Laura Bassi 3r. Mostra. Física i química by Editorial Barcanova

íF sica i Quí i a mc

3 ESO DOSSIER

Programa

Laura Bassi

ÍNDEX

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

1 2 3 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Què és la ciència? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. La física i la química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Magnituds físiques. Unitats i mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Instruments de mesura. Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Múltiples i submúltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. El llenguatge de la ciència . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Material de laboratori. Normes de seguretat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació Arquimedes i la flotabilitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Sura, l’alumini, en el mercuri? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 13 14 16 19 20 22 24 25 26

LA MATÈRIA. ELS GASOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Els estats d’agregació. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. La teoria cineticomolecular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Canvis d’estat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Lleis dels gasos ideals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. L’atmosfera terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació L’energia de l’atmosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Proves de la pressió atmosfèrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32 34 36 38 42 44 45 46

L’ÀTOM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Primeres idees sobre l’àtom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. De la naturalesa elèctrica de la matèria al primer model atòmic . . . . 3. De la radioactivitat al model nuclear de l’àtom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. El nucli de l’àtom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Classificació dels elements químics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. L’escorça de l’àtom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Aplicacions dels isòtops radioactius. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació Els residus radioactius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Química de focs artificials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52 54 56 58 60 62 64 66 67 68

LES SUBSTÀNCIES QUÍMIQUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Substàncies simples i compostes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Els àtoms s’uneixen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Enllaç químic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Molècules i cristalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Fórmules químiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques. . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació Fertilitzants sintètics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Substàncies simples i compostos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72 74 76 78 80 82 84 85 86

REACCIONS QUÍMIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Canvis en la composició de les substàncies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Teoria atòmica de les reaccions químiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Equacions químiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Lleis ponderals i equacions químiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Quantitat de substància. Massa molar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Química, medi ambient i societat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació Embornals de CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Reaccions químiques amb substàncies gasoses . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92 94 96 98 100 102 104 105 106

5 6 7 8

LES FORCES I ELS SEUS EFECTES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

110

1. Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Deformacions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Moviments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Forces quotidianes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació L’acceleració de la gravetat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Deformacions elàstiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112 114 116 122 126 127 128

NATURALESA DE LES FORCES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

132

1. Força gravitatòria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Força electroestàtica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Força magnètica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Electromagnetisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació Força magnètica d’un electroimant . . . . . . . . . . . . Treball pràctic On és el nord? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

134 138 142 144 146 147 148

CIRCUITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

152

1. Corrent elèctric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Circuit elèctric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Llei d’Ohm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Resolució de circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Dispositius elèctrics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Electrònica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació Evolució dels microprocessadors . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Mesura de resistències . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

154 156 158 160 162 164 166 167 168

FONTS D’ENERGIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

172

1. Ús racional de l’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Centrals elèctriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Transport i distribució d’energia elèctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Energia i potència elèctriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Energia elèctrica en els habitatges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projecte d’investigació Tipus de llums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treball pràctic Energia per cuinar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174 176 180 182 184 186 187 188

» APÈNDIX. Formulació i nomenclatura químiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

193

» PRESENTACIÓ I ESTRUCTURA Els continguts competencials del programa Laura Bassi corresponents a Física i Química 2 ESO s’estructuren en 9 unitats didàctiques. Al llarg de cada unitat s’ofereixen explicacions dels continguts essencials de la matèria i activitats competencials per resoldre en el mateix dossier.

UNITAT

Text breu que explora les relacions entre ciència, tecnologia i societat a través de fets rellevants relacionats amb els continguts que es tractaran.

RI QÍMS

Estudi de les transformacions El nucli principal de la química és l’estudi dels canvis químics; és a dir, la transformació d’unes substàncies en les altres. Igual que en altres disciplines científiques, el coneixement que tenim avui dia sobre això s’assenta en les conclusions que s’han extret de les experiències desenvolupades des de temps remots. En els laboratoris d’investigació química, entre altres activitats, es desenvolupen tècniques per fer més eficients les reaccions químiques d’utilitat industrial, s’estudien tots els factors que afecten les combinacions químiques que tenen lloc en el medi ambient i es dissenyen reaccions específiques per obtenir productes d’utilitat social. Un dels reptes més rellevants de la nostra societat és revertir el canvi climàtic. Aquesta alteració del clima mundial, que es manifesta en un augment de la temperatura mitjana del planeta, té el seu origen en l’emissió a l’atmosfera de quantitats de diòxid de carboni per sobre dels nivells naturals, sobretot des de les grans revolucions industrials i la posterior proliferació d’indústries en el món.

Compromís ODS. Proposta d’activitats per conèixer les metes dels Objectius de Desenvolupament Sostenible.

COMPROMÍS ODS Distribuïu-vos per equips i feu les activitats següents:

Es va acordar que durant l’any 2020 s’havia d’aconseguir la meta 13.a. Creieu que ha estat així? Quines mesures se us ocorren per intentar aconseguir-la? Informeu-vos sobre què és «El Fons Verd per al Clima», quina és la seva funció i qui en forma part. Exposeu les vostres troballes en veu alta, per torns, i feu una posada en comú sobre el que hàgiu trobat.

2. A partir de la meta 13.3, expliqueu la importància de l’objectiu 4 per aconseguir que la reversió del canvi climàtic sigui alguna cosa veritablement possible.

Moltes de les reaccions químiques que es duen a terme en la indústria, expulsen gasos i residus tòxics al medi ambient. Expliqueu la perillositat d’aquest fet tenint en compte les metes 3.4 i 3.9.

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què hauries de saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

9

Repàs dels coneixements previs sobre el tema en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

9

RI ÍMS « A 

UT  » CS ÍMS

A la pàgina esquerra, es presenten els continguts.

3. EQUACIONS QUÍMIQUES

6

Escriu l’equació química que correspon a la descripció següent: «Tres molècules de dihidrogen es combinen amb una molècula de dinitrogen i donen lloc a dues molècules d’amoníac».

Una equació química és la representació simbòlica d’una reacció química que conté informació quantitativa i qualitativa. La informació quantitativa es refereix al nombre d’entitats elementals (àtoms, molècules o ions) de reactius i productes que intervenen en la reacció. La informació qualitativa serà la que mostri l’estat d’agregació de les substàncies i les condicions en què es produeix la reacció.

7

Indica si les següents equacions químiques estan ajustades o no. Corregeix les que sigui necessari:

Una equació química es compon dels elements següents:

a) 4 NH3 + 6 O2 8 4 NO2 + 6 H2O

• Les fórmules químiques dels reactius separades pel signe «+», el símbol del canvi químic (8) i les fórmules dels productes, separades també pel signe «+».

b) 2 K + 3 H2O 8 2 KOH + 3 H2

• Els coeficients estequiomètrics, que indiquen el nombre de partícules de cada substància que intervenen en la reacció. Si el valor d’aquests coeficients és 1, el nombre 1 no s’escriu.

c) 4 KMnO4 8 2 K2O + 4 MnO + 5 O2

Per llegir la informació quantitativa d’una equació química, cal que estigui ajustada; és a dir, que el nombre d’àtoms de cada element químic sigui el mateix en els reactius i en els productes.

Quadres de definicions i conceptes destacats.

Es trien els elements que apareixen només en un reactiu i en un producte i s’ajusten els seus coeficients estequiomètrics. Primer els metalls i després els no-metalls:

PRODUCTES Òxid

Oxigen

Ca +

H2O 8

Ca(OH)2 +

Fe (s) +

HCl (aq) 8

CH4 (g) +

O2 (g) 8

FeCl3 (s) + CO2 (g) +

H2 (g) H2O (g)

1. La fermentació de la glucosa és un tipus de reacció de descomposició; la glucosa es descompon en etanol i diòxid de carboni. Busca la fórmula dels tres compostos, escriu la reacció que té lloc i ajusta-la. Compara la teva solució amb la de la resta de la classe.

1.

REACTIUS

Sulfur de ferro(II)

1. Ajusta les equacions químiques següents:

d) Na2O (s) + H2O (l ) 8 2 NaOH (aq)

Ajustament d’una reacció química Ajustem la reacció de sulfur de ferro (II) amb oxigen per donar òxid de ferro (III) i diòxid de sofre. Sense alterar les fórmules químiques de reactius i productes, seguim aquests passos:

A la pàgina dreta es proposen activitats amb l’espai corresponent per resoldre-les.

C OM PRÈ N, PE NSA , INVE STIGA …

de ferro(III)

Diòxid

8

Quina d’aquestes equacions químiques correspon a la reacció del clorur de níquel (II), NiCl2, amb hidròxid de sodi, NaOH?

de sofre

En la reacció química de combustió del propà, aquest compost es combina amb oxigen i s’obté diòxid de carboni i aigua. Per grups, escriviu la reacció que té lloc i ajusteu-la.

REACTIUS

NiCl2 + NaOH 8 Ni(OH)2 + NaCl

Després, s’ajusten les substàncies simples, finalitzant amb l’H2 i l’O2. Per a això, comptem el nombre d’àtoms dels productes i ajustem els dels reactius:

NiCl2 +2 NaOH 8 Ni(OH)2 + 2 NaCl Propà

NiCl2 + Na2(OH)2 8 Ni(OH)2 + Na2Cl2

Oxigen

Recursos, tècniques i activitats en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

2 NiCl2 + NaOH 8 2 Ni(OH)2 + NaCl

PRODUCTES

Justifica la resposta. Així, els coeficients estequiomètrics són aquests: 2 FeS + O2 8 Fe2O3 + SO2

2 FeS + O2 8 Fe2O3 + 2 SO2

2 FeS +

Per evitar que apareguin coeficients fraccionaris, multipliquem tots 7 2 · (2 FeS + 2 O2 8 Fe2O3 + 2 SO2) els coeficients pel denominador de la fracció, tot i que ambdues expressions són vàlides: REACTIUS

Diòxid de carboni

7 O 8 Fe2O3 + 2 SO2 2 2

9

4 FeS + 7 O2 8 2 Fe2O3 + 4 SO2

PRODUCTES

1 Ò 4 = 4 àtoms de Fe

2 Ò 2 = 4 àtoms de Fe

1 Ò 4 = 4 àtoms de S

2 Ò 7 = 14 àtoms d’O

3 Ò 2 + 2 Ò 4 = 14 àtoms d’O

Per què evitem els coeficients estequiomètrics fraccionaris en les equacions químiques? Tenen sentit per interpretar la informació qualitativa que conté una equació química? Fixa’t en les figures de la pàgina anterior per respondre a aquestes preguntes.

Practica l’ajustament d’equacions químiques amb la simulació «Laboratori virtual. Reactius, productes i excedents», que trobaràs en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

9

9

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

»  IEN TÍF

Treballa amb les imatges. Desenvolupa la capacitat d’observació i interpretació de l’alumnat.

Aigua

4. INSTRUMENTS DE MESURA. ERRORS

Error absolut i error relatiu L’error absolut, fa, és la diferència entre el valor obtingut i el valor real de la magnitud que es mesura. L’error relatiu, fr, es defineix com el quocient entre l’error absolut i el valor de la mesura. Indica la qualitat de la mesura (un menor fr implica més qualitat). En aquest curs prendrem, com a error absolut d’una mesura, el llindar de resolució de l’aparell amb què es realitza la mesura.

Qualitats dels instruments de mesura De qualitats n’hi ha més d’una, però aquest curs ens centrarem en aquestes dues: • Interval de mesura. És el conjunt de valors que l’instrument pot mesurar. • Sensibilitat. És la resposta de l’instrument davant les variacions de la magnitud que mesura. Està relacionada amb la subdivisió mínima de la seva escala (llindar de resolució).

TRE BA LLA A M B LE S IM A TGE S

T.

a) Si s’han mesurat 17,5 mL, amb quina proveta s’ ha realitzat la mesura? I per a 46 mL? I si són 43,5 mL? Raona les teves eleccions. b) Quin és el llindar de resolució d’aquests cronòmetres?

Instruments de mesura A

Exercicis resolts que permeten l’aprenentatge de processos de raonament i estratègies de resolució de problemes.

E XE RC IC I RE SOLT

Amb el cronòmetre analògic de la pàgina anterior mesures un temps t = 0,25 min. Quants segons són? Expressa-ho amb la seva incertesa i calcula l’error relatiu.

Com a error absolut es pren el llindar de resolució del cronòmetre: t = 15 ± 1 s. Per calcular l’error relatiu es divideix l’error absolut entre el valor del temps mesurat:

Com que 1 min = 60 s:

fa 1s fr = t = 8 fr = 0, 067 15 s

60 s

t = 0,25 min · 1 min = 15 s

L’error relatiu ha estat, doncs, del 6,7 %.

C OM PRÈ N, PE NSA , INVE STIGA …

B 1

16. Determina els intervals de mesura de les provetes de la pàgina anterior.

Proveta 1 8

Proveta 28

Com mesuraries 132,5 mL amb cada una?

17. Una condició perquè una mesura sigui exacta és que sigui precisa. Raona la causa d’aquest fet.

Errors de mesura Tota mesura es veu afectada per errors. Atenent a les seves causes, els errors poden ser aquests: • Errors sistemàtics. Es deuen a l’equip de mesura o al seu mal ús. Per tant, poden corregir-se o minimitzar-se. • Errors aleatoris. Són fortuïts i impredictibles. Escapen al control de l’experimentador; no es poden evitar.

Quadres al marge amb informació complementària.

Expressió de la incertesa d’una mesura Quan es duu a terme una mesura, al costat del valor obtingut s’ha d’indicar la incertesa associada al procés de mesura.

Massa

Magnitud

2,242 ± 0,001

Valor numèric ± incertesa

Unitat

Precisió i exactitud La precisió indica la similitud de les mesures realitzades. En una mesura precisa hi ha pocs errors aleatoris. L’exactitud reflecteix la proximitat entre les mesures i el valor real. Exigeix precisió i absència d’errors sistemàtics.

18. Amb el cronòmetre de l’exercici resolt d’aquesta pàgina es mesura un temps de 10,15 minuts. Quin és el valor dels errors absolut i relatiu?

Basant-te en la teva resposta, indica com varia la qualitat d’una mesura en funció del valor mesurat. En quin paràmetre t’has fixat per respondre?

Farem coincidir la incertesa d’una mesura amb l’error absolut.

1

Treballa amb l’aplicació interactiva «Instruments de mesura» de l’espai personal del web www.barcanova.cat.

Dins del taller de ciències s’ofereix un projecte d’investigació per promoure l’adquisició de les competències pròpies del treball científic.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

E IEN TÍF «

» TALLER DE CIÈNCIES

EN GRUP S

TREBALL PRÀCTIC Sura, l’alumini, en el mercuri?

PROJECTE D’INVESTIGACIÓ Arquimedes i la flotabilitat Introducció

El mercuri és un metall que, a temperatura ambient, es troba en estat líquid. És molt dens: 1 cm3 té una massa de 13,6 g (mentre que 1 cm3 d’aigua té una massa d’1 g). Us proposem, com a repte, que formeu grups i esbrineu si un fragment d’alumini suraria en mercuri (sense consultar taules de dades).

Balança de dos braços. La massa de l’objecte és la suma de les masses dels pesos utilitzats per equilibrar la balança.

Si, en el fons d’un recipient amb aigua, posem un objecte buit (com ara l’ou de plàstic contingut dins d’un ou de xocolata) observarem que l’objecte ascendeix. Com expliques aquest comportament?

La vostra proposta Abans de llegir la nostra proposta, elaboreu-ne una vosaltres per respondre al repte plantejat.

Com podem aconseguir que un objecte ni suri ni s’enfonsi?

La nostra proposta

RE F LE XIÓ F INA L

Objectiu

Procediment

Podríem deixar un fragment d’alumini en una cubeta amb mercuri, però no és habitual disposar de prou mercuri per omplir una cubeta. Fent això comprovarem si la densitat de l’alumini és menor que la del mercuri; si és així, l’alumini surarà en la cubeta.

Balança d’un braç: La massa de l’objecte és la suma dels valors indicats en les posicions en les quals han quedat els pesos un cop la balança està equilibrada.

Una vegada hem aconseguit que l’ou ni suri ni s’enfonsi, traiem una mica de sorra; la densitat de l’ou, augmenta o disminueix?

Estudiar la flotabilitat d’un sistema de massa variable i volum constant. Es tracta, en definitiva, d’esbrinar quina quantitat de sorra cal introduir a l’ou perquè, quan el deixem a l’aigua, ni suri ni s’enfonsi.

Material » Cilindre d’alumini » Balança » Proveta

Orientacions per a l’ús de la balança

• Organitzeu la classe en petits grups de treball. Cada un disposarà d’un got amb aigua i un ou de plàstic buit. • Introduïu sorra (o una altra substància, com ara arròs) a l’ou fins aconseguir que resti en equilibri a l’interior del líquid, sense ascendir ni descendir. • En aquesta situació, mesureu el volum i la massa de l’ou. • Calculeu la massa d’un volum d’aigua igual al volum de l’ou.

• Es poden utilitzar balances analògiques (d’un o dos braços) o balances digitals. • S’ha d’evitar l’error de zero: quan els platerets són buits, la balança ha de marcar zero. En els extrems dels braços hi ha cargols per regular-les.

En aquest cas, sura o s’enfonsa?

I si afegim sorra, què passa?

Orientacions per a l’ús de la proveta

Resultats

Els experiments de l’apartat Treball pràctic permeten aplicar el mètode científic.

Busca informació sobre el principi d’Arquimedes i relaciona’l amb el que hem desenvolupat en aquest projecte d’investigació.

Conclusions

• El volum d’un cos és igual al del líquid que es desplaça en submergir-se. • En l’ús d’instruments graduats, com la proveta, és important evitar l’error de paral·laxi (procediu com s’explica en el marge). Amb aquestes orientacions, mesureu la densitat del cilindre d’alumini i responeu al repte plantejat. Després, realitzeu les activitats següents.

Per mesurar el nivell d’aigua en una proveta s’ha de situar l’ull just a l’altura de la part inferior del menisc que forma la superfície del líquid.

