1 Estructura de la matèria - eCasalsdata.ecasals.net/pdf/24/9788421847367_L33_24.pdf ·...

1

D’ON VE EL NOM «QUÍMICA»?

E l nom d’aquesta ciència prové de l’àrab kimiyá, que a la ve-gada prové de kimi (‘negre’),

un terme amb el qual s’anomenava Egipte a l’antiguitat, ja que hi havia la civilització que més avenços ha-via fet en tècniques químiques. Els egipcis van inventar moltes tècni-ques per fabricar esmalts, vidres, tre-ballar el cuir, la llana, el cotó i el lli, tenyir, elaborar perfums, verins, sa-bons i betums.

Però la química va néixer, de fet, amb el descobriment del foc. El seu origen ja el trobem en les tècniques que uti-litzava l’home primitiu per fer pintures, tenyir teles i obtenir metalls com el ferro i aliatges com el bronze.

Durant l’antiguitat, els filòsofs preso-cràtics van tractar els problemes fona-mentals de la natura i la matèria. Va sorgir la idea de l’existència d’un prin-cipi permanent que va originar tota la matèria existent: per a Tales era l’ai-gua, 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. Aques-ta última teoria, la dels quatre ele-ments, va ser acceptada per Aristòtil i va perdurar molt de temps. Durant aquella mateixa època, Leucip i Demò-crit van apuntar la idea que la matèria estava formada per àtoms, una teoria que va tornar a agafar importància al segle xvii.

Estructura dela 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 quí-mics que permeten comprendre el món material i físic.

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 in-divisibles?

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?

Ara bé, fins al segle xviii la química com a disciplina científica rigorosa no va existir, sinó que com a alquímia con-formava tècniques i sabers empírics i místics.

Avui en dia, ja al segle xxi, els conei-xements que es tenen de la química són molt diferents dels que es tenien en les èpoques que s’han esmentat. Podem assegurar que els coneixe-ments no són estàtics sinó que van evolucionant al llarg de la història, i la química i els seus coneixements no en són una excepció.

6

1. L’anglès John Dalton (1766-1844) va ser mestre d’escola i després professor de física i química. És el fundador de la teoria atòmica.

LLEIS FONAMENTALS DE LA QUÍMICAI

1 Inicis de la teoria atòmicaConèixer 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 invaria-bles, anomenades àtoms (aquesta paraula prové del grec, a significa ‘negació’, i to-mos, ‘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’opi-nió 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.

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 (1766-1844) 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, 1743 - 1794)

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

Jeremias Benjamin Richter (Hirschberg, 1762

- Berlín, 1807)

Joseph Louis Proust

(Angers, 1754 - 1826)

John Dalton(Eaglesfield, 1766 - Manchester, 1844)

Louis Joseph Gay-Lussac

(Sent Liunard, 1778 - París, 1850)

Lorenzo Romano Amedeo Carlo

Avogadro (Torí, 1776 - 1856)

1780

1785 1792 1801 1808 1809 1811

1790 1800 1810 1820

7

2. Antoine Laurent Lavoiser (1743-1794) va contribuir a donar caràcter científic a la química gràcies als seus experiments quantitatius. La seva esposa, Marie-Anne Pierrette (1758-1836), hi col·laborà activament amb aportacions de gran valor.

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 reac-ciona 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 = 18 – 12 = 6 g

Exemple

2 Lleis ponderals de les reaccions químiques

La paraula «ponderal» deriva del llatí i significa ‘referent al pes’. Les lleis que es refe-reixen als pesos són aplicables a la massa i viceversa.

2.1. 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’exte-rior quantitats d’energia relativament petites, com és el cas de les transformacions químiques.

Segons la teoria de la relativitat d’Albert Einstein (1879-1955), físic alemany, tot sistema material de massa m té en repòs una energia E, tal que E = m c2, 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/c2. Anàlogament si un sistema capta una energia ∆E, la seva massa augmenta en ∆m = ∆E/c2.

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 equi-valent s’hi ha d’involucrar l’energia.

Llei de Lavoisier.

1 Estructura de la matèria

8

EX

PE

RIÈ

NC

IA

a b

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 reci-pient tancat per tal que el gas no s’escapi a l’atmosfera.

1) Aboca en un erlenmeyer petit uns 50 cm3 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.

4) Aboca el contingut del globus sobre la solució. Imme-diatament podràs observar la formació de bombolles ga-soses (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 con-junt. Es compleix la llei de Lavoisier?

2.2. 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’hi-drogen 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:

1= 7,9

11,288,8

18

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 per-metia 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

3. Joseph Louis Proust (1754-1826), farmacèutic i químic francès.

9

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.

3 La teoria atòmica de DaltonLes 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 supo-sicions 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 dife-rents.

4. Els compostos es formen per la unió dels àtoms dels elements correspo-nents 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.

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 es-devenir 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 partícu-les 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.

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 quí-mica com a ciència.

5. Jöns Jakob Berzelius (1779-1849) 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.

6. Segons la teoria atòmica de Dalton, els àtoms dels diferents elements estaven representats per

esferes de volum i massa diferent.


10

7. Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850). 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.

4 Llei volumètrica de les reaccions químiquesCom 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)

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 condi-cions 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 discor-dants 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:

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.

Llei de Lavoisier. En tota reacció quí-mica, la massa total de les substàn-cies que reaccionen és igual a la mas-sa total de les substàncies que s’han obtingut.Llei de Proust. Un compost determi-nat té sempre la mateixa composició, independentment del seu origen o ma-nera de preparació.Llei de Gay-Lussac. Els volums dels gasos que intervenen en una reacció química estan en una relació de nom-bres enters senzills.Principi d’Avogadro. Volums iguals de tost els gasos, mesurats en les ma-teixes condicions de pressió i tempe-ratura, contenen el mateix nombre de molècules.

L’apunt

11

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 co-neix 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 nitro-gen, 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 sínte-si de l’aigua, les molècules eren H

2, O

2 i H

2O, 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 esque-mes de les reaccions anteriors són:

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 H2(g)

+ O2(g)

→ 2 H2O

(g)

i N2(g)

+ O2(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 quí mic 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 ato-micomolecular va aportar la determinació de pesos moleculars i aconseguí dissipar les incerteses que el desconeixement de la fórmula dels elements gasosos havia ocasionat.

8. Amedeo Avogadro (1776-1856) 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.


6 Constitució dels àtomsEl 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 mas-sissa 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.

Protons, neutrons i electrons són partícules subatòmiques.

• Els protons, p, tenen càrrega elèctrica positiva. La càrrega del protó és d’1,6 · 10–19 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’1,67 · 10–27 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 1.836 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.

Àtom

Nucli

Nucli

Electró

Neutró

Protó

9. Estructura bàsica de l’àtom.

12

L’ÀTOMII

PartículaMassa (kg)

Càrrega (C)

Protó 1,67 · 10–27 1,6 · 10–19

Neutró 1,68 · 10–27 0

Electró 9,1 · 10–31 –1,6 · 10–19

L’apunt

Com de petit és un àtom?

L’àtom: interrogant la materia.

13

12. Actualment, amb els microscopis d’efecte túnel es poden distingir els àtoms de la superfície d’una mostra de matèria.

11. Lingots de coure, Cu. Punt de fusió: 1 083 °C. Densitat a 20 °C: 8,95 g/cm3. Color: rogenc.Tots els àtoms de coure tenen 29 protons al nucli. El nombre atòmic del coure és Z = 29.

10. Lingots d’alumini, Al. Punt de fusió: 660 °C. Densitat: 2,7 g/cm3. Color: gris.Tots els àtoms d’alumini tenen 13 protons al nucli. El nombre atòmic de l’alumini és Z = 13.

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.

El nombre de protons que posseeix el nucli d’un àtom rep el nom de nombre atò-mic. 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 for-mat per una o dues lletres, excepte els elements artificials de nombre atòmic més gran que actualment consten d’un nombre provisional de tres lletres.

7.1. Origen del símbol d’alguns elements

Els símbols actuals dels àtoms dels elements més representatius es deuen a Ber-zelius, 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 ka-lium, 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.


14

a

13. a) El cadmi està format per una mescla de vuit isòtops. b) El fòsfor, en canvi, està format per àtoms iguals.

8 IsòtopsUn 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).

El nombre de protons més el de neutrons del nucli d’un àtom rep el nom de nom-bre 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.

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 conse-güent, 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’ele-ment i després el nombre màssic, separat per un guió. Així, per als dos isòtops del car-boni 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:

El nombre d’isòtops que constitueixen cada element, s’ha anat descobrint experi-mentalment. Així, per exemple, l’oxigen, de nombre atòmic 8, està format per una mescla de tres isòtops, que són:

168 O 17

8 O 188 O

Dels tres isòtops de l’oxigen, el més abundant és el 168O 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 23

11 Na. Poden existir altres isòtops obtinguts artificialment.

Passa el mateix amb alguns altres elements com ara l’alumini, el fòsfor, el manga-nès, el cobalt, l’arsènic i el fluor.

136 C

nombre de massa A →

nombre atòmic Z →

b

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

Isòtops de l’hidrogen.

15

9 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’1,7 · 10–27 kg i la d’un àtom d’urani, un dels àtoms de més massa, és de 4,05 · 10–26 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 compa-ra 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 quí- mica, 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-12.

9.1. 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.

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 elec-trons 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

18 36 18 36 – 18 = 18 18

18 38 18 38 – 18 = 20 18

18 40 18 40 – 18 = 22 18

Ar1836

Ar1838

Ar1840

Exemple

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: 1,008665

› Protó: 1,007277

› Electró: 0,0005486

L’apunt


16

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:

Ar (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:

L’isòtop de nombre màssic 35 té una abundància del 80% i el de nombre màssic 34, del 20%.

A

A

=massa isotòpica 1 % abundància 1 + massa isotòpica 2 % abundànciacia 2 +

100

=62,93 69,09 64,93 30,91

10063,54

r

r

⋅ ⋅→

→⋅ + ⋅

=

Exemples

9.2. 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:

Isòtops Massa isotòpica Abundància natural (% en àtoms)

Coure-63 62,93 69,09

Coure-65 64,93 30,91

La massa atòmica relativa o pes atòmic no té unitat, s’expressa amb un nombre pur.

El símbol recomanat és Ar. 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.

Banc d’activitats 15, 16, 17, 18, 19 i 20

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.

Q1_U1_P1660x90

75,529%

24,471%

x xx x

x x x

34 100 35

10034,8 34 100 35 3480

3400 34 35 3480 3480 3400 80%

( )( )

− + ⋅= → − + = →

→ − + = → = − =

17

10 Ions positius i negatiusUn 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 elèc-trica negativa, anomenat anió.

El procés en què es guanyen o es perden electrons rep el nom d’ionització. Les pro-pietats 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 càrre-gues 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 sim-bolitzarem Na+.

• Un àtom de ferro pot perdre 2 o 3 electrons. Els ions resultants es representen, respectivament, Fe2+ i Fe3+.

• 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, NO3–, hi ha un àtom de nitrogen i tres àtoms d’oxigen.

El conjunt d’aquests quatre àtoms units té un electró suplementari.

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 positi-va, de manera que el seu nombre de protons és:

76 + 4 = 80 protons

La massa atòmica menys el nombre de protons indica el nombre de neutrons que té:

205 – 80 = 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).

21 – 17 = 4

La seva càrrega relativa és (4+).

Exemples

Banc d’activitats 21 i 22

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 diatò-mic, triatòmic, etc.

Els isòtops d’un element són àtoms amb el mateix nombre atòmic però dife-rent nombre màssic (els nuclis atòmics tenen el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons).

Un ió és una partícula carregada elèc-tricament a causa del guany o la pèr-dua d’electrons.

xZA

n±q

L’apunt

Càlcul del nombre de partícules d’un àtom.

