precipitat de iodur de plata L equació química corresponent al procés indicat és: AgNO 3(aq) + KI (aq) AgI (s) + KNO 3(aq) Com que en la solució aquosa la majoria de les sals estan totalment ionitzades, l equació química anterior escrita en forma iònica és: + Ag (aq) + NO 3(aq) + K (aq) + I (aq) AgI (s) +K (aq) + NO 3(aq) + + Observa que els ions nitrat, NO 3, i els ions potassi, K +, no intervenen de manera directa en el procés, ja que es troben de la mateixa manera al principi com al final de la reacció Per tant, la reacció que en realitat ha tingut lloc es pot expressar per l equació iònica: + Ag (aq) + I (aq) AgI (s) 4) Repeteix l experiència utilitzant una solució de clorur de sodi o clorur de potassi en comptes d una de iodur de potassi Anota les observacions Quina reacció química creus que ha tingut lloc? El precipitat groc és iodur de plata 152

57 Exemple Calcular la massa obtinguda en una reacció de precipitació 14 Si se sap que el sulfat de plom(ii) és un compost molt insoluble, calcula la massa de sulfat de plom(ii) que s obtindrà quan es mesclin 200 cm 3 d una solució de nitrat de plom(ii) 0,10 mol dm 3 amb 300 cm 3 d una solució de sulfat de sodi 0,20 mol dm 3 Quan es mesclen les solucions de nitrat de plom(ii) i sulfat de sodi té lloc la reacció: Pb(NO 3 ) 2(aq) + Na 2 SO 4(aq) 2 NaNO 3(aq) + PbSO 4(s) Com que el sulfat de plom(ii) és una sal molt insoluble, no es pot quedar dissolta i precipita en forma sòlida La reacció iònica és: Pb 2+ + SO 2 PbSO (1) (aq) 4 (aq) 4(s) Per tant, per saber la massa de precipitat obtinguda cal calcular primerament la quantitat d ions Pb 2+ 2 i SO 4 presents en la solució: 0,10 mol Pb (NO 3 ) 2 1 mol Pb 2+ n (Pb 2+ ) = 0,200 dm 3 solució = 0,020 mol Pb 2+ 1 dm 3 solució 1 mol Pb (NO 3 ) 2 0,20 mol Na 2 SO 4 1 mol SO 2 4 n (SO 2 ) = 0,300 4 dm3 solució = 0,060 mol SO dm 3 solució 1 mol Na 2 SO 4 Segons l equació (1), per cada ió plom(ii) necessitem un ió sulfat, per tant, els ions sulfat estan en excés i són els ions plom(ii) els que reaccionaran totalment La massa de sulfat de plom(ii) obtinguda és: m (PbSO 4 ) = 0,02 mol Pb 2+ 1 mol PbSO 4 303,3 g PbSO 4 = 6,07 g PbSO 4 1 mol Pb 2+ 1 mol PbSO 4 D O C U M E N T Aigües dures i aigües blanes Les propietats i els usos de l aigua depenen molt de la quantitat d ions calci i magnesi que hi són presents Des d aquest punt de vista, les aigües es classifiquen en crues o molles, anomenades tècnicament dures, i en fines o fades, tècnicament blanes Una aigua dura conté en solució quantitats importants (de l ordre de 50 mg/l o més) d ions Ca 2+ i Mg 2+ Qualsevol altre ió de metall pesant, com per exemple l ió Fe 2+, contribueix a la duresa de l aigua Aquests ions reaccionen amb el sabó i s obté una substància insoluble, que impedeix la formació d escuma i perjudica, per tant, el rentat Aquestes aigües no couen bé els llegums Una aigua blana és la que, ja d origen o bé per tractament de desenduriment, conté en solució quantitats molt petites o nul les d ions calci, magnesi o altres metalls pesants Cou bé els llegums Els detergents sintètics utilitzats actualment tenen l avantatge que no reaccionen amb els ions calci i magnesi L aigua dura es pot tornar blana afegint-hi carbonat de sodi o potassi, gràcies a la precipitació dels ions calci i magnesi en sals de carbonats, o bé per mitjà d intercanvi iònic amb resines sintètiques 153

58 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics 10 Reaccions d oxidació-reducció Les reaccions d oxidació-reducció, o d una manera més simplificada reaccions redox, són reaccions de transferència d electrons És a dir, una espècie química cedeix un o més electrons a una altra espècie química que els accepta El primer concepte d oxidació, enunciat ja per Lavoisier el 1778, era el de la combinació d una substància amb l oxigen Les reaccions següents són exemples de processos d oxidació: 4 Na (s) + O 2(g) 2 Na 2 O (s) (1) 4 Fe (s) + 3 O 2(g) 2 Fe 2 O 3(s) (2) 2 Mg (s) + O 2(g) 2 MgO (s) (3) Diem que el sodi, el ferro i el magnesi s han oxidat o que han experimentat una oxidació La disminució o pèrdua d oxigen en un compost s anomena reducció 5 L obtenció industrial dels metalls a partir dels seus compostos es fa amb processos redox Les reaccions següents són exemples de processos de reducció: 2 HgO (s) 2 Hg (l) + O 2(g) Fe 2 O 3(s) + C (s) 2 FeO (s) + CO (g) Obtenció del plom L òxid de mercuri(ii) es «redueix» a metall i l òxid de ferro(iii) es redueix a òxid de ferro(ii) Una vegada coneguda l estructura interna dels àtoms i observant el canvi electrònic que té lloc en els processos descrits, el concepte d oxidació-reducció es va poder estendre a reaccions en les quals no intervé l oxigen, amb la qual cosa el camp de les reaccions redox quedà molt ampliat Es considera de nou la reacció d oxidació del sodi (reacció 1) Tenint en compte que l òxid de sodi és un compost iònic, es pot escriure: 4 Na (s) + O 2(g) 2 (2 Na +, O 2 ) s Quan es forma l òxid de sodi, el sodi perd electrons Els electrons que perd el sodi, els guanya l oxigen: 4 Na 4 Na e O e 2 O 2 Anàlogament, en les reaccions (2) i (3), el ferro i el magnesi, quan reaccionen, perden electrons i l oxigen els guanya Des del punt de vista electrònic, el Na, Fe i Mg, quan s oxiden, perden electrons Es considera ara la reacció següent en què no intervé l oxigen: Cl 2(g) + 2 Na (s) 2 (Na +, Cl ) s Tenint en compte el balanç electrònic: 2 Na 2 Na e Cl e 2 Cl La reacció del clor amb el sodi és anàloga a la formació de l òxid de sodi El clor fa el paper de l oxigen en les reaccions anteriors 154