Proveu d’arribar a aquests resultats: • Massa de l’ou (amb sorra) per a la qual aquest resta en equilibri a l’interior de l’aigua. • Relació entre la densitat de l’ou (amb sorra) i la de l’aigua.

A partir dels resultats obtinguts, proveu de respondre a aquesta pregunta: Quina condició s’ha de complir perquè un objecte ni suri ni s’enfonsi en l’aigua? Seguiu els passos del mètode científic per respondre a la pregunta. • Formuleu les vostres hipòtesis, comproveu-les i elaboreu una teoria en termes del concepte de densitat. • El pas final de qualsevol investigació científica consisteix a comunicar el procés seguit, els resultats obtinguts i les conclusions que se’n deriven. Per fer-ho, elaboreu un informe d’investigació seguint els apartats d’aquesta pàgina.

E XTRA IE U C ONC LUSIONS…

1 Les magnituds que intervenen en la pràctica, són fonamentals o derivades? Les mesures realitzades, han estat directes o indirectes?

2

Descriu una altra manera de mesurar el volum del cilindre. Seria mesura directa o indirecta?

Posa’t a prova. Activitats per consolidar l’aprenentatge, amb l’espai corresponent per resoldre-les.

2

» POSA’T A PROVA

De la radioactivitat al model nuclear de l’àtom

Primeres idees sobre l’àtom

Els models atòmics de Rutherford i Thomson, l’expliquen, la formació d’ions? Justifica la teva resposta.

9 Completa, utilitzant la notació de cada apartat:

5

2

Indica si les següents afirmacions són vertaderes (V) o falses (F):

14 6

d’aquests àtoms? Completa la taula. Àtom

Be Ar Ra

Isòtop

Massa (u)

Abundància

62,93

69,09 %

64,93

30,91 %

Capa K

Icona ODS. Indica les activitats que tracten alguns dels Objectius de Desenvolupament Sostenible de l’ONU.

Ge 8 As 8

Radioactivitat

1.

Busca informació sobre el consorci de països que participen en el CERN, sobre la seva creació i sobre els fundadors del laboratori. Tenint en compte les dades associades a les metes de l’objectiu 17 dels ODS, escriu un paràgraf sobre la necessitat de les aliances per aconseguir metes.

1. Indica a quin element químic pertany l’àtom de

la massa atòmica mitjana del coure a partir d’aquestes dades:

el nombre d’electrons que tenen, en la seva última capa, el germani i l’arsènic.

L’escorça de l’àtom

7 Calcula

1. A partir de la taula de l’activitat anterior, infereix

En el sistema periòdic que utilitzem en l’actualitat, els elements estan col·locats per ordre de massa creixent. Tots els grups del sistema periòdic tenen el mateix nombre d’elements. El sistema periòdic té nou períodes, si tenim en compte els lantànids i els actínids.

9 4

40 18

la il·lustració. En quin grup i període del sistema periòdic es troba?

1.

Esbrina quin invent del CERN és d’ús quotidià en les comunicacions actuals.

8

En vista de la informació del gràfic sobre els isòtops del silici, i sense dur a terme cap càlcul, dedueix quin d’aquests valors correspon a la massa atòmica mitjana del silici. 28,1 Abundància relativa / %

professors i professores descriuen el model atòmic de Thomson comparant-lo amb un púding de panses. Explica aquesta analogia i digues si et sembla encertada.

1. Com estan distribuïts els electrons en l’escorça

X, la informació

o falses:

138 88

3

4 Alguns

1. Indica si les afirmacions següents són vertaderes Nombre de Nombre de protons neutrons

Indica si aquestes afirmacions sobre el descobriment de l’electró són vertaderes o falses. L’electró és una radiació sense càrrega. Els raigs catòdics són realment electrons. Thomson va proposar l’existència de l’electró i va calcular-ne la massa i la càrrega elèctrica. Considerant únicament les conclusions de Thomson no es pot explicar la naturalesa elèctrica de la matèria. Les característiques dels raigs catòdics depenen del gas que s’introdueixi en el tub de descàrrega. Els electrons són idèntics en tots els àtoms.

Classificació dels elements químics

6 Completa la taula:

De la naturalesa elèctrica de la matèria al primer model atòmic

Isòtop del clor amb A = 35 Àtom amb A = 20 i Z = 10

Àtom amb dos neutrons i nombre atòmic igual a un. 8

El nucli de l’àtom

Icona AvaluApp. Indica les activitats més competencials.

A Z

Àtom amb quatre protons i nombre màssic igual a nou. 8

quina llei ponderal es representa en la imatge següent:

En la teoria atòmica de Dalton no es dona cap explicació a les reaccions químiques. Segons Dalton, els àtoms són immutables; és a dir, no canvien. Dalton afirmava que tots els àtoms d’un mateix element químic són idèntics, i diferents dels d’un altre element químic.

Activitats per interpretar els resultats obtinguts.

L’ÀT « A 

UT  » ’ÀT

1 Indica

Material necessari per fer l’experiment.

Plantejament del problema

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 27,5

28,7

28,5

29 29,5 Massa / u

1.

Indica si les següents afirmacions són vertaderes o falses:

29,5

Consulta les dades relatives a la meta 9.c dels ODS i escriu un breu text sobre com creus que els avenços científics arriben a traslladar-se a la societat.

El model atòmic de Thomson proposava que la matèria tenia càrrega negativa; és a dir, que, de matèria elèctricament neutra, no n’hi havia. Segons el model atòmic de Rutherford, la matèria era neutra, ja que, encara que existissin els electrons, amb càrrega negativa, el nucli de l’àtom tenia càrrega positiva i la compensava. Segons el model de Bohr, els electrons no orbiten amb qualsevol valor d’energia, sinó en unes òrbites definides.

30,5

1.

Fes un esquema o un mapa conceptual de les aplicacions de la radioactivitat en medicina, utilitzant els termes que has après en aquesta unitat.

6

6

L ÈR  OS « A 

2.

Disposem de dades de pressió i volum de tres situacions d’un gas ideal que s’han mesurat mantenint la temperatura del gas constant. Estat 1

Estat 2

Estat 3

p = 0,95 atm V = 2,49 L

p = 1,20 atm V = 2,04 L

p = 1,50 atm V = 1,63 L

a) Representa els valors en una gràfica p – V.

Icona Internet. Activitats en què l’alumnat ha de consultar Internet.

2. Explica com varia la pressió atmosfèrica amb l’altitud i el perquè d’aquesta variació.

2.

Els mapes d’isòbares serveixen per fer la previsió meteorològica del temps. Observa el mapa de la imatge i respon a les preguntes de sota.

b) Expressa matemàticament la llei de BoyleMariotte i calcula el valor de la constant.

Activitats:

L’atmosfera terrestre

Icona Treball cooperatiu. Activitats que s’han de fer en grups reduïts.

a) Què signifiquen les lletres A i B?

2. Si l’experiment de Torricelli s’hagués dut a terme

al cim d’una muntanya de 5.000 m d’altitud, l’altura de la columna de mercuri, seria més gran o més petita de 760 mil·límetres? Raona la teva resposta.

b) En quines unitats està expressada la pressió?

c) Indica els valors de pressió més gran i més petit del mapa.

ODS 2. Explica per què no cau l’aigua del got de la

d) Expressa els valors anteriors en atmosferes.

imatge.

AvaluApp Amb ajuda d’Internet Treball cooperatiu

2.

Els serveis d’observació i predicció meteorològics estan gestionats per organismes públics. En grup, busqueu informació sobre el Servei Meteorològic de Catalunya (SMC o METEOCAT), l’Agència Estatal de Meteorologia (AEMET) i la Societat Meteorològica Europea (EMS). Elaboreu un informe explicant les funcions de cada un.

4

» PROJECTE DIGITAL Una resposta global per a un entorn educatiu divers La proposta digital de Barcanova és EDUDYNAMIC, un projecte digital complet que dona una resposta global a un entorn educatiu divers i dinàmic. A partir d’un entorn senzill i intuïtiu, EDUDYNAMIC és un projecte digital multidispositiu i multisuport que s’adapta i es visualitza a totes les plataformes i a tots els entorns d’aprenentatge virtual (Blink Learning, Moodle, Alexia, Google Classroom, Clickedu, Office 365…). La diversitat i riquesa de recursos, des d’activitats interactives traçables a vídeos, presentacions i ludificació, fa d’EDUDYNAMIC un projecte digital actualitzat i complet pensat per canviar amb tu.

Integració a totes les plataformes i entorns EVA.

Compatibilitat i sincronització amb qualsevol dispositiu.

Gestió en línia de les activitats i tasques assignades als alumnes.

Amb suport paper o sense.

Continguts i eines per treballar on-line i off-line.

Les claus del projecte digital VERSÀTIL

INTEGRACIÓ I SINCRONITZACIÓ

ON-LINE I OFF-LINE

El projecte,

Els canvis que fa

Són descarregables

adaptat a diferents

l’usuari se sincronitzen

per poder treballar també

enfocaments i necessitats,

automàticament en

sense connexió a la xarxa.

es pot utilitzar com a

connectar qualsevol

complement del llibre

dels dispositius amb

imprès o bé com a model

què es treballa.

autònom per a les aules més digitalitzades.

ENTORN SENZILL I INTUÏTIU

MULTISUPORT I UNIVERSAL

DIVERSITAT I RIQUESA DE RECURSOS

Des d’on poder

Són responsive

Per millorar la comprensió

accedir i treballar amb

i ajusten el seu contingut

dels continguts: activitats

continguts digitals.

a qualsevol dispositiu:

interactives traçables,

mòbil, tauleta, ordinador...

vídeos, presentacions, imatges interactives,

Tots els projectes digitals

suggeriments didàctics,

de Barcanova s’adapten

enllaços, ludificació i...

i es visualitzen a totes

molt més!

les plataformes i a tots els entorns virtuals d’aprenentatge (EVA).

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC La utilitat del coneixement científic «I això, per a què serveix?». Segur que alguna vegada t’has fet aquesta pregunta. A un científic anglès del segle XIX, Michael Faraday, la hi van fer quan va presentar el seu descobriment, i en aquell moment no va saber respondre. Aquell descobriment, va permetre, finalment, que l’energia elèctrica arribés a les nostres llars. Es tracta d’una pregunta molt present en el pensament humà, ja que les persones sempre intentem donar utilitat al nostre coneixement. Però hem après que, en l’àmbit científic, de vegades cal esperar un temps per trobar la resposta. En aquesta unitat estudiaràs com es construeix el coneixement científic, les característiques que fan que sigui un coneixement fiable i amb poder de predicció que, a més, influeix en la nostra manera de viure. I en aquest sentit podem plantejar la pregunta següent: Com pot influir el coneixement científic en la nostra vida quotidiana?

El descobriment de Faraday de la

inducció electromagnètica va perm etre

la generació del corrent elèctric que

arriba a les nostres llars.

COMPROMÍS ODS En petits grups, contesteu les preguntes següents:

Segons l’objectiu 2 de desenvolupament sostenible, des de principis de l’any 1900, prop del 75 % de la diversitat de cultius s’han perdut en l’agricultura del planeta. Una de les seves metes proposa d’augmentar les inversions en investigació agrícola. Com creieu que la investigació agrícola pot ajudar a aconseguir aquest objectiu? Cerqueu informació sobre quins estudis permeten arribar a ser investigador.

Els ODS 13, 14 i 15, orientats respectivament a l’acció pel clima, la vida submarina i la vida d’ecosistemes terrestres, estan molt relacionats entre ells. En termes generals, quines accions humanes fan que hàgim de proposar metes relacionades amb aquests objectius? Com podríem atendre aquestes metes des del coneixement científic?

L’ús del coneixement científic pot ocasionar situacions positives i negatives. Poseu un exemple en el qual el mateix descobriment hagi ocasionat ambdues situacions. Podem dir que la ciència és positiva o negativa per si mateixa, o depèn de l’ús que en fem?

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què hauries de saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

1. QUÈ ÉS LA CIÈNCIA? Característiques del coneixement científic No és fàcil concretar què és la ciència, però podem oferir algunes característiques del coneixement científic: • És una construcció de l’ésser humà. Al llarg de la història, moltes persones han utilitzat el seu intel·lecte per explicar el món que ens envolta. • Es desenvolupa mitjançant mètodes de treball rigorosos que, en ocasions, requereixen mesures molt precises. • Es basa en proves. El coneixement científic no pot argumentar-se partint d’apreciacions, intuïcions o suposicions. • S’ha de contrastar amb la realitat. En aquest sentit, el coneixement científic ha de ser reproduïble. • La ciència i la tecnologia sempre han estat íntimament relacionades, i gràcies a això el nostre mode de vida va evolucionant.

El mètode científic El coneixement científic té el seu origen en l’existència de fets, o fenòmens, als quals es vol donar una explicació. Però aquesta resposta no es pot obtenir de qualsevol manera; hem d’arribar-hi a través de mètodes de treball que li confereixin les característiques anteriors. Parlem de «mètode científic» per fer referència a aquestes maneres de treballar. La figura següent mostra un esquema simplificat d’aquest mètode.

Etapes del mètode científic Si refuten les hipòtesis, se’n plantegen d’altres

Problema (fets)

Hipòtesis (conjectures)

Es proposen possibles respostes

Es comprova si són correctes

• Davant d’un problema es plantegen preguntes i s’identifiquen les lleis i les teories científiques que poden servir per respondre-les. Per donar-hi resposta plantegem hipòtesis. • Cal realitzar investigacions per validar les hipòtesis. Això implica el disseny d’un procediment experimental.

Resultats i conclusions (basats en proves)

Experiments (presa de dades) S’analitzen les dades

Lleis i teories científiques

Si confirmen les hipòtesis

• S’analitzen els resultats experimentals i es formulen conclusions. Cal argumentar les conclusions. • Les conclusions poden confirmar les hipòtesis o refutarles. En el primer cas estem en disposició de formular noves lleis i teories. En el segon, hem de plantejar noves hipòtesis.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

Algunes creences inadequades sobre la ciència Les idees següents sobre la ciència són comunes, però inadequades: • El coneixement científic comença per una observació objectiva. Tant les observacions com el plantejament d’hipòtesis estan influïts pels coneixements previs del qui observa.

• Les hipòtesis es converteixen en lleis. Les hipòtesis han de ser comprovades; per tant, poden ser certes o no. • Les lleis científiques són absolutes. Al contrari; el coneixement científic està en contínua evolució. • Els científics del passat estaven equivocats. De vegades nous models i noves teories substitueixen els anteriors perquè s’ajusten millor a la realitat observada. Es tracta d’un coneixement desfasat, no d’errors científics. • La ciència és més metòdica que no pas creativa. Si hi ha una cosa que caracteritza l’evolució de la ciència és, precisament, la creativitat. En ocasions es pretén concebre alguna cosa com a coneixement científic sense ser-ho. Parlem, en aquests casos, de pseudociència (falses ciències). Alguns exemples de pseudociències són l’alquímia, la parapsicologia o l’astrologia. Cap d’aquestes no té base científica, ni poder de predicció.

–

Electró

– –

Àtom Nucli Protó, neutró Quark La constitució de la matèria és un exemple de coneixement científic.

Les pseudociències no tenen base científica.

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

Quines característiques del coneixement científic no concorden amb els missatges de les pseudociències? Per què?

Durant molt temps s’ha pensat que la Terra era el centre de l’univers, però els treballs de Galileu i Copèrnic van posar el Sol en el lloc que li correspon. Quin plantejament et sembla més lògic? Consideres errònia alguna d’aquestes idees?

2. Creus

que tota observació depèn de la teoria? Il·lustra la teva explicació amb alguns exemples.

5. Busca les diferències entre astronomia i astrologia. Per què creus que es confonen?

3. Creus que el coneixement científic algun dia serà definitiu? Justifica la teva resposta.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC Models científics Un model científic és una representació abstracta i simplificada de la realitat, que s’utilitza per obtenir una primera aproximació a l’estudi dels fenòmens. S’atribueix a Galileo Galilei (1564-1642), reconegut com «el pare de la ciència moderna», el primer ús de models científics. Models científics: exemples Model de l’àtom –

T R E B A L L A A M B L E S I M ATG ES

T1.

Observa com aquests tres models són simplificacions de la realitat. En el model del moviment d’un cos, hi ha res que et cridi l’atenció?

Moviment d’un cos

Règim laminar

Moviment de translació

–

Moviment de rotació

– Els protons, neutrons i electrons no tenen aquests colors, ni són «boletes», però el model serveix per explicar fenòmens relacionats amb els àtoms.

En ocasions es considera que el moviment dels fluids es produeix de manera que les partícules no es creuen les unes amb les altres. Mai no ocorre exactament així, és un model.

El moviment de translació s’estudia considerant tota la massa del cos concentrada en un punt. Tanmateix, per estudiar el moviment de rotació aquest model no és útil.

Ciència, tecnologia i societat (CTS) Els coneixements científic i tecnològic han mantingut sempre una estreta relació. A més, la societat influeix en el desenvolupament de la ciència i la tecnologia; desenvolupament que, per la seva part, influeix sobre les societats. Per tot això, no convé parlar sols de ciència o de tecnologia, ni sols de societat, sinó de relacions CTS, acrònim de ciència-tecnologia-societat.

C O MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

6. Identifica i descriu algunes relacions entre ciència, tecnologia i societat (relacions CTS) que se t’acudeixin.

Saps què significa la sigla STEAM?

En l’actualitat, estan sorgint milers de llocs de treball relacionats amb «perfils STEAM». Investiga les universitats i els centres d’FP de la teva ciutat (o d’alguna altra que triïs) i identifica els estudis que s’hi imparteixen connectats amb aquestes professions.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

Sistema material La física i la química centren la seva investigació en porcions definides de matèria que reben el nom de sistema material o, si presenten límits definits, cos.

2. LA FÍSICA I LA QUÍMICA Són dues disciplines científiques el propòsit de les quals és el d’explicar els canvis que experimenta la matèria que ens envolta, encara que cada una d’elles se centra en canvis de característiques diferents.

Canvis físics i químics Canvi físic

Canvi químic

Els canvis físics, o fenòmens físics, són aquells en què la naturalesa de les substàncies no canvia. Després d’un canvi físic, doncs, s’observen les mateixes substàncies que hi havia al principi.