18

17. Model molecular del fòsfor. Cada molècula està formada per quatre àtoms.

Q1_U1_P18

MOLÈCULESIII

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.

11 Molècules d’elementsLes 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 ha-bitualment 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).

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.

18. Model molecular del sofre. Cada molècula està formada per vuit àtoms.

19

19. Model molecular del diòxid de sofre, SO2.

El diòxid de sofre és un gas d’olor sufocant, responsable de la pluja àcida.

20. Model de la molècula de propà, C3H

8.

El propà és un gas insoluble en aigua. És un combustible usat sovint en el transport públic.

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.

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.

12 Compostos moleculars i compostos iònics

12.1. 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

12H

22O

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 700 000 àtoms.

Els plàstics, la cel·lulosa, el cautxú, les proteïnes i el midó són exemples de substàn-cies formades per macromolècules (Fig. 21).

12.2. 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 apor-tades 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.


20

13 Massa molecular relativaAixí 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 rela-tiva (o pes molecular). La massa molecular no té unitats, s’expressa simplement amb un nombre.

Així, per exemple, la massa molecular del metà, CH4, serà igual a la suma d’una ve-

gada la massa atòmica del carboni i quatre vegades la massa atòmica de l’hidrogen: 1 · 12 + 4 · 1 = 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 Mr. Així:

Mr (H

2O) = 18; M

r (C

3H

8) = 44.

El mateix concepte i simbolisme és aplicable als compostos iònics i als ions.

Així per exemple:M

r (NaCl) = (1 · 23 + 1 · 35,5) = 58,5

Mr (NO

3–) = (1 · 14 + 3 · 16) = 62

Trobar la massa molecular d’un compost químic

Exemple

Banc d’activitats 23, 24 i 25

7. Calcula la massa molecular de la vanadinita, un mineral de fórmula química Pb

5(VO

4)

3Cl, 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 · 207 + 3 · 51 + 12 · 12 + 35,5 = 1415,5

Mr (Pb

5(VO

4)

3Cl) = 1415,5

21

EL MOLIV

24. Un mol d’àtoms de magnesi té una massa de 24,3 g i conté 6,02 · 1023 àtoms.Un mol d’àtoms d’estany té una massa de 118,7 g i conté 6,02 · 1023 àtoms.

Ar (Mg) = 24,3 A

r (Sn) = 118,7

23. Un mol d’àtoms de carboni-12 té una massa de 12 g. Al balançó hi ha 6,02 · 1023 àtoms de carboni-12.

14 El molEls àtoms i les molècules dels elements i compostos són extremadament petits. En un sol gram d’aigua, H

2O, hi ha 3,3 · 1022 molècules. En un gram de ferro, Fe, hi

ha 1,1 · 1022 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 ele-mentals 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 subs-tància és n.

Un mol conté 6,02 · 1023 partícules. Aquest nombre s’anomena constant d’Avo-gadro, i es representa per N

A o L.

Així, un mol d’àtoms d’hidrogen, H, conté 6,02 · 1023 àtoms d’hidrogen. Un mol de molècules d’hidrogen conté 6,02 · 1023 molècules d’aquest gas. Un mol de metà, CH

4, conté 6,02 · 1023 molècules de CH

4.

De la mateixa manera, un mol d’electrons, de protons, neutrons, ions, etc., conté 6,02 · 1023 d’aquestes partícules.

Et pots preguntar: per què els químics compten en mols i un mol conté un nombre tan rar com 6,02 · 1023 partícules? Per què no han escollit un nombre enter més senzill, simplement 1023 o 1024?

La raó d’emprar aquest nombre rau en el fet que s’ha trobat que la massa de 6,02 · 1023 àtoms de carboni-12 és de 12 grams i 12 és precisament la massa iso-tòpica del carboni-12.

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 6,02 · 1023 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 6,02 · 1023 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).


22

25. a) Un mol de molècules d’aigua, H2O,

té una massa de 18 g i conté 6,02 · 1023

molècules.b) Un mol de clorur de sodi, NaCl, té una massa de 58,5 g i conté 6,02 · 1023 ions sodi, Na+, i 6,02 · 1023 ions clorur, Cl-.

Mr (H

2O) = 18 M

r (NaCl) = 58,5

Q1_U1_P22190x80

DENSITATd (g/cm3)

VOLUM V (cm3)

MASSA m (g)

: m

· m

· NA

· NA

Nombre d’Avogadro NA = 6,02 · 1023

Massa molar M (g/mol)

NOMBRE DE

PARTÍCULES

QUANTITATDE SUBSTÀNCIA

n (mol)

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 6,02 · 1023 ions Na+ i el mateix nombre d’ions 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 (H2O) = 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 re-ferint sovint al volum o a la massa d’aquesta substància; però en el llenguatge quí-mic, 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’ex-pressió «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 de-terminat. Per fer-ho, utilitzarem la taula de masses atòmiques.

a

b

23

Exemples

Passar de quantitat de substància a nombre de molècules o d’àtoms

8. Quantes molècules de diòxid de carboni, CO2 hi ha en 10 mols d’aquest compost?

Si multipliquem el nombre de mols n per les molècules que té cada mol NA obtindrem el nombre total de

molècules, N.

= 6,02 · 1024 molècules de CO2

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 NA, 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, H2O.

Si multipliquem el nombre de mols n per la massa de cada mol M obtindrem la massa total m.

Com que:

M (H2O) = 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:

M (Al) = 27 g/mol

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.

N (Fe) = 0,1 mol de Fe 6,02 10

23 àtoms de Fe

6,02 1022 àtoms de Fe1 mol de Fe

=··

·

m (H2O) = 10 mol H

2O

18 g H2O

180 g H2O

1 mol H2O

=·

·m (Al) = 135 g Al 1 mol Al

27 g Al=

··


24

Exemples

Passar de massa d’element o molècula a nombre d’àtoms o molècules

12. Quantes molècules de propà, C3H

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 (C3H

8) = 0,88 g C

3H

8

1 mol C3H

8 0,02 mol de C3H

844 g C3H

8

=

Com que un mol de propà conté 6,02 · 1023 molècules:

N (C3H

8) = 0,02 mol C

3H

8

6,02 1023

molècules C3H

8 1,2 1022 molècules de C3H

81 mol C3H

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:

N (C3H

8) = 0,88 g C

3H

8

1 mol C3H

86,02 10

23 molècules C

3H

8

44 g C3H

81 mol C

3H

8

a b

= 1,2 · 1022 molècules de C3H

8

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, C4H

10.

Primerament hem de calcular la quantitat de butà (nombre de mols, n) que hi ha en els 10 g d’aquest gas.

n (C4H

10) = 10 g C

4H

10

1 mol C4H

10

58 g C4H

10

=10

58mol C

4H

10

Cada mol C4H

10 conté 6,02 · 1023 molècules de C

4H

10 i cada molècula està formada per 14 àtoms. Per tant, el

nombre total d’àtoms, N, és:

14 àtoms

1 molècula C H4 10

==10

581,5 10 àtoms 24

N (àtom) mol C4H

10

6,02 1023

molècules C4H

10

1 mol C4H

10

14. Calcula el nombre d’ions que hi ha en 2,50 g de fluorur de calci, CaF2, cristal·litzat (fluorita).

El fluorur de calci, CaF2, és un compost iònic. Als nusos de la xarxa cristal·lina hi ha un ió calci, Ca2+, per cada

dos ions fluorur, F–. La quantitat de CaF2 és:

n (CaF2) = 2,50 g CaF

2

2,50

78,1

1 mol CaF2 mol CaF

2

78,1 g CaF2

=

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)

·

··

·

· ·

·

··

· ·

·

· ··

·

25

EX

PE

RIÈ

NC

IA Estimació de la constant d’Avogadro pel mètode de la pel·lícula superficial

La constant d’Avogadro NA es pot calcular a partir

del volum molar Vm (en cm3/mol), d’una substància i el

volum, V (en cm3/molècula), d’una molècula d’aquesta substància, i ve donada pel quocient:

NA =

Vm

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/cm3.

A través del pes molecular (en g/mol) de l’àcid i la seva densitat (en g/cm3) es pot calcular el volum molar V

m

(en cm3/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.

Mètode experimental1) Prepara una solució d’àcid oleic en etanol de con-

centració en massa 2 g/L. (L’etanol és soluble en aigua.)

2) Omple d’aigua un vas de precipitats de 500 cm3 i col·loca’l sobre un full de paper mil·limetrat.

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 cm3 i el comptagotes).

b) La massa de l’àcid oleic abocat sobre la superfí-cie 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/cm3).

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 = a3.

› La constant d’Avogadro serà:

NA =

Vm

V

› Calcula l’error relatiu a partir de les dades obtingu-des.

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 6,02 · 1023 àtoms de plata, calculem:

Massa d’un àtom de plata =108 g Ag

6,02 1023

àtoms de Ag= 17,9 10–23 g/àtom

Anàlogament, per calcular la massa, en grams, d’una molècula d’un compost dividirem la massa d’un mol d’aquest compost per 6,02 · 1023 molècules.

16. Calcula quina és la massa, expressada en femtograms, d’una molècula de glucosa, C6H

12O

6.

Si M (C6H

12O

6) = 180 g/mol, vol dir que un mol de molècules de glucosa té una massa de 180 g i conté

6,02 · 1023 molècules de glucosa. Per tant:

Massa d’una molècula de glucosa =180 g C

6H

12O

6

6,02 1023

molècules C6H

12O

6

1015

fg

1 g= 2,99 10–7 fg/molècula

··

·· ·

Banc d’activitats 26 a 70

26

FÓRMULES MOLECULAR I EMPÍRICAV

15 Fórmula molecular i fórmula empírica

15.1. 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 CH4. 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 ni-trogen 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.

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’ano-mena 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, NH3, 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 fórmu-la 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. Model molecular del metà. Cada molècula està formada per un àtom de carboni i quatre d’hidrogen.

27

15.2. 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

2O

2. La

seva fórmula empírica és, doncs, HO.

En els compostos iònics no té sentit parlar de fórmula mole-cular perquè no existeixen molècules aïllades. Sí que té sentit parlar de fórmula empírica, que ens indica la relació de pro-porcionalitat que mantenen els ions que formen el compost.

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.

El clorur de calci també és un compost iònic. En aquest cas, per cada ió calci, Ca2+, hi ha dos ions clorur, Cl–. La fórmula empírica del clorur de calci és CaCl

2.

Observa que la fórmula del clorur de sodi podria ser Na50

Cl50

o Na7Cl

7, o la del clorur

de calci Ca20

Cl40

. Tanmateix, els químics les representen com a NaCl i CaCl2. Aquestes

fórmules són les més senzilles perquè els seus subíndexs són els menors possibles.

15.3. Determinació de fórmules empíriques i moleculars

La determinació de la fórmula empírica d’un compost es fa a partir de la seva com-posició 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 determi-nar-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.

28. Diferents models de representació de l’aigua i del peròxid d’hidrogen.

H HOH

HOO

Aigua

H2O H2O2

HOH2O

Peròxid d’hidrogen

Fórmula molecular

Fórmula empírica

Fórmula constitucional

Q1_U1_P2795x67

Model de bolesi varetes

Model espaial


28

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

nmol d’àtoms

mol d’àtoms

mol d’àtomsmol 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 utilit-zació de dades experimentals, d’exactitud sempre relativa).

La fórmula empírica d’aquest compost és: CH2.

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 5,08 · 10–3 àtoms de crom per cada 7,63 · 10–3 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: Cr2O

3.

