Química 4ESO2. Formulació de compostos

Tipus de matèria

Definirem quatre coses abans de començar per què ens quedi tot ben clar abans d’avançar en l’intrincat món de la química. És tot allò que té a veure amb els tipus de matèria (substàncies) que ens podem trobar.

✓ Substància• Substància pura (substància química)

- Simple (element)- Compost

• Mescla- Homogènia

• Dissolució- Heterogènia

• Col·loide• Suspensió

SubstànciaUna substància és tota porció de matèria que té certes propietats, n’hi ha de dos tipus: Substàncies pures i mescles

Substància puraPorció de material que té una composició química definida. Els seus components no es poden separar mitjançant procediments físics (decantació, destilació, evaporació, suspensió i filtració…). Sí es poden separar mitjançant processos químics com l’electròlisi.

MesclaÉs la combinació de diferents substàncies pures que es poden separar mitjançant processos físics. N’hi ha d’homogènies com sal dissolta en aigua. En aquest cas, les propietats son les mateixes en qualsevol punt (densitat, viscositat, sabor…) En canvi les heterogènies tenen una composició no uniforme.

Dit això nosaltres estudiarem les substàncies pures, que n’hi ha de dos tipus: substàncies simples i compostos

Substància pura simpleÉs una substància que te només un tipus d’atom, només està formada per un tipus d’element, és per això que també rep el nom d’element.

CompostEn canvi si està formada per més d’un tipus d’element, aquesta substància s’anomena compost i és el que estudiarem d’ara endavant.

Compostos

Estudiarem doncs els compostos que son substàncies formades per més d’un tipus d’àtom. Es creen mitjançant reaccions químiques i es mantenen junts mitjançant enllaços. Els podem classificar de la següent manera:

✓ Molècules✓ Cristalls

• Cristalls iònics• Cristalls covalents

MolèculesTindrem compostos formats per molècules, en els quals dos o més àtoms estans enllaçats entre sí però lliures de la resta. És el cas de l’aigua (H20), el diòxid de carboni (CO2) etc… Els formen enllaços covalents. Les mol·lècules estan formades per un nombre relativament petit i definit d’àtoms. Per exemple l’aigua sempre està formada per unitats de dos àtoms d’hidrogen i un d’oxigen. Si no fos així ja no estaríem parlant d’aigua, tindríem un altre compost.

Compostos cristal·linsEn què dos o més àtoms estan units fortament formant una unitat bàsica d’aquesta substància però a la vegada estan units entre els demés formant un cristall o estructura regular. Son els cristalls iònics com la sal (NaCl) o els cristalls covalents com el diamant o el grafit.

Reacció químicaÉs el procés pel qual s’intercanvien o es comparteixen electrons que crea aquests compostos. Depenent de si aquestes reaccions químiques generen calor o en necessiten les anomenarem exotèrmiques i endotèrmiques

✓ Exotèrmiques: Donen calor, la calor va cap a l’exterior (exo)✓ Endotèrmiques: Necessiten calor per a que es produeixin

Electrons de valènciaPer què es combinen els elements? L’objectiu és ben clar, i és tenir la capa de valència amb 8 electrons. Recordem que hi ha àtoms que necessiten 1 o més electrons per completar la capa i que en canvi n’hi ha d’altres que és més fàcil que en dónin 1 o més per a tenir la capa completa amb 8 electrons. Finalment hi ha àtoms que son capaços de compartir-ne 1 o més… així depenent del cas tindrem direm que l’àtom té una valència positiva, negativa o covalent, el que s’anomenen estats d’oxidació.

✓ València positiva: l’àtom pot donar 1 o més electrons, s’indica +1, +2, +3… fins a +7✓ València negativa: l’àtom necessita rebre 1 o més electrons, s’indica -1, -2… fins a -4✓ València covalent: l’àtom comparteix electrons, s’indica sense signe 1, 2… fins a 7

Tipus de compostos

Depenent dels tipus d’enllaços que es creïn, tindrem compostos iònics o covalents (altrament dits moleculars). Tant per uns com pels altres necessitem dir quins àtoms i com es combinen i s’enllacen. Per la qual cosa necessitarem les fórmules químiques.