59 Així doncs, des del punt de vista electrònic, el concepte d oxidació-reducció és més ampli: Una oxidació és un procés en què una espècie química (àtom, molècula o ió) perd electrons Una reducció és un procés en què una espècie química (àtom, molècula o ió) guanya electrons S anomena oxidant tota espècie química que pot provocar una oxidació Un oxidant, quan reacciona, es redueix S anomena reductor tota espècie química que pot provocar una reducció Un reductor, quan reacciona, s oxida Sempre que una espècie química guanyi electrons, n hi ha d haver una altra que, simultàniament, els perdi En la reacció global, anomenada reacció redox, el nombre d electrons guanyats per l oxidant és igual al nombre d electrons perduts pel reductor Tots els metalls són reductors, ja que quan reaccionen sempre es converteixen en ions positius Els metalls alcalins i els alcalinoterris són reductors «forts», és a dir, amb poca energia, perden fàcilment electrons Entre els no-metalls, l hidrogen i el carboni s usen freqüentment com a agents reductors Com a agents oxidants, són d ús freqüent els halògens i l oxigen Són oxidants «forts», molt usats, l àcid nítric concentrat, els nitrats, els permanganats, els dicromats, l ió ceri(iv), etc 6 El sofre reacciona amb el sodi i s obté sulfur de sodi En aquesta reacció, el sofre guanya electrons, és l oxidant, i el sodi els perd, és el reductor 7 El permanganat de potassi, KMnO 4 i el dicromat de potassi, K 2 Cr 2 O 7 en solució aquosa, són molt usats al laboratori com a agents oxidants Hi ha reaccions entre compostos covalents en què no hi ha una transferència real d electrons i, això no obstant, també són considerades reaccions redox D acord amb el concepte de nombre d oxidació, es diu que: Una oxidació és un procés en què l àtom d una espècie química augmenta el seu nombre d oxidació Reaccions en cadena Una reducció és un procés en què l àtom d una espècie química disminueix el seu nombre d oxidació Així, per exemple, en la reacció: C (s) + O 2(g) CO 2(g) El carboni s oxida, perquè passa de nombre d oxidació 0 a +IV Els àtoms d oxigen es redueixen, perquè el nombre d oxidació disminueix de 0 a II 155

60 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics EXPERIÈNCIA Realització d una volumetria redox Material i productes: Pipeta Aigua destil lada Matràs aforat de 100 cm 3 Solució problema de peròxid d hidrogen (aigua oxigenada) Matràs d Erlenmeyer Solució d àcid sulfúric 6 M Bureta Solució de permanganat potàssic 0,02 M Es tracta de determinar la composició d una solució de peròxid d hidrogen, fent-la reaccionar en medi àcid amb una solució de permanganat de potassi de concentració coneguda L equació química corresponent a la reacció que té lloc és: 2 KMnO 4(aq) + 5 H 2 O 2(aq) + 3 H 2 SO 4(aq) 2 MnSO 4(aq) + 5 O 2(g) + 8 H 2 O (l) + K 2 SO 4 L equació iònica és: 2 MnO 4 (aq) + 5 H 2 O 2(aq) + 6 H+ (aq) 2 Mn 2+ (aq) + 5 O 2(g) + 8 H 2 O (l) color violeta incolor incolor incolor incolor incolor en solució diluïda Observa que els ions SO 4 2 i els ions K +, ambdós incolors, no intervenen en el procés Per fer aquesta experiència s utilitza aigua oxigenada comprada a la farmàcia 1) Mesura amb una pipeta, que cal rentar prèviament amb aigua destil lada i solució problema, 10 cm 3 de la solució que vols valorar 2) Posa el líquid en un matràs aforat de 100 cm 3 3) Afegeix-hi aigua destil lada a poc a poc i agita-ho per homogeneïtzar el contingut del matràs 4) Completa-ho amb molt de compte fins a la marca d aforament 5) Afegeix-hi les últimes gotes d aigua amb un comptagotes o una pipeta 6) Renta de nou la pipeta amb aigua i uns cm 3 de la solució diluïda 7) Mesura amb la pipeta 10 cm 3 de la solució diluïda i passa ls a un Erlenmeyer 8) Dilueix-ho amb uns 25 cm 3 d aigua i afegeix-hi 10 cm 3 d àcid sulfúric 6 M 9) A continuació, vés afegint-hi solució de permanganat de potassi 0,02 M continguda en una bureta, agitant al mateix temps la solució de l Erlenmeyer, fins aconseguir el punt final, que és fàcil de visualitzar, ja que l única espècie acolorida que intervé en la reacció és l ió MnO 4 Mentre hi hagi H 2 O 2 en la solució que volem valorar, el medi és incolor (Figura a), però una gota en excés de permanganat de potassi fa que la solució adquireixi una pàl lida coloració violeta permanent (Figura b) Amb el volum de solució de permanganat de potassi utilitzat, calcula la composició de l aigua oxigenada del flascó d origen Expressa el resultat en g/l Repeteix l operació Els resultats han de concordar a b Valoració de peròxid d hidrogen amb permanganat de potassi 0,02 mol dm 3 a) La decoloració immediata dels ions permanganat indica que a l Erlenmeyer hi ha peròxid d hidrogen sense reaccionar b) Punt final de la valoració Observa que en aquesta volumetria redox s utilitza com a indicador el mateix reactiu valorant 156

61 Exemple Calcular el percentatge d un component d una mostra 15 El permanganat de potassi és un oxidant enèrgic quan reacciona en medi àcid Per exemple, en presència d àcid sulfúric, pot oxidar l ió ferro(ii) a ió ferro(iii): 2 KMnO 4(aq) + 10 FeSO 4(aq) + 8 H 2 SO 4(aq) 2 MnSO 4(aq) + 5 Fe 2 (SO 4 ) 3(aq) + K 2 SO 4(aq) + 8 H 2 O (l) Una mostra d 1,00 g de sulfat de ferro impurificat amb sulfat de sodi necessita 25 cm 3 d una solució de KMnO 4 de concentració 0,01 mol/dm 3 per oxidar tots els ions Fe 2+ presents a la mostra Calcula, amb aquestes dades, el percentatge de sulfat de ferro(ii) a la mostra analitzada Segons l equació química es necessiten 2 mols de KMnO 4 per reaccionar amb 10 mols de FeSO 4, per tant: m (FeSO 4 ) = 0,025 dm 3 solució = = 0,19 g FeSO 4 De tota la massa de mineral, només 0,19 grams són de sulfat de ferro (II) El percentatge de sulfat de ferro (II) a la mostra és: % (FeSO 4 ) = 0,19 g FeSO 4 1,0 g mostra 100 g mostra = 19,0% EXPERIÈNCIA Reacció del clorur de coure(ii) i l alumini Material i productes: Vas de precipitats de 100 cm 3 Làmina d alumini Solució de clorur de coure(ii) Clau de ferro 1) Col loca, en un vas de precipitats de 100 cm 3, uns 25 cm 3 de solució blava de clorur de coure (II) 2) Introdueix en la solució una làmina d alumini (Fig a) Podràs observar la formació d un dipòsit de coure sobre l alumini La solució empal lideix lentament (Fig b) L equació química corresponent al procés indicat és: L equació química escrita en forma iònica és: 3CuCl 2(aq) + 2Al (s) solució blava 3Cu (s) + 2AlCl 3(aq) solució incolora 2+ 3Cu (aq) + 6Cl (aq) + 2Al (s) Cu (s) + 2Al (aq) color blau incolor Cl (aq) Observa que els ions clorur, Cl, són presents tant al principi com al final de la reacció Per tant, la reacció que en realitat ha tingut lloc ve expressada per l equació iònica: 3 Cu 2+ (aq) + 2 Al (s) 3 Cu (s) + 2 Al3+ (aq) a b En aquesta reacció, l alumini és el reductor i l ió coure(ii) és l oxidant Els ions clorur són ions espectadors Per què la solució empal lideix lentament? Repeteix la mateixa experiència utilitzant un clau de ferro Banc d activitats 35 i