·

·

·

·

·

·

29

19. Si s’escalfen a l’aire 0,853 g d’òxid de manganès(IV), MnO2, 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 MnO2, 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.

ja que M (Mn) = 54,94 g/mol i M (MnO2)= 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 9,8 · 10–3 àtoms de manganès per cada 1,48 · 10–2 àtoms d’oxigen. Dividint-ho 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

2O

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 CO2 i els grams d’hidrogen que hi ha en 1,174 g de H

2O,

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: C2H

6O.

·

· ·

··

· ·

· ·

·

m

·

·


30

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 raona-ment 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: COF2.

Per tant, la massa és: 12,01 + 16,00 + 2 · 19,00 = 66,01.

b) La fórmula molecular serà COF2 o un múltiple enter, (COF

2)n, en què n és igual a 1, 2, 3... Per establir la fór-

mula 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:

ML

L

La seva massa molecular aproximada és: Mr = 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: COF2.

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:

Mr (COF

2) = 66,01

·

·

·

·

31

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 dm3 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 molecu-lar 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:

2 àtoms C : 5 àtoms H : 1 àtom Cl

La fórmula empírica és: C2H

5Cl.

La seva massa és: 2 · 12,01 + 5 · 1,000 + 35,45 = 64,51.

b) La fórmula molecular serà (C2H

5Cl)

n (n = 1, 2, 3...). Per trobar-la cal conèixer, encara que sigui aproximada-

ment, 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 per fectes podem trobar aquesta massa molar aproximada (en què m és la massa de gas.):

T TM

p V nm

La massa molar aproximada del compost és:

p V

mM

m

R T

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: C4H

10Cl

2.

c) La massa molecular exacta és: Mr (C

4H

10Cl

2) = 64,51 · 2 = 129,0.

· ·

· ·

·

·

·

· ·

· · ·


32

Anàlisi de substàncies mitjançant espectrografies

DO

CU

ME

NT

Espectroscòpia infraroja

L’espectroscòpia infraroja estudia la radiació infraroja (IR) i la interacció d’aquesta amb la matèria. La va des-cobrir l’astrònom alemany Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) 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.

En principi, cada molècula presenta un espectre IR característic, ja que totes (excepte les molècules dia-tòmiques homonuclears com el O

2 i el Br

2) tenen algu-

nes vibracions que, en activar-se, provoquen l’absor-ció 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

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 molè-cula a la qual pertany el nucli. Isidor Isaac Rabi va descriure aquest fenomen l’any 1938.

La RMN s’aplica per detectar àtoms com 1H, 13C, 19F i 31P. 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

L’espectrometria de massa és una interacció matèria-matèria entre electrons i la molècula que s’ha d’analit-zar. Permet determinar la massa molecular d’un com-post i la d’alguns fragments iònics procedents de la molècula de partida.

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 semicircu-lars, el radi de les quals depèn de les càrregues i les masses dels ions.

Els ions més lleugers són més desviats que els de més massa. D’aquesta manera es poden separar els dife-rents 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 perme-ten conèixer l’estructura de la molècula i la seva massa total.

m 1

m 2

A B

C

La RMN permet obtenir imatges del cos humà mitjançant la detecció dels camps magnètics que generen els àtoms d’hidrogen estimulats per camps electromagnètics.

Cambra d’aceleració Camp magnètic

Cambrad’ionizació

Cambrade desviació

Entendre la ciènciaDescoberta una anella perduda de la taula periòdica

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 sintètica-ment 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 especialit-zada Physical Review Letters. L’últim element estable desco-bert 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 ca-sos 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 obtin-gut 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 ines-table: dura només unes fraccions de segon abans d’auto-

destruir-se i donar lloc a elements més lleugers. Des-prés d’impactar els àtoms de calci a la diana de ber-keli, 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 ele-ments 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 descobri-ment confirma la teoria que prediu que el 117 i els seus co-sins 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 neu-trons i protons que formen tots els elements s’uneixen en-tre si, expliquen els investigadors.

El Periódico, 7/4/2010

Activitats

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 funcio-

nament aquesta instal·lació.

Competències cc ci cp

El supercol·lisionador del CERN.

R E S U M

Àtom

Substàncies atòmiques

Substàncies moleculars

Substàncies iòniques

Escorça

Nucli

Ions

Isòtops

Variació del nombred’electrons

Nombrede protons

Nombreatòmic Z

Nombre de protons i neutrons

Nombremàssic A

Variació del nombre de neutrons

Electrons

Protons

Neutrons

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) 1,6726 · 10–27 1,6749 · 10–27 9,1 · 10–31

Càrrega (C) 1,6 · 10–19 0 –1,6 · 10–19

Aquestes partícules es distribueixen a l’àtom:

Mol: conjunt format per 6,02 · 1023 partícules

Constant d’Avogadro (NA)

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 6,02 · 1023 partícules.

R E S U M

Composició centesimal:ens dóna per a cada element la mas-sa en grams que hi ha en 100 g del compost.

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.

La fórmula molecular és igual o un múltiple de la fórmula empírica.

Fórmula empírica: indica la relació més senzilla entre els àtoms d’un compost.

Fórmula molecular: indica el nom-bre real d’àtoms de cada element que forma la molècula.

La massa atòmica relativa Ar 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.

Q1_U1_P36180X32

DENSITATd (g/cm3)

VOLUM V (cm3)

MASSA m (g)

: m

· m

· NA

· NA

Nombre d’Avogadro

NA = 6,02 · 1023

Massa molar M (g/mol)

NOMBRE DE

PARTÍCULES

QUANTITATDE SUBSTÀNCIA

n (mol)

36

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 reac-cionar 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 com-post anomenat sulfur de ferro.

a) Calcula la massa de ferro necessària per reac-cionar 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 › Quan la fusta crema, els productes de la combustió pesen més que la fusta inicial. Quina explicació té aquest fet?

5 › Comenta la frase: La llei de Lavoisier, jun-tament amb la teoria atòmica de Dalton, consti-tueixen el punt de partida de la química amb fonament quantitatiu.

6 › Fes un comentari de cada postulat de la teo ria atòmica de Dalton. Rectifica’ls d’acord amb els descobriments fets al segle xx.

7 › cc Explica per què la teoria atòmica de Dalton no pot donar compte de la llei de Gay-Lussac dels volums de combinació.

8 › cc En què consisteix la modificació introduïda per Avogadro a la teoria atòmica de Dalton?

II L’àtom

9 › Quins són els gasos nobles?

10 › ci Copia i completa la taula següent:

Nombre atòmic ... ... ... 30

Nombre de massa ... ... 50 ...

Nombre de protons ... 78 24 ...

Nombre de neutrons ... 112 ... 34

Símbol de l’isòtop de l’element

11250Sn ... ... ...

11 › 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 simbolis-me químic de cada un.

13 › Indica el nombre de neutrons que hi ha al nucli de cadascun dels àtoms següents:

a) 5828Ni b) 79

35Br c) 2814Si

14 › El potassi de la natura està format per una mes-cla de tres isòtops:

3919K, 40

19K i 4119K.

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.

16 › ci El sofre de la natura està format per la mes-cla de tres isòtops:

IsòtopsMassa

isotòpica

Abundància natural

(% en àtoms)

32S 31,972 95,0

33S 32,971 0,76

34S 33,968 4,22

Calcula la massa atòmica del sofre.

cc

cc

cc cd

37

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 mes-cla 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 ——————————————— = 1,027807 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 80,96344.

19 › L’element plata està format per la mescla de dos isòtops, plata-107 i plata-109, les masses isotò-piques 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 106 àtoms d’alumini que la massa de 106 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+, S2–, Al3+, SO4

2–, NO3–.

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 flas-cons conté més ions.

25 › Troba la massa molecular dels compostos següents:

a) octà, C8H18 b) cloroform, CHCl3

c) permanganat de potassi, KMnO4.

IV El mol

26 › Calcula la massa de: a) 0,3 mols d’àtoms de sodi. b) 2,0 mols de diòxid de carboni, CO2. c) 2,0 · 1022 molècules de iode, I2.

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, XeF4.

28 › Calcula quina és la massa de 10 mols d’àtoms de sodi.

29 › Quantes molècules de propà, C3H8, hi ha en 2 mols d’aquest compost?

30 › Un flascó de laboratori conté 100 g de carbonat de sodi, Na2CO3. Calcula la quantitat (nombre de mols) de carbonat de sodi que hi ha al flascó.

31 › Calcula la massa de 100 mols d’amoníac, NH3.

32 › Una gota d’aigua té, a 4 °C, un volum de 0,05 cm3. Quantes molècules d’aigua hi ha a la gota?

33 › Quants cm3 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, C2H6?

35 › Calcula quina és la massa de 1020 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, C5H12, hi ha en 2,16 g d’aquest hidrocarbur?

38

38 › cr Un dels compostos formats per fluor, clor i carboni que destrueixen la capa d’ozó de l’at-mosfera és el CClF3. Aquest compost té un punt d’ebullició de 23,8 °C i la seva densitat, en estat líquid, és d’1,47 g/cm3.

a) En un laboratori cau una gota (0,05 cm3) de CClF3, 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 tempera-tures 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 YBa2Cu3O5. Calcula quants àtoms d’itri conté 1 g d’aquest òxid.

40 › L’alcohol, C2H5OH, té una densitat de 790 kg/m3. 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, C6H12O6?

42 › Calcula quina és la càrrega d’1 mol d’electrons. (Dada: La càrrega d’un electró és igual a 1,6 · 10-19 C.)

43 › cp En la respiració, una persona adulta emet per terme mitjà uns 960 g de diòxid de carboni, CO2, al dia. Calcula quantes molècules de CO2 s’expi-ren per terme mitjà cada dia.

44 › La nicotina (substància metzinosa present al tabac) té com a fórmula molecular C10H14N2. Calcula quants àtoms formen les molècules con-tingudes 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 C7H5O3NS. Calcula:

a) La massa de 1020 molècules de sacarina.

b) El nombre de molècules existent en 1 mg de sacarina.

46 › El clorur de calci, CaCl2, 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 cm3 d’aigua a 4 °C.

48 › Calcula la massa de 0,1 mol de protons. (Dada: Massa d’un protó: 1,7 · 10-27 kg.)

49 › Calcula el nombre d’àtoms que formen les molè-cules que hi ha en 90,2 g de sofre ròmbic, S8.

50 › El trinitrotoluè, TNT, de fórmula molecular C7H5(NO3)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, SO3. Quin recipient conté més molècules?

52 › Calcula quina de les mostres següents conté més molècules:

a) 0,2 mol de CO2.

b) 5 g de NH3.

c) 9 cm3 d’H2O a 4 °C.

53 › Calcula el nombre d’ions Ca2+ que hi ha en una mostra de 10 g de clorur de calci, CaCl2.

54 › Quants àtoms d’hidrogen formen les molècules contingudes en 10 cm3 d’alcohol, C2H5OH? (Dada: La densitat de l’alcohol és ρ = 0,79 g/cm3.)

55 › Calcula la massa, expressada en femtograms, d’una molècula de butà, C4H10.

56 › Calcula el nombre d’ions que hi ha en 5,0 g de fluorur de potassi, KF. (Nota: El fluorur de potas-si, 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 cm3 d’aigua de la piscina. (Dades: El sucre ordinari és el compost químic sacarosa de fórmula molecular C12H22O11. El volum d’aigua de la piscina és de 900 m3.)

39

58 › cr El diàmetre mitjà de les gotes d’aigua de plu-ja 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 tempera-tura de l’aigua és de 4 °C.)

59 › Quantes molècules hi ha en 3 mols d’amoníac, NH3?

Masses atòmiques: N = 14; H = 1

60 › Quina és la massa d’un mol de cafeïna, C8H10N4O2? I la massa d’una molècula d’aquesta subs- tància?

Masses atòmiques: C = 12; H = 1; N = 14; O = 16

61 › Un got conté 72 g d’aigua. Quants mols d’aigua són?