Els canvis químics, o fenòmens químics, són aquells en què la naturalesa de les substàncies canvia. Després d’un canvi químic s’observen substàncies diferents de les inicials.

• Si arruguem un paper, no s’altera la naturalesa de la substància.

• Si en lloc d’arrugar el paper, el cremem, sorgeixen noves substàncies.

• Quan el gel es fon, o l’aigua s’evapora, la substància que observem en tot el procés és la mateixa: aigua.

• Si apliquem un corrent elèctric a l’aigua, les substàncies que s’obtenen són diferents de la inicial: hidrogen i oxigen.

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

8. Dels següents canvis, raona quins són físics i quins químics. a) Dilatació d’un metall 8

d) Caiguda d’una pedra

b) Evaporació de l’alcohol 8

e) Agrir-se la llet 8

c) Maduració de la fruita 8

f) Il·luminació d’un objecte 8

9. Descriu un canvi físic i un canvi químic diferents dels estudiats. Per què són físics o químics?

10.

A la natura es produeixen un altre tipus de canvis: els nuclears. Cerca’n informació i explica en què consisteixen.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

3. MAGNITUDS FÍSIQUES. UNITATS I MESURES Magnitud física Una magnitud física és qualsevol propietat de la matèria que pot ser quantificada de forma objectiva mitjançant la realització d’una mesura. Així, la longitud i el temps són magnituds físiques; no ho són la bellesa o l’afecte, ja que no es poden quantificar de forma objectiva.

Unitats i mesura de magnituds Una unitat d’una magnitud física és qualsevol quantitat arbitrària que s’adopta com a patró per quantificar aquesta magnitud. Definides les unitats, es pot procedir a mesurar les magnituds. Mesurar és una operació que consisteix a determinar la quantitat d’una magnitud en comparar-la amb la unitat.

T R E B A L L A A M B L E S I M ATG ES

T2. A l’hora d’expressar una me-

sura, cal utilitzar la unitat adequada en funció de l’ordre de magnitud del que mesurem. Per exemple, quina unitat utilitzaries per expressar el valor de la massa de la rajada de la fotografia? I per expressar el valor de la massa del tren?

Així, si diem que la nostra altura és d’1,75 metres, això significa que mesurem 1,75 vegades la unitat triada (un metre). La mesura és el resultat final del procediment de mesurar.

Magnituds fonamentals i derivades. Sistema Internacional d’Unitats Totes les magnituds físiques es poden expressar en funció de les anomenades magnituds fonamentals. Les que s’obtenen a partir d’aquestes, són magnituds derivades. El 1960 es va celebrar l’XI Conferència General de Pesos i Mesures, en la qual es van adoptar un conjunt d’unitats a utilitzar a nivell internacional: el Sistema Internacional d’Unitats (SI). Expressió de mesures i unitats Expressió de la mesura Tot valor numèric ha d’anar acompanyat de la unitat que li correspongui perquè tingui sentit físic. 6,8 g ; 15 m

Massa =

Magnitud

6,8

Valor Símbol numèric de la unitat

Resultat de la mesura

Símbols de les unitats

• Cada unitat es representa per un símbol, format per una o més lletres. • Els símbols de les unitats s’escriuen amb minúscula, tret que derivin d’un nom propi, cas en el qual la primera lletra s’escriurà amb majúscula. • En els símbols no s’hi afegeix mai la s del plural ni hi posem cap punt al final.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

ALGUNES MAGNITUDS DERIVADES I LES SEVES UNITATS

MAGNITUDS FONAMENTALS I LES SEVES UNITATS DEL SI Magnitud

Unitat

Símbol

Magnitud

Unitat

Símbol

Massa

Quilogram

Superfície

Metre quadrat

Longitud

Metre

Volum

Metre cúbic

Temps

Segon

Densitat

Quilogram per metre cúbic

kg/m3

Temperatura

Kelvin

Velocitat

Metre per segon

m/s

Intensitat de corrent elèctric

Ampere

Acceleració

Metre per segon al quadrat

m/s2

Intensitat lluminosa

Candela

Força

Newton

N (kg ∙ m/s2)

Quantitat de substància

Mol

mol

Pressió

Pascal

Pa (N/m2)

Energia

Joule

J (N ∙ m)

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

11.

Per parelles, raoneu si les següents característiques d’una persona són magnituds físiques. En els casos afirmatius, indiqueu si es tracta d’una magnitud fonamental o derivada, i les seves unitats del SI. a) Altura

c) Curiositat

b) Honor

d) Pes

12. Per què la densitat i la força són magnituds derivades? Quines relacions tenen amb les fonamentals?

13. Atenent a les seves unitats, com definiries les magnituds derivades de l’activitat anterior?

14. Indica almenys tres unitats per a la mesura d’aquestes magnituds: a) Temps 8 b) Massa 8 c) Longitud 8

15.

En grups, cerqueu informació sobre el desenvolupament històric del SI, com també de l’evolució que han tingut les magnituds fonamentals que el componen i les definicions de les unitats en què aquestes s’expressen. Elaboreu una presentació i exposeu-la a classe.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

4. INSTRUMENTS DE MESURA. ERRORS Qualitats dels instruments de mesura De qualitats n’hi ha més d’una, però aquest curs ens centrarem en aquestes dues: • Interval de mesura. És el conjunt de valors que l’instrument pot mesurar. • Sensibilitat. És la resposta de l’instrument davant les variacions de la magnitud que mesura. Està relacionada amb la subdivisió mínima de la seva escala (llindar de resolució).

T R E B A L L A A M B L E S I MATG ES

T3.

Instruments de mesura A

B 1

Expressió de la incertesa d’una mesura Quan es duu a terme una mesura, al costat del valor obtingut s’ha d’indicar la incertesa associada al procés de mesura.

Massa

Magnitud

2,242 ± 0,001

Valor numèric ± incertesa

Unitat

Farem coincidir la incertesa d’una mesura amb l’error absolut.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC « Error absolut i error relatiu L’error absolut, fa, és la diferència entre el valor obtingut i el valor real de la magnitud que es mesura. L’error relatiu, fr, es defineix com el quocient entre l’error absolut i el valor de la mesura. Indica la qualitat de la mesura (un menor fr implica més qualitat). En aquest curs prendrem, com a error absolut d’una mesura, el llindar de resolució de l’aparell amb què es realitza la mesura. EXERCIC I RESOLT

1. Amb el cronòmetre analògic de la pàgina anterior mesures un temps t = 0,25 min. Quants segons són? Expressa-ho amb la seva incertesa i calcula l’error relatiu.

Com a error absolut es pren el llindar de resolució del cronòmetre: t = 15 ± 1 s. Per calcular l’error relatiu es divideix l’error absolut entre el valor del temps mesurat:

Com que 1 min = 60 s:

fa 1s fr = t = 8 fr = 0, 067 15 s

60 s

t = 0,25 min · 1 min = 15 s

L’error relatiu ha estat, doncs, del 6,7 %.

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

16. Determina els intervals de mesura de les provetes de la pàgina anterior. Proveta 1 8

Proveta 28

Com mesuraries 132,5 mL amb cada una?

17. Una condició perquè una mesura sigui exacta és que sigui precisa. Raona la causa d’aquest fet.

18. Amb el cronòmetre de l’exercici resolt d’aquesta pàgina es mesura un temps de 10,15 minuts. Quin és el valor dels errors absolut i relatiu?

Basant-te en la teva resposta, indica com varia la qualitat d’una mesura en funció del valor mesurat. En quin paràmetre t’has fixat per respondre?

Treballa amb l’aplicació interactiva «Instruments de mesura» de l’espai personal del web www.barcanova.cat.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC Mesures directes i mesures indirectes Les mesures que es realitzen amb l’ús exclusiu d’un instrument de mesura s’anomenen mesures directes. Un exemple seria la mesura del temps feta amb un cronòmetre. Les mesures indirectes s’obtenen mitjançant càlculs matemàtics fets amb els valors obtinguts a partir de mesures directes. Per exemple, per calcular la densitat d’un cos es mesuren la massa i el volum (mesures directes), i després es divideixen (d = m/V ).

Recorda Tot i que existeixen tècniques matemàtiques per a l’estimació de l’error, aquest curs prendrem com a error absolut d’una mesura directa el llindar de resolució de l’instrument utilitzat.

Minimització d’errors en mesures directes Per minimitzar els errors en mesures directes es fan diverses mesures de la magnitud i es pren, com a valor de la mesura, la mitjana aritmètica dels valors mesurats. EXERCIC I RESO L T

2. Amb una balança digital de llindar de resolució 0,01 g es realitzen tres mesures de la massa d’un cos. S’obtenen aquests valors: m1 = 10,32 g; m2 = 10,25 g; m3 = 10,56 g.

a) Quin és el valor de la mesura? Quin és l’error comès? b) Expressa correctament el valor de la mesura. a) Com a valor de la mesura es pren la mitjana aritmètica dels valors obtinguts:

m1 + m2 + m3 10, 32 g + 10, 25 g + 10, 56 g = = 3 3 =

31, 13 g Vg 8 m = 10, 376 3

Com a error absolut de la mesura es pren el llindar de resolució de la balança: ea = 0, 01 g . b) El valor numèric de la mesura no pot tenir més xifres decimals que les de l’error absolut; en aquest cas, dues. Per tant, arrodonim el resultat: 10,38 g. Tenint això en compte, l’expressió correcta de la nostra mesura és aquesta: m = 10, 38 ± 0, 01 g

CO MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

19. Raona si hi ha diferència entre dir que la massa d’un cos és de 23,4 g o que és de 23,400 g. Expressa, en cada cas, la incertesa de mesura.

21. Si un cronòmetre aprecia dècimes de segon, podria mesurar 3,26 s? Per què?

22. Es realitzen tres mesures de temps amb un cronò20. D’acord

amb l’exercici resolt 2, expressa correctament la mesura de l’última activitat de la pàgina anterior.

metre digital: 4,35 s, 4,53 s i 4,42 s. Expressa correctament el valor de la mesura.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

MÚLTIPLES I SUBMÚLTIPLES Prefix

Símbol

Potència

Tera-

1012

Giga-

109

Mega-

106

Quilo-

103

Hecto-

102

Deca-

Unitat

–

Deci-

10–1

Centi-

10–2

Mil·li-

10–3

Micro-

10–6

Nano-

10–9

Pico-

10–12

5. MÚLTIPLES I SUBMÚLTIPLES Notació científica En ocasions, en l’àmbit científic, s’ha de treballar amb valors numèrics molt grans o molt petits. Per exemple, la distància mitjana de la Terra al Sol és de 150.000.000.000 m, i la mida (radi) dels àtoms és de l’ordre de 0,000 000 000 1 m. Per expressar aquests valors s’utilitzen les potències de 10. Així, la distància Terra-Sol és d’1,5 · 1011 m, i la mida dels àtoms de l’ordre de 10–10 m. Aquesta manera d’expressar els nombres, amb una xifra entera, seguida o no de decimals, i amb la potència de deu adequada, es coneix com a notació científica.

Múltiples i submúltiples També és habitual utilitzar múltiples o submúltiples de les unitats del SI, afegint-hi els prefixos corresponents (taula del marge). D’aquesta manera, diem que la distància Terra-Sol és de 0,15 Tm i l’ordre del radi atòmic, 0,1 nm.

EX ERC IC IS RE SO LT S

3. La distància mitjana entre la Terra i la Lluna és de

385.000 km. Expressa-la en unitats del SI utilitzant la notació científica. En primer lloc s’expressa en unitats del SI, tenint en compte que el prefix quilo- equival a 103:

4. Un vehicle circula a 90 km/h. Expressa la velocitat en unitats del SI.

Per canviar d’unitats s’utilitzen factors de conversió, tants com unitats calgui transformar:

v = 90

d = 385.000 · 10 m = 385.000.000 m 3

En notació científica queda, doncs, així:

d = 3, 85 · 108 m

m km 103 m 1h = 25 s · · 1 km 3.600 s h

Observa que escollim els factors de conversió adients perquè vagin quedant les unitats desitjades.

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

23. La massa i el volum d’un mineral són aquests: m = 15,32 g; V = 4,5 cm . Expressa la densitat en unitats del SI. 3

24. Una avioneta que vola a 1.500 peus d’altitud es desplaça a 200 mph (milles per hora). Aplica els factors de conversió que et calgui per expressar les dades en unitats del SI.

Treballa amb les aplicacions interactives de transformació d’unitats de l’espai personal del web www.barcanova.cat.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

6. EL LLENGUATGE DE LA CIÈNCIA Per comunicar els resultats de la investigació científica, s’utilitza un llenguatge verbal molt precís i rigorós que, a més, sol anar acompanyat d’equacions físiques, taules de dades i gràfiques.

Equacions físiques L’informe científic

Una equació física és l’expressió matemàtica del coneixement cien tífic.

Quan un científic finalitza una investigació, comunica els seus resultats a la resta de la comunitat científica mitjançant un informe científic, document que inclou el registre de la investigació. Així, altres científics poden donar validesa al treball realitzat i utilitzar-lo. L’es mentat informe consta de diversos apartats; busca informació sobre quins són i prepara un escrit explicant-los.

Les equacions físiques expressen relacions entre magnituds físiques. Les més comunes són les anomenades relacions de proporcionalitat. • Es diu que A és directament proporcional a B si:

A = k · B essent k una constant • Es diu que A és inversament proporcional a B si:

A = k/B essent k una constant Per exemple, la densitat es defineix com la massa continguda en la unitat de volum, i matemàticament pot expressar-se d’aquesta manera:

m V

Per tant, la densitat és directament proporcional a la massa i inversament proporcional al volum. EXERCIC I RESO L T

5. L’energia cinètica d’un mòbil es calcula mitjançant l’expressió E

= m · v2/2, en què m és la massa del mòbil, i v la velocitat. Estudia les relacions de proporcionalitat entre les magnituds esmentades. c

2 · m · v2 = 2 · Ec 2 m · (2 · v) 2 m · 4 · v2 = = 4 · Ec Si dupliquem v, Ec es quadruplica: Ecl = 2 2 Si dupliquem la massa, es duplica Ec: Ecl =

L’energia cinètica és, doncs, directament proporcional a la massa del mòbil i també al quadrat de la velocitat.

Taules i gràfiques L’estudi experimental de la relació entre magnituds es realitza mitjançant experiments en els quals van variant els valors d’una magnitud (variable independent) i es van mesurant els que va prenent l’altra (variable dependent). Aquestes mesures s’organitzen en taules de dades, a partir de les quals es procedeix a la representació gràfica d’aquestes dades. A partir de l’observació de taules de dades i gràfiques normalment es pot deduir la relació entre magnituds. La figura del marge mostra les gràfiques de les relacions estudiades més amunt. La representació gràfica d'una relació de proporcionalitat directa és una línia recta. En el cas de la proporcionalitat inversa, s'obté una hipèrbola; i si es tracta d'una relació quadràtica, s'obté una paràbola.

Proporcionalitat directa

eal

n Relació li y=k·x+b

y=k·x x

Proporcionalitat inversa y = k/x

x y

Relació quadràtica

y = k · x2 x

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

EX ERC IC I RESO LT

6. Es

mesura l’espai recorregut per un mòbil en funció del temps invertit. S’obtenen les dades de la taula següent: t/s e/m

128

200

Representa gràficament aquestes dades i obtén la relació entre l’espai i el temps. La representació gràfica és la que es mostra a la dreta. S’observa una relació quadràtica, per la qual cosa e = k · t2, i de les dades de la taula és fàcil deduir que k = 2. Per tant, e = 2 · t2 .

e/m 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

t/s

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

25. La pressió es defineix com la força exercida per

unitat de superfície, p = F/S. Estudia les relacions de proporcionalitat en la seva expressió.

28. Es mesura l’allargament d’una molla en funció de la massa que s’hi penja i s’obtenen aquestes dades: m/g Dl/cm

Representa la gràfica i estudia la relació Dl-m.

26. Suposa una força constant (F = ct.) i representa la gràfica de p en funció de S.

27.

Com has vist, hi ha equacions matemàtiques que tenen algun tipus de proporcionalitat. Busca la llei de gravitació universal i explica les seves relacions.

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

7. MATERIAL DE LABORATORI. NORMES DE SEGURETAT

Productes químics: etiquetes

Els laboratoris són espais en què ens podem divertir fent ciència, però no estan exempts de perills derivats de l’ús de productes químics i material tallant o punxant. Conèixer el material i les normes de seguretat minimitza el risc d’accidents.

Substàncies explosives

Substàncies comburents

Substàncies inflamables

Substàncies corrosives

Gas a pressió

Toxicitat aguda

Toxicitat per inhalació

Cancerigen, mutagen

Normes de seguretat al laboratori Per evitar accidents al laboratori, cal complir les normes de seguretat. En cas d'accident, cremada o lesió, comunica-ho immediatament al teu professor o professora. • Mantén l’àrea de treball neta i ordenada. En finalitzar, neteja i ordena el material utilitzat. • Per protegir la roba, posa’t una bata i porta-la sempre cordada. • Utilitza ulleres protectores i, si cal, guants de làtex. • No portis bufandes, mocadors llargs ni peces o objectes que dificultin la teva mobilitat. Si tens els cabells llargs, lliga-te’ls. • No corris dins el laboratori ni caminis d’un costat a l’altre sense cap motiu. • Renta’t les mans amb aigua i sabó després de tocar qualsevol producte químic. Si tens cap ferida, tapa-te-la. • No deixis destapats els flascons ni aspiris el seu contingut. No tastis ni ingereixis els productes. • No manipulis substàncies inflamables a prop de fonts de calor. • Els àcids i les bases fortes s’han de fer servir amb molta precaució, ja que la majoria són corrosius. Si has de barrejar un àcid amb aigua, afegeix l’àcid sobre l’aigua, mai al contrari. • Si t’has esquitxat amb algun producte, renta’t la zona afectada amb aigua abundant. • Fixa’t en els signes de perillositat que apareixen en les etiquetes dels productes químics.

Nociu per al medi ambient

CO MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

29. Del

material mostrat en la imatge de la pàgina següent, quin creus que serveix per mesurar volums?

I masses?

30.