62 I V CARACTERÍSTIQUES DE LES REACCIONS 11 Reaccions químiques i energia Totes les reaccions químiques van acompanyades d alliberament o absorció d energia: En la formació d un enllaç s allibera energia Per trencar qualsevol enllaç es necessita aportar energia 8 La reacció entre el zinc i l àcid sulfúric desprèn energia en forma de calor És una reacció exotèrmica Si toquem les parets del tub d assaig, podrem comprovar que està calent En les reaccions en què els productes tenen menys energia que els reaccionants, l excés d energia s allibera quan la reacció té lloc Així, la reacció del zinc amb l àcid sulfúric és: Zn (s) + H 2 SO 4(aq) ZnSO 4(aq) + H 2(g) i va acompanyada de despreniment d energia en forma de calor (Fig 8) Totes les reaccions químiques que tenen lloc amb alliberament d energia en forma de calor s anomenen exotèrmiques En les reaccions en què els productes tenen més energia que els reactius, cal aportar contínuament energia perquè tingui lloc la reacció Per exemple, per descompondre l òxid de mercuri(ii) en mercuri i oxigen: 9 El tub d assaig conté òxid de mercuri(ii) de color ataronjat En escalfar-lo, es descompon en mercuri i oxigen És una reacció endotèrmica Observa les petites gotes de mercuri que apareixen a les parets del tub d assaig HgO (s) Hg (l) O 2(g) cal escalfar-lo Si s allunya el focus calorífic, la reacció s atura Aquesta reacció química, per tant, absorbeix energia en forma de calor (Fig 9) Totes les reaccions químiques que tenen lloc amb absorció d energia en forma de calor s anomenen endotèrmiques Energia potencial Energia potencial Reacció exotèrmica Complex activat Energia d activació Reactius Energia d activació Reactius Avanç de la reacció Reacció endotèrmica Complex activat Avanç de la reacció ΔH < 0 Productes Productes ΔH > 0 Quan una reacció es realitza a pressió constant, l energia, en forma de calor, despresa o absorbida, s anomena variació d entalpia (estudiaràs amb més detall aquest concepte a la unitat 6) i se simbolitza amb el símbol ΔH Quan ΔH és negatiu, els reactius tenen més energia que els productes i la reacció és exotèrmica; quan ΔH és positiu, els reactius tenen menys energia que els productes i la reacció és endotèrmica (Fig 10): ΔH < 0 reacció exotèrmica ΔH > 0 reacció endotèrmica Ara bé, en una reacció química, l energia no sempre s absorbeix o se cedeix en forma de calor, encara que sigui el més freqüent Així, per exemple, quan reacciona el magnesi metall de color gris amb el dioxigen, es forma òxid de magnesi de color blanc i l energia es desprèn majoritàriament en forma d emissió de llum 10 En les reaccions exotèrmiques l energia necessària per iniciar la reacció és menor que l energia total alliberada (que pot ser en forma de calor o de llum) En una reacció endotèrmica, la calor es posa al costat dels reactius, ja que és necessària i absorbida durant la reacció 2 Mg (s) + O 2(g) 2 MgO (s) Per contra, la reacció de la síntesi es produeix en les plantes verdes amb absorció de llum 6 CO 2(g) + 6 H 2 O (l) C 6 H 12 O 6(s) + 6 O 2(g) 158

63 En efectuar una electròlisi, per exemple, de l aigua acidulada, es desprèn dioxigen en l ànode i dihidrogen en el càtode, és a dir, a partir d aigua s obté dihidrogen i dioxigen: H 2 O (l) H 2(g) O 2(g) Aquesta reacció química ha estat possible gràcies a una energia elèctrica consumida Una pila voltaica o un generador de corrent continu proporciona l energia elèctrica necessària per descompondre l aigua en els seus elements Així mateix, l energia obtinguda en una reacció química pot aparèixer en forma d energia elèctrica Aquest fenomen té lloc en les piles voltaiques El procés que es desenvolupa a dins d una pila és invers al que s efectua durant l electròlisi Dins de la pila voltaica té lloc una reacció química que produeix energia elèctrica La part de la ciència que estudia els intercanvis d energia que tenen lloc en els processos físics, químics o nuclears s anomena termodinàmica EXPERIÈNCIA Observació de la relació entre reaccions químiques i energia Material i productes: Càpsula de ceràmica Vareta de vidre Tub d assaig Sulfat de coure(ii) pentahidratat Bunsen, gradeta i trípode Sucre 1) Col loca en una càpsula uns 5 g de petits cristalls de sulfat de coure(ii) pentahidratat, CuSO 4 5 H 2 O, sòlid de color blau (Figura a) 2) Escalfa durant uns minuts el contingut de la càpsula mentre el remenes amb una vareta de vidre Obtindràs un sòlid blanc, que és sulfat de coure(ii) anhidre, CuSO 4 (Figura b) Aquest procés és exotèrmic o endotèrmic? 3) Deixa refredar la càpsula i el seu contingut Si afegeixes aigua gota a gota sobre el sòlid blanc i fred, el color blau torna a aparèixer (Figura c) Toca les parets de la càpsula El procés és ara exotèrmic o endotèrmic? a b c 4) Col loca en un tub d assaig uns 2 g de sucre i escalfa ls durant uns minuts 5) Observa com el sucre es fon i després es va transformant, a poc a poc, en una substància espessa anomenada caramel Si el continues escalfant, obtindràs un sòlid negre i porós; és carboni pur Durant l escalfament podràs observar com a les parets del tub es condensen petites gotes d aigua Si la fórmula molecular del sucre o sacarosa és C 12 H 22 O 11 i es transforma en carboni i vapor d aigua, escriu l equació química corresponent i indica si el procés és exotèrmic o endotèrmic 159

64 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics 12 Velocitat de les reaccions químiques EXPERIÈNCIA Observació de la velocitat d una reacció química Material i productes: Vas de precipitats Granalla de zinc Vidre de rellotge Fragment de sodi Aigua destil lada Claus de ferro Àcid sulfúric 1) Afegim una petita quantitat de zinc, dividit finament, sobre àcid sulfúric contingut en un vas de precipitats o en un tub d assaig La reacció entre el metall i l àcid s inicia instantàniament i al cap de molt poca estona tot el zinc ha desaparegut i hem obtingut sulfat de zinc, soluble en aigua, i s ha desprès dihidrogen La reacció és ràpida i exotèrmica 2) Afegim un tros petit de sodi (més petit que una llentia) a l aigua La reacció del sodi amb l aigua és rapidíssima i exotèrmica Reacció del sodi amb l aigua 3) En canvi, si exposem un tros de ferro a la intempèrie, reacciona lentament amb l oxigen de l aire (diem que el ferro es rovella) La reacció és molt lenta Per aconseguir observar la formació d una capa d òxid de color groguenc, cal que passin hores i, de vegades, fins i tot dies Reacció del sodi amb l aigua L experiència ensenya que totes les reaccions químiques necessiten un cert temps per completar-se, però algunes reaccions químiques són molt ràpides i, en canvi, d altres poden ser molt lentes La velocitat d una reacció és la quantitat de substància reaccionant que es transforma o desapareix en la unitat de temps i per unitat de volum En el primer exemple proposat (zinc més àcid sulfúric), la velocitat de reacció és gran, ja que reacciona o es transforma molt de zinc en cada segon La reacció entre el sodi i l aigua es produeix a una velocitat encara més gran En el tercer exemple, la reacció es produeix a molt poca velocitat, ja que la quantitat de ferro rovellat en un segon és molt petita És important per al químic poder controlar una reacció, és a dir, augmentar-ne o disminuir-ne la velocitat com li convingui Com podem disminuir la velocitat de la reacció entre el zinc i l àcid sulfúric i augmentar la velocitat de la reacció entre el ferro i el dioxigen? Observa que una espelma, una estella de fusta o un fragment de carbó poden estar en contacte amb l aire sense que passi res Però, per què n hi ha prou de començar la reacció amb l escalfor d un llumí o una petita flama perquè l espelma, la fusta o el carbó reaccionin amb el dioxigen fins a consumir-se del tot? Per què una mescla de gas butà (o gas natural) i aire pot estar sense reaccionar durant un temps indefinit, però n hi ha prou amb la reacció d un llumí encès o que salti una guspira per provocar una reacció ràpida i fins i tot una explosió? Per respondre aquestes preguntes aprofundirem primer una mica més en l estudi de la reacció química Banc d activitats