Masses atòmiques: H = 1; O = 16

62 › Quants mols i quantes molècules hi ha en 100 g de sucre, sacarosa,C12H22O11?

Masses atòmiques: C = 12; H = 1; O = 16 NA = 6,022 · 1023 mol-1

63 › Quants àtoms hi ha en 16 g de sofre?

Massa atòmica: S = 32 NA = 6,022 · 1023 mol-1

64 › Ordena de més gran a més petita les masses de diòxid de carboni següents:

a) 33 g b) 9,03 · 1022 molècules c) 1,5 mols

65 › En un tros de guix, CaSO4 · 2 H2O, de 5 g, quantes molècules d’aigua hi ha?

Masses atòmiques: Ca = 40; S = 32; O = 16, H = 1 NA = 6,022 · 1023 mol-1

66 › 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 equili-brar la balança?

67 › A quina quantitat de substància (mol) equivalen 85 g de CO2?

68 › A quants grams equivalen 1,35 mols de glucosa, C6H12O6?

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 fórmu-la 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 fórmu-la 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 C6H6 i la de l’etí o acetilè és C2H2. La composició centesi-mal del benzè és la mateixa que la de l’acetilè? Raona-ho.

74 › Quina diferència hi ha entre una fórmula molecu-lar 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, hidro-gen 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, XeF2, XeF4 o XeF6. Un reci-pient tancat d’1,00 dm3 conté fluor i xenó a les pressions parcials respectives de 7,08 · 105 Pa i 1,72 · 105 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 reac-cionat per formar un compost sòlid de fluor i xenó. La pressió del fluor que queda sense reac-cionar és de 3,65 · 105 Pa. Quina és la fórmula empírica del fluorur de xenó obtingut?

40

79 › Per combustió de 0,2460 g d’un colorant anome-nat 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 B2O3 (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/m3. 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 empí-rica, 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 com-post 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, ocu-pen 260,0 cm3 mesurats a 373 K de temperatura i 101,1 kPa de pressió.

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.

87 › El nitrat de sodi, NaNO3, i el nitrat de potassi, KNO3, 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, H2SO4 i l’amoníac, NH3. 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, XeF4.

90 › El fosfat de calci, Ca3(PO4)2, és un compost quí-mic insoluble en aigua. En canvi, el permanganat de potassi, KMnO4, és soluble en aigua. Calcula la composició centesimal de cada un.

Investiga

91 › cr ci Investiga com s’obté el ferro i quines pro-pietats i aplicacions té.

92 › Investiga sobre John Dalton, fundador de la teo-ria atòmica.

93 › cr ci Investiga les aplicacions del carboni-14.

94 › 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.

5

L’OXIDACIÓ DEL FERRO

E l ferro és un dels elements més abundants de l’escorça terrestre fins al punt que repre-

senta el 5% del seu pes. Però si tenim en compte el conjunt del planeta (cal tenir present que el nucli està consti-tuït per un aliatge de ferro i níquel), aleshores aquest element suposa gai-rebé 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 prehis-tòria anterior al naixement de l’escrip-tura anomenada edat del ferro. Ara bé, sorprenentment els primers objectes d’aquest metall estaven fets de ferro

meteòric, ja que el ferro no es troba nadiu a la superfície terrestre, és a dir, sempre està combinat amb altres ele-ments, sobretot amb l’oxigen.

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 es-micolant) és un problema i cal tractar les estructures fèrriques amb recobri-ments 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 volgu-éssim 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

Reaccions químiques.Càlculsestequiomètrics� 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 mesu-res, analitzar dades i extreure conclusions.

� Competència personal i interpersonal. Reflexió sobre les dimensions socials i ètiques de les aplicacions de la química.

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 impor-tants 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 parà-metre que pot variar. Quins factors penses que modifiquen aquesta ve-locitat? De quina manera? Pots jus-tificar aquesta relació?

que la superfície de contacte amb l’oxi-gen sigui la màxima possible, cosa que es pot aconseguir en forma de pols de ferro.

De la mateixa manera que els objec-tes de ferro s’oxiden amb l’oxigen at-mosfèric, 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’ali-ment en aigua o untar-ne la superfície amb un àcid, com poden ser el suc de llimona o el vinagre.

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%

134

REACCIONS QUÍMIQUESI

1 Importància de les reaccions químiquesEn 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 quí-mics. 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.

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 pro-pietats característiques diferents de les propietats de les substàncies inicials, es diu que s’ha produït una reacció química.

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. General-ment, aquesta energia es desprèn o s’absorbeix en forma de calor.

En una reacció química, les substàncies inicials que reaccionen s’anomenen reac-tius, 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)

sulfat de ferro(II)(aq)

+ dihidrogen(g)

reactius productes

Canvis físics. No hi ha cap canvi en la composició de les substàncies. Per exemple, els canvis d’estat.

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.

L’apunt

Significat dels subíndexs que acompa-nyen les fórmules:

(aq)Aquós, és a dir, dissolt en aigua

(s) Sòlid

(g) Gas

(l) Líquid

L’apunt

135

EX

PE

RIÈ

NC

IA Reacció química entre un metall i un àcidMaterial i productes:› Tub d’assaig i gradetes› Càpsules de Petri de vidre› Llimadures de ferro, Fe› Àcid sulfúric, H

2SO

4

Procediment1) En un tub d’assaig col·loquem una quantitat

petita de llimadures de ferro (0,5 g aproxima-dament).

2) A continuació, hi afegim uns 10 cm3 d’àcid sulfú-ric, de 1 mol/dm3. 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 químiquesCom 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 mo-leculars.

El gas natural està format sobretot per metà, CH4(g)

. Quan aquest gas reacciona amb el dioxigen, O

2(g), s’obté diòxid de carboni, CO

2(g) i vapor d’aigua, H

2O

(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 ma-teixos però agrupats de manera diferent.

1 molèculade metà

reacciona amb

2 molèculesd’oxigen

i s’obtenen1 molèculade diòxid

de carbonii

2 molèculesd’aigua

a b

5 Reaccions químiques. Càlculs estequiomètrics

136

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.

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 Lavoi-sier).

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:

CH4(g)

+ 2 O2(g)

CO2(g)

+ 2 H2O

(g)

Aquesta expressió s’anomena equació química.

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 apa-reixen quan les reaccions químiques s’igualen.

Una equació química és una representació simbòlica d’un procés real i ens indi-ca 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, O2(g)

i s’obté una molècula de diòxid de car-boni, CO

2(g) i dues molècules d’aigua, H

2O

(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.

4 Mols i reaccions químiquesEn 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’obte-nen moltíssimes molècules de diòxid de carboni i aigua.

Reacció no igualada

N2 + H

2 NH

3

2 àtoms de N 1 àtom de nitrogen

2 àtoms d’H 3 àtoms d’hidrogen

Reacció igualada

N2 + 3N

2 CO

2 + 2 NH

3

2 àtoms de N 2 àtoms de N

6 àtoms d’H 6 àtoms d’H

L’apunt

CH4(g)

+ 2 O2(g)

CO2(g)

+ 2 H2O

(g)

Subíndex que indica en

quin estat físic es troba

la substància.

productes

Coeficient estequio-

mètric (si val 1, no

s’indica)

reactius

137

L’equació química

CH4(g)

+ 2 O2(g)

→ CO2(g)

+ 2 H2O

(g)

no només ensindica que:

1 molèculade metà

reacciona amb

2 molèculesd’oxigen i s’obté

1 molècula de diòxid decarboni

i2 molèculesd’aigua

sinó tambéque:

6,02 · 1023

molècules de metà

reaccionen amb

2 · 6,02 · 1023

molèculesd’oxigen

i s’obtenen

6,02 · 1023

molèculesde diòxid decarboni

i

2 · 6,02 · 1023

molèculesd’aigua

que és el mateix que dir:

1 mol de metà

reacciona amb

2 molsd’oxigen

i s’obtenen1 mol dediòxid decarboni

i2 molsd’aigua

Així doncs:

Els coeficients estequiomètrics d’una equació química indiquen en quina pro-porció 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.

5 Igualació d’equacions químiques senzillesPer 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 gai-re 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).

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.


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.

Practica la igualació de reaccions químiques senzilles.


138

Exemples

Igualar una equació química

1. L’alcohol, de fórmula molecular C2H

5OH, 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:

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

2H

5OH conté 2 àtoms de

carboni. Per tant, si tot el carboni d’una molècula d’alcohol passa a formar molècules de CO2, per cada molècula

de C2H

5OH 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 con-tingut en una molècula passa a formar molècules d’aigua, per cada molècula de C

2H

5OH se’n formaran 3 d’aigua.

Per tant, podem escriure (es posa una ratlla a sota dels compostos que ja s’han igualat):

C2H5OH(l) + O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(g)

Finalment, igualem l’oxigen per obtenir 2 molècules de CO2 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:

C2H5OH(l) + O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(g)

Aquesta equació indica que, per a cada mol d’alcohol que reacciona, es necessiten 3 mols de dioxigen i s’obte-nen 2 mols de diòxid de carboni i 3 mols d’aigua.

2. Quan s’escalfa el clorat de potassi, compost sòlid de fórmula KClO3, es descompon en clorur de potassi,

KCl (sòlid), i dioxigen, O2 (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:

KClO3(s) KCl(s)+ O2(g)

Com que el KClO3 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 KClO3 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 KClO3 conté

3 mols d’àtoms d’oxigen. Per tant, quan es descompon 1 mol de clorat de potassi es formaran 3/2 mols de O2.

L’equació igualada serà: KClO3(s) KCl(s)+ 3/2 O2(g)

Perquè no apareguin coeficients fraccionaris, podem multiplicar per 2 tots els coeficients estequiomètrics:

2 KClO3(s) 2 KCl(s)+ 3 O2(g)

C2H5OH(l) + O2(g) CO2(g) + H2O(g)

3

139

EX

PE

RIÈ

NC

IA Reacció dels carbonats amb l’àcid clorhídricMaterial 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.

L’equació química corresponent és:

CaCO3(s)

+ 2 HCl(aq)

CaCl2(aq)

+ CO2(g)

+ H2O

(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 car-bonat de calci i l’àcid clorhídric, però fent bombollejar el gas obtingut per una solució saturada d’hidròxid de calci anomenada aigua de calç.

Aquesta solució permet detectar la presència de CO2, 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.

a

b

Si no teniu marbre podeu emprar qualsevol altra roca calcària, tot i que cal tenir en compte que acostumen a tenir més impureses.

140

ESTEQUIOMETRIAII

6 Reaccions químiques i càlculs estequiomètricsUna equació química, una vegada igualada, permet relacionar les quantitats de reac-tius 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 deter-minada de producte o de productes de la reacció.

• La quantitat de producte o de productes obtinguts a partir d’una quantitat de-terminada 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.

Exemples

Trobar la quantitat de substància implicada en una reacció química

3. El pentà (líquid), C5H

12, reacciona amb el dioxigen, i s’obté diòxid de carboni i vapor d’aigua:

C5H

12(l) + 8 O

2(g) 5 CO

2(g) + 6 H

2O

(g)

a) Quina quantitat (nombre de mols) de diòxid de carboni, n (CO2), 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 C5H

12 que reacciona, s’obtenen 5 mols de CO

2:

n (CO2) = 3 mol C5H12

5 mol CO2

1 mol C5H12

= 15 mol de CO2

b) En primer lloc calculem la quantitat de pentà que reacciona:

n (C5H12) = 360 g C5H12

1 mol C5H12

72 g C5H12

= 5 mol de C5H12

Segons l’equació química, per cada mol de pentà que reacciona s’obtenen 6 mols d’aigua. Per tant:

n (H2O) = 5 mol C5H12

6 mol H2O

1 mol C5H12

= 30 mol H2O

La massa de 30 mols de H2O és:

m (H2O) = 30 mol H2O 18 g H2O

1 mol H2O= 540 g de H2O

La massa d’aigua obtinguda es pot calcular directament utilitzant successivament els factors de conversió:

m (H2O) = 360 g C5H12

1 mol C5H12

72 g C5H12

6 mol H2O

1 mol C5H12

18 g H2O

1 mol H2O= 540 g de H2O

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.