Fórmula químicaUna fórmula química representa els elements que formen el compost i en quina proporció es troben. Aquesta proporció ens servirà per comptar la massa dels elements originals i del compost resultant que mesurarem en unitats atòmiques i en mols, una unitat que explicarem més endavant.

Hi ha moltíssimes combinacions d’elements possibles: metalls amb metalls, no metalls amb no metalls, metalls amb no metalls… les combinacions son infinites, nosaltres estudiarem les més importants. Cadascun d’aquests grups té unes característiques especials i anàlogues (ara ja sabem que vol dir aquesta paraula)

✓ Hidrurs (H + element)• metàlics (H + metall)• no metàlics (H + no-metall)

✓ Òxids (O + element)• metàlics (O + metall)• no metàlics (O + no-metall)

✓ Sals binàries (metall + no-metall)✓ Hidròxids (metall + OH)✓ Oxoàcids (H + no-metall + O)✓ Sals ternàries (metall + no-metall + O)

Formulació

Com formulem? Quan combinem dos o més elements els seus electrons s’han de repartir o compartir, ens basarem per això en una taula periòdica en el que s’inclogui el nombre de valències, com la que tenim a continuació. Vegem uns quants exemples de com fer-ho.

Si mesclem Clor i Calci es formen compostos iònics de la següent manera: veiem que el Calci (Ca) té una valència +2, per tant està desitjant desfer-se dels dos electrons que té a la última capa (la capa de valència). Per contra el Clor (Cl) té una valència negativa (-1) per tant això vol dir que vol un electró per completar una capa de 8 electrons.

Si els mesclem veurem que cada àtom de calci podrà “arreglar” dos àtoms de clor, ja que té dos electrons de sobra i cada clor en necessita només un. En definitiva, s’uniran dos àtoms de Clor i un de Calci la fórmula és: CaCl2Es llegeix Clorur de Calci. Per norma general posem primer l’element més electronegatiu (ja explicarem més endavant quin és). Posem amb subíndex la quantitat de cada element (si és 1 no es posa) i si es pot hem de reduir, per exemple si tinguéssim Mg2O2 la forma correcta d’escriure seria MgO . És el mateix dir que hi ha dos àtoms de Mg per cada

dos àtoms d’O que dir que hi ha un àtom de Mg per cada àtom d’O, però la segona manera és més simple.

Massa molecularMal dita massa molecular perquè fa referència a la unitat més petita d’un compost tant covalent (molecular) com iònic. Es tracta de comptar quantes unitats atòmiques pesa la unitat més petita d’aquest compost. Una unitat elemental de massa fa referència a un neutró o un protó.

Per exemple, l’hidrogen que té un neutró, el deuteri pesa 2 uma, ja que té dos unitats elementals (un neutró i un protó)

Per a altres àtoms també és senzill: En l’exemple anterior, mirem a la taula periòdica i resulta que cada àtom de Calci pesa 40.08 ua i que cada àtom de clor pesa 35.48, com que en tenim dos el càlcul de massa atòmica serà

ACaCl2 = ACa + 2ACl = 40.08 + 2 ⋅ 35.48 = 111.04  ua

El Mol (un nombre ‘mol’ gran)Realment és molt difícil comptar tots els àtoms d’una reacció química per a fer els càlculs pertinents. Normalment, al laboratori treballarem amb substàncies macroscòpiques (1g de sal, 2g d’aigua…) i ens interessarà saber moltes coses com per exemple quina quantitat de producte obtindrem en una determinada reacció química o bé quina energia hem necessitat o obtingut quan la realitzem.