65 13 Model dels xocs moleculars Els sòlids, els líquids i els gasos estan formats per àtoms, molècules i ions Segons el model cineticomolecular de la matèria, es pot establir que en els gasos les partícules estan en moviment continu, xoquen les unes amb les altres i contra les parets del recipient que les conté Passa el mateix amb els líquids, però les seves partícules estan més juntes i la velocitat és més baixa En els sòlids, les partícules ocupen posicions determinades i només vibren al voltant d una posició de mínima energia En comunicar calor o una altra forma d energia a un cos, les partícules que el formen reben l energia esmentada i augmenten la velocitat; per tant, augmenten l energia cinètica Perquè es produeixi una transformació química és condició necessària que les partícules que reaccionen ja siguin àtoms, molècules o ions xoquin les unes amb les altres Però no tots els xocs entre les partícules que constitueixen els reactius produeixen un canvi químic; n hi ha que en xocar reboten sense experimentar cap mena de transformació Donada la reacció química entre gasos: I 2(g) + H 2(g) 2 HI (g) per tal que es produeixi una reacció química cal que xoquin les molècules de iode i hidrogen i, a més, amb prou energia per trencar els enllaços I I i H H Si la velocitat que tenen les molècules en el moment del xoc és petita les molècules tenen poca energia, reboten sense produir reacció química Així doncs: Perquè tingui lloc una reacció química, cal que les partícules posseeixin una energia superior a la de les partícules que només xoquen i reboten a) Col lisió eficaç Abans de la collisió Collisió Després de la collisió b) Col lisió ineficaç Abans de la collisió Collisió Després de la collisió A temperatura ordinària les molècules de l atmosfera (dinitrogen, dioxigen, diòxid de carboni, vapor d aigua, etc) xoquen entre elles sense donar lloc a reaccions químiques En física, el terme cinemàtica fa referència a l estudi del moviment dels cossos sense tenir en compte les causes que el provoquen L energia cinètica és l energia que té un cos pel fet de tenir moviment, i per tant, velocitat En química la cinètica també fa referència a la velocitat La cinètica química és la part d aquesta matèria que estudia la velocitat de les reaccions, quins factors la determinen i com podem modificar-la 161

66 5 Reaccions químiques Càlculs estequiomètrics 14 Factors que influeixen en la velocitat d una reacció 141 Efecte de la concentració EXPERIÈNCIA Observació de l efecte de la concentració Materials i productes: tres tubs d assaig, solució d àcid sulfúric en tres concentracions (concentrada, diluïda i molt diluïda), granalla de zinc Seguint la reacció següent: H 2 SO 4 + Zn ZnSO 4 + H 2 1) Col loca la mateixa quantitat de zinc en tres tubs d assaig 2) Al primer tub afegeix-hi 10 cm 3 d àcid sulfúric concentrat, Al segon tub, 10 cm 3 d àcid sulfúric diluït, al tercer, 10 cm 3 d àcid sulfúric molt diluït 3) Observa que la velocitat de la reacció és més gran al 1r tub, després al 2n, i la reacció més lenta té lloc al 3r tub Aquests resultats experimentals estan en consonància amb el model de xocs moleculars En efecte, quan la concentració de l àcid augmenta, augmenta el nombre de partícules per unitat de volum, els xocs contra la superfície del zinc són més freqüents i això ocasiona un augment de la velocitat de la reacció Una disminució de la concentració de l àcid produeix l efecte contrari: disminueix la velocitat de la reacció 142 Efecte de l estat de divisió d un sòlid Concentració i velocitat d una reacció Si en una reacció química un dels reactius és un sòlid i l altre un líquid (o gas), la velocitat de la reacció augmenta quan augmenta la superfície de contacte entre el sòlid i el líquid (o el gas) Per tant, com més finament estigui dividit el sòlid, més ràpidament reaccionarà Així, per exemple, la fusta crema amb l oxigen de l aire i s obté diòxid de carboni, vapor d aigua i cendres Però un tronc gran de fusta crema lentament, la velocitat de la reacció és petita 143 Efecte de la temperatura Experimentalment podem observar que la velocitat d una reacció augmenta quan augmenta la temperatura del sistema que reacciona Segons el model dels xocs moleculars, quan augmenta la temperatura d una substància les partícules augmenten la velocitat, és a dir, es mouen més de pressa i l energia cinètica a que duen és més gran Per tant, augmentarà el nombre de xocs per unitat de temps i també augmentarà l eficàcia dels xocs Responent a les preguntes formulades a l apartat 12, podem concloure que: 11 Les branques petites cremen molt més ràpid que els troncs Si s esmicolen en petites estelles, aquestes cremen molt més de pressa: la reacció transcorre a una velocitat més gran que abans En el cas del carbó, l energia aportada pel llumí s utilitza perquè unes quantes partícules de carboni i dioxigen adquireixen prou energia perquè el xoc sigui eficaç començant així una reacció exotèrmica en un punt que es propaga en cadena a les partícules contigües fins atènyer tota la massa El mateix raonament resulta aplicable a la combustió d una espelma, la fusta, el butà o el gas natural En aquests dos darrers casos la producció d energia calorífica i la propagació de la reacció a tota la massa són tan ràpides que la reacció es produeix de manera explosiva 162