.

.

.

.

. .

DIBUS química 5Q1_U5_P142

58x50Analitzar l’enunciat

Igualar la reacció

Convertir les unitats a mols

Relacionar els mols

Convertir els mols a unitats

Analitzar el resultat

1 2 3 4 5 6

.

141

4. El zinc (sòlid) reacciona amb l’àcid sulfúric diluït i s’obté sulfat de zinc, ZnSO4 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 (105 Pa) a 0 °C, que es podrà obtenir en reaccionar 3,28 g de zinc amb un excés d’àcid sulfúric.

a) Zn(s)

+ H2SO

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 H2(g)

que, a 105 Pa i 0 °C, ocupa 22,7 dm3. Utilitzant els factors de conversió corresponents s’obté:

V (H2) obtingut = 3,28 g Zn 1 mol Zn

65,4 g Zn

1 mol H2

1 mol Zn

22,7 dm3 H2

1 mol H2

= 1,14 dm3 H2

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, respec-tivament, 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) MgCl2(aq) + H2(g)

Al(s) + 3 HCl(aq) AlCl3(aq) + 3—2

H2(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 H22,02 L · ————— = 0,09 mol H

2 (totals)

22,4 L H2

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:

g Mg1 mol Mg

24,3 g Mg

1 mol H2

1 mol Mg

1 mol Al

27,0 g Al

1,5 mol H2

1 mol Al+ (2,00 – ) g Al = 0,09 mol H

2

mols de H2 producte de la mols de H

2 producte de la

reacció amb el magnesi reacció amb l’alumini

Per trobar el valor de x cal resoldre l’equació de primer grau resultant del balanç anterior:

x (2,00 – x) · 1,5——— + ——––———— = 0,09

24,3 27

Fent les operacions x = 1,45 g.

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:

% de Mg =1,45 g Mg

2,00 g d’aliatge100 g aliatge = 72 %

% Al = 100 – 72 = 28%

. . .

. . .x x

.Tant el magnesi com l’alumini reaccionen amb l’àcid clorhídric. En una reacció i en l’altra es desprèn dihidrogen.

.


142

6. El benzè, C6H

6, és un líquid a temperatura ordinària. Els seus vapors són tòxics i cancerígens. La seva densi-

tat a 20 °C és de 878 kg/m3. El benzè crema amb el dioxigen i s’obté diòxid de carboni i vapor d’aigua. Si cremem 200 cm3 de benzè a 20 °C, calcula:

a) El volum d’aire necessari per a la combustió, mesurat a 20 °C i 1,01 · 105 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 C6H

6 que reacciona es necessiten 7,5 mols de O

2. La quantitat

(nombre de mols) de C6H

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 C6H

6 que reacciona s’obtenen 6 mols de CO

2. La massa de CO

2

obtinguda en reaccionar els 2,25 mol de C6H

6 és:

c) Segons l’equació química, per cada mol de C6H

6 que reacciona, s’obtenen 3 mols de H

2O. El nombre de

molècules de H2O obtingudes, N (H

2O), és:

= 4,06 · 1024 molècules H2O

. .

.

. .

.

. .

Banc d'activitats 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 i 12

. . .

143

6.1. 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.

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 H2(g) + O2(g)2 H2O(g)

Disposem d’una mescla formada per 10 g de H2 i 10 g de O

2. Una vegada que els gasos han reaccionat, cal-

cula el volum de vapor d’aigua obtingut mesurat a 200 °C i 105 Pa.

Observa que, per cada mol de O2 que reacciona es necessiten 2 mols de H

2 i s’obtenen 2 mols de H

2O. La

quantitat inicial de cada reactiu és:

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 H2O obtinguda és:

n (H2O) = 0,31 mol O2

2 mol H2O

1 mol O2

= 0,62 mol H2O

. .n (O2) = 10 g O2

1 mol O2

32 g O2

= 0,31 mol O2n (H2) = 10 g H2

1 mol H2

2 g H2

= 5,0 mol H2

.


190x55

Analitzar l’enunciat Igualar la reacció Trobar quin delsreactius és elreactiu limitant

Relacionar mols delreactiu limitant

Convertir elsmols a unitats


1 2 3 4 5 6

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 reactiu triat (A) no és el limitant.

El resultat (B) és inferior a la dada de l’enunciat (B’). El reactiu triat (A) és el limitant.


144

Per calcular el volum ocupat pel vapor d’aigua obtingut s’aplica l’equació dels gasos per fectes:

Substituint:

V =0,62 mol 8,31 J 473 K

105 Pa K mol= 0,024 m3 = 24 dm3 de vapor d’aigua

8. El propà, C3H

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 cm3 de dioxigen i 10 cm3 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) C3H8(g) + 5 O2(g)3 CO2(g) + 4 H2O(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:

C3H8(g)

1 mol

+

+

+

+

5 O2(g) 3 CO2(g) 4 H2O(g)

5 mol reaccionen i s’obté

3 mol 4 mol

també:

1 volum + +5 volums 3 volums 4 volumsreaccionen i s’obté

Total: 7 volums

La mescla reaccionant conté inicialment 10 cm3 de C3H

8 i 80 cm3 de O

2. D’acord amb l’equació química, els

10 cm3 de C3H

8 necessiten només 50 cm3 de O

2 per reaccionar totalment i, per tant, el O

2 hi és en excés. El C

3H

8

hi és en defecte i és, doncs, el reactiu limitant.

En acabar la reacció, a més de CO2 i H

2O

(g), quedarà O

2 sense reaccionar.

Volum de gas obtingut (mescla de CO2 i H

2O):

V = 10 cm3 de C3H8

7 cm3 de gas

1 cm3 de C3H8

= 70 cm3 de gas

Volum de O2 sobrant = volum de O

2 inicial – volum de O

2 reaccionat = (80 – 50) cm3 = 30 cm3

Volum de la mescla gasosa després de la reacció = 70 cm3 + 30 cm3 = 100 cm3.

És important observar que, quan es tracta de reaccions entre gasos i tots estan mesurats en les ma-teixes 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.

p V = n R Tn R T

pV =

.

Banc d’activitats 13, 14, 15, 16, 17 i 18

. .

145

Exemple

6.2. 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.

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 impu-rificat amb clorur de potassi, s’obtenen 1,27 dm3 d’amoníac (gas) mesurats a 20 °C i 1,00 · 105 Pa. Calcula el tant per cent d’impureses que conté la mostra analitzada.

a) 2 N H4Cl(s) + Ca(OH)2(aq) 2 N H3(g) + CaCl2(aq) + 2 H2O(l)

b) La quantitat de NH3(g)

obtinguda es pot calcular aplicant:

p V

R Tn (NH3) =

Substituint:

n (NH3) =1,00 105 Pa 1,27 10-3 m3

8,31 J K-1 mol-1 293 K= 0,052 mol NH3

D’acord amb l’equació química, la massa de clorur d’amoni que ha reaccionat és:

m (NH4Cl) = 0,052 mol NH NH4Cl3

1 mol NH4Cl

1 mol NH3

= 2,79 g de53,5 g NH4Cl

1 mol NH4Cl

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 %

. .

.


190x42

Convertir lesunitats a mols

Analitzar l’enunciat Igualar la reacció Relacionar els mols Convertir elsmols a unitats


1 2 3 4 5 6

Aplicar el percentatge de puresa Puresa = · 100quantitat de substància pura

quantitat de substància impura

L’etiquetatge dels productes químics ha d’indicar-ne el grau de puresa.

Banc d’activitats 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 i 29

. . .

.


146

Exemples

6.3. 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 obtingudaRendiment = ————————— · 100

massa teòrica


58x44

Analitzarl’enunciat

Igualar la reacció

Convertirles unitats a mols

Relacionarels mols

Convertir elsmols a unitats

Analitzarel resultat

1 2 3 4 5 6

Aplicar el % del rendiment al resultat teòric de puresa


Calcular el rendiment d’una reacció

10. La reacció de 6,8 g d’àcid sulfhídric, H2S (gas), amb excés de diòxid de sofre, SO

2 (gas), produeix 8,2 g de

sofre, S (sòlid) i vapor d’aigua, H2O:

2 H2S

(g) + SO

2(g) 3 S

(s) + 2 H

2O

(g)

Calcula el rendiment d’aquesta reacció química.

En primer lloc determinem la màxima quantitat teòrica de sofre que es pot obtenir a partir de 6,8 g de H2S

(g).

⋅ ⋅ ⋅6,8 g H S1 mol H S

34 g H S

3 mol S

2 mol H S

32 g S

1 mol S= 9,6 g de S2

2

2 2

Dividim la quantitat real de sofre obtinguda per la màxima teòrica, i multipliquem per 100:

⋅ =8,2

9,6100 85,4%

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 MgCO3 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:

MgCO3(s) CO2(g) + MgO(s)

Si el rendiment fos del 100%, per cada 100 mols de MgCO3 descompost obtindríem 100 mols de MgO. Atès

que el rendiment és del 80%, per cada 100 mols de MgCO3 obtenim només 80 mols de MgO. Per tant, la massa

de MgCO3 (pur) necessària per obtenir els 10,0 g de MgO serà:

= 26,1 g MgCO3 (pur)m (MgCO3) = 10 g MgO1 mol MgO

40,3 g MgO

100 mol MgCO3

80 mol MgO

84,3 g MgCO3

1 mol MgCO3

Que es disposi d’una magnesita del 90% de riquesa, significa que de cada 100 g només 90 g són de MgCO3.

La resta són impureses. Per tant, la massa de magnesita necessària serà:

m (magnesita) = 26,1 g MgCO3

100,0 g magnesita

90,0 g MgCO3

= 29,1 g de magnesita

. . .

.

147

CLASSIFICACIÓ DE LES REACCIONSIII CLASSIFICACIÓ DE LES REACCIONSIII

7 Tipus de reaccions químiquesHi ha moltes classes de reaccions químiques. Des del punt de vista elemental i ge-neral 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:

Na2O

(s) + H

2O

(l) 2 NaOH

(aq)

Cl2(g)

+ H2(g)

2 HCl(g)

2 SO2(g)

+ O2(g)

2 SO3(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)

+ CO2(g)

2 HgO(s)

2 Hg(l) + O

2(g)

KClO4(s)

KCl(s)

+ 2 O2(g)

c) Reaccions de substitució o desplaçament. Són reaccions en què un element en desplaça un altre en un compost. Exemples:

Zn(s)

+ CuSO4(aq)

ZnSO4(aq)

+ Cu(s)

2 Al(s)

+ 6 HCl(aq)

2 AlCl3(aq)

+ 3 H2(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:

AgNO3(aq)

+ NaCl(aq)

NaNO3(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 re-fereix 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.

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).

a b



148

8 Reaccions de neutralització. Reaccions àcid-baseEn 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 pig-ments 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, HNO3, i l’àcid perclòric, HClO

4, són àcids perquè

en aigua s’ionitzen:

HCl(g)

H20 H+(aq)

+ Cl–(aq)

HNO3(l)

H20 H+(aq)

+ NO3

–(aq)

HClO4(l)

H20 H+(aq)

+ ClO4

–(aq)

Quan un àcid en solució diluïda es pot ionitzar totalment és un àcid fort. En cas con-trari, 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)

H20 Na+(aq)

+ OH–(aq)

La reacció més important dels àcids i les bases és la reacció de neutralització. Con-sisteix en la combinació de H+ de l’àcid amb l’ió OH– de la base per tal de donar aigua:

H+(aq)

+ OH–(aq)

H2O

(l)

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)

H20 H+(aq)

+ Cl–(aq)

I l’hidròxid de sodi és un compost iònic que, en solució aquosa, està totalment dis-sociat en els seus ions:

(Na+, OH–)(s)

Na+(aq)

+ OH–(aq)

Una solució és més bàsica com més gran és la concentració d’ions hidrò-xid, OH–

(aq).