Alguns productes de neteja de la llar també porten, adherides, etiquetes amb símbols de perillositat. Comprova-ho sota la supervisió d’un adult i elabora’n una llista.

31.

Busca la diferència entre els termes graduat i aforat aplicats al material de vidre.

En l’espai personal del web www.barcanova.cat trobaràs dues presentacions per aprendre a treballar amb seguretat al laboratori i conèixer el material que s’hi utilitza.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

Material bàsic de laboratori

Cremador d’alcohol

Trespeus o Trípode de laboratori

Reixeta

Cèrcol Embut de decantació Vidre de rellotge

Suport de laboratori

Degotador

Tubs d’assaig i gradeta

Vas de precipitats Embut

Flascó rentador

Bec de Bunsen

Matràs de destil·lació Matràs Erlenmeyer Matràs de fons rodó

Pinça de fusta

Proveta

Pinces de suport

Pipeta

Bureta

Càpsula de porcellana Placa de Petri

Morter i mà de morter

Vareta

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

» TALLER DE CIÈNCIES

EN GRUP S

PROJECTE D’INVESTIGACIÓ Arquimedes i la flotabilitat Introducció Si, en el fons d’un recipient amb aigua, posem un objecte buit (com ara l’ou de plàstic contingut dins d’un ou de xocolata) observarem que l’objecte ascendeix. Com expliques aquest comportament?

Objectiu Estudiar la flotabilitat d’un sistema de massa variable i volum constant. Es tracta, en definitiva, d’esbrinar quina quantitat de sorra cal introduir a l’ou perquè, quan el deixem a l’aigua, ni suri ni s’enfonsi.

Procediment • Organitzeu la classe en petits grups de treball. Cada un disposarà d’un got amb aigua i un ou de plàstic buit. • Introduïu sorra (o una altra substància, com ara arròs) a l’ou fins aconseguir que resti en equilibri a l’interior del líquid, sense ascendir ni descendir. • En aquesta situació, mesureu el volum i la massa de l’ou. • Calculeu la massa d’un volum d’aigua igual al volum de l’ou.

Resultats Proveu d’arribar a aquests resultats: • Massa de l’ou (amb sorra) per a la qual aquest resta en equilibri a l’interior de l’aigua. • Relació entre la densitat de l’ou (amb sorra) i la de l’aigua.

Conclusions A partir dels resultats obtinguts, proveu de respondre a aquesta pregunta: Quina condició s’ha de complir perquè un objecte ni suri ni s’enfonsi en l’aigua? Seguiu els passos del mètode científic per respondre a la pregunta. • Formuleu les vostres hipòtesis, comproveu-les i elaboreu una teoria en termes del concepte de densitat. • El pas final de qualsevol investigació científica consisteix a comunicar el procés seguit, els resultats obtinguts i les conclusions que se’n deriven. Per fer-ho, elaboreu un informe d’investigació seguint els apartats d’aquesta pàgina.

Com podem aconseguir que un objecte ni suri ni s’enfonsi?

R E FL E X I Ó FI N A L

Una vegada hem aconseguit que l’ou ni suri ni s’enfonsi, traiem una mica de sorra; la densitat de l’ou, augmenta o disminueix?

En aquest cas, sura o s’enfonsa?

I si afegim sorra, què passa?

Busca informació sobre el principi d’Arquimedes i relaciona’l amb el que hem desenvolupat en aquest projecte d’investigació.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

TREBALL PRÀCTIC Sura, l’alumini, en el mercuri? Plantejament del problema

Balança de dos braços. La massa de l’objecte és la suma de les masses dels pesos utilitzats per equilibrar la balança.

La vostra proposta Abans de llegir la nostra proposta, elaboreu-ne una vosaltres per respondre al repte plantejat.

La nostra proposta Balança d’un braç: La massa de l’objecte és la suma dels valors indicats en les posicions en les quals han quedat els pesos un cop la balança està equilibrada.

Material » Cilindre d’alumini » Balança » Proveta

Orientacions per a l’ús de la balança • Es poden utilitzar balances analògiques (d’un o dos braços) o balances digitals. • S’ha d’evitar l’error de zero: quan els platerets són buits, la balança ha de marcar zero. En els extrems dels braços hi ha cargols per regular-les.

Orientacions per a l’ús de la proveta Per mesurar el nivell d’aigua en una proveta s’ha de situar l’ull just a l’altura de la part inferior del menisc que forma la superfície del líquid.

EXT RAIEU CO NCLU SIO NS…

1. Les magnituds que intervenen en la pràctica, són fonamentals o derivades? Les mesures realitzades, han estat directes o indirectes?

Descriu una altra manera de mesurar el volum del cilindre. Seria mesura directa o indirecta?

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

» POSA’T A PROVA Què és la ciència? Com evoluciona?

1. Reflexiona

sobre el mètode científic i descriu alguna situació en la qual, malgrat seguir escru polosament les etapes, no es generi coneixement científic.

Pregunta a tres companys o com panyes quin és el seu horòscop i busca en alguna pàgina d’internet la predicció per avui. Després, intercanvieu els resultats. Coincideix la informació dels llocs visitats? Raona si el que has llegit és coneixement científic.

3. La llei de Hooke estableix que l’allargament d’una

molla és directament proporcional al pes del cos que s’hi penja. Per què creus que es parla de «llei de Hooke» i no de «teoria de Hooke»?

Canvis físics i canvis químics

5. La física i la química s’engloben dins les anome

nades «ciències experimentals». A què creus que es deu això? Quines característiques del coneixement científic comparteixen aquestes ciències?

6. Explica la diferència entre canvis físics i canvis químics.

Classifica els canvis següents en un dels dos grups: a) Formació de l’arc de sant Martí. b) S’obté coure a partir d’òxid de coure. c) Fonem ferro. d) El metanol (alcohol de farmàcia) se solidifica. e) Formació dels núvols. f) Es trenca una ampolla de vidre. g) La formació d’estalactites i estalagmites. h) Maduració de la fruita. i) Encenem el llum d’una habitació. j) Es crema una torrada. Canvis físics

Canvis químics

Les icnites són empremtes de vertebrats fossilitzades. A partir de les icnites es poden estudiar les característiques dels animals que les van deixar. Davant de la següent seqüència d’icnites, quines característiques pots deduir? Què creus que va poder passar?

Canvis físics i canvis químics 26

Descriu dos canvis físics i dos canvis químics que es produeixin sovint al teu voltant. Esmenta les substàncies o els materials que hi intervenen i explica per què els consideres canvi físic o canvi químic.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

Magnituds físiques. Unitats i mesura

8. Posa

quatre exemples de magnituds físiques i quatre més de propietats o característiques que no ho siguin. En el cas de les magnituds físiques, indica almenys dues unitats de mesura per a cada una, diferents de les del SI. Són magnituds físiques

b) Expressa en el sistema CGS les magnituds derivades de la taula de la pàgina 15. SISTEMA D’UNITATS CGS Magnitud

Unitat

Superfície

cm2

No ho són

9. Inventa

una unitat de mesura de longitud i expressa, amb aquesta unitat, les dimensions de la teva taula de treball.

a) Comunica, als teus companys i companyes, el resultat de la mesura. Creus que t’entendran? Per què?

12. L’expressió

matemàtica de la segona llei de Newton és aquesta: F = m · a on F és la força; m, la massa, i a, l’acceleració: a) Expressa-la en llenguatge verbal, indicant les relacions de proporcionalitat que hi observis.

b) Reflexiona sobre aquesta circumstància i argumenta la necessitat d’utilitzar el Sistema Internacional d’Unitats.

10. Dels

següents valors de mesures de massa, quins estan mal expressats? Per què? 25 g

25 gr.

125 grs.

b) Identifica-hi les magnituds derivades i expressa les seves unitats en funció de les fonamentals del SI.

13. L’equació

que descriu el comportament dels gasos ideals és la següent: p · V = n · R · T En aquesta equació, n representa el nombre de mols i R és la «constant dels gasos ideals». a) Identifica les altres variables que intervenen en l’equació i expressa-la en llenguatge verbal.

11. La mecànica és la part de la física que estudia

els moviments i les seves causes. Dos sistemes d’unitats molt utilitzats per estudiar-los són el MKS (metre – quilogram – segon) i el CGS (centímetre – gram – segon).

b) Identifica-hi les magnituds derivades i expressa les seves unitats en funció de les fonamentals del SI.

a) Algun dels dos pertany al SI?

» EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC

Instruments de mesura. Errors

14. Indica les qualitats d’aquests instruments i la magnitud física que podem mesurar amb cada un.

17. Quan es fan operacions, el resultat s’arrodoneix

a la xifra decimal del valor utilitzat que tingui menys decimals. Partint d’això, expressa correctament el resultat de les operacions següents: a) 3,72 + 26,5 + 56,572 b) (1,3 · 7,21) / 0,082 c) 0,056 · 26,34 / 5,2

8 8 8

18. Amb a)

una cinta mètrica que aprecia fins al mil·límetre, es fan tres mesures de la longitud d’una taula: l1 = 200,7 cm; l2 = 200,9 cm; l3 = 201,0 cm. Expressa el resultat de la mesura i calcula l’error relatiu.

15. Quines

d’aquestes mesures poden haver estat realitzades amb els instruments de l’activitat anterior? 300 mL

15 mL

250 mL

100 mL

25 mL

125 mL

9 mL

750 mL

500 mL

16. Expressa correctament les mesures següents, i indica’n la incertesa.

19.

Dissenya un procediment per mesurar el radi del peu cilíndric d’un fanal. Es tractaria d’una mesura directa o indirecta? Per què?

Imagina el resultat que obtindries, i depenent dels instruments utilitzats, expressa la mesura i calcula l’error relatiu.

20. Quina

d’aquestes dues mesures és de més

qualitat?

La llargada d’una habitació és de 400 ± 1 cm. La distància entre dues localitats és de 740 ± 1 km. Raona la teva resposta.

EL CONEIXEMENT CIENTÍFIC «

Múltiples i submúltiples. Notació científica

c) Representa les gràfiques que descriuen les relacions dels dos apartats anteriors.

21. a) Respon a aquestes preguntes: Quina amplada té un full DIN A4? Quant fas d’alçada? Quina distància hi ha entre Igualada i Manresa?

b) Has utilitzat unitats diferents en cada cas? Per què?

c) Expressa les longituds anteriors en notació científica i unitats del SI.

24. A partir de la gràfica següent, completa la taula de dades, determina la relació entre les variables i expressa-la en llenguatge matemàtic i verbal. x/m 60 50 40

22. En astronomia, les distàncies són enormes, i es

defineixen unitats adequades per expressar-les:

• Unitat astronòmica. Es defineix com la distància mitjana Terra-Sol (1 ua = 150.000.000 km).

10 0

• Any llum. És la distància que recorre la llum en un any, propagant-se en el buit a 300.000 km/s. • Parsec. Equival a 3,2616 anys llum.

t/s

10 11

t/s

x/m

Expressa aquestes unitats en el SI, primer sense notació científica, i després, amb aquesta notació. • Unitat astronòmica

8 • Parsec 8 • Any llum

El llenguatge de la ciència

23. La potència elèctrica que consumeix un element

d’un circuit elèctric ve donada per l’expressió P = R · I 2, on R és la resistència i I la intensitat de corrent. a) Expressa aquesta relació en llenguatge verbal.

b) Quina relació de proporcionalitat existeix entre la potència i la intensitat de corrent? I entre la potència i el quadrat de la intensitat de corrent?

25.

Es mesura la pressió que exerceix una quantitat fixa d’aire sobre les parets del recipient tancat que el conté mentre s’augmenta la temperatura. S’obté la taula de dades següent: T/°C

p/atm

24,0

24,4

24,8

25,2

25,6

Representa, en paper mil·limetrat, la gràfica p (T) (pressió en ordenades i temperatura en abscisses). Determina la relació de proporcionalitat entre ambdues magnituds i dedueix l’equació física que les relaciona.

UNITAT

LA MATÈRIA. ELS GASOS

Coneixent els gasos El fet de comprendre i explicar el comportament dels gasos ha permès als científics aprofundir en el coneixement de la matèria, però també ha propiciat una gran quantitat d’avenços tècnics al llarg de la història, alguns de tan destacables com els relatius a l’aeronàutica i a l’aerostàtica, i d’altres de tan quotidians com l’olla de pressió o l’envasament de productes gasosos per a cosmètica, medicina i altres àmbits. La cara amarga d’aquests avenços és que, com a resultat de la industrialització, la massa de gasos que envolta l’escorça terrestre està canviant. Un dels efectes més greus d’aquesta alteració és el canvi climàtic, que afecta de forma global la Terra i es percep en alteracions de diferents variables meteorològiques tals com la temperatura mitjana, la quantitat de precipitacions o la freqüència i la ubicació dels huracans, entre altres. Començarem aquesta unitat amb l’estudi de les característiques generals dels estats d’agregació de la matèria i dels canvis d’estat a través del model de la teoria cineticomolecular, i farem una descripció més detallada del comportament de l’estat gasós.

Olla de pressió.

COMPROMÍS ODS En grups:

1. C onsulteu la informació sobre la meta 12.4 i proposeu dos exemples senzills del cicle de vida d’algun producte quotidià, indicant si en la utilització, reutilització o reciclatge d’aquests productes es produeixen emissions a l’atmosfera.

Consulteu la meta 11.6 i busqueu informació sobre la qualitat de l’aire del nucli urbà més pròxim a la vostra residència del qual existeixi registre. Elaboreu una llista de mesures per millorar la qualitat de l’aire; acompanyeu cada mesura amb un avantatge i un desavantatge o dificultat de realització. Una vegada redactada la llista de mesures i els seus avantatges i dificultats, escolliu la mesura que resulti més viable i realitzeu un pla per dur-la a terme, que pot involucrar la societat civil (associacions i organitzacions) i a les autoritats del vostre entorn pròxim.

Mesura:

Pla:

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què hauries de saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

1. ELS ESTATS D’AGREGACIÓ

Escales Kelvin i Celsius

En les condicions habituals del nostre entorn, la matèria es presenta en tres estats d’agregació: sòlid, líquid o gasós. L’estat d’agregació en què es troba la matèria depèn de les condicions de pressió i temperatura. Per adonar-se d’això, n’hi ha prou amb fixar-se en el cas de l’aigua, que acostumem a trobar en qualsevol dels tres estats: en forma de gel, com a aigua líquida o en estat gasós (vapor d’aigua).

La pressió i la temperatura • La pressió és una magnitud derivada que es defineix com la força per unitat de superfície. La seva unitat en el SI és el pascal, Pa (1 Pa = 1 N/m2), encara que també se n’utilitzen d’altres, com l’atmosfera (atm), el mil·límetre de mercuri (mmHg) o el bar: 1 atm = 101.325 Pa

1 atm = 760 mmHg

100 °C

Punt d’ebullició de l’aigua

373 K

0 °C

Punt de fusió de l’aigua

273 K

Graus Celsius

Kelvin

Tant l’escala Celsius com l’escala Kelvin són centígrades, ja que entre els punts de fusió i d’ebullició de l’aigua hi ha cent unitats.

1 atm = 1, 013 bar

• La temperatura és una magnitud fonamental del Sistema Internacional que té relació amb l’energia interna dels sistemes materials. La seva unitat en el SI és el kelvin, K, però habitualment utilitzem el grau Celsius (figura del marge). La conversió de graus Celsius a kelvin, en una mesura de temperatura, és aquesta:

T/K = T/°C + 273,15 El plasma i les aurores boreals

T R E B A L L A A M B L E S I M ATG ES

T1. Busca a internet fotografies

d’aurores boreals o australs de diferents colors i descarrega-les. Dona una explicació a aquest fenomen.

En condicions de pressió i temperatura diferents de les habituals, la matèria pot existir en altres estats d’agregació, com el plasma que compon les estrelles i les aurores boreals i australs. Com pots apreciar en la fotografia, les aurores tenen formes molt diverses i colors ben cridaners, que, a més, canvien ràpidament amb el temps en el cel nocturn.

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1 Característiques dels estats d’agregació Permeten diferenciar un estat d’agregació d’un altre. SÒLIDS

LÍQUIDS

GASOS

–S ón rígids. –T enen forma i volum propis. – La seva compressibilitat és inapreciable (no disminueixen de volum quan se’ls aplica una pressió determinada).

–P oden fluir (s’adapten a la forma del recipient que els conté). – No tenen forma pròpia, pero sí volum propi. – Són molt poc compressibles (una mica més que els sòlids).

– Són fluids. – No tenen forma ni volum propis (ocupen tot el volum disponible del recipient en el qual es troben). – Es comprimeixen amb relativa facilitat.

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

1. Expressa aquestes temperatures en kelvin: 8 b) –273 °C 8 a) 25 °C

c) 0 °C d) –4 °C

8 8

A més de les escales de temperatura que hem estudiat, n’hi ha una altra d’ús freqüent als països anglosaxons. Busca informació sobre aquesta escala i la seva equivalència amb l’escala Celsius. Fes-ne un resum.

• En aquesta escala, a quina temperatura es fon el gel? I a quina temperatura bull l’aigua?

3. Expressa en atmosferes aquestes mesures de pressió: a) 704 mmHg

c) 1,000 bar

b) 102.400 Pa

d) 1,01 hPa

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

2. LA TEORIA CINETICOMOLECULAR Per estudiar les característiques dels estats d’agregació i els canvis d’estat, els científics han elaborat un model que descriu el comportament de la matèria: la teoria cineticomolecular (TCM).

La matèria és discontínua La matèria està formada per entitats discretes anomenades àtoms, que poden trobar-se aïllats o units entre ells formant el que en general anomenem partícules.

Teoria cineticomolecular (TCM) aplicada a l’estat gasós En el segle xix, J. C. Maxwell i L. Boltzmann van establir la teoria cineticomolecular, aplicada inicialment a l’estat gasós. Les idees principals d’aquesta teoria es poden resumir així: • Una substància en estat gasós està composta per un nombre enorme de partícules que es mouen contínuament en direccions aleatòries. Aquestes partícules estan molt separades entre elles. • Les partícules, en moure’s, xoquen amb altres partícules i amb les parets del recipient que les conté. Una mesura de la força que exerceixen aquests xocs per unitat de superfície és el que es coneix com a pressió del gas. En aquestes col·lisions no es perd energia. • Les partícules no s’atreuen ni es repel·leixen entre elles. • La temperatura del gas és la magnitud observable que correspon a la mitjana de l’energia cinètica de les partícules. • Si el gas adquireix energia, la seva temperatura augmentarà; les partícules del gas es mouran a més velocitat.