67 144 Efecte dels catalitzadors EXPERIÈNCIA Observació de l efecte d un catalitzador Material i productes: Vas de precipitats de 100 ml Solució aquosa de peròxid d hidrogen, H 2 O 2 (aigua oxigenada) Òxid de manganès(iv), MnO 2 1) Omple el vas de precipitats amb aigua oxigenada fins a ¾ parts de la seva alçada Si observes, veuràs que es desprenen bombolles (Figura a) Aquestes són degudes a la lenta descomposició del peròxid d hidrogen a temperatura ordinària segons: 2 H 2 O 2(aq) H 2 O (l) + O 2(g) a b 2) Afegeix una punta d espàtula d òxid de manganès(iv), un sòlid negre Aleshores s observa una forta efervescència generada per l oxigen que es desprèn a gran velocitat (Figura b) La velocitat de la reacció ha augmentat Al final pots veure que hi ha la mateixa quantitat de MnO 2 que al principi Aparentment, no ha reaccionat Els catalitzadors són substàncies que augmenten la velocitat d una reacció, sense que aparentment prenguin part en el procés, ja que al final de la reacció es troben tal com estaven al començament Complex activat Com s explica l acció d un catalitzador? Perquè les espècies químiques passin de l estat inicial a l estat final en una reacció, han de salvar una «barrera» d energia que s anomena energia d activació A una temperatura donada, una reacció serà més lenta com més gran sigui la seva energia d activació Si s aconsegueix disminuir, d alguna manera, l energia d activació, la velocitat de reacció augmentarà Les substàncies que compleixen aquesta missió sense alterar l estat inicial i l estat final de la reacció i sense que experimentin canvis en la seva composició, encara que hi siguin presents en quantitats mínimes, s anomenen catalitzadors Energia potencial Energia d activació Energia d activació amb catalitzador S anomena catàlisi el procés de canvi de velocitat de les reaccions químiques per acció dels catalitzadors Hi ha dos tipus de catàlisi: l homogènia i l heterogènia Reactius Productes Catàlisi homogènia El catalitzador actua dispers homogèniament en el medi de reacció Un exemple de catàlisi homogènia és la reacció següent: SO 2(g) O 2(g) SO 3(g) Avanç de la reacció 12 La presència d un catalitzador implica emprar menys energia per activar una reacció Està catalitzada per la presència de NO (gas) Com que totes les substàncies que hi intervenen són gasos, constitueixen un sistema homogeni i formen una sola fase Catàlisi heterogènia Generalment el catalitzador és un sòlid, i el sistema reaccionant, un gas Les vitamines, els ferments, les hormones i els enzims són biocatalitzadors La seva presència en els éssers vius fa possible que es desenvolupin reaccions químiques que, quan es fan al laboratori, són extremament lentes Banc d activitats 38, 39 i

68 Entendre la ciència Reaccions nuclears Competències cc cp cm Una reacció nuclear, a diferència d una reacció química, és una reacció en la qual es modifica l estructura dels àtoms que formen els reactius N hi ha de dos tipus: les reaccions de fissió, en les quals es divideix el nucli d un àtom pesant, i les reaccions de fusió, en les quals s uneixen dos àtoms lleugers per formar-ne un de nou L energia que s allibera en aquestes reaccions l anomenem energia nuclear 1 Reaccions de fissió La reacció de fissió nuclear és la reacció en la qual es divideix el nucli de l àtom en diversos fragments amb una massa gairebé igual a la meitat de la massa original més dos o tres neutrons Aquests neutrons alliberats, a més, són els que iniciaran una altra reacció de fissió Aquest procés que es va repetint dóna lloc a una reacció nuclear en cadena Si es controla la velocitat d aquest procés, podem aprofitar l energia elèctrica que es genera en una central nuclear Aquesta reacció en cadena és la que en l armament nuclear s allibera deliberadament per crear una gran devastació 2 Reaccions de fusió La fusió nuclear es produeix quan dos nuclis d àtoms lleugers s uneixen per formar un altre nucli més pesant Aquest procés allibera una gran quantitat d energia De fet, l energia solar és un exemple d energia nuclear de fusió, ja que s origina per la fusió nuclear de nuclis d hidrogen, un fenomen que genera heli i allibera una gran quantitat d energia que arriba a la Terra en forma de radiació electromagnètica Perquè es puguin produir les reaccions de fusió nuclear cal que es compleixin els requisits següents: Cal que arribin a tenir una temperatura molt elevada per separar els electrons del nucli i generar l estat de plasma Cal confinar el combustible en un lloc que permeti mantenir aquest estat de plasma durant un cert temps, amb la temperatura que això suposa A més, cal subministrar als nuclis dels àtoms l energia cinètica necessària perquè s aproximin i vencin les forces de repulsió electrostàtiques Per això cal escalfar el gas fins a temperatures molt elevades, com les que se suposa que hi ha al centre dels estels 3 Energia de les reaccions nuclears Les reaccions nuclears són molt exotèrmiques, és a dir, alliberen una gran quantitat d energia: Reacció nuclear Energia alliberada Reacció de fissió 210 MeV àtom d urani MeV (milions d electró-volts) = 1, joules 1 MeV = 10 3 kev = 10 6 ev Reacció de fusió 335 MJ/mil ligram de deuteri-triti

69 4 Energia de les reaccions de combustió Les reaccions de combustió són també reaccions exotèrmiques En aquestes reaccions s allibera energia i a més s obté CO 2 i H 2 O com a producte de la reacció Aquest CO 2 és un dels causants principals de l efecte hivernacle que provoca l escalfament global del planeta A continuació presentem la calor de combustió d alguns dels combustibles més habituals: Combustible Calor de combustió (kj mol 1 ) Carboni, C 393 Metà, CH Propà, C 3 H Butà, C 4 H Activitats 1 c1 Assenyala la resposta correcta Les reaccions en les quals canvia el nucli de l àtom són: a) Les reaccions de combustió b) Les reaccions àcid-base c) Les reaccions de fusió d) Cap de les anteriors, ja que en les reaccions químiques només canvia el nombre d electrons 2 c2 A les centrals nuclears s utilitza com a combustible l urani enriquit D on s obté l urani? Quina diferència hi ha entre aquest urani i l urani enriquit? 3 c3 La fusió nuclear és una de les opcions de futur pel que fa a la producció d energia El combustible és l hidrogen, molt abundant a la Terra, i amb aquesta reacció s obté moltíssima energia Per què creus que sabent això encara depenem tant del petroli i dels seus derivats per obtenir energia? 4 c1 L urani s extreu d un mineral anomenat pechblenda Per 1 kg d aquest mineral s extreu 1 g d urani, del qual només un 0,7% és 235 U apte per a les reaccions de fusió Calcula l energia que s obtindria si es fisionessin tots els àtoms d urani 235 que hi ha en una mostra de 5 kg d aquest mineral 5 c1 El carboni d origen mineral es pot classificar, segons el grau de transformació que ha experimentat en el procés, en quatre tipus: l antracita, l hulla, el lignit i la torba D aquests, l antracita és el que conté un percentatge més alt de carboni, aproximadament un 87,1% a) Calcula l energia que s obtindria de la combustió de 5 kg d antracita b) Calcula la quantitat d antracita que caldria per aconseguir la mateixa energia que la que s ha obtingut de la fissió de l urani que hi ha en 5 kg del mineral 6 c1 Si sabem que la reacció de combustió del carboni és: C + O 2 CO 2 calcula els grams de CO 2 que s emetrien a l atmosfera si es cremés la quantitat equivalent d antracita que has calculat per igualar l energia obtinguda a partir de 5 kg del mineral d urani