Algunes bases fortes

NaClO: lleixiu, molt utilitzat com a blanquejador i desinfectant.

NaOH: sosa càustica, utilitzada per exemple, per desembussar clavegue-res.

Algunes bases febles

NH3: amoníac, utilitzat com a producte

de neteja, per curar picades d’insectes.

NaHCO3: bicarbonat sòdic, llevat arti-

ficial utilitzat en rebosteria per reacci-onar amb altres components, alliberar CO

2 i esponjar la massa.

L’apunt

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.

Indicadors àcid-base.

149

L’escala de pH

El grau d’acidesa o basicitat d’una so-lució 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.

L’apunt


60x53

Àcid clorhídric

Suc de llimona

Vinagre

ViSuc de tomàquet

Aigua destil·lada

Aigua de marBicarbonat de sodi

Pasta de dents

Amoníac

Lleixiu

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Més

àci

dM

és b

àsic

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, H2SO

4(aq)

0,10 mol/dm3 necessari per a la seva neutralització.

La reacció química corresponent a la neutralització de l’hidròxid amb l’àcid és:

H2SO

4(aq) + 2 KOH

(aq) K

2SO

4(aq) + 2 H

2O

(l)

Segons l’equació, cada mol de H2SO

4, reacciona amb 2 mols de KOH.

Per tant, els mols de H2SO

4 necessaris per neutralitzar els 0,56 g de KOH són:

n (H2SO4) = 0,56 g KOH 1 mol KOH

56 g KOH

1 mol H2SO4

2 mol KOH= 5 10-3 mol H2SO4

El volum de solució àcida necessari per a la neutralització serà:

Vsolució= 5 10-3 mol H2SO4

1 dm3

0,10 mol H2SO4

= 0,050 dm3 = 50 cm3

Si afegim unes gotes d’un indicador anomenat fenolftaleïna a una solució d’un hidròxid, apareix un color rosa violat característic.

.

. .

Quan es mesclen totes dues solucions té lloc la reacció de neutralització:

HCl(aq)

+ NaOH(aq)

NaCl(aq)

+ H2O

(l)

àcid + base sal + aigua

Que, en forma iònica, és:

H+(aq)

+ Cl–(aq)

+ Na+(aq)

+ OH–(aq)

Na+(aq)

+ Cl–(aq)

+ H2O

(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)

H2O

(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.

.

Emula quantitativament diferents reaccions de neutralització.

.


150

Exemple

EX

PE

RIÈ

NC

IA Determinació de l’acidesa d’un vinagre utilitzant una solució d’hidròxid de sodi de concentració coneguda

Material i productes:› Matràs aforat de 250 cm3

› Matràs d’Erlenmeyer de 200 cm3

› Pipeta graduada de 25 cm3 › Bureta de 50 cm3 › Vas de precipitats de 100 cm3 › Suport

› Pinces de bureta › Solució d’hidròxid de sodi, 0,2 mol/dm3

› Fenolftaleïna (indicador) › Vinagre de color clar › Aigua destil·lada

L’acidesa del vinagre és deguda a l’àcid acètic, CH3—COOH, que conté.

L’equació química corresponent a la reacció de neutralització de l’àcid amb l’hidròxid de sodi és:

CH3−COOH

(aq) + NaOH

(aq) CH

3−COONa

(aq) + H

2O

(l)

Procediment1) Mesura amb la pipeta 25 cm3 de vinagre i introdueix-los en un matràs aforat de 250 cm3.2) Afegeix-hi aigua fins a l’enrasament. Cal agitar-ho bé. 3) Neteja la bureta i esbandeix-la amb uns 5 cm3 de la solució de NaOH.4) Afegeix a la bureta uns 40 cm3 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 cm3 de la solució continguda en el matràs aforat.6) Afegeix-hi 50 cm3 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 so-lució d’una base de concentració coneguda. Aquest mètode quantitatiu d’anàlisi s’anomena anàlisi volumètrica.

Determinar la concentració d’ions d’una solució

13. Es mesclen 100 cm3 de solució d’hidròxid de bari 0,1 mol/dm3 (solució 1) amb 50 cm3 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 for t 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:

(Ba2+, 2 OH–)s aigua Ba2+

(aq) + 2 OH

(aq)

151

Quan es mesclen les dues solucions, té lloc la reacció de neutralització:

2 HCl(aq)

+ Ba(OH)2(aq)

BaCl2(aq)

+ 2 H2O

(l)

Que en forma iònica és:

2 H (aq) + 2 Cl (aq) + Ba(aq) + 2 OH(aq)Ba(aq) + 2 Cl (aq) + 2 H2O(l)

–– +2+

S’observa que els ions Cl– i els ions Ba2+ 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)

H2O

(l)

Abans de mesclar les dues solucions, tenim:

Solució 1: n (OH–) = 0,1 dm3 0,1 mol Ba(OH)

22 mol OH–

1 dm3 1 mol Ba(OH)2

= 0,02 mol OH–

Solució 2: 1 dm3

n (H+) = 0,05 dm3 0,1 mol HCI 1 mol H+

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

2O. 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 (100 + 50) cm3, la concentració d’ions hidròxid en la solució resultant és:

[OH–] =0,015 mol OH–

0,150 dm3 solució= 0,1 mol/dm3

b) La quantitat d’ions bari és la mateixa al principi que al final de la reacció, però no la seva concentració.

n (Ba2+) = 0,1 dm3 0,1 mol Ba(OH )2 1 mol Ba2+

1 dm3 1 mol Ba(OH)2

= 0,01 mol Ba2+

La concentració d’ions bari final és:

[Ba2+] = 0,01 mol Ba2+

0,150 dm3 = 0,07 mol/dm3

solució

. .

. .

. .

Banc d’activitats 34


152

El precipitat groc és iodur de plata.

EX

PE

RIÈ

NC

IA9 Reaccions de precipitacióLes 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)

+ AgNO3(aq)

NaNO3(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 naturale-sa del seu reticle cristal·lí. Així hi ha sals molt solubles, com tots els nitrats, els ace-tats, els clorats i els perclorats dels metalls alcalins; en canvi la majoria dels sulfurs, hidròxids i carbonats (excepte els de metalls alcalins) són insolubles.

Obtenció d’un compost insoluble

Material i productes:› Vas de precipitats de 100 cm3

› Solució de nitrat de plata, AgNO3(aq)

› Solució de iodur de potassi, KI(aq)

1) Col·loca en un tub d’assaig 5 cm3 de solució de nitrat de plata.2) Afegeix-hi a continuació 2 o 3 cm3 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:

AgNO3(aq)

+ KI(aq)

AgI(s)

↓ + KNO3(aq)

Com que en la solució aquosa la majoria de les sals estan totalment ionitzades, l’equació química anterior escrita en forma iònica és:

AgI(s) ↓ + K(aq) + NO3(aq)Ag(aq) + NO3(aq) + K(aq)+ I(aq)++ +– ––

Observa que els ions nitrat, NO3–, 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:

AgI(s) ↓Ag(aq) + I(aq)+ –

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?

153

ExempleD

OC

UM

EN

T

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 cm3 d’una solució de nitrat de plom(II) 0,10 mol dm–3 amb 300 cm3 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(NO3)2(aq)

+ Na2SO

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:

Pb2+(aq)

+ SO42–

(aq) PbSO

4(s) ↓ (1)

Per tant, per saber la massa de precipitat obtinguda cal calcular primerament la quantitat d’ions Pb2+ i SO42–

presents en la solució:

0,10 mol Pb (NO3)2 1 mol Pb2+

n (Pb2+) = 0,200 dm3 solució —————————— ————————— = 0,020 mol Pb2+

1 dm3 solució 1 mol Pb (NO3)2

0,20 mol Na2SO4 1 mol SO 2–4

n (SO 2–4 ) = 0,300 dm3 solució —————————— ——————-------— = 0,060 mol SO 2–

41 dm3 solució 1 mol Na 2SO4

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:

1 mol PbSO4 303,3 g PbSO4m (PbSO4) = 0,02 mol Pb2+ ——————— ———————— = 6,07 g PbSO4

1 mol Pb2+ 1 mol PbSO4

Aigües dures i aigües blanes

Les propietats i els usos de l’aigua depenen molt de la quantitat d’ions calci i magne-si 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 Ca2+ i Mg2+. Qualsevol altre ió de metall pesant, com per exemple l’ió Fe2+, contribueix a la duresa de l’aigua.

Aquests ions reaccionen amb el sabó i s’obté una substància insoluble, que impe-deix 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 mag-nesi en sals de carbonats, o bé per mitjà d’intercanvi iònic amb resines sintètiques.

. .

..

. .


154

5. L’obtenció industrial dels metalls a partir dels seus compostos es fa amb processos redox.

10 Reaccions d’oxidació-reduccióLes reaccions d’oxidació-reducció, o d’una manera més simplificada reaccions re-dox, 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 combi-nació d’una substància amb l’oxigen.

Les reaccions següents són exemples de processos d’oxidació:

4 Na(s)

+ O2(g)

2 Na2O

(s) (1)

4 Fe(s)

+ 3 O2(g)

2 Fe2O

3(s) (2)

2 Mg(s)

+ O2(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.

Les reaccions següents són exemples de processos de reducció:

2 HgO(s)

2 Hg(l) + O

2(g)

Fe2O

3(s) + C

(s) 2 FeO

(s) + CO

(g)

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)

+ O2(g)

2 (2 Na+ , O2–)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+ + 4 e–

O2 + 4 e– 2 O2–

Anàlogament, en les reaccions (2) i (3), el ferro i el magnesi, quan reaccionen, per-den 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:

Cl2(g)

+ 2 Na(s)

2 (Na+, Cl–)s

Tenint en compte el balanç electrònic:

2 Na 2 Na+ + 2 e–

Cl2 + 2 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.

Obtenció del plom.

155

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 reduc-tor, 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 dicro-mats, l’ió ceri(IV), etc.

7. El permanganat de potassi, KMnO4 i el dicromat de potassi, K

2Cr

2O

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.

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)

+ O2(g)

CO2(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.

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.

Reaccions en cadena.


156

EX

PE

RIÈ

NC

IA Realització d’una volumetria redox

Material i productes:› Pipeta › Aigua destil·lada› Matràs aforat de 100 cm3 › 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 KMnO4(aq)

+ 5 H2O

2(aq) + 3 H

2SO

4(aq) 2 MnSO

4(aq) + 5 O

2(g) + 8 H

2O

(l) + K

2SO

4

L’equació iònica és:2 MnO

4–(aq)

+ 5 H2O

2(aq) + 6 H+

(aq) 2 Mn2+

(aq) + 5 O

2(g) + 8 H

2O

(l)

color violeta incolor incolor incolor incolor incolor en solució diluïda

Observa que els ions SO42– 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 cm3 de la solució que vols valorar.

2) Posa el líquid en un matràs aforat de 100 cm3. 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 cm3 de la solució diluïda.7) Mesura amb la pipeta 10 cm3 de la solució diluïda i passa’ls a un Erlenmeyer.8) Dilueix-ho amb uns 25 cm3 d’aigua i afegeix-hi 10 cm3 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 H2O

2 en la solució que volem valorar, el medi és incolor (Figura a), però una gota en excés de per-

manganat 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.