La TCM per a líquids i sòlids Encara que la TCM originàriament es va desenvolupar per explicar el comportament de l’estat gasós, algunes de les seves idees es poden aplicar als estats líquid i sòlid. Aquestes són les idees principals: • Les partícules que formen una substància són iguals en qualsevol dels estats d’agregació en què aquesta es trobi. • El que diferencia, doncs, un estat d’agregació de l’altre és la intensitat de la interacció entre les partícules, que augmenta a mesura que s’incrementa la pressió. • Mentre que en l’estat gasós les partícules que componen la matèria es mouen lliurement per tot el volum disponible, en el cas dels líquids, aquest moviment és més limitat, a causa de la interacció entre les partícules. • La interacció entre les partícules en estat sòlid és la més intensa dels tres estats d’agregació, per la qual cosa les partícules presenten un moviment molt reduït, de vibració, entorn de posicions fixes en l’estructura.

T R E B A L L A A M B L E S I M ATG ES

La pressió d’un gas segons la TCM

T2. Les imatges representen el

gas contingut en un recipient de parets deformables en diversos casos. Completa els rètols amb els signes >, <, = per indicar on és més gran la pressió. pint.

pext

pint.

pext

pint.

pext

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1

Característiques dels estats d’agregació SÒLID, LÍQUID I GAS es diferencien Forces d’interacció entre partícules

condicionen

El moviment de les partícules

que són

que és Intenses en l’estat sòlid

Vibració en sòlids

Intermèdies en l’estat líquid

Desplaçament en líquids

Desplaçament lliure en gasos

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

Pensa i crea un model per il·lustrar i explicar la TCM. Comparteix-lo amb la resta de la classe i, entre tots, trieu aquell que us sembli més clar i fàcil de comprendre.

8. Explica breument què és la pressió d’un gas segons la TCM.

5. Pressionant una esponja som capaços de disminuir-ne el volum. Contradiu aquest fet les idees de la TCM?

9. Explica les afirmacions següents: 6. Posa en pràctica les idees de la TCM i explica per

a) La matèria és discontínua.

què els líquids tenen volum propi mentre que els gasos no. Podem utilitzar la magnitud «volum» per donar una idea de la quantitat d’un gas? b) El que diferencia un estat d’agregació d’un altre és la intensitat de les interaccions entre les seves partícules.

7. Redacta un text breu que resumeixi la informació de la imatge d’aquesta pàgina.

10.

Fes un esquema amb les idees de la TCM aplicades a l’estat gasós.

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

3. CANVIS D’ESTAT Si un sistema material absorbeix o cedeix energia en forma de calor del seu entorn, la seva temperatura pot variar, però també pot succeir un altre fenòmen: Un sistema material pot canviar el seu estat d’agregació si es produeix un intercanvi d’energia entre el sistema i el seu entorn. En funció del sentit de l’intercanvi d’energia, distingim: • Canvis progressius, si el sistema adquireix energia. Els canvis progressius són la fusió, la vaporització i la sublimació. • Canvis regressius, si el flux d’energia es produeix des del sistema cap al seu al voltant. Els canvis regressius són la solidificació, la condensació i la sublimació inversa. Per a una pressió donada, cada canvi d’estat té lloc a un valor de temperatura fix, que varia per a cada substància. La temperatura de canvi d’estat és, per tant, una propietat específica de la matèria. Així, per a cada substància, tenim: • Punt de fusió. És la temperatura a la qual té lloc el canvi d’estat de sòlid a líquid a una determinada pressió. Coincideix amb la temperatura a la qual té lloc la solidificació a l’esmentada pressió. • Punt d’ebullició. És la temperatura a la qual té lloc, també a una pressió determinada, el pas de líquid a gas a tota la massa del líquid alhora. El corresponent canvi regressiu, la condensació, s’esdevé a la mateixa temperatura.

Calor latent de canvi d’estat L’energia transferida en un canvi d’estat (per unitat de massa) és una propietat de les substàncies que rep el nom de calor latent de canvi d’estat. En un canvi progressiu, aquesta energia s’utilitza per vèncer les forces d’interacció que existeixen entre les partícules per tal d’obtenir un estat menys condensat, però no produeix cap augment de temperatura en el cos.

Denominació dels canvis d’estat Líquid

Fusió

Temperatura d’ebullició

Evaporació

Ebullició

Fenomen lent i superficial

Fenomen ràpid; té lloc a tota la massa del líquid.

Vaporització Condensació

Solidificació Sublimació inversa

Sòlid

Sublimació

Gas

En la figura es mostren els noms dels canvis d’estat (en vermell, progressius; en blau, regressius). El mot que fem servir, en la vida quotidiana, per referir-nos a la solidificació és congelació.

La vaporització s’esdevé mitjançant dos processos: • L’ebullició es produeix a una temperatura fixa, i de forma ràpida, en tota la massa del líquid. • L’evaporació es produeix a qualsevol temperatura, de forma lenta, en la superfície del líquid.

Per ajudar-te a comprendre els processos de fusió i de vaporització, consulta la presentació que t’oferim en l’espai personal del web www.barcanova.cat

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1 Gràfiques de canvis d’estat El comportament del sistema davant d’un augment de temperatura es representa mitjançant una gràfica temperatura-temps, en la qual es recullen els valors de la temperatura del sistema a mesura que s’augmenta o es disminueix, de forma constant, la seva energia. En aquestes gràfiques observem trams horitzontals, en els quals la temperatura no varia perquè s’està produint un canvi d’estat, i trams inclinats en els quals la temperatura augmenta o disminueix de manera constant. Durant un canvi d’estat, la temperatura roman constant. Gràfica de refredament de l’etanol

Gràfica d’escalfament de l’etanol T/°C

T/ °C

−115

Quan augmenta la temperatura, l’etanol passa de sòlid a líquid (a –115 °C), es manté líquid fins als 78 °C i a aquesta temperatura passa a estat gasós.

Quan descendeix la temperatura, l’etanol gasós passa a líquid (a 78 °C) i roman en aquest estat fins a arribar a –115 °C, temperatura a la qual solidifica.

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

11. Quins efectes pot produir sobre un sistema un intercanvi d’energia amb l’entorn?

13. Raona la veracitat de l’afirmació següent: «Si una substància passa de l’estat líquid a l’estat gasós, podem assegurar que la temperatura correspon al punt d’ebullició de la substància».

12. Dibuixa un diagrama de Venn amb les característiques de la vaporització, l’ebullició i l’evaporació.

14. Si una substància té un punt de fusió de 68 °C a

1 atm, a quina temperatura té lloc la solidificació de l’esmentada substància?

15. Què és el punt de fusió d’una substància? Per què diem que és una propietat específica?

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

4. LLEIS DELS GASOS IDEALS Gasos ideals Per estudiar el comportament dels gasos, s’utilitza el model de gas ideal. Un gas ideal és un model científic que simplifica el concepte de gas com a sistema material, en el qual hi ha infinitat de partícules de mida ínfima que es mouen aleatòriament sense interactuar entre elles. Aquesta simplificació permet explicar les relacions matemàtiques senzilles entre tres magnituds: pressió, p, volum, V, i temperatura, T. A continuació, veurem les lleis, determinades de forma empírica, que descriuen les esmentades relacions.

Relació: recorregut lliure i nombre de xocs p1, V1

p2, V2

Llei de Boyle-Mariotte A temperatura constant, el volum que ocupa certa quantitat fixa d’un gas és inversament proporcional a la pressió que exerceix sobre les parets del recipient que el conté. p2 > p1

L’expressió matemàtica de la llei de Boyle-Mariotte és aquesta: p · V = constant

o bé,

V2 < V1

p1 · V1 = p2 · V2

La TCM explica la llei de Boyle-Mariotte Si el volum que ocupa un gas en un recipient disminueix, el recorregut lliure que fa cada una de les seves partícules es redueix; per tant, el nombre de xocs augmenta i, conseqüentment, la pressió augmenta. És destacable que la velocitat de les partícules no es veu alterada, ja que aquesta relació entre volum i pressió es produeix a temperatura constant.

T R E B A L L A A M B L A I MATG E

T3. Observa la imatge i identifica l’aparell de mesura de la pressió. Com s’anomena?

Llei de Boyle-Mariotte

p/atm

V/L

EXPERIÈNCIA

PRESSIÓ P/ATM

VOLUM V/L

PRODUCTE P·V

0,500

0,250

0,500

3,4

0,147

0,500

p (mmHg)

Amb aquest muntatge, es pot disminuir el volum del recipient que conté el gas i mesurar la pressió interior amb el

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1

EX ERC IC I RESO LT

1. S’ha mesurat el volum que ocupa un gas sotmès a

diferents valors de pressió. Les dades s’apleguen en aquesta taula:

V /L 80 70

p/atm

0,3

0,4

0,5

0,7

1,0

1,5

V/L

a) Representa les dades en un gràfic. De quin tipus de representació es tracta? Es tracta d’una hipèrbola i mostra la relació entre dues magnituds inversament proporcionals. b) Calcula el valor de la constant; té unitats aquesta constant? Prenent qualsevol parella de dades (p, V) podem calcular la constant: 0,5 atm · 44 L = 1,0 atm · 22 L = 22 atm·L = constant.

60 50 40 30 20 10 0 0

0,5

1,5

p/atm

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

16.

Per parelles, discutiu per què diem que la llei de Boyle-Mariotte és una llei empírica.

17. Què significa que dues magnituds siguin inversa-

20.

Per dur a terme una sèrie d’experiments de laboratori s’han pres les mesures següents: p/atm

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

V/L

244,4

163

122

97,7

81,5

a) Comprova que es compleix la llei de Boyle-Mariotte.

ment proporcionals?

18. Explica per què un globus ple d’heli explota quan

b) Fes la representació gràfica de les dades en un full de paper mil·limetrat. c) Calcula el valor de la constant i escriu l’expressió matemàtica que representa la llei.

arriba a certa altura. Tingues en compte la diferència de pressions.

21. Un cilindre de 2,5 litres amb un èmbol mòbil conté argó a una pressió de 0,13 atm. Si s’augmentés la pressió fins a un valor 0,19 atm, l’èmbol, pujaria o baixaria?

19. Dins d’una xeringa tenim un volum de 5 mL d’un

gas a una pressió de 0,9 atm. Quina pressió exterior s’ha d’exercir perquè el volum del gas disminueixi a la meitat?

Quin volum ocuparia, aleshores, el gas?

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS Lleis de Charles i Gay-Lussac

Zero absolut de temperatura

Per a una massa determinada d’un gas, tant la pressió com el volum del gas són directament proporcionals a la temperatura.

Una temperatura inferior a zero kelvin és impossible, ja que significaria que el gas ocupa un volum nul i no exerceix cap pressió, com s’observa en la representació gràfica de les lleis de Charles i Gay-Lussac. Per això anomenem zero absolut el valor de temperatura que correspon a 0 K.

• En augmentar la temperatura del gas, si es manté la pressió, el volum d’aquest augmentarà de manera proporcional a l’augment de temperatura.

V1 V1V2 V2 V V = constant = constanto bé,o bé,= = · T 8= constant V =V constant ·T 8 T T T1 T1T2 T2 • Si s’augmenta la temperatura d’un gas en un recipient no deformable (volum constant), la pressió del gas augmentarà de manera proporcional a l’augment de temperatura.

T = 0 K = –273,15 °C

p1 p1 p2 p2 p p = constant = constant o bé, p =pconstant · T · T8 8 = constant o bé, = = T T T1 T1 T2 T2

Representació gràfica de les lleis de Charles i Gay-Lussac V/mL

p/atm 14

12 10

8 6

El gas es liqua

–350

–250

2 –150

–50

100

200

300

T/°C

100

La TCM explica les lleis de Charles i Gay-Lussac L’augment proporcional de la pressió, o el volum, en augmentar la temperatura es pot explicar a partir de les idees de la teoria cineticomolecular de la matèria. Si s’augmenta la temperatura, augmenta l’energia cinètica de les partícules que componen el gas, la qual cosa implica que: • Si el volum del recipient del gas es manté constant, i les partícules recorren més espai en el mateix temps, el nombre de xocs serà més gran, la qual cosa explica l’augment de la pressió. • Si la pressió no varia, el nombre de xocs de les partícules tampoc no varia, però sí que augmenta el volum del gas, ja que augmenta el recorregut lliure de cada partícula.

120

T/ K

p (mmHg)

V constant T1

p p

p (mmHg)

p constant T2 T1

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1

EXERCIC I RESOLT

2. Un globus té un volum de tres litres a una temperatura de 18 °C. La pressió a l’interior del globus és una

mica superior a l’atmosfèrica, 1,1 atm. Si la temperatura augmenta fins a 50 °C, quin serà el volum del globus si no varia la pressió? Per resoldre aquest tipus de problemes convé fer un esquema de les dades de l’estat inicial del sistema (estat 1) i de l’estat final (estat 2): Estat 1: p1 = 1,1 atm, T1 = 18 °C, V1 = 3 L Estat 2: p2 = 1,1 atm, T2 = 50 °C, V2 = ? Observem que la pressió no varia; per tant, no tindrem en compte aquest valor en la resolució. Expressem la temperatura en kelvin: T1 = 18 °C + 273 = 291 K ; T2 = 50 °C + 273 = 323 K Apliquem la relació entre volum i temperatura:

V1 V2 T2 323 K = = V2 ; 3 L · = 3, 3 L ; V1 · T1 T2 T1 291 K Per tant, el nou volum del globus és V2 = 3,3 L.

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

22. Un gas, a una temperatura de 298 K ocupa un volum de 22,4 L; si no variem la pressió, quin volum ocuparà a una temperatura de 323 K?

Indica quina llei has utilitzat per calcular-lo.

23. Certa quantitat d’un gas contingut en un recipient no deformable exerceix una pressió d’1,000 bar a una temperatura de 25 °C; quina pressió exercirà si s’augmenta la temperatura fins a 40 °C?

Indica quina llei has utilitzat per calcular-lo.

24. Respon a aquestes preguntes: a) Quin és el valor de 298 K en graus centígrads? b) Per què una diferència de temperatura expressada en K és igual que una diferència de temperatura expressada en °C?

25.

Per parelles, expliqueu per què augmenta la pressió en un recipient que conté certa quantitat de gas si hi introduïm més quantitat d’aquest gas.

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

5. L’ATMOSFERA TERRESTRE

Mesura de la pressió atmosfèrica

L’atmosfera és la capa de gasos que envolta el nostre planeta. La seva composició varia amb l’altitud, però, de manera general, podem dir que l’atmosfera està formada, principalment, per nitrogen, en un 79 %, i oxigen, en un 21 %, a més d’altres gasos en petita proporció. Aquesta barreja de gasos es coneix com a aire.

760 mm

Pressió atmosfèrica La pressió atmosfèrica és la força per unitat de superfície que exerceix l’atmosfera sobre els cossos que es troben en el seu interior. A mesura que augmenta l’altitud, la pressió que fa l’atmosfera disminueix, ja que la massa d’aire que exerceix aquesta pressió és cada vegada menor.

Pressió atmosfèrica i meteorologia La mesura de la pressió atmosfèrica, juntament amb mesures d’humitat de l’aire, velocitat del vent i temperatura, serveixen per dur a terme la predicció del temps meteorològic. • Els mapes d’isòbares mostren els llocs en què la pressió atmosfèrica és la mateixa. Si les línies isòbares són molt pròximes les unes amb les altres, indica inestabilitat atmosfèrica, ja que en poca distància la pressió atmosfèrica varia molt. • Les altes o baixes pressions a la superfície determinen el temps. En llocs on la pressió atmosfèrica és alta, predomina el temps sec; al contrari, si la pressió és baixa, el temps serà plujós. Mapa d’isòbares

El 1643, el físic italià E. Torricelli va proposar el seu cèlebre experiment per demostrar que l’aire pesava i mesurar el valor de la pressió atmosfèrica. Va omplir un tub amb mercuri, el va tapar amb el dit i el va introduir invertit en una cubeta amb el mateix líquid. En destapar el tub, va comprovar que el mercuri , dins el tub, descendia fins a una altura que depenia de la pressió exercida per l’atmosfera. Al nivell del mar i amb temps estable, aquesta pressió és de 760 mmHg.

Altes pressions i baixes pressions

hPa (hectopascals) o mb (mil·libars)

996

1 00

98 4

992

988

—E n

1008 16

1 02

Zona de baixes pressions. Aire ascendent

Vent

1 01

Els anticiclons o nuclis d’altes pressions (A) s’associen amb el bon temps; les depressions o nuclis de baixes pressions (B) amb la inestabilitat i les precipitacions.

Zona d’altes pressions. Aire descendent

A les zones on la pressió és alta (A), l’aire fred i dens descendeix. Allà on la pressió és baixa (B), l’aire calent i menys dens ascendeix; quan aquest aire calent arriba a capes més fredes, l’aigua es condensa donant lloc a precipitacions.

Consulta la presentació sobre l’experiment de Torricelli i la variació de la pressió atmosfèrica amb l’altitud, en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

26. Calcula la massa d’oxigen i de nitrogen que conté una habitació les dimensions de la qual són 2,6 m d’alt per 9 m de llarg i 4 m de profunditat. Suposa que la composició de l’aire ve donada pels valors d’aquesta taula:

Gas

Nitrogen, N2

Oxigen, O2

Argó, Ar

Diòxid de carboni, CO2

Altres (heli, He; neó, Ne; hidrogen, H2, …)

Concentració (% en volum)

78,084

20,946

0,934

0,035

0,0025

27. Els mapes d’isòbares solen mostrar el valor de la pressió en mil·libars o hectopascals. Quina és l’equivalència entre aquestes dues unitats de pressió?