70 Entendre la ciència El reciclatge dels metalls Competències cc cp cm Els metalls estan presents en quasi tots els utensilis: cotxes, envasos, electrodomèstics, ordinadors, eines simples Menys l or, que és relativament inert i es troba en estat nadiu, la resta de metalls industrials s han d extreure de minerals Així, per exemple, el níquel s extreu de la pirrotina, el coure de la calcopirita, l estany de la cassiterita, l alumini de la bauxita, el ferro de l hematites, el zinc de l esfalerita, el plom de la galena, l argent de l argentita i de la galena, etc L obtenció dels metalls a partir dels minerals es fa majoritàriament a partir de forns on s escalfa la mena fins que es fon, o seguint processos electroquímics Ambdós mètodes comporten una despesa energètica molt gran Així, per exemple, el coure s obté a partir de la calcopirita, CuFeS 2, que es fon en presència d oxigen: 2 CuFeS O 2 2 CuS + 2 FeO + 2 SO 2 CuS + O 2 Cu + SO 2 El preu dels metalls varia segons la llei d oferta i la demanda en els mercats mundials La unitat de referència pot ser la tona, el quilogram o el gram Borsa dels metalls de Londres: preu nominal del coure (mitjana mensual) Cotització històrica de l or ( ) 326, * (*) abril Exemples de la variació de la cotització del coure i l or US$ centaus/lliura US$/unça L augment sostingut del preu de les matèries primeres i de l energia fa que cada vegada sigui més important reciclar els residus metàl lics De fet, sovint, aquesta és la principal font de metalls, ja que són pràcticament cent per cent reciclables tantes vegades com es vulgui i sense cap pèrdua de les seves qualitats Reciclar metalls implica una recollida prèvia d objectes metàl lics En els darrers anys han proliferat els robatoris a qualsevol lloc on hi pugui haver grans objectes metàl lics com ara empreses metal lúrgiques, obres, granges, naus industrials, senyals de trànsit, etc També és força habitual veure pel carrer gent que intenta subsistir recollint ferralla per després vendre-la al drapaire L acer és el material més reciclat amb diferència La principal font són els envasos, seguida dels automòbils, els electrodomèstics, els enderrocs Per cada tona d acer usat que es recicla, s estalvia una tona i mitja de mineral de ferro, un 70% en energia i un 40% en aigua La indústria de l alumini està especialment interessada en el reciclatge, ja que la producció d aquest metall a partir del rebuig només requereix un 5% de l energia necessària per obtenir-lo a partir de fonts primàries Tots els residus metàl lics arriben a l empresa gestora, són classificats primerament entre fèrrics (ferro i acer fonamentalment) i no fèrrics Després se separen per tipologies més concretes, posteriorment són premsats o esmicolats fins aconseguir unes dimensions determinades i seguidament són enviats a les foneries on es fan els tractaments específics per aconseguir cada un dels metalls separadament

71 Activitats 1 c2 En el text hi ha les reaccions que fan possible l extracció del coure a partir de la calcopirita Busca el procés de producció del ferro a partir de l hematites, òxid de ferro(iii) 2 c1 Explica quins són els avantatges de reciclar els metalls 3 c2 En el text es fa referència a la mena Què és? 4 c3 La taula següent correspon als preus aproximats que es paguen pels residus recollits en deixalleries i centres de recollida selectiva: Material Inferior Ingressos ( /t) Superior Inoxidable ferrític Inoxidable no ferrític Cable elèctric de coure Plom Zinc Relaciona aquesta taula amb el fet que el cablejat de coure és un dels materials més robats aquests últims temps 5 c2 La bauxita és la principal font d alumini Esbrina n la fórmula a) Al 2 O 3 2 H 2 O b) Al(OH) 3 6 H 2 O c) Al 2 (SO 4 ) 3 d) Al 2 (CO 3 ) 3 6 c2 En el text es parla de les foneries Què són? 7 c3 Investiga què es fa amb els cotxes que van al dipòsit per ser desballestats i descriu el procés que se segueix

72 Físics R E S U M No hi ha canvis en la composició de les substàncies Canvis Canvis d estat Químics Hi ha canvis en la composició de les substàncies Reaccions químiques Equació química sòlid (s) líquid (l) gas (g) aquós (aq) Reactius Productes C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2(g) 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (g) Coeficients estequiomètrics Problemes estequiomètrics 1 Analitzar l enunciat 2 Igualar l equació química 3 Convertir les unitats a mols 4 Relacionar mols 5 Convertir els mols a unitats 6 Analitzar el resultat Calcular el reactiu limitant: el que determina la fi de la reacció Aplicar la puresa del reactiu Aplicar el percentatge del rendiment al resultat teòric quantitat de substància pura Puresa = 100 quantitat de substància impura massa obtinguda Rendiment = 100 massa teòrica Energia de les reaccions: Exotèrmiques: desprenen energia en forma de calor Endotèrmiques: absorbeixen energia en forma de calor

73 Reaccions químiques R E S U M Classificació 1 Reacció de combinació: dos elements o compostos es combinen per formar un únic compost 2 Reacció de descomposició: s obtenen dos o més compostos a partir d un compost determinat 3 Reacció de substitució: un element en desplaça un altre d un compost 4 Reacció de doble desplaçament: dos elements es desplacen mútuament a partir dels compostos 5 Reacció de combustió: un compost (hidrocarbur) reacciona amb l oxigen i s obté CO 2, H 2 O i es desprèn energia en forma de calor i llum Reacció de neutralització Reacció de precipitació Reacció redox HCl (aq) + NaOH (aq) Àcid + Base NaCl (aq) + H 2 O (l) Sal + Aigua NaCl (aq) + AgNO 3(aq) NaN0 3(aq) + AgCl (s) Producte sòlid insoluble Reaccions amb transferència d electrons 4 Na (s) + O 2(g) 2(2 Na +, O 2 ) (s) Oxidació Procés en el qual es perden electrons 4 Na 4 Na e Reducció Procés en el qual es guanyen electrons O e 2 O 2 Velocitat de les reaccions: quantitat de substància reaccionant que es transforma o desapareix en cada unitat de temps i per unitat de volum Concentració reactius: més concentració més partícules que impacten més velocitat Depèn de: Estat de divisió dels reactius: més divisió més superfície de contacte més velocitat Temperatura: més temperatura més energia cinètica més xocs més velocitat Catalitzadors: baixen l energia d activació més velocitat