Com que cada partícula contribueix les hem de tenir en compte totes però clar… posa’t a comptar tots els àtoms de calci i d’aigua… Afortunadament hi ha una relació directa entre la quantitat de matèria d’una substància i el nombre d’àtoms que la formen i la relació és el nombre d’Avogadro, altrament dit el mol.

NA = 6.022 ⋅1023

El mol és el nombre d’unitats elementals que conté 1g de matèria. Si tinguéssim 6.022·1023 neutrons i els posséssim a la balança pesarien 1g.

De tota manera, a la pràctica és impossible tenir tants neutrons junts, i al llarg de la història s’han buscat maneres de calcular aquest nombre i per tant de definir-lo. La més utilitzada és la definició a partir de l’isòtop més estable del carboni, el carboni-12.

Un mol es defineix la quantitat de partícules que hi ha en 12g de carboni-12. Com que saps que el carboni 12 té 12 partícules elementals en el seu nucli, agafes 12 g de matèria, comptes les partícules, les divideixes entre 12 i obtens quantes partícules elementals hi ha en 1g de matèria.

Tipus de compostos

Hidrurs

Com hem dit abans és la combinació de dos elements (compost binari): hidrogen + algun altre element. L’hidrogen pot rebre donar o compartir el seu electró, per tant pot tenir valència 1, +1 o -1.

Hidrurs metàl·licsLògicament és H + metall. Els metalls tenen valència positiva per tant ha d’actuar amb valència negativa, en concret -1 (no pot rebre’n ni més ni menys per a completar la capa). Com és el que rep els electrons anirà a la part dreta de la fórmula (és el més electronegatiu). S’utilitza normalment la nomenclatura d’Stock. Els metalls actuen amb el seu nombre de valència més petit, per tant només formen un tipus de hidrur.

M + x + H −1 ⇒ MHx on M és el Metall en concret i x el nombre de la valència

✓ Característiques• Compostos iònics• No presenten caràcter àcid• S’utilitza més la nomenclatura d’stock

Fórmula Stock Sistemàtica Tradicional

NaH hidrur de sodi monohidrur de sodi hidrur sòdic

FeH2 hidrur de ferro (II) dihidrur de ferro hidrur ferrós

FeH3 hidrur de ferro (III) trihidrur de ferro hidrur fèrric

SnH4 hidrur d’estany (IV) tetrahidrur d’estany hidrur estànnic

Hidrurs no metàl·lics (hidrurs volàtils)Es combinen l’hidrogen amb valència covalent 1 i els no metalls de les columnes 13, 14 i 15 amb la seva valència covalent més petita. Aquests tipus de composts reben noms en la nomenclatura tradicional. Es troben en estat gasós, alguns son solubles i altres no, però si ho son no formen àcids.

N x + H 1 ⇒ NHx

✓ Característiques• Compostos covalents• Estat gasós• alguns solubles, altres no

Fórmula Stock Sistemàtica Tradicional

BH3 hidrur de bor trihidrur de bor borà

CH4 hidrur de carboni (IV) tetrahidrur de carboni metà

SiH4 hidrur de silici (IV) tetrahidrur de silici silà

NH3 hidrur de nitrogen (III) trihidrur de nitrogen amoníac

PH3 hidrur de fòsfor trihidrur de fòsfor fosfina

AsH3 hidrur d’arsènic trihidrur d’arsènic arsina

Fórmula Stock Sistemàtica Tradicional

SbH3 hidrur d’antimoni trihidrur d’antimoni estibina

BiH3 hidrur de bismut trihidrur de bismut bismutina

Hidrurs no metàl·lics (hidràcids)Es combinen l’hidrogen amb valència +1 i un no metall dels grups 16 (amfígens) i 17 (halògens) amb la seva valència covalent més petita. Són el Fluor, clor brom, iode, sofre, seleni i tel·lur. Són compostos binaris covalents, de caràcter àcid, en estat gasós o pur

H 1 + N x ⇒ HxN

✓ Característiques• Compostos covalents• Estat gasós• caràcter àcid• Dissolts en aigua es transformen en àcids (s’ionitzen)