157

ExempleE

XP

ER

IÈN

CIA

a b

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 KMnO4(aq)

+ 10 FeSO4(aq)

+ 8 H2SO

4(aq) 2 MnSO

4(aq) + 5 Fe

2(SO

4)

3(aq) + K

2SO

4(aq) + 8 H

2O

(l)

Una mostra d’1,00 g de sulfat de ferro impurificat amb sulfat de sodi necessita 25 cm3 d’una solució de KMnO

4 de concentració 0,01 mol/dm3 per oxidar tots els ions Fe2+ 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 KMnO4 per reaccionar amb 10 mols de FeSO

4, per tant:

m (FeSO4) = 0,025 dm3 solució · · · =

= 0,19 g FeSO4

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:

% (FeSO4) =

0,19 g FeSO4

1,0 g mostra · 100 g mostra = 19,0%

Reacció del clorur de coure(II) i l’alumini

Material i productes:› Vas de precipitats de 100 cm3 › Làmina d’alumini› Solució de clorur de coure(II) › Clau de ferro

1) Col·loca, en un vas de precipitats de 100 cm3, uns 25 cm3 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:

3 Cu (aq) + 6 Cl (aq) + 2 Al(s) Cu(s) + 2 Al (aq)+3+2 + 6 Cl (aq)

––

incolorcolorblau

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 Cu2+(aq)

+ 2 Al(s)

3 Cu(s)

+ 2 Al3+(aq)

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.

3 CuCl2(aq) + 2Al(s) 3 Cu(s) + 2 AlCl3(aq)

solució blava solució incolora


158

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.

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.

Q1_U5_P16060x60

Energiad’activació


Complex activat

Reacció exotèrmica

Avanç de la reacció

Complex activat

ProductesΔH < 0

Reacció endotèrmica

En

erg

ia p

ote

nci

alE

ner

gia

po

ten

cial


Reactius

Reactius

Productes

ΔH > 0

CARACTERÍSTIQUES DE LES REACCIONSIV

11 Reaccions químiques i energiaTotes 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.

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)

+ H2SO

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 apor-tar contínuament energia perquè tingui lloc la reacció. Per exemple, per descompon-dre l’òxid de mercuri(II) en mercuri i oxigen:

HgO(s) Hg(l) + 1—2

O2(g)

cal escalfar-lo. Si s’allunya el focus calorífic, la reacció s’atura. Aquesta reacció quí-mica, 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.

Quan una reacció es realitza a pressió constant, l’energia, en forma de calor, des-presa 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 endotèr-mica (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 for-ma 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.

2 Mg(s)

+ O2(g)

2 MgO(s)

Per contra, la reacció de la síntesi es produeix en les plantes verdes amb absorció de llum.

6 CO2(g)

+ 6 H2O

(l) C

6H

12O

6(s) + 6 O

2(g)

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.

159

EX

PE

RIÈ

NC

IAEn 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:

H2O(l) H2(g) + 1—2

O2(g)

Aquesta reacció química ha estat possible gràcies a una energia elèctrica consumi-da. 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’ener-gia elèctrica. Aquest fenomen té lloc en les piles voltaiques. El procés que es desen-volupa 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 pro-cessos físics, químics o nuclears s’anomena termodinàmica.

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, CuSO4 · 5 H

2O, 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?

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 C12

H22

O11

i es transforma en carboni i vapor d’aigua, escriu l’equa-ció química corresponent i indica si el procés és exotèrmic o endotèrmic.

a b c


160

EX

PE

RIÈ

NC

IA

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 dis-minuir-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 du-rant 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 37

Reacció del sodi amb l’aigua

12 Velocitat de les reaccions químiques

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 con-tingut en un vas de precipitats o en un tub d’assaig. La reacció entre el me-tall 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.

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 gro-guenc, cal que passin hores i, de vegades, fins i tot dies.

Reacció del sodi amb l’aigua.

161

13 Model dels xocs molecularsEls 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 partí-cules 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 reac-tius produeixen un canvi químic; n’hi ha que en xocar reboten sense experimentar cap mena de transformació.

Donada la reacció química entre gasos:

I2(g)

+ H2(g)

2 HI(g)

per tal que es produeixi una reacció química cal que xoquin les molècules de iode i hi-drogen 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 temperatura ordinària les molècules de l’atmosfera (dinitrogen, dioxigen, diòxid de carboni, vapor d’aigua, etc.) xoquen entre elles sense donar lloc a reaccions quími-ques.

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.

a) Col·lisió eficaç

Abans de la col.lisió Col.lisió Després de la col.lisió

b) Col·lisió ineficaç

Abans de la col.lisió Col.lisió Després de la col.lisió


162

EX

PE

RIÈ

NC

IA14 Factors que influeixen en la velocitat d’una reacció

14.1. Efecte de la concentració

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

2SO

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 cm3 d’àcid sulfúric concentrat, Al segon tub, 10 cm3 d’àcid sulfúric diluït, al tercer, 10 cm3 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 mole-culars. 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 concen-tració de l’àcid produeix l’efecte contrari: disminueix la velocitat de la reacció.

14.2. Efecte de l’estat de divisió d’un sòlid

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.

14.3. 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 augmen-ten 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:

• 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 calorífi-ca i la propagació de la reacció a tota la massa són tan ràpides que la reacció es produeix de manera explosiva.

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

Concentració i velocitat d’una reacció.

163

14.4. Efecte dels catalitzadors

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.

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.

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.

• Catàlisi homogènia. El catalitzador actua dispers homogèniament en el medi de reacció. Un exemple de catàlisi homogènia és la reacció següent:

SO2(g) +1—2

O2(g) SO3(g)

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 reac-cionant, 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 40

EX

PE

RIÈ

NC

IA Observació de l’efecte d’un catalitzador

Material i productes:› Vas de precipitats de 100 mL› Solució aquosa de peròxid d’hidrogen, H

2O

2 (aigua oxigenada)

› Òxid de manganès(IV), MnO2

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 H2O

2(aq) H

2O

(l) + O

2(g)

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 MnO2 que al principi. Aparent-

ment, no ha reaccionat.

a

b

Q1_U5_P165 60x60


Energia d’activacióamb catalitzador

Complex activat

En

erg

ia p

ote

nci

al


ReactiusProductes

12. La presència d’un catalitzador implica emprar menys energia per activar una reacció.

Entendre la ciènciaReaccions nuclears

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 electromag-nètica.

Perquè es puguin produir les reaccions de fusió nuclear cal que es compleixin els requi-sits 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 235

1 MeV (milions d’electró-volts) = 1,609 · 10–13 joules

1 MeV = 103 keV = 106 eV

Reacció de fusió 335 MJ/mil·ligram de deuteri-triti

Competències cc cp cm

Activitats

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

CO2 i H

2O com a producte de la reacció. Aquest CO

2 és un dels causants principals de l’efecte hivernacle que provoca l’es-

calfament 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, CH4

890

Propà, C3H

82 220

Butà, C4H

102 874

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 235U apte per a les reaccions de fusió. Calcula l’energia que s’obtindria si es fisionessin tots els àtoms d’ura-ni 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 + O2 CO

2

calcula els grams de CO2 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.

Entendre la ciènciaEl reciclatge dels metalls

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 bau-xita, 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 CuFeS2 + 3 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.

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 qual-sevol 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 electrodo-mèstics, 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 fo-namentalment) i no fèrrics. Després se separen per tipo-logies més concretes, posteriorment són premsats o es-micolats fins aconseguir unes dimensions determinades i seguidament són enviats a les foneries on es fan els trac-taments específics per aconseguir cada un dels metalls separadament.

Exemples de la variació de la cotització del coure i l’or.

Competències cc cp cm

Q1_U5_P168 180x45

5001.800

1.600

1.400

1.200

1.000

800600

400

2000

1960 1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1900 1920 1940 1960 1980 20001989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010

326,74

2013*(*) abril

400

300

200

100

0

Borsa dels metalls de Londres: preu nominal del coure (mitjana mensual) Cotització històrica de l’or (1900-2013)

US

$ ce

nta

us/

lliu

ra

US

$/u

nça

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:

MaterialIngressos (€/t)

Inferior Superior

Inoxidable ferrític 150 400

Inoxidable no ferrític 1100 1450

Cable elèctric de coure 1200 2000

Plom 500 1300

Zinc 600 850

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) Al2O

3 · 2 H

2 O

b) Al(OH)3 · 6 H

2O

c) Al2(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.

R E S U M

Canvis

1. Analitzar l’enunciat

Calcular el reactiu limitant: el que determina la fi de la reacció.

Aplicar la puresa del reactiu.

quantitat de substància puraPuresa = ——————————————— · 100

quantitat de substància impura

massa obtingudaRendiment = ————————— · 100

massa teòrica

Aplicar el percentatge del rendiment al resultat teòric.

2. Igualar l’equació química

3. Convertir les unitats

a mols

4. Relacionar mols

5. Convertir els mols a unitats

6. Analitzar el resultat

Equació química

Físics

Canvis d’estat

Reaccions químiques

No hi ha canvis en la composició de les substàncies.

Hi ha canvis en la composició de les substàncies.Químics

Reactius Productes

C2H

5OH

(l) + 3 O

2(g) 2 CO

2(g) + 3 H

2O

(g)

Coeficients estequiomètrics

sòlid (s)

líquid (l)

gas (g)

aquós (aq)

› Problemes estequiomètrics

› Energia de les reaccions:

Exotèrmiques: desprenen energia en forma de calor.

Endotèrmiques: absorbeixen energia en forma de calor.

R E S U MReaccions químiques

Classificació

Depèn de:

Velocitat de les reaccions: quantitat de substància reaccionant que es transforma o desapareix en cada uni-tat de temps i per unitat de volum.

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 CO2, H

2O i es desprèn

energia en forma de calor i llum.

› Concentració reactius: més concentració més partícules que impacten més velocitat

› 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

Reacció de neutralització

HCl(aq)

+ NaOH(aq)

NaCl(aq)

+ H2O

(l)

Àcid + Base Sal + Aigua

Reacció de precipitació

NaCl(aq)

+ AgNO3(aq)

NaN03(aq)

+ AgCl(s)

Producte sòlid insoluble

Reacció redox

Reaccions amb transferència d’electrons.

4 Na(s)

+ O2(g)

2(2 Na+, O–2)(s)

Oxidació. Procés en el qual es perden electrons.

4 Na 4 Na+ + 4 e–

Reducció. Procés en el qual es guanyen electrons.

O2 + 4 e– 2 O2–

170

A C

T I

V I T

A T

SI 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 coefi-cient estequiomètric adequat perquè cada equa-ció química quedi igualada.

a) ...Al(s) + ...H2SO4(aq) …Al2(SO4)3(aq) + …H2(g)

b) …As(s) + …O2(g) …As2O5(s)

c) …KClO4(s) …KCl(s) + …O2(g)

d) …C6H14(l) + …O2(g) …CO2(g) + …H2O(g)

e) ..Na2CO3(s) + …HCl(aq) …NaCl(aq) + …CO2(g) + …H2O(l)

f) …KI(aq) + …Pb(NO3)2(aq) …PbI2(s)+ …KNO3(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, CaCO3 (sòlid), és molt abundant a la natura. El marbre i la pedra calcà-ria estan constituïts per aquest compost. En escalfar-lo, el carbonat de calci es descompon en òxid de calci, CaO (sòlid), i diòxid de carboni, CO2. 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 pro-cés 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 pro-cés descrit.

b) Llegeix l’equació química fent-hi intervenir els volums relatius dels gasos, si tots estan mesurats en les mateixes condicions de pres-sió 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 condi-cions de pressió i temperatura.

d) Calcula quants grams de diclor poden reacci-onar 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 mesu-

rat a 27 °C i 1,01 · 105 Pa, si reaccionen 0,2 mol de zinc.