74 A C T I V I T A T S I Reaccions químiques 1 Classifica els canvis següents segons si són físics o són químics: a) Pintar una porta b) Bullir aigua c) Triturar unes ametlles d) Rostir un tros de carn e) Barrejar aigua i oli f) Abocar suc de llimona damunt del marbre g) Cremar un paper h) Fregir patates i) Dissoldre sucre en aigua j) Obtenir sal de l aigua del mar k) Fer la digestió l) Encendre una bombeta m) Coure un ou n) Fondre glaçons de gel o) Obtenir alumini a partir de la bauxita 2 cc És el mateix reacció química que equació química? Explica-ho 3 cc Comenta la frase: «Una equació química és una representació simbòlica d un procés real» 4 Copia i col loca davant de cada fórmula el coeficient estequiomètric adequat perquè cada equació química quedi igualada a) Al (s) + H 2 SO 4(aq) Al 2 (SO 4 ) 3(aq) + H 2(g) b) As (s) + O 2(g) As 2 O 5(s) c) KClO 4(s) KCl (s) + O 2(g) d) C 6 H 14(l) + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (g) e) Na 2 CO 3(s) + HCl (aq) NaCl (aq) + CO 2(g) + H 2 O (l) f) KI (aq) + Pb(NO 3 ) 2(aq) PbI 2(s) + KNO 3(aq) Llegeix cada equació química fent-hi intervenir els mols de reactius i de productes de la reacció II Estequiometria 5 cm El carbonat de calci, CaCO 3 (sòlid), és molt abundant a la natura El marbre i la pedra calcària estan constituïts per aquest compost En escalfar-lo, el carbonat de calci es descompon en òxid de calci, CaO (sòlid), i diòxid de carboni, CO 2 L òxid de calci és conegut amb el nom de calç viva i és molt utilitzat en construcció a) Escriu l equació química corresponent al procés descrit b) Calcula quants mols de diòxid de carboni es poden obtenir en descompondre s per la calor 100 g de carbonat de calci c) Quants grams d òxid de calci s obtindran en escalfar 2 mols de carbonat de calci? 6 El diclor és un gas de color groc verdós molt tòxic Quan reacciona amb l hidrogen produeix un altre gas anomenat clorur d hidrogen, HCl a) Escriu l equació química corresponent al procés descrit b) Llegeix l equació química fent-hi intervenir els volums relatius dels gasos, si tots estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura c) Calcula quants litres de clorur d hidrogen s obtindran si reaccionen 10 L de diclor, si els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura d) Calcula quants grams de diclor poden reaccionar amb 100 g d hidrogen 7 El zinc reacciona amb l àcid clorhídric diluït i produeix clorur de zinc, que queda dissolt en l aigua, i dihidrogen, que es desprèn en forma de gas a) Escriu l equació química corresponent b) Calcula quants mols de HCl es necessiten per reaccionar amb 3 g de zinc c) Calcula el volum de dihidrogen obtingut mesurat a 27 C i 1, Pa, si reaccionen 0,2 mol de zinc 8 cm L etanol, C 2 H 5 OH, anomenat simplement alcohol, és un líquid incolor d olor agradable i de densitat 790 kg/m 3 Té una gran aplicació en perfumeria, en la preparació de productes químics i de begudes i com a combustible L alcohol crema amb el dioxigen de l aire i s obté diòxid de carboni i vapor d aigua a) Escriu l equació química corresponent al procés indicat i calcula quin volum de diòxid de carboni mesurat en CN s obtindrà si reaccionen 50 g d alcohol b) Si l aire conté aproximadament un 20% en volum de dioxigen, calcula quin volum d aire en CN es necessita per reaccionar amb 50 cm 3 d alcohol c) Calcula quantes molècules de vapor d aigua s obtindran si reaccionen 10 g d alcohol 170

75 d) Si quan es crema una certa quantitat d alcohol s obtenen 1,5 dm 3 de gasos, calcula el volum de dioxigen que ha reaccionat, si tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura 9 El monòxid de nitrogen reacciona amb el dioxigen i s obté diòxid de nitrogen Totes les espècies químiques que hi intervenen són gasos a) Escriu l equació química corresponent al procés indicat b) Calcula el volum de dioxigen i el de monòxid de nitrogen necessaris per obtenir 100 dm 3 de diòxid de nitrogen, si tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura 10 En fer reaccionar àcid nítric concentrat, líquid incolor, i coure, s obté diòxid de nitrogen, que és un gas tòxic de color terrós Calcula el volum de diòxid de nitrogen obtingut a 40 C i hpa, si es fan reaccionar 0,3 g de coure amb excés d àcid nítric: 4 HNO 3(aq) + Cu (s) Cu(NO 3 ) 2(aq) + 2 NO 2(g) + 2 H 2 O (l) 11 Es neutralitzen, amb àcid sulfúric diluït, 100 cm 3 d una solució d hidròxid de bari 0,20 mol/dm 3 La sal obtinguda és insoluble en aigua a) Escriu l equació química corresponent al procés que ha tingut lloc b) Després de la neutralització, es filtra i s asseca la sal obtinguda Quina massa té? 12 El metà, CH 4(g), és el component principal del gas natural Reacciona amb el dioxigen O 2 (crema), i s obté diòxid de carboni i vapor d aigua a) Escriu l equació química corresponent b) Calcula la quantitat d aigua obtinguda quan es cremen 100 dm 3 de CH 4, mesurats a 25 C i 101 kpa c) Calcula el volum de diòxid de carboni obtingut si reaccionen 20 dm 3 de metà i tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura d) Es mesclen 5 dm 3 de metà i 20 dm 3 de dioxigen mesurats els dos en CN Quants grams d aigua s obtindran? 13 Un tros de ferro de 10 g exposat a la intempèrie augmenta 0,5 g Suposant que només s hagi format òxid de ferro(iii), quina massa de ferro quedarà sense oxidar? 14 Quan es fa saltar una guspira elèctrica a una mescla de dihidrogen i dioxigen, s obté aigua Si tenim inicialment una mescla formada per 100 cm 3 de H 2 i 100 cm 3 de O 2, calcula el volum final, una vegada que els gasos han reaccionat, si tots ells estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura (Nota: Considera que l aigua obtinguda es troba en estat gasós) 15 a) Escriu l equació química corresponent a la combustió de l età, C 2 H 6(g), i també la del butà, C 4 H 10(g) b) Tenim inicialment una mescla gasosa formada per 0,50 dm 3 d età, 2,5 dm 3 de butà i 20 dm 3 de dioxigen Una vegada que els gasos han reaccionat, calcula el volum final si tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura (Nota: Considera l aigua obtinguda en estat gasós) 16 Un recipient tancat de 10 dm 3 conté una mescla de 2,0 g de metà, 2,0 g de propà i 20 g de dioxigen Quan salta una guspira elèctrica, els gasos reaccionen i s obté diòxid de carboni i vapor d aigua a) Escriu les equacions químiques corresponents als processos que han tingut lloc b) Indica, raonant-ho, després de fer els càlculs necessaris, quin és el reactiu que s hi troba en excés c) Calcula la massa total dels productes obtinguts i la massa de reactiu que queda sense reaccionar 17 El sulfur de zinc (sòlid), reacciona amb el dioxigen i s obté òxid de zinc (sòlid) i diòxid de sofre (gas) a) Escriu l equació química corresponent al procés indicat b) Es fa reaccionar una mescla formada per 10 g de sulfur de zinc i 20 L de dioxigen mesurats en CN c) Calcula quin volum de gasos es tindrà, en CN, quan s hagin obtingut 5,0 g d òxid de zinc 18 L amoníac (gas) s obté industrialment per reacció del dinitrogen amb el dihidrogen a) Escriu l equació química corresponent al procés indicat b) Dins d un recipient s introdueixen 30 mols de N 2 i 30 mols de H 2 Calcula els mols de cada espècie química després d haver obtingut 10 mols d amoníac 171