28. Respon: a) Quina és l’altura de la columna de mercuri de l’experiment de Torricelli per a un valor de pressió d’1 atm? b) Una mesura de pressió de 704 mm de Hg, és inferior o superior a la pressió atmosfèrica? c) Quant mesurarà la columna de mercuri de l’experiment de Torricelli en un lloc on la pressió sigui de 1.024 hPa?

29.

Indica en quina part d’Europa tindran un temps inestable i amb precipitacions segons el mapa d’isòbares de la pàgina anterior. Argumenta la teva resposta amb la informació del text.

30. Amb quina llei –o lleis– dels gasos justifiquem el flux d’aire en una zona d’altes pressions? Redacta un paràgraf en el qual expliquis el flux ascendent o descendent de l’aire a partir de les lleis dels gasos i la TCM.

31.

Explica com varia la pressió atmosfèrica amb l’altitud. Busca informació sobre els límits de l’interval de valor de pressió atmosfèrica en la teva població.

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

» TALLER DE CIÈNCIES

EN GRUP S

PROJECTE D’INVESTIGACIÓ L’energia de l’atmosfera Introducció Contràriament al que es pot pensar, el creixent nombre d’huracans i tempestes que es produeixen al nostre planeta està relacionat amb l’escalfament global derivat del canvi climàtic.

Objectiu Elaborar un plafó explicatiu sobre la relació entre la temperatura del mar i la formació d’huracans a partir dels coneixements de la unitat. Feu el treball en grup, amb planificació i repartiment de tasques.

40W

30W

20W

10W

10 E

Recorregut de l’huracà Ofèlia, que va colpejar Irlanda a mitjans d’octubre de 2017. Una de les conseqüències de l’escalfament global podria ser l’aparició d’huracans en llocs on fins ara no n’hi ha hagut.

Procediment Feu una recerca d’informació sobre aquest fenomen. Un punt de partida pot ser aquest extracte: La dinàmica entre les tempestes i l’escalfament dels mars es produeix en part pel paper que els huracans exerceixen en el nostre sistema climàtic. Reequilibren la calor de la Terra: les tempestes retiren calor dels mars tropicals en forma d’humitat atmosfèrica i bomben la calor cap a l’atmosfera, on es redistribueix i es radia cap a l’espai. «En cert sentit, els huracans són una vàlvula d’escapament», explica Kevin Trenberth, científic de la Secció d’Anàlisi Climàtica del Centre Nacional per a la Investigació Atmosfèrica dels Estats Units d’Amèrica. «L’extrema temporada d’huracans de 2017, es va deure al canvi climàtic?». Traduït d’Investigación y Ciencia, novembre de 2017, adaptació de l’article d’Annie Sneed/Scientific American

Resultats Acompanyeu el plafó explicatiu amb una descripció del procés necessari per elaborar-lo. Ha d’incloure el següent: • Relació de les pàgines web utilitzades. • Planificació de tasques i responsables. • Dificultats trobades i manera com van ser superades. • Àrees de millora.

Discussió, conclusions i comunicació del procés realitzat Utilitzeu el plafó elaborat per integrar coneixements de l’àrea de Geografia relatius a les migracions, motivades, en aquest cas, pel canvi de clima. Ideeu una manera d’incloure l’esmentada informació al plafó.

R E FL E X I Ó FI N A L

A partir del treball rea litzat, organitza un col·loqui amb els teus companys i companyes sobre l’impacte que tenen els fenòmens meteorològics extrems en la vida diària de les persones que habiten les zones del planeta afectades.

2. Podem

afirmar que el canvi climàtic comporta només sequeres i augment de temperatures?

3. Estan interrelacionats els factors que es veuen afectats pel canvi climàtic? Com?

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1

TREBALL PRÀCTIC Proves de la pressió atmosfèrica Plantejament del problema A

La presència de l’atmosfera explica moltes situacions quotidianes. Ens proposem, amb aquesta senzilla experiència, d’explicar el comportament de l’estat gasós davant la temperatura. ¿Com podem constatar la disminució del volum que ocupa un gas amb la temperatura utilitzant materials quotidians?

La teva proposta

El volum d’un gas tancat en un recipient és igual a la capacitat del mateix recipient. Si el recipient és deformable, la seva forma i, per tant, la seva capacitat dependran del valor de la pressió dins i fora del recipient. Proposa diferents maneres de demostrar-ho.

La nostra proposta

A O mple una ampolla de plàstic amb aigua calenta fins a tres quartes parts de la seva capacitat i tapa-la; així tindràs un volum d’aire en el seu interior a una temperatura superior a l’ambiental.

B A continuació, refreda ràpidament l’ampolla, per exemple col· locant-la en una safata amb gel i ruixant-la amb aigua freda. Observa la deformació de l’ampolla.

Material

» Ampolla de plàstic » Aigua » Gel » Safata ida » Llauna de refresc bu aigua » Recipient per escalfar da fre » Safata per a l’aigua r la llauna » Pinces per manipula

mades

sense córrer riscos de cre

C E xperiència alternativa. Escalfa una llauna de refresc al bany maria a uns 60 °C i, posteriorment, refreda la llauna de forma ràpida submergint-la en aigua freda, evitant que entri aigua en el seu interior. Observaràs com la contracció de volum és sobtada. EXT RA I E U C O N C L U S I O N S …

Orientacions per a la realització de l’experiència

1. Quina és la relació que hi ha entre el volum i la temperatura d’un gas? Descriu-la en termes de la TCM i de la llei empírica corresponent.

»O bserva les mesures de

seguretat en la mani pulació d’elements calents. »F es les dues experièn cies i troba analogies i diferències entre l’una i l’altra (si n’hi ha).

Explica per què es deformen l’ampolla de plàstic i la llauna de refresc si, en estar tapades, no entra ni surt aire del seu interior.

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

» POSA’T A PROVA

5. És correcte dir que un increment de temperatura de 10 °C correspon a un increment de 10 K? Argumenta la teva resposta.

Els estats d’agregació

1. Redacta

un paràgraf explicant les diferències entre sòlid, líquid i gas. Utilitza la terminologia que hem exposat en la unitat.

2. Realitza

les següents conversions d’unitats de pressió. Utilitza factors de conversió a partir de les equivalències vistes en la unitat. a) 1.087 mbar ·

b) 105 Pa ·

c) 704 mmHg ·

A quin estat d’agregació ens referim si es tracta d’un que no té forma pròpia, però sí volum propi? Justifica la teva resposta.

7. Quina

és la principal diferència entre l’estat d’agregació gasós i el líquid?

bar

atm

3. Explica per què els líquids no tenen forma pròpia mentre que els sòlids sí.

La teoria cineticomolecular

8. Indica si les afirmacions següents són vertaderes

(V) o falses (F) i justifica la teva resposta utilitzant el model de la teoria cineticomolecular: Tirem una gota de tinta blava en un got d’aigua. Sense necessitat d’agitar la barreja, al cap d’un temps serà tota de color blau.

4. L’aigua presenta anomalies en les seves propietats

si les comparem amb les d’altres substàncies. Una és la densitat anormalment baixa del gel comparada amb la de l’aigua líquida. Explica aquest fet a partir de la imatge. Gel

L’olor es pot percebre a distància perquè qualsevol gas o vapor té la capacitat de difondre’s per l’aire a causa del buit que existeix entre les partícules que formen la massa del gas.

Aigua líquida

9. En l’activitat 10 de la pàgina 35 vas elaborar un

esquema amb les idees principals de la TCM aplicades a l’estat gasós. A partir d’aquest esquema, explica què és el model del gas ideal.

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1

10. Explica

què és erroni en la representació

següent:

13. Explica dues formes diferents de vaporització

d’un líquid utilitzant aquests conceptes: fenomen superficial o fenomen a tota la massa del líquid i temperatura concreta o interval de temperatures.

14.

Algunes substàncies, com el iode o l’anomenat gel sec (diòxid de carboni en estat sòlid), són capaces de sublimar, ja que la seva temperatura de sublimació és menor que la d’ebullició. El gel sec es manté a una temperatura de –78,5 °C.

11.

Indica amb quines magnituds de pressió, volum o temperatura (p, V, T), estan relacionades aquestes característiques de la matèria segons la TCM: a) Velocitat de les partícules.

a) Quin és el valor de la temperatura de sublimació del CO2 en kelvin?

Quines aplicacions té aquesta substància?

b) Nombre de xocs de les partícules entre elles i contra les parets del recipient que les conté. 8 c) Energia cinètica de les partícules.

d) Recorregut lliure d’una partícula abans de xocar contra una altra. 8

Els canvis d’estat

15. A partir de les temperatures de fusió i d’ebullició

de l’aigua, el butà, l’etanol i el mercuri, que pots veure en la primera taula, completa la segona, indicant l’estat d’agregació en el qual es troba cada substància en l’interval de temperatures assenyalat.

12. Indica si les següents afirmacions són vertaderes

Substància

Temperatura de fusió/°C

Temperatura d’ebullició/°C

o falses i explica per què:

Aigua

100

La sublimació i la solidificació són canvis progressius perquè el sistema absorbeix energia en forma de calor quan aquests canvis es produeixen.

Butà

–138

Etanol

–114

Mercuri

–39

357

Interval de temperatura El gel s’utilitza per refredar begudes, ja que la fusió de l’aigua sòlida absorbeix energia en forma de calor procedent de la beguda, la qual disminueix així la seva temperatura, sense que augmenti la del gel pel fet de produir-se un canvi d’estat.

Aigua

de –130 °C a –120 °C

Butà

Etanol Mercuri

Líquid

de –100 °C a –45 °C

Sòlid Líquid

de –20 °C a –1 °C d’1 °C a 50 °C de 50 °C a 96 °C de 110 °C a 320 °C

Gas Gas

Líquid Gas

Més de 360 °C

UNITAT 1 » LA MATÈRIA. ELS GASOS

16. Representa, a partir de les dades de la taula de l’activitat anterior, el gràfic d’escalfament del mercuri i el de l’etanol.

19. Utilitza les gràfiques de l’activitat anterior per

determinar, sense fer cap càlcul, el volum que ocuparà el gas en aquestes condicions: a) p = 1 am, T = 0 °C

b) p = 1 am, T = 400 °C

En quin dels dos apartats has fet una extrapolació? En quin una interpolació?

20. La

taula correspon a un gas a temperatura constant. Completa-la. Quina d’aquestes dues substàncies és més volàtil? Explica la teva resposta.

p/atm V/L

0,15 244,4

162,9

0,30 122,2

0,35

97,7

a) Quina és la relació matemàtica entre les magnituds de la taula?

Lleis dels gasos ideals

b) Quin tipus de representació s’obté?

17.

Explica, utilitzant la TCM, per què un globus que sembla desinflat a una temperatura determinada, s’infla si augmentem la temperatura. Amb quina llei relaciones aquest fenomen?

21. A quina pressió es troba un gas a la temperatura

de 60 °C si a 15 °C la seva pressió era d’1 atm i el seu volum no ha canviat?

18.

A partir de les dades de la taula comprova que es compleixen les lleis de Charles i Gay-Lussac. Per fer-ho, selecciona adequadament les dades de la taula i elabora dues gràfiques. p/atm

V/L

T/°C

0,50

336,8

0,25

31,9

0,10

–151,0

0,9

0,25

1,4

0,7

0,25

–59,6

22. Dins d’una xeringa hi ha 7,0 mL d’un gas a una

temperatura de 25 °C. Suposant que l’èmbol de la xeringa es pot desplaçar lliurement, indica quin volum ocuparà el gas si la temperatura augmenta fins a 60 °C.

23. Què passa amb la pressió d’un gas que es troba a l’interior d’un recipient a temperatura constant si el volum es triplica?

LA MATÈRIA. ELS GASOS « UNITAT 1

24.

Disposem de dades de pressió i volum de tres situacions d’un gas ideal que s’han mesurat mantenint la temperatura del gas constant. Estat 1

Estat 2

Estat 3

p = 0,95 atm V = 2,49 L

p = 1,20 atm V = 2,04 L

p = 1,50 atm V = 1,63 L

a) Representa els valors en una gràfica p – V.

27. Explica com varia la pressió atmosfèrica amb l’altitud i el perquè d’aquesta variació.

28.

Els mapes d’isòbares serveixen per fer la previsió meteorològica del temps. Observa el mapa de la imatge i respon a les preguntes de sota.

b) Expressa matemàticament la llei de BoyleMariotte i calcula el valor de la constant.

L’atmosfera terrestre

a) Què signifiquen les lletres A i B?

25. Si l’experiment de Torricelli s’hagués dut a terme

al cim d’una muntanya de 5.000 m d’altitud, l’altura de la columna de mercuri, seria més gran o més petita de 760 mil·límetres? Raona la teva resposta.

b) En quines unitats està expressada la pressió?

c) Indica els valors de pressió més gran i més petit del mapa.

26. Explica per què no cau l’aigua del got de la

d) Expressa els valors anteriors en atmosferes.

imatge.

29.

UNITAT

L’ÀTOM

Viure sense Internet Els grans avenços en el coneixement i la comprensió de les lleis que regeixen els fenòmens naturals són el resultat d’un procés complex d’integració de dades i observacions interpretats a partir de teories científiques. El marc en el qual aquestes teories es desenvolupen va evolucionant al llarg de la història com a resultat de la necessitat d’explicar noves dades, o bé per un canvi de paradigma científic. Un paradigma científic és el conjunt de pràctiques, lleis i teories que constitueixen la base del coneixement. La teoria atòmica de Dalton va suposar un canvi de paradigma que va propiciar el desenvolupament del saber científic. El coneixement sobre la matèria i l’energia va experimentar un gran auge al llarg del segle xix i començaments del segle xx; posteriorment, durant la segona meitat del segle xx i començaments del xxi, les seves aplicacions han propiciat grans avenços socials, mèdics i tecnològics. Entre aquests últims, destaca la invenció d’Internet, un mitjà tecnològic que ha redefinit les relacions socials en tots els àmbits: el personal, l’empresarial, l’educació, la investigació, el financer i un llarg etcètera. Podries viure sense Internet?

COMPROMÍS ODS Responeu en grup a les qüestions següents:

Consulteu la informació relativa a la meta 9.3 dels ODS, sobre l’accés a les tecnologies de la informació i les comunicacions. Quin percentatge de la població mundial no té accés a Internet? Creieu que seria possible, amb la infraestructura actual, que el conjunt de la població mundial tingués accés a Internet? Plantegeu possibles solucions a aquesta situació.

Qui, va inventar Internet, com i per què? Per respondre a aquesta pregunta, formeu grups i repartiu-vos les tasques següents: • Busqueu informació sobre el físic britànic Tim Berners-Lee i la seva activitat investigadora al CERN. Feu-ne un resum.

• Quin és el significat de «www»?

• Quina era la finalitat de la xarxa ARPANET?

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què hauries de saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

UNITAT 2 » l’àtom

1. PRIMERES IDEES SOBRE L’ÀTOM

T R E B A L L A A M B L E S I MATG ES

T1. Quina reacció química pot

Les lleis ponderals • El 1789, A. Lavoisier va publicar la llei de conservació de la mas sa, indicant que, en una reacció química, la matèria es transforma però no es crea ni es destrueix. • Entre 1794 i 1804, J. L. Proust va concloure que la proporció en massa de dos elements que formen un compost és sempre la mateixa. Aquesta afirmació es coneix com a llei de les propor cions definides.

estar tenint lloc en la imatge de sota?

• El 1803, J. Dalton va enunciar la llei de les proporcions múlti ples, que extreu conclusions sobre compostos diferents formats pels mateixos elements.

A C

Les lleis ponderals Conservació de la massa Quan té lloc una reacció química, la suma de les masses de les substàncies que reaccionen és igual a la suma de les masses dels productes de la reacció. Els àtoms de dos o més elements químics es combinen sempre en una proporció constant per donar el mateix compost.

mA + mB = mC + mD

Proporcions definides

+ 10 g de Cu

5,04 g de S

15,04 g de CuS

10 g de S

20 g de CuS

+ 10 g de Cu

10 g de S

15,04 g de CuS 4,96 g de S

La teoria atòmica de Dalton

Els elements químics

A partir dels resultats que oferien les lleis ponderals, i d’una vasta investigació realitzada per ell mateix, l’any 1808, el científic anglès J. Dalton va publicar la seva obra Un nou sistema de filosofia química, en la qual exposava les bases en què se sustentava la seva teoria atòmica: • Els blocs bàsics de la matèria són partícules indivisibles, anomenades àtoms. • Els àtoms del mateix element químic són idèntics en massa i propietats, i diferents dels d’un altre element químic. • Els compostos estan formats per àtoms d’elements químics di ferents en una proporció numèrica senzilla. • En una reacció química té lloc una reordenació dels àtoms per formar substàncies diferents, però els àtoms ni es creen ni es des trueixen.

Per representar els elements químics, Dalton va utilitzar un sistema de símbols circulars combinat amb altres símbols o lletres.

l’àtom « UNITAT 2

Naturalesa de les substàncies Substàncies simples

Diamant

Oxigen

Compostos

Coure

Les substàncies simples, anomenades elements per R. Boyle, estan formades per àtoms del mateix element químic.

Aigua

Amoníac

Sal comuna

Els compostos són les substàncies formades per àtoms de diferents elements.

C O MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

1. En cada fila d’aquesta taula es recullen els resultats d’una reacció química entre el clor i el sodi per formar clorur de sodi.

REACCIÓ

MASSA DE CLOR/g

MASSA DE SODI/g

MASSA DE CLORUR DE SODI/g

MASSA SOBRANT DE CLOR/g

MASSA SOBRANT DE SODI/g

117

142

234

III

142

100

234

202

100

254

a) Comprova, a partir d’aquests resultats, que es compleix la llei de la conservació de la massa. REACCIÓ I: REACCIÓ II: REACCIÓ III: REACCIÓ IV: b) A partir de les tres primeres files de la taula, estableix la proporció en la qual es combinen el clor i el sodi per formar el clorur de sodi. Comprova que es compleix també en l’última fila.

Quina llei empírica estàs comprovant? c) Indica quines substàncies de la taula estan formades per àtoms del mateix element i quines són compostos, d’acord amb la teoria atòmica de Dalton. Substàncies simples:

Compostos:

Fes, en un full a part, un esquema amb les idees de la teoria atòmica de Dalton.