Fórmula Tradicional pur Tradicional dissolt

HF fluorur d’hidrogen acid fluorhídric

HCl clorur d’hidrogen àcid clorhídric

HBr bromur d’hidrogen àcid bromhídric

HI iodur d’hidrogen àcid iodhídric

H2S sulfur d’hidrogen àcid sulfhídric

Tipus Hidrurs VolàtilsHidrurs VolàtilsHidrurs Volàtils HidràcidsHidràcids

Grup 13 14 15 16 17

València 3 4 3 2 1

BH3 CH4 NH3 HF

SiH4 PH3 H2S HCl

AsH3 H2Se HBr

SbH3 H2Te I

Òxids

És un compost binari format per un o més àtoms d'oxigen i un altre tipus d’element qualsevol excepte el fluor. També els classificarem en metàl·lics i no metàl·lics.

A diferència de l’hidrogen el qual podia actuar amb valències iòniques positives, negatives o amb valència covalent, en aquest cas l'oxigen sempre actua com a receptor, per tant sempre el situarem a la dreta.

Òxids metàl·lics (òxids bàsics)Combinem oxigen amb un element metàl·lic. Utilitzem més la nomenclatura d’Stock

M − x +O−2 ⇒ M 2Ox

✓ Característiques• Son compostos iònics o sals (generalment insolubles)• Sòlids a temperatura ambient• No son bons conductors• Son bàsics• S’utilitza més la nomenclatura d’stock

Fórmula Stock Sistemàtica Tradicional

Na2O òxid de sodi monòxid de disodi òxid sòdic

CaO òxid de calci monòxid de calci òxid càlcic

FeO òxid de ferro (II) monòxid de ferro òxid ferrós

Fe2O3 òxid de ferro (III) triòxid de diferro òxid fèrric

Cr2O3 òxid de crom (III) triòxid de dicrom òxid cromós

PtO2 òxid de platí (IV) diòxid de monoplatí òxid platínic

PbO2 òxid de plom (IV) diòxid de monoplom òxid plòmic

Òxids no metàl·lics (anhídrids)Combinem en aquest cas oxigen amb un no-metall. Per a anomenar-los és més comú utilitzar la nomenclatura sistemàtica. Posem l’oxigen sempre a la dreta, l’altre element a l’esquerra i utilitzem les valències covalents.

N x +O2 ⇒ N2Ox

Tindrem compostos iònics i covalents. Els òxids d’hidrogen, carboni, nitrogen, sofre, fòsfor i halògens es formen amb enllaços covalents

✓ Característiques• Compostos covalents• Normalment son líquids o gasosos• Són àcids

✓ Exemples• CO2 → diòxid de carboni• CO → monòxid de carboni• SO3 → triòxid de sofre

Sals BinàriesÉs un compost binari format per un metall i un no metall. Es forma substituint l'hidrogen d’un àcid per un catió metàl·lic. Per a aquests compostos utilitzarem normalment la nomenclatura d’Stock on indicarem el nombre de valència corresponent al metall.

Normalment surten com a reacció d’un àcid amb una base, un metall o altres sals o per dos sals que intercanvien ions.

M +xm−y ⇒ M

ym

x

✓ Característiques• Compostos iònics• Sòlids a temperatura ambient• De gust salat• Son aïllants• En dissolució son conductors

✓ Exemples• NaCl: Clorur de Sodi • CaBr2: Bromur de Calci• Ni3N2: Nitrur de níquel (II)• Li2S: Sulfur de liti

Hidròxids (Bases)Son compostos ternaris pseudobinaris formats per la unió d’un metall més l’ió hidroxil (OH) que té valència -1. És bàsicament una molècula d’aigua a la qual se li ha arrancat un dels hidrògens. Son producte resultant d’un òxid metàl·lic + aigua.