76 A C T I V I T A T S 19 Si deixem caure unes gotes d àcid clorhídric sobre un tros de marbre, es desprenen unes bombolles gasoses que són de diòxid de carboni Té lloc la reacció següent: CaCO 3(s) + 2 HCl (aq) CaCl 2(aq) + CO 2(g) + H 2 O (l) a) Quants grams de diòxid de carboni s obtindran si reaccionen 2 g de carbonat de calci? b) Quin volum d àcid clorhídric 0,5 mol/l es necessita per reaccionar amb 50 g de carbonat de calci? c) Quants grams de pedra calcària del 97% de riquesa en carbonat de calci fan falta per obtenir 200 cm 3 de diòxid de carboni mesurat a 22 C i 10 5 Pa? d) Calcula quantes molècules d aigua s obtindran si reaccionen 0,5 mol de carbonat de calci 20 a) Escriu l equació química corresponent a la combustió de propà, C 3 H 8(g) b) Calcula el nombre de mols de diòxid de carboni obtinguts en la combustió d 1,0 dm 3 de propà mesurats a 25 C i 1, Pa c) Calcula el volum d aire a 1, Pa i 25 C que es necessita per reaccionar amb el volum de propà indicat a l apartat b) (Dada: L aire conté un 21% en volum de dioxigen) 21 El zinc reacciona amb l àcid clorhídric diluït i s obté clorur de zinc que queda dissolt en l aigua i l hidrogen En un vas de precipitats que conté 3,5 g de zinc s afegeixen 200 cm 3 d un àcid clorhídric del 25,8% en massa i densitat kg/m 3 a) Indica després de fer els càlculs necessaris, quin és el reactiu limitant b) Calcula el volum de dihidrogen obtingut mesurat a 25 C i 1, Pa 22 En escalfar carbonat de magnesi, MgCO 3, es descompon en òxid de magnesi i diòxid de carboni a) Escriu l equació química corresponent al procés indicat b) Calcula quants litres de diòxid de carboni, mesurats a 300 K i 1, Pa, s obtenen quan escalfen 200 g d un carbonat de magnesi del 90% de puresa 23 L amoníac (gas) es pot obtenir al laboratori escalfant una sal amònica com per exemple el clorur d amoni amb hidròxid de sodi: NH 4 Cl (s) + NaOH (aq) NH 3(g) + NaCl (aq) + H 2 O (l) En reaccionar amb excés d hidròxid de sodi, una mostra de 5,35 g d un clorur d amoni impurificat amb clorur de sodi, s obtenen 2,22 dm 3 d amoníac mesurats a 27 C i 1, Pa Calcula la composició, en tant per cent en massa, de la mostra analitzada 24 a) Escriu l equació química corresponent a la neutralització d una solució d hidròxid de calci i la d una d hidròxid de potassi amb àcid clorhídric b) Calcula el volum d àcid clorhídric 0,1 mol/dm 3 necessari per neutralitzar una solució que conté 0,50 g d hidròxid de calci i 0,27 g d hidròxid de potassi 25 L hidròxid de calci és molt poc soluble en l aigua A 25 C es prepara una solució saturada d hidròxid de calci i es filtra Per neutralitzar 10,0 cm 3 de la solució filtrada s han necessitat 7,2 cm 3 d àcid clorhídric 0,05 mol/dm 3 Calcula el nombre d ions calci existents en cada cm 3 de la solució saturada 26 Es disposa de tres solucions que contenen: a) 0,1 g d hidròxid de calci b) 0,1 g d hidròxid d estronci c) 0,1 g d hidròxid de bari Si coneixem les masses atòmiques del calci, l estronci i el bari, raona, sense fer càlculs, quina d aquestes tres solucions necessita més quantitat d àcid clorhídric per ser neutralitzada 27 Tenim una mescla d hidròxid de potassi i clorur de potassi, de la qual volem conèixer la composició 1,0 g de la mescla es dissol en aigua fins a obtenir 100 cm 3 de solució 10,0 cm 3 d aquesta dissolució necessiten 8,0 cm 3 d àcid sulfúric 0,10 mol/dm 3 per a la neutralització Calcula el tant per cent en massa de cada component en la mescla analitzada (Nota: El clorur de potassi no reacciona amb la solució d àcid sulfúric) 28 Tenim un aliatge d alumini i zinc, del qual volem conèixer la composició En tenim una mostra de 0,50 g amb excés d àcid clorhídric diluït El zinc i l alumini reaccionen amb l àcid clorhídric i s obtenen, respectivament, clorur de zinc i clorur d alumini que queden dissolts a l aigua En cada reacció s allibera dihidrogen L hidrogen obtingut mesurat en 27 C i 1, Pa, ocupa un volum de 0,511 dm 3 a) Escriu les equacions químiques corresponents als processos que han tingut lloc 172

77 b) Calcula la composició d aquest aliatge en tant per cent en massa 29 En la indústria aeronàutica s utilitza el magnali, un aliatge format per un 90% en massa d alumini i un 10% en massa de magnesi Una mostra d 1,38 g de magnali es fa reaccionar amb un excés d àcid clorhídric 2 mol/dm 3 Calcula: a) El volum de la solució d àcid clorhídric que ha reaccionat amb els 1,38 g d aliatge b) El volum total de dihidrogen obtingut a 27 C i 1, Pa 30 El monòxid de nitrogen (gas), quan reacciona amb l oxigen, s oxida i s obté diòxid de nitrogen (gas) Per oxidació de 100 g de monòxid de nitrogen s obtenen 100 g de diòxid de nitrogen Calcula el rendiment d aquest procés 31 L àcid acètic, CH 3 COOH, s obté industrialment per reacció del metanol, CH 3 OH, amb el monòxid de carboni Calcula el volum de solució d àcid acètic del 80% en massa i densitat kg/m 3 que es podrà obtenir, en fer reaccionar 20 kg de metanol amb 20 kg de monòxid de carboni, si el rendiment és del 90% III Classificació de les reaccions 32 En introduir una làmina de coure en una solució incolora de nitrat de plata, s observa la formació d un dipòsit de plata sobre el coure La solució passa lentament d incolora a blava a) Escriu l equació química corresponent al procés que ha tingut lloc Quins ions no prenen part en el procés? Quin nom reben aquests ions? b) Per què la solució passa lentament d incolora a blava? 33 Classifica les reaccions següents en reaccions àcid-base, precipitació o redox: a) 2 Al (s) + 6 HCl (aq) 2 AlCl 3(aq) + 3 H 2(g) b) KOH (aq) + HCl (aq) KCl (aq) + H 2 O (l) c) 2 Mg (s) + O 2(g) 2 MgO (s) d) CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) e) H 3 PO 4(aq) + 3 NaOH (aq) Na 2 PO 4(aq) H 2 O (l) f) Pb(NO 3 ) 2(aq) + 2 NaCl (aq) PbCl 2(s) NaNO 2(aq) Raona-ho IV Característiques de les reaccions 34 Per neutralitzar 1,15 g d una mescla d hidròxid de sodi i d hidròxid de potassi es necessiten 48,3 cm 3 d àcid sulfúric 0,25 M Calcula la massa d hidròxid de sodi que hi ha a la mescla 35 Escriu, per a cadascuna de les reaccions següents, la semireacció de reducció i la semireacció d oxidació En cada reacció indica quina espècie química és l oxidant i quina és la reductora a) 4 Na (s) + O 2(g) 2 Na 2 O (s) b) Zn (s) + S (s) ZnS (s) c) 2 Al (s) + 6 HCl (aq) 2 AlCl 3(aq) + 3 H 2(g) d) Mg (s) + F 2(g) MgF 2(s) 36 El sodi s oxida ràpidament en contacte amb l oxigen de l aire Inicialment tenim una mostra de sodi pur de 5,0 g Al cap d un cert temps de deixar-la a l aire lliure, la mostra té una massa de 6,0 g Calcula la massa de sodi que encara queda sense oxidar 37 cc Explica la influència de la temperatura sobre la velocitat de reacció 38 cm Proposa exemples de reaccions exotèrmiques i endotèrmiques d interès industrial La solució de nitrat de plata és incolora A la solució de nitrat de plata s ha introduït una làmina de coure 173