Practica l’aplicació de les lleis ponderals amb l’activitat interactiva «Lleis fonamentals de la química» que trobaràs en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

UNITAT 2 » l’àtom

2. DE LA NATURALESA ELÈCTRICA DE LA MATÈRIA AL PRIMER MODEL ATÒMIC Naturalesa elèctrica de la matèria A finals del segle xix, W. Crookes i J. J. Thomson, experimentant amb tubs de raigs catòdics, van demostrar la naturalesa elèctrica de la matèria. Els tubs de raigs catòdics són ampolles de vidre, en les quals s’ha fet el buit, amb dos discos metàl·lics en el seu interior i una pantalla fosforescent en l’extrem més proper a l’ànode. En aplicar una diferència de potencial entre els discos, apareix una radiació a l’interior del tub que s’anomena raig catòdic. Es van observar aquests fenòmens: • En introduir un objecte al tub, s’observa una ombra a la pantalla. Per tant, els raigs provenen del càtode i tenen naturalesa cor puscular; són partícules amb massa. • Els raigs catòdics es desvien cap a una placa amb càrrega positiva; per tant, tenen càrrega elèctrica negativa. A partir de les conclusions d’aquests experiments, Thomson va determinar, el 1897, que els raigs catòdics consistien en partícules amb càrrega elèctrica negativa que formaven part de l’àtom (partícules subatòmiques), ja que:

T R E B A L L A A M B L A I MATG E

T2. En la figura hem represen-

tat el raig per visualitzar la seva trajectòria, però seria possible veure-ho en la realitat? Per què? Quina part del tub va permetre a Thomson observar els fenòmens que succeïen en el tub?

• La seva massa era molt més petita que la massa de l’hidrogen, l’àtom de menor massa. • Es tractava de la mateixa partícula independentment del gas que s’introduïa en el tub. La seva relació càrrega/massa (q/m) era 1,76 · 1011 C/kg. La causa dels fenòmens elèctrics rau en l’intercanvi d’aquestes partícules, que van ser anomenades electrons.

Els tubs de raigs catòdics Dins del tub hi ha poques molècules de gas. La gran diferència de potencial provoca que alguns electrons surtin dels àtoms i s’accelerin. Gràcies a la superposició de l’efecte de l’imant i de les plaques carregades, J. J. Thomson va aconseguir mesurar la relació càrrega-massa de l’electró.

Ànode

Placa carregada positivament N

Càtode

Raigs catòdics

S Placa carregada negativament Imant

Pantalla fluorescent

l’àtom « UNITAT 2 Model atòmic de Thomson El 1904 Thomson va exposar el seu model de l’àtom. Càrrega positiva uniformement distribuïda

Formació d’un catió Formació d’un anió L’àtom és neutre.

Electrons amb càrrega negativa encastats en l’àtom Segons el model atòmic de Thomson, la càrrega negativa rau en unes partícules anomenades electrons; aquests electrons són la unitat de càrrega de la matèria.

Electró intercanviat

A més, aquesta és la part de l’àtom que pot intercanviar-se entre uns àtoms i uns altres donant lloc a ions i explicant, així, els fenòmens d’electrització.

El model de Thomson explica els fenòmens següents: • L’electrització. Un cos adquireix càrrega negativa si té un excés d’electrons, i positiva si ha perdut electrons. • La formació d’ions. Un ió és un àtom que ha guanyat o perdut càrrega elèctrica (electrons). Si un àtom perd electrons, forma un catió, i si en guanya, un anió. C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

3. En vista de la relació càrrega-massa de l’electró, quina conclusió podem extreure sobre els valors relatius d’ambdues magnituds?

• El 1910, R. A. Millikan va mesurar experimentalment la càrrega de l’electró: 1,6 · 10–19 C. Calcula’n la massa.

Cap al 1750, B. Franklin va proposar que l’electricitat era un fluid. Busca informació sobre les característiques d’aquest fluid i els experiments que aquest científic va dur a terme en les seves investigacions i fes-ne un resum.

• Com canvia aquesta visió del fenomen elèctric a partir del descobriment de l’electró?

UNITAT 2 » l’àtom

3. DE LA RADIOACTIVITAT AL MODEL NUCLEAR DE L’ÀTOM El descobriment de la radioactivitat El 1896, H. Becquerel va descobrir que certes sals d’urani presentaven una fosforescència inusual. Dos anys després, Pierre i Marie Curie van verificar que aquest nou fenomen era present en mostres d’altres elements químics, i gràcies a aquesta característica, la qual van anomenar radioactivitat, van descobrir dos elements nous: el poloni i el radi. Existeixen tres tipus d’emissions radioactives les característiques de les quals van ser descrites per E. Rutherford: • La radiació alfa (a), que té poc poder de penetració en la matèria i càrrega elèctrica positiva. • La radiació beta (b), que té més poder de penetració i càrrega negativa. • Els raigs gamma (g), que no tenen càrrega elèctrica però sí un gran poder de penetració. Entre 1902 i 1903, E. Rutherford i F. Soddy van arribar a la conclusió que la radioactivitat procedeix de la desintegració espontània d’àtoms de gran massa.

Experiment de bombardeig amb partícules alfa El 1909, els col·laboradors de Rutherford, H. Geiger i E. Marsden, van publicar els sorprenents resultats de l’experiment de bombardeig d’una làmina d’or amb radiació alfa. Unes poques reboten Font radioactiva

Unes altres es desvien

Partícules a Làmina d’or Detector de centelleig

Explicació de l’experiment

La majoria no es desvien

Partícules a

La majoria de les partícules a travessaven la làmina d’or sense alterar la seva trajectòria, ja que la major part de l’àtom és buit. Les partícules alfa que passaven a prop del nucli (trajectòries representades en color blau en la figura del marge) es desviaven poc. Les partícules alfa que passaven molt a prop d’un nucli (trajectòries de color verd) eren repel·lides per aquest nucli, en tenir ambdós càrrega positiva, i es desviaven angles més grans que 90°.

l’àtom « UNITAT 2

Electrons carregats negativament

Nucli carregat positivament

–

+ –

–

Model atòmic de Rutherford Per explicar els resultats dels experiments de bombardeig amb partícules alfa, el 1911 E. Rutherford va proposar un nou model per a l’àtom. • La càrrega positiva no es troba uniformement distribuïda per tot l’àtom, sinó que es troba concentrada en un espai minúscul anomenat nucli, on hi ha la majoria de la massa de l’àtom. • Els electrons, de càrrega negativa, orbiten al voltant del nucli. La càrrega total dels electrons és igual a la càrrega del nucli. Segons el model de Rutherford, la matèria és fonamentalment buida.

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

Endevinalla. Un dels descobriments que van

sorgir a partir de l’experimentació amb tubs de raigs catòdics va ser fet per un científic alemany a partir de la imatge de la mà de la seva esposa. Aquest descobriment s’utilitza de manera habitual en medicina.

El principal problema del model de Rutherford era la inestabilitat de l’electró, il·lustrada en la imatge. Explica, amb les teves pròpies paraules, aquesta limitació del model.

–

Qui és el científic i quin el seu descobriment?

Busca alguna analogia que serveixi per il·lustrar la relació entre la mida del nucli i el volum total de l’àtom.

Fes un esquema que mostri les principals diferències entre el model atòmic de Rutherford i el de Thomson.

Des de finals del segle xx i fins als nostres dies s’han construït poderoses màquines que fan col·lidir partícules a gran velocitat per estudiar la matèria. Per grups, investigueu sobre els acceleradors de partícules. Expliqueu les vostres conclusions.

UNITAT 2 » l’àtom

4. EL NUCLI DE L’ÀTOM

Càrrega elèctrica elemental i massa atòmica

Partícules nuclears: protó i neutró El 1913, H. Moseley va observar que els àtoms d’un mateix element químic tenen una propietat comuna, anomenada nombre atòmic (Z ), que correspon a la càrrega del nucli (expressada com un múltiple de la càrrega elèctrica elemental, e). Posteriorment, el 1919, E. Rutherford va descobrir una partícula nova que provenia del nucli de l’àtom: el protó. La massa del protó és aproximadament igual a la massa de l’àtom d’hidrogen i la seva càrrega és igual a la de l’electró, però de signe positiu. A partir d’aquests descobriments podem concloure el següent: • La càrrega del nucli correspon al nombre de protons. • El nombre atòmic, Z, és el nombre de protons d’un nucli. El 1932, J. Chadwick va descobrir una nova partícula constituent del nucli atòmic: el neutró. El neutró no té càrrega elèctrica (és neutre) i la seva massa és aproximadament igual a la massa d’un protó. A partir d’aquest nou descobriment podem concloure el següent: • La massa atòmica, o massa d’un àtom, és la massa del seu nucli. • El nombre màssic, A, o massa de l’àtom en unitats de massa atòmica (u), coincideix amb la suma del nombre de protons i neutrons.

La càrrega elèctrica ele mental, de símbol e, és la càrrega d’un protó, equivalent al valor absolut de la càrrega d’un electró. Des del maig de 2019, aquesta és una constant física fonamental definida exactament de la manera següent: e = 1,602 176 634 · 10–19 C La unitat de massa atòmica unificada, de símbol u, és una unitat de massa definida exactament com 1/12 de la massa d’un àtom de carboni-12. Aquesta unitat, coneguda també com a dalton (Da), és acceptada pel SI i equival, aproximadament, al següent: 1 u ≈ 1,66 · 10–27 kg

El nucli de l’àtom està format per dues classes de partícules de massa semblant: protons, de càrrega positiva, i neutrons, sense càrrega. Nombre màssic i nombre atòmic Nucli de bor 9 5

4 neutrons 5 protons

Nucli de nitrogen 14 7

7 neutrons 7 protons

Per descriure el nombre de partícules que hi ha en el nucli d’un àtom s’utilitza la notació següent: • El nombre màssic, A, és la suma de protons i neutrons. • El nombre atòmic, Z, correspon al nombre de protons. • El nombre de neutrons present en un nucli correspon, per tant, a la diferència entre el nombre màssic i el nombre atòmic.

Isòtops i massa atòmica mitjana Els isòtops són àtoms del mateix element químic; és a dir, amb el mateix nombre atòmic (Z ), però amb diferent massa (diferent nombre màssic, A) i, per tant, diferent nombre de neutrons. Per calcular la massa atòmica mitjana d’un element químic hem de tenir en compte la massa atòmica de tots els isòtops de l’element i l’abundància relativa de cada isòtop, com es mostra en l’exercici resolt següent.

A Z

9 5

l’àtom « UNITAT 2

EX ERC IC I RESO LT

1. Calcula la massa atòmica mitjana del liti a partir de les dades de la taula. Isòtop

Massa (u)

6,0167

7,60

7,0179

92,40

6 3 7 3

Abundància

Calculem la mitjana ponderada de les masses d’aquests isòtops:

7, 60 92, 40 · 6, 0167 u + · 7, 0179 u = 6, 9418 u 100 100

La massa atòmica mitjana del liti és 6,9418 u. C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

10. A la pàgina anterior indiquem el valor de la càrrega elèctrica elemental en el SI. A partir d’aquest valor, respon a les preguntes: • Quants protons són necessaris per obtenir una càrrega d’1 C?

12. Indica el nombre de protons i neutrons d’aquests elements químics.

Nre. protons

Nre. neutrons

238 92U 40 19K 218 84Po 14 6C 3 1H 7 4Be

• Quina càrrega s’obtindria amb el mateix nombre d’electrons?

13. Calcula la massa atòmica mitjana de la plata, sabent

que existeixen dos isòtops d’aquest element: el primer és el 107Ag, de massa 107 u i abundància de 51,83 %, i el segon isòtop té una massa de 109 u. Prèviament completa la taula amb les característiques dels isòtops. Isòtop

Massa (u)

Abundància

107 47 Ag

11. Calcula el nombre d’àtoms de carboni-12 necessaris

109 47 Ag

per obtenir una massa d’1 g.

UNITAT 2 » l’àtom

5. CLASSIFICACIÓ DELS ELEMENTS QUÍMICS La classificació actual dels elements químics (la taula periòdica) té el seu origen en la taula periòdica publicada per D. I. Mendeleiev el 1869, ratificada pel treball de L. Meyer de 1870. La taula periòdica de Mendeleiev es basava en aquest procediment: • Col·locar els elements en ordre creixent de masses atòmiques. • Ubicar, en la mateixa columna de la taula, elements de propietats químiques similars. Una aportació audaç de Mendeleiev a la taula va ser deixar buits per a elements químics que no es coneixien en aquell moment, l’existència dels quals va predir en funció de les característiques químiques esperades i de la seva massa atòmica. H. Moseley, que havia descobert el nombre atòmic, va ordenar els elements en la taula periòdica segons el seu nombre atòmic, la qual cosa evitava certes incoherències en les propietats químiques.

Tríades de Döbereiner Abans de Mendeleiev, Döbereiner, entre 1817 i 1829, va proposar agrupacions d’elements, fetes de tres en tres, que presentaven una relació entre les masses atòmiques i que tenien unes propietats químiques semblants.

Característiques del sistema periòdic actual En el sistema periòdic, els elements químics estan ordenats pel nom bre atòmic. La massa atòmica que figura en el sistema periòdic és la massa atòmica mitjana dels isòtops de cada element. En el sistema periòdic actual els elements estan distribuïts així: • 18 columnes, que s’anomenen grups. Tots els elements del mateix grup tenen propietats químiques similars. Aquestes propietats depenen de la distribució dels electrons dels àtoms. • 7 files o períodes. El nombre d’electrons més externs és idèntic en tots els elements del mateix període, encara que les propietats químiques d’aquests elements són molt diferents.

Altres 9,2 % Silici 25,7 %

Alumini 7,5 %

T3. Observa la composició de

l’escorça terrestre i de l’ésser humà i completa els textos.

Elements químics bàsics de la Terra i els éssers vius Composició de l’escorça terrestre

T R E B A L L A A M B L E S I MATG ES

Composició de l’ésser humà Nitrogen 3 % Hidrogen 10 %

Altres elements 2 % inclou oligoelements) Calci 2 %

Ferro 4,7 % Calci 3,4 % Oxigen 49,5 % (% en massa) Un % de l’escorça terrestre està constituït per cinc elements: . L’ és un gas que es troba a l’atmosfera, necessari per a la respiració dels éssers vius. El és un semiconductor molt utilitzat en la indústria electrònica.

Carboni 18 %

Oxigen 65 %

(% en massa) Els bioelements són els elements químics presents en els éssers vius. Un % de l’ésser humà està constituït per tres elements ( ), que són molt més abundants que a l’escorça terrestre.

l’àtom « UNITAT 2

El sistema periòdic actual Metalls 1 1r

Nombre atòmic

1,008

HIDROGEN

6,939

Li LITI

22,99

POTASSI

5è

85,47

Rb RUBIDI

6è

132,9

Cs CESI

7è

(223)

FRANCI

Massa atòmica

No-metalls

Gasos nobles 18

ESTAT D’AGREGACIÓ

Símbol

Ne Gasós

Ne Sòlid

Hg Líquid

Cf Sintètic

13 5

Nom

MAGNESI

Ca CALCI

87,62

ESTRONCI

21 44,956 22

ESCANDI

TITANI

39 88,905 40

ITRI

47,90

91,22

ZIRCONI

Ba La BARI

(226)

LANTANI

(227)

Ra Ac RADI

ACTINI

Lantànids

HAFNI

Cr Mn Fe

VANADI

CROM

41 92,906 42

95,94

MANGANÈS

RUTHERFORDI

NIOBI

TÀNTAL

(268)

MOLIBDÈ

TECNECI

TUNGSTÈ

186,2

FERRO

DUBNI

PRASEODIMI

90 232,04 91

Th TORI

COBALT

(231)

PROTOACTINI

106,4

63,54

NÍQUEL

RODI

RUTENI

190,2

Re Os RENI

OSMI

192,2

12 30

65,37

12,011

CARBONI

BOHRI

HASSI

(147)

(276)

MEITNERI

PLATA

112,4

PROMETI

92 238,03 93

URANI

(237)

(244)

15 7

14,007

NITROGEN

PLUTONI

SILICI

72,59

GAL·LI

GERMANI

FÒSFOR

PLATIÍ

110

(281)

111

(280)

In INDI

ESTANY

(285)

Ds Rg Cn

DARMSTADTI

ROENTGENI

EUROPI

(243)

GADOLINI

(247)

AMERICI

CURI

BERKELI

PLOM

113 (284) 114

COPERNICI

TERBI

TAL·LI

MERCURI

112

16 8

15,999

OXIGEN

32,064

ARSÈNIC

ANTIMONI

NIHONI

162,5

(289)

FLEROVI

SELENI

(251)

CALIFORNI

BISMUT

115

(288)

Mc MOSCOVI

127,6

(210)

POLONI

116

(293)

LIVERMORI

FLUOR

10 20,183

Ne NEÓ

17 35,453 18

39,95

CLOR

ARGÓ

35 79,909 36

83,80

BROM

CRIPTÓ

53 126,90 54 131,30

IODE

TEL·LURI

HELI

18,998

XENÓ

(210)

ÀSTAT

117

(222)

Rn RADÓ

(294)

118

(294)

Ts Og TENNES

OGANESSÓ

67 164,93 68 167,26 69 168,93 70 173,04 71 174,97

Dy Ho

DISPROSI

208,9

78,96

4,003

17 9

SOFRE

33 74,922 34

49 114,82 50 118,69 51 121,75 52

Au Hg

30,97

78 195,09 79 196,97 80 200,59 81 204,37 82 207,19 83

Np Pu Am Cm Bk

NEPTUNI

69,72

Ga Ge

62 150,35 63 151,96 64 157,25 65 158,92 66 SAMARI

ALUMINI

CADMI

Nd Pm Sm Eu Gd Td

NEODIMI

ZINC

COURE

47 107,87 48

PAL·LADI

IRIDI

106 (271) 107 (270) 108 (277) 109 SEABORGI

11 29

Ru Rh Pd Ag Cd

58 140,12 59 140,91 60 144,24 61

58,71

44 101,07 45 102,90 46

Db Sg Bh Hs

CERI

Actínids

(98)

Nb Mo Tc

104 (265) 105

23 50,942 24 51,996 25 54,938 26 55,847 27 58,933 28

56 137,34 57 138,91 72 178,49 73 180,95 74 183,85 75

14 6

13 26,981 14 28,086 15

12 24,305

40,08

10,811

BOR

BERIL·LI

19 39,102 20

10,811

BOR

9,012

Na Mg SODI

Semimetalls

HOLMI

(252)

Er ERBI

Tm Yb TULI

ITERBI

100 (257) 101 (258) 102

(259)

Es Fm Md No

EINSTEINI

FERMI

MENDELEVI

NOBELI

LUTECI

103 (262)

LAWRENCI

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

14. Indica el nom, grup i període dels elements següents: Li

Inventa una frase, amb paraules que comencin amb aquestes lletres, per recordar l’ordre d’aquests elements.