M +x (OH)−1 ⇒ M

y(OH)

x

Si el metall té valència 1, no fa falta posar el parèntesi!

✓ Característiques• Compostos iònics• Bàsics

Fórmula Stock Sistemàtica

Ca(OH)2 hidròxid de calci monòxid de disodi

Cr(OH)3 hidròxid de crom (III) trihidròxid de crom

Fe(OH)2 hidròxid de ferro (II) dihidròxid de ferro

Fe(OH)3 hidròxid de ferro (II) trihidròxid de ferro

Al(OH)3 hidròxid de d’alumini monohidròxid d’alumini

Oxoàcids

Son compostos ternaris que resulten de la combinació d’un òxid no metàl·lic o també amb alguns metalls de transició amb aigua. Depenent de si sumem una molècula d’aigua, dos o tres tindrem un tipus d'oxoàcids o uns altres. Formen enllaços covalents. Són importants entre altres coses per a fer el sabó. Per això utilitzem sosa càustica (hidròxid de sodi) i greix.

Depenent de quina valència covalent del no-metall i estiguem utilitzant de quantes valències covalents té, els oxoàcids rebran un nom o un altre.

En general podrem expressar l'oxoàcid com la suma d’aquest òxid no metàl·lic amb l’aigua

N2Ox + H2O⇒ HaNbOc

On a, b i c son el nombre d’elements que tenim d’un i altre reduïts.

Per anomenar-los utilitzarem nomenclatura tradicional de la següent manera, afegint meta-, piro- o orto- en funció de quantes mol·lècules d’aigua han reaccionat si bé una dues o tres.

valències variables 1 2 3 4

per- -ic

-ic -ic -ic -ic

-os -os -os

hipo- -os hipo- -osValè

ncia

cre

ixen

t

Vegem-ne uns exemples:

Clor:Els òxids que podem crear amb el clor son 4 de diferents, ja que el clor té 4 valències covalents possibles: 1, 3, 5 i 7. Amb aquestes podrem crear els següents òxids que als que sumarem una molècula d’aigua. Tot seguit reduirem el que puguem.

València Òxid Oxid + H2O Resultat Resultat Reduit Nom

1 Cl2O Cl2O + H2O H2Cl2O2 HClO àcid hipoclorós

3 Cl2O3 Cl2O3 + H2O H2Cl2O4 HClO2 àcid clorós

5 Cl2O5 Cl2O5 + H2O H2Cl2O6 HClO3 àcid clòric

7 Cl2O7 Cl2O7 + H2O H2Cl2O8 HClO4 àcid perclòric

Altres exemples (els poc comuns o poc utilitzats estan tatxats)

Fòsfor:

València Òxid Oxid + H2O Resultat Resultat Reduit Nom

1 P2O P2O + H2O H2P2O2 HPO àcid (meta) hipofosforós

3 P2O3 P2O3 + H2O H2P2O4 HPO2 àcid metafosforós

5 P2O5 P2O5 + H2O H2P2O6 HPO3 àcid (meta)fosfòric

1 P2O P2O + 3H2O H6P2O4 H 3PO2 àcid (orto) hipofosforós

3 P2O3 P2O3 + 3H2O H6P2O6 H 3PO3 àcid (orto) fosforós

5 P2O5 P2O5 + 3H2O H6P2O8 H 3PO4 àcid (orto)fosfòric

Bor:

València Òxid Oxid + H2O Resultat Resultat Reduit Nom

3 B2O3 B2O3 + H2O H2B2O4 HBO2 àcid metabòric

3 B2O3 B2O3 + 2H2O H2B2O5 H2B2O5 àcid ortobòric

Sofre:

València Òxid Oxid + H2O Resultat Resultat Reduit Nom

2 SO SO + H2O H2SO2 H2SO2 àcid hiposulfurós

4 SO2 SO2 + H2O H2SO3 H2SO3 àcid sulfurós

6 SO3 SO3 + H2O H2SO4 H2SO4 àcid sulfúric

Carboni:

València Òxid Oxid + H2O Resultat Resultat Reduit Nom

2 CO CO + H2O H2CO2 H2CO2 àcid carbonós

4 CO2 CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 àcid carbònic

Silici:

València Òxid Oxid + H2O Resultat Resultat Reduit Nom

2 SiO SiO + H2O H2SiO2 H2SiO2 àcid silicós

4 SiO2 SiO2 + H2O H2SiO3 H2SiO3 àcid metasilícic

2 SiO SiO + 2H2O H 4SiO3 H 4SiO3 àcid silicós

4 SiO2 SiO2 + 2H2O H 4SiO4 H 4SiO4 àcid ortosilícic

Altres compostos amb metalls de transició:

València Òxid Oxid + H2O Resultat Resultat Reduit Nom

6 CrO3 CrO3 + H2O H2CrO4 H2CrO4 àcid cròmic

6 CrO3 2CrO3 + H2O H2Cr2O7 H2Cr2O7 àcid dicròmic

6 MnO3 MnO3 + H2O H2MnO4 H2MnO4 àcid mangànic

7 Mn2O7 Mn2O7 + H2O H2Mn2O8 HMnO4 àcid permangànic

Àcids i Bases

Substància pH

Drenatge àcid de mines -3.6 – 1.0

àcid de Bateria -0.5

Àcid gàstric 2.0

Suc de llimona 2.4

Beguda de cola 2.5

Vinagre 2.9

Suc de taronja o poma 3.5

Cervesa 4.5

Pluja àcida <5.0

Cafè 5.0

Te 5.5

Llet 6.5

Aigua pura 7.0

Saliva d'un humà sa 6.5 – 7.4

Sang 7.34 – 7.45

Aigua de mar 8.0

Sabó de mans 9.0 – 10.0

Amoníac domèstic 11.5

Lleixiu 12.5

sosa càustica domèstica 13.5

Hem estat parlant de que hi ha certs compostos que tenen comportaments de bases o àcids, vegem les característiques més importants d’aquests compostos. Els àcids i les bases són substàncies reactives que tenen comportaments químics oposats.

Les substàncies dissoltes en aigua es classifiquen en més o menys àcides segons una escala de l’1 al 14 on el 7 seria el valor de pH d’una substància neutra, prenent com a referència l’aigua destil·lada.

El nom de pH prové de l’anglès (potential Hydrogen) és a dir que mesura la quantitat de ions H+ d’una substància aquosa que marca el caràcter àcid d’aquesta. Aquests ions són molt inestable si s’acaben associant amb l’aigua formant l’ió hidroni H3O+.

Per contra les bases (altrament anomenats alcalins) alliberen ions (OH)- químicament oposats als ions H+ .

Àcids

✓ Tenen gust àcid✓ Alliberen ions H+ produint hidroni H3O+

✓ Canvien colors de colorants naturals• Tornasol blau a rosat• Tronjat de metil a vermell• Deixa incolora la fenolftaleina

✓ Son bons conductors quan son dissolts en aigua✓ Son corrosius i produeixen cremades a la pell

✓ Reaccionen amb bases produint sal i aigua (neutralització)✓ Reaccionen amb òxids metàlics per produir sal i aigua✓ Reaccionen amb metalls produint hidrogen i sals✓ Reaccionen amb carbonats (calci o sodi) alliberen CO2

Bases

✓ Tenen gust amarg✓ Alliberen ions quan estan en l’aigua [OH]-

✓ Canvien els colors del colorants naturals• El tornasol de rosat a blau• Taronja de metil a groc • Fa passar la fenolftaleina d’incolora a rosat fucsia

✓ Son bons conductors quan son dissolts en aigua✓ Son corrosius i irriten la pell

✓ Reaccionen amb àcids formant sal i aigua (neutralització)✓ Reaccionen amb òxids no metàlics per formar sal i aigua✓ No reaccionen amb metalls