8› cm L’etanol, C2H5OH, anomenat simplement alcohol, és un líquid incolor d’olor agradable i de densitat 790 kg/m3. Té una gran aplicació en per-fumeria, 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 pro-cés indicat i calcula quin volum de diòxid de carboni mesurat en CN s’obtindrà si reaccio-nen 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 cm3 d’alcohol.

c) Calcula quantes molècules de vapor d’aigua s’obtindran si reaccionen 10 g d’alcohol.

171

d) Si quan es crema una certa quantitat d’alcohol s’obtenen 1,5 dm3 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 dioxi-gen i s’obté diòxid de nitrogen. Totes les espècies químiques que hi intervenen són gasos.

a) Escriu l’equació química corresponent al pro-cés indicat.

b) Calcula el volum de dioxigen i el de monòxid de nitrogen necessaris per obtenir 100 dm3 de diòxid de nitrogen, si tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pres-sió 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 1 013 hPa, si es fan reaccionar 0,3 g de coure amb excés d’àcid nítric:

4 HNO3(aq) + Cu(s) Cu(NO3)2(aq) + 2 NO2(g) + 2 H2O(l)

11›Es neutralitzen, amb àcid sulfúric diluït, 100 cm3 d’una solució d’hidròxid de bari 0,20 mol/dm3. La sal obtinguda és insoluble en aigua.

a) Escriu l’equació química corresponent al pro-cés que ha tingut lloc.

b) Després de la neutralització, es filtra i s’asse-ca la sal obtinguda. Quina massa té?

12›El metà, CH4(g), és el component principal del gas natural. Reacciona amb el dioxigen O2 (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 dm3 de CH4, mesurats a 25 °C i 101 kPa.

c) Calcula el volum de diòxid de carboni obtingut si reaccionen 20 dm3 de metà i tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura.

d) Es mesclen 5 dm3 de metà i 20 dm3 de dioxigen mesurats els dos en CN. Quants grams d’ai-gua s’obtindran?

13›Un tros de ferro de 10 g exposat a la intempèrie augmenta 0,5 g. Suposant que només s’hagi for-mat òxid de ferro(III), quina massa de ferro que-darà 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 cm3 de H2 i 100 cm3 de O2, calcula el volum final, una vegada que els gasos han reaccionat, si tots ells estan mesurats en les mateixes con-dicions 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, C2H6(g), i també la del butà, C4H10(g).

b) Tenim inicialment una mescla gasosa formada per 0,50 dm3 d’età, 2,5 dm3 de butà i 20 dm3 de dioxigen. Una vegada que els gasos han reac-cionat, calcula el volum final si tots els gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura. (Nota: Considera l’ai-gua obtinguda en estat gasós.)

16›Un recipient tancat de 10 dm3 conté una mescla de 2,0 g de metà, 2,0 g de propà i 20 g de dioxi-gen. Quan salta una guspira elèctrica, els gasos reaccionen i s’obté diòxid de carboni i vapor d’aigua.

a) Escriu les equacions químiques correspo-nents 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 obtin-guts i la massa de reactiu que queda sense reaccionar.

17›El sulfur de zinc (sòlid), reacciona amb el dioxi-gen i s’obté òxid de zinc (sòlid) i diòxid de sofre (gas).


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 reac-ció del dinitrogen amb el dihidrogen.


b) Dins d’un recipient s’introdueixen 30 mols de N2 i 30 mols de H2. Calcula els mols de cada espècie química després d’haver obtingut 10 mols d’amoníac.

172

A C

T I

V I T

A T

S19›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:

CaCO3(s) + 2 HCl(aq) CaCl2(aq) + CO2(g)+ H2O(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 obte-nir 200 cm3 de diòxid de carboni mesurat a 22 °C i 105 Pa?

d) Calcula quantes molècules d’aigua s’obtin-dran si reaccionen 0,5 mol de carbonat de calci.

20›a) Escriu l’equació química corresponent a la combustió de propà, C3H8(g).

b) Calcula el nombre de mols de diòxid de carbo-ni obtinguts en la combustió d’1,0 dm3 de pro-pà mesurats a 25 °C i 1,01 · 105 Pa.

c) Calcula el volum d’aire a 1,01 · 105 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 cm3 d’un àcid clorhí-dric del 25,8% en massa i densitat 1 140 kg/m3.

a) Indica després de fer els càlculs necessaris, quin és el reactiu limitant.

b) Calcula el volum de dihidrogen obtingut mesu-rat a 25 °C i 1,01 · 105 Pa.

22›En escalfar carbonat de magnesi, MgCO3, es des-compon en òxid de magnesi i diòxid de carboni.


b) Calcula quants litres de diòxid de carboni, mesurats a 300 K i 1,01 · 105 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:

NH4Cl(s) + NaOH(aq) NH3(g) + NaCl(aq) + H2O(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 dm3 d’amo-níac mesurats a 27 °C i 1,01 · 105 Pa.

Calcula la composició, en tant per cent en mas-sa, de la mostra analitzada.

24›a) Escriu l’equació química corresponent a la neu-tralització 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/dm3 necessari per neutralitzar una solució que conté 0,50 g d’hidròxid de calci i 0,27 g d’hidrò-xid de potassi.

25›L’hidròxid de calci és molt poc soluble en l’aigua. A 25 °C es prepara una solució saturada d’hidrò-xid de calci i es filtra. Per neutralitzar 10,0 cm3 de la solució filtrada s’han necessitat 7,2 cm3 d’àcid clorhídric 0,05 mol/dm3. Calcula el nom-bre d’ions calci existents en cada cm3 de la solu-ció 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 quanti-tat d’àcid clorhídric per ser neutralitzada.

27›Tenim una mescla d’hidròxid de potassi i clorur de potassi, de la qual volem conèixer la composi-ció. 1,0 g de la mescla es dissol en aigua fins a obtenir 100 cm3 de solució. 10,0 cm3 d’aquesta dissolució necessiten 8,0 cm3 d’àcid sulfúric 0,10 mol/dm3 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’ob-tenen, 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 1,01 · 105 Pa, ocupa un volum de 0,511 dm3.

a) Escriu les equacions químiques correspo-nents als processos que han tingut lloc.

173

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/dm3. 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 1,01 · 105 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 nitro-gen s’obtenen 100 g de diòxid de nitrogen. Cal-cula el rendiment d’aquest procés

31›L’àcid acètic, CH3COOH, s’obté industrialment per reacció del metanol, CH3OH, amb el monòxid de carboni. Calcula el volum de solució d’àcid acètic del 80% en massa i densitat 1 070 kg/m3 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 pro-cés 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?

La solució de nitrat de plata és incolora.

A la solució de nitrat de plata s’ha introduït una làmina de coure.

33›Classifica les reaccions següents en reaccions àcid-base, precipitació o redox:a) 2 Al(s) + 6 HCl(aq) 2 AlCl3(aq) + 3 H2(g)

b) KOH(aq) + HCl(aq) KCl(aq) + H2O(l)

c) 2 Mg(s) + O2(g) 2 MgO(s)

d) CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g)

e) H3PO4(aq) + 3 NaOH(aq) Na2PO4(aq) + + 3 H2O(l)

f) Pb(NO3)2(aq) + 2 NaCl(aq) PbCl2(s) + + 2 NaNO2(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 cm3 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 semire-acció d’oxidació. En cada reacció indica quina espècie química és l’oxidant i quina és la reductora. a) 4 Na(s) + O2(g) 2 Na2O(s)

b) Zn(s) + S(s) ZnS(s)

c) 2 Al(s) + 6 HCl(aq) 2 AlCl3(aq) + 3 H2(g)

d) Mg(s) + F2(g) MgF2(s)

36›El sodi s’oxida ràpidament en contacte amb l’oxi-gen de l’aire. Inicialment tenim una mostra de sodi pur de 5,0 g. Al cap d’un cert temps de dei-xar-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 exotèrmi-ques i endotèrmiques d’interès industrial.

174

A C

T I

V I T

A T

S39›a) Suposa que es fa reaccionar zinc amb àcid

clorhídric. Justifica la influència de la concen-tració de l’àcid en la velocitat de reacció.

b) Dissenya una experiència que demostri que el factor que influeix en la velocitat de reacció no és el volum de l’àcid emprat sinó la seva con- centració.

40›Què són els biocatalitzadors?

Investiga

41› cr ci cc Investiga els additius alimentaris: avantatges i inconvenients.

42› cr ci cc Investiga els processos químics que tenen lloc quan prepares:

a) Un bistec a la brasa. b) Un ou ferrat.

43› cc cr cm Les estructures de ferro que romanen a l’exterior, com per exemple, el mobiliari urbà,

es cobreixen amb unes pintures especials per evitar-ne l’oxidació.

a) Quines són aquestes pintures? b) Per què creus que no s’utilitza l’acer inoxida-

ble per a aquest tipus d’objectes?

44› cc cr La gran majoria d’àcids que trobaràs al laboratori estan confinats en ampolles de vidre. Sabent que el plàstic és més econòmic i menys fràgil, per què creus que s’utilitza aquest material?

45› cc cr cm Hi ha persones que tenen de forma habitual o puntual problemes d’acidesa a l’esto-mac. En aquests casos s’acostuma a receptar el que s’anomenen antiàcids, com per exemple el conegut Almax.

a) Quina és la base d’aquest medicament? b) Quina reacció es dóna a l’estómac quan algú

es pren aquest medicament?

La pluja àcidaLa degradació de molts boscos de la Selva Negra, els Vosges i el Jura (Alemanya, França i Suïssa, respectiva-ment), va ser la causa que va cridar l’atenció dels científics sobre l’anomenada pluja àcida, una pluja d’acidesa molt superior a la normal. El pH de l’aigua de la pluja no contaminada és aproximadament de 5,6. És lleugera-ment àcida a causa del diòxid de carboni atmosfèric que, quan es dissol en l’aigua, dóna lloc a l’àcid carbònic.

El grau d’acidesa de la pluja àcida és molt més alt a causa de la presència, fonamentalment, d’àcid sulfúric i d’àcid nítric dissolts a l’aigua. En algunes zones s’han donat valors de pH compresos entre 3,5 i 4,5 i, fins i tot, valors de pH inferiors a 2.

El procés que hi té lloc és el següent: un dels gasos contaminants de l’atmosfera, el diòxid de sofre, es pot oxidar i passar a triòxid de sofre, el qual, quan reacciona amb l’aigua de pluja, produeix l’àcid sulfúric. Altres contaminants, els òxids de nitrogen, donen lloc a la formació d’àcid nítric, que també queda dissolt a l’aigua de pluja.

Aquests contaminants, és a dir, el diòxid de sofre i els òxids de nitrogen, poden tenir un origen natural. Així, per exemple, els volcans en erupció en desprenen, juntament amb altres gasos. Però l’origen principal és artificial; la provoca l’ésser humà i prové de les emissions de gasos com a conseqüència de combustions a altes temperatures, com les que es duen a terme en les centrals tèrmiques i en els motors de combustió.

46› cc ci cd cm

a) Planteja i ajusta les reaccions químiques que donen lloc a l’àcid sulfúric i a l’àcid nítric que es troben pre-sents en la pluja àcida.

b) Compara el grau d’acidesa de la pluja natural i de la pluja àcida amb la d’alguns productes quotidians. c) Investiga i explica i perquè la pluja àcida afecta els edificis, monuments i estructures metàl·liques. d) Exposa alternatives que puguin disminuir o eradicar el fenomen de la pluja àcida.

1 Estructura de la matèria - eCasalsdata.ecasals.net/pdf/24/9788421847367_L33_24.pdf ·...

Documents

Transcript of 1 Estructura de la matèria - eCasalsdata.ecasals.net/pdf/24/9788421847367_L33_24.pdf ·...