15. Inventa una regla mnemotècnica per recordar l’or dre dels elements dels grups 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 i 18.

16.

Busca elements químics el nom dels quals faci referència a un científic. Elabora una taula amb el nom de l’element, el seu símbol i el nom del científic. Assenyala també quins d’aquests científics són dones. Consulta la informació relativa a les metes fixades per aconseguir l’objectiu 5 i reflexiona sobre com ha evolucionat la presència de la dona en la investigació durant les últimes dècades.

UNITAT 2 » l’àtom

6. L’ESCORÇA DE L’ÀTOM

Nivells d’energia creixent

n=3 n=2

Model atòmic de Bohr

n=1

El model atòmic de Rutherford presentava el problema que l’electró, orbitant al voltant del nucli, seria inestable segons les lleis de la física conegudes fins al moment. El 1913, el científic danès N. Bohr va proposar un nou model que explicava aquesta circumstància. Les principals idees de Bohr sobre l’escorça de l’àtom eren aquestes: • Els electrons es troben, en l’àtom, orbitant en uns nivells d’ener gia concrets. n=3 • En cada un d’aquests nivells, l’electró no emet ni absorbeix energia, però sí que ho fa quan passand’un 2 nivell a l’altre. Aquesta =3 energia absorbida o emesa, correspon a la diferència d’energia n=2 entre els nivells. n=1

Nivells d’energia a l’escorça n = 1de l’àtom En una primera aproximació, l’ompliment + d’aquests nivells o capes d’electrons segueix aquestes regles: + • Es completen les capes en ordre de menys energia a més energia. – • El nombre màxim d’electrons en cada capa correspon a 2 · n2, on n és 1 per a la primera capa, anomenada – capa K; 2 per a la segona, anomenada capa L, i així successivament.

L’escorça de l’àtom i el sistema periòdic

Distribució d’electrons en nivells d’energia 14,007

NITROGEN

Un àtom de nitrogen, Z = 7, té set 7 14,007 electrons: dos a la capa K i cinc a la L.

–

– –

+ +

Energia

En absorbir energia, l’electró passa a un nivell superior –

–

+ Energia

L’estructura en nivells d’energia de l’escorça atòmica està relacionada amb l’existència en el sistema periòdic de grups i períodes: • Tots els elements del mateix període tenen el mateix nombre de capes d’electrons. • Tots els elements del mateix grup tenen el mateix nombre d’electrons en la seva última capa. Aquests electrons, anomenats electrons de valència, determinen les propietats químiques de l’element.

30,97

FÒSFOR

Un àtom15de30,97fòsfor, Z = 15, té quinP dos a la capa K, vuit ze electrons: a la L i cinc a la M.

En passar a un nivell inferior s’emet energia T R E B A L L A A M B L E S I MATG ES

T4. Observa la distribució dels

electrons en capes en aquests dos àtoms. Quines semblances i diferències hi trobes?

l’àtom « UNITAT 2

Capes d’electrons

EXER C I C I R E S O L T

Capa

Nre. d’electrons

2 = 2 · 12

8 = 2 · 22

18 = 2 · 32

2. Indica la distribució en capes dels electrons dels àtoms d’heli, neó i argó. Segons el model de capes, obtenim la distribució següent. Per a l’heli (Z = 2): Per al neó (Z = 10):

Per a l’argó (Z = 18):

Capa K

Capa L

Capa M

Buida

Capa K

Capa L

Capa M

Buida

Capa K

Capa L

Capa M

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

17. Indica la distribució d’electrons per capes de l’hidrogen, el liti i el sodi. a) H

b) Li

c) Na

18. Quants electrons té un catió Na

i a quines capes són aquests electrons? Dada: Z = 11.

19. Escriu la distribució d’electrons per capes dels àtoms següents i dels seus respectius ions: a) Cl i Cl−

b) Al i Al3+

c) O i O2−

d) Si i Si4+

20. Indica el nombre d’electrons de la capa de valència i el grup a què pertany cada un dels elements químics situats entre l’hidrogen i l’argó. Completa aquestes taules. Primer període Element

Segon període Element

Grup

Nre. electrons

Tercer període Element

Grup Nre. electrons

21. A partir de les taules anteriors, infereix quants electrons tenen a la seva última capa aquests elements químics: Ca

UNITAT 2 » l’àtom

7. APLICACIONS DELS ISÒTOPS RADIOACTIUS Isòtops estables i inestables Hem vist que la radioactivitat és deguda a la desintegració del nucli dels àtoms d’una massa elevada. Però no tots els isòtops dels àtoms pesants presenten aquest comportament, sinó que només ho fan els anomenats isòtops radioactius, o radioisòtops. Els isòtops es classifiquen en estables, que no emeten radioactivitat, i radioisòtops, que són inestables i es transformen en altres nuclis més estables emetent radioactivitat. Alguns radioisòtops es troben de forma natural a l’escorça terrestre, però d’altres, que només es troben fora del nostre planeta, són creats de forma artificial a la Terra. Entre els primers, destaquen, per les seves aplicacions, els següents: 238U, 40K, 232Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 14 C, 3H i 7Be. Els radioisòtops artificials es produeixen, en l’actualitat, en acceleradors de partícules, amb finalitats concretes. El primer va ser el 30P, obtingut pel matrimoni Joliot-Curie el 1934.

Aplicacions mèdiques La radiació dels radioisòtops artificials s’utilitza en medicina, fonamentalment, amb dues finalitats: • El diagnòstic de malalties (radiologia i medicina nuclear), ja que la radiació fa possible l’obtenció d’imatges de teixits i òrgans. • El tractament de malalties (radioteràpia), generalment tumors, ja que la radiació té la capacitat de destruir les cèl·lules cancerígenes. Física de partícules i aplicacions mèdiques

Radioteràpia

Radiologia i medicina nuclear

Existeixen dos tipus de radioteràpia: la braquiteràpia, que consisteix en la col·locació de fonts radioactives encapsulades dins del mateix tumor, i la teleteràpia, que consisteix a irradiar els teixits cancerosos amb raigs gamma, raigs X, electrons o ions de diferents tipus.

El diagnòstic per la imatge té una importància fonamental en la detecció de diferents malalties. Alguns mètodes es beneficien de les millores tècniques provinents dels detectors de partícules que s’utilitzen en l’LHC, l’accelerador de partícules del CERN.

l’àtom « UNITAT 2 Aplicacions energètiques Els processos nuclears implicats en l’alliberament de l’energia del nucli són de dos tipus diferents: Fissió

Fusió 235

+ Energia

2 1H

Aportació d’energia n

n 235

144

235

El nucli es descompon en altres de més petits

4 2 He

Sr n

+ Energia

Els neutrons incideixen en altres nuclis. 235

Un nucli de gran massa, en ser bombardejat amb neutrons, es converteix en radioactiu i es descompon en dos nuclis, desprenent gran quantitat d’energia i emetent, al seu torn, neutrons. Aquests neutrons provoquen més fissions, que donen lloc a una reacció nuclear en cadena.

3 1H

Els nuclis s’uneixen formant-ne un altre de més pesant

Dos nuclis lleugers s’uneixen formant-ne un de més pesant i desprenent energia. Perquè tingui lloc la fusió, cal vèncer la repulsió entre els nuclis lleugers de càrrega positiva, la qual cosa, al seu torn, requereix energia.

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

22.

Indica el nombre de protons i neutrons dels radioisòtops naturals 14C i 3H. Compara la resposta amb els corresponents als isòtops estables 12C i 1H.

24.

Per parelles, investigueu sobre la fusió freda. Creieu que aportaria una solució al problema energètic?

• Extreu conclusions sobre la relació entre el nombre de protons i neutrons d’un nucli i la seva estabilitat. • Les primeres proves experimentals d’aquest fenomen van estar envoltades de polèmica; com afecten fets com aquest el desenvolupament de la ciència?

23. Per què la reacció de fissió nuclear de l’urani-235 és una reacció en cadena?

25. • Elabora un dibuix que il·lustri aquesta idea.

La radioactivitat té múltiples aplicacions en nombrosos àmbits de la societat: medicina, indústria, investigació, etc. Per parelles, indagueu sobre aquesta qüestió i feu una llista de professions relacionades amb aplicacions dels radioisòtops.

UNITAT 2 » l’àtom

» TALLER DE CIÈNCIES

EN GRUP S

PROJECTE D’INVESTIGACIÓ Els residus radioactius Introducció L’energia nuclear no comporta l’emissió de diòxid de carboni a l’atmosfera, per la qual cosa no contribueix a l’efecte d’hivernacle, però presenta dos grans inconvenients. D’una banda, en cas d’accident, una central nuclear pot desencadenar greus conseqüències per ex posició al medi de materials radioactius. D’altra banda, el funcionament de les centrals nuclears genera residus radioactius, a la reducció dels quals es dedica la meta 12.4 dels ODS.

Objectiu Extreure conclusions sobre si és desitjable mantenir la investigació en energia nuclear com a alternativa a les emissions de diòxid de carboni. Valorar els avantatges i els inconvenients d’aquesta font d’energia, considerant el cicle de vida del combustible nuclear i, en contraposició, les oportunitats que podria oferir la fusió.

Procediment Organitzeu la classe en diversos grups i feu una recerca d’informació sobre els temes següents: • El cicle de vida del combustible nuclear de cicle obert i tancat. • L’emmagatzemament de residus nuclears. • La compra de residus nuclears. • La fusió com a font d’energia.

Transport per carretera de residus radioactius.

R E FL E X I Ó FI N A L

Les centrals nuclears no emeten diòxid de carboni a l’atmosfera; tanmateix, l’augment de les temperatures es deu també a altres factors, com l’emissió de vapor d’aigua a l’atmosfera i l’augment de la temperatura de rius i llacs. Com intervenen les centrals nuclears en aquests processos?

Resultats. Discussió i conclusions Cada un dels grups prepararà una breu ponència sobre un dels temes investigats. Després de la ponència s’obrirà una xerrada-col·loqui en forma de taula rodona. Les ponències, l’acció de moderador del debat i les intervencions seran avaluades mitjançant rúbriques que s’hauran elaborat de forma conjunta pel grup classe.

Comunicació de les conclusions Elaboreu un vídeo amb les conclusions del debat i redacteu un informe del projecte que inclogui el següent: • Llista de les pàgines web utilitzades en la recerca d’informació. • Planificació de tasques i responsabilitats. • Dificultats trobades en l’execució de la tasca i manera com van ser superades. • Àrees de millora.

Cerqueu informació sobre les parts d’una central nuclear. Quin paper exerceixen els circuits de refrigeració? Quants n’hi ha? Per què és necessari aquest nombre de circuits?

l’àtom « UNITAT 2

TREBALL PRÀCTIC Química de focs artificials Plantejament del problema Si escalfem a la flama un metall, l’energia de la flama s’utilitzarà per excitar els electrons de l’escorça atòmica del metall, que, en tornar al seu estat fonamental, emetran una radiació d’un color característic de cada element. Això farà que observem la flama d’aquest color.

La teva proposta És possible reconèixer els metalls pel color de la seva flama.

EXTREU CONCLUSIONS…

Fins al segle xix, la majoria dels focs artificials eren monocroms; en concret, de color groc. Tenint en compte els resultats obtinguts en aquesta experiència, quin metall creus que con tenia la sal que s’utilitzava en aquests focs?

L’assaig a la flama va ser una de les primeres formes d’anàlisi química. Investiga sobre J. R. Glauber, el primer científic que va proposar la identificació de metalls pel color de la seva flama, i elabora un informe.

A partir dels reactius de què disposi el laboratori del teu centre escolar, elabora una proposta per estudiar els colors de la flama característica de cada metall. Tingues present que existeixen moltes sals diferents en les quals hi ha presents àtoms de metalls.

La nostra proposta Si disposes del material que indiquem més avall, segueix els passos descrits a continuació per realitzar l’experiència. Tin• Gradeta amb tubs d’assaig gues en compte el següent: • Bec de Bunsen • El fil de nicrom s’ha de netejar • Fil de nicrom amb àcid clorhídric concen• Vas de precipitats trat. Aboca una mica d’aquest • Clorurs de diversos metalls; àcid en un vas de precipitats per exemple: sodi, coure, esper tal que hi puguis submertronci i potassi gir el fil entre una anàlisi i una altra. • Les sals han d’estar en dissolució aquosa per impregnar el fil de nicrom amb aquestes dissolucions. Etiqueta els tubs d’assaig de manera que puguis identificar la sal.

Material

Orientacions per a la realització de l’experiència • Experiència 1. Fes un assaig en blanc. Col·loca el fil de nicrom a la flama de l’encenedor i observa el color que pren. • Experiència 2. Preparació de la referència de colors. Utilitza les dissolucions que has preparat (la composició de les quals coneixes) per elaborar una paleta de colors, en la qual indiquis quin metall correspon a cada color. Per fer això impregna el fil de nicrom de cada dissolució i observa el color de la flama. Si disposes de càmera fotogràfica, fes una fotografia de cada flama perquè et serveixi de referència visual. • Experiència 3. Quin metall és? Intercanvia la gradeta de tubs d’assaig amb la d’un company o companya i realitza els assajos que necessitis per identificar les seves dissolucions. Pot ser que observis algun color diferent.

UNITAT 2 » l’àtom

» POSA’T A PROVA

De la radioactivitat al model nuclear de l’àtom

Primeres idees sobre l’àtom

Els models atòmics de Rutherford i Thomson, l’expliquen, la formació d’ions? Justifica la teva resposta.

1. Indica

quina llei ponderal es representa en la imatge següent:

El nucli de l’àtom

6. Completa la taula: A

2. Indica si les següents afirmacions són vertaderes

(V) o falses (F):

14 6

En la teoria atòmica de Dalton no es dona cap explicació a les reaccions químiques.   Segons Dalton, els àtoms són immutables; és a dir, no canvien.   Dalton afirmava que tots els àtoms d’un mateix element químic són idèntics, i diferents dels d’un altre element químic.

9 4

De la naturalesa elèctrica de la matèria al primer model atòmic

Be Ar

40 18

138 88

7. Calcula

la massa atòmica mitjana del coure a partir d’aquestes dades: Isòtop

69,09 %

64,93

30,91 %

8. En

vista de la informació del gràfic sobre els isòtops del silici, i sense dur a terme cap càlcul, dedueix quin d’aquests valors correspon a la massa atòmica mitjana del silici. 28,1 Abundància relativa / %

professors i professores descriuen el model atòmic de Thomson comparant-lo amb un púding de panses. Explica aquesta analogia i digues si et sembla encertada.

Abundància

62,93

si aquestes afirmacions sobre el descobriment de l’electró són vertaderes o falses.

4. Alguns

Massa (u)

3. Indica

L’electró és una radiació sense càrrega.   Els raigs catòdics són realment electrons.   Thomson va proposar l’existència de l’electró i va calcular-ne la massa i la càrrega elèctrica.    Considerant únicament les conclusions de Thomson no es pot explicar la naturalesa elèctrica de la matèria.   Les característiques dels raigs catòdics depenen del gas que s’introdueixi en el tub de descàrrega.   Els electrons són idèntics en tots els àtoms.

Nombre de Nombre de protons neutrons

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 27,5

28,7

28,5

29 29,5 Massa / u

29,5

30,5

l’àtom « UNITAT 2

9. Completa, utilitzant la notació de cada apartat:

A Z

Isòtop del clor amb A = 35

Àtom amb A = 20 i Z = 10

X, la informació

13. Com estan distribuïts els electrons en l’escorça d’aquests àtoms? Completa la taula. Àtom

Àtom amb quatre protons i nombre màssic igual a nou. 8 Àtom amb dos neutrons i nombre atòmic igual a un. 8

Classificació dels elements químics

10. Indica si les afirmacions següents són vertaderes o falses:

En el sistema periòdic que utilitzem en l’actua litat, els elements estan col·locats per ordre de massa creixent.   Tots els grups del sistema periòdic tenen el mateix nombre d’elements.   El sistema periòdic té nou períodes, si tenim en compte els lantànids i els actínids.

L’escorça de l’àtom

11. Indica a quin element químic pertany l’àtom de la il·lustració. En quin grup i període del sistema periòdic es troba?

Capa K

14. A partir de la taula de l’activitat anterior, infereix

el nombre d’electrons que tenen, en la seva última capa, el germani i l’arsènic.

Radioactivitat

15.

16.

Esbrina quin invent del CERN és d’ús quotidià en les comunicacions actuals.

12.

Indica si les següents afirmacions són vertaderes o falses:   El model atòmic de Thomson proposava que la matèria tenia càrrega negativa; és a dir, que, de matèria elèctricament neutra, no n’hi havia.   Segons el model atòmic de Rutherford, la matèria era neutra, ja que, encara que existissin els electrons, amb càrrega negativa, el nucli de l’àtom tenia càrrega positiva i la compensava.   Segons el model de Bohr, els electrons no orbiten amb qualsevol valor d’energia, sinó en unes òrbites definides.

Consulta les dades relatives a la meta 9.c dels ODS i escriu un breu text sobre com creus que els avenços científics arriben a traslladar-se a la societat.

17. Fes un esquema o un mapa conceptual de les aplicacions de la radioactivitat en medicina, utilitzant els termes que has après en aquesta unitat.