Física i Química 3 by Editorial Casals

U N I TAT

1. Per què creus que s’usa l’alcohol com a dissolvent dels perfums? 2. Quin canvi d’estat es dóna en l’alcohol quan el traiem del flascó de perfum? 3. Quins altres canvis d’estat hi ha?

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

Els seus èxits en perfumeria eren deguts exclusivament a un descobriment fet dos-cents anys enrere pel genial Mauritius Frangipani –un italià, per cert!– consistent en què les substàncies aromàtiques són solubles en alcohol. En mesclar les seves pólvores odoríferes amb alcohol i convertir la seva aroma en un líquid volàtil, Frangipani va alliberar el perfum de la matèria, espiritualitzà el perfum, el va reduir a la seva essència més pura, en una paraula, el va crear. Quina obra! Quina proesa transcendental! Només comparable, de fet, als assoliments més grans de la humanitat, com ara l’invent de l’escriptura pels assiris, la geometria euclidiana, les idees de Plató i la transformació de raïm en vi pels grecs. […] L’homenet Grenouille va començar traient el tap de suro de la bombona que contenia l’alcohol. Li va costar molt aixecar el recipient pesant gairebé fins a l’altura del seu cap, perquè alt així estava el matràs amb l’embut de vidre en què, sense l’ajuda d’una proveta graduada, va abocar l’alcohol directament de la bombona. Baldini es va estremir davant d’una matusseria com aquella: el subjecte no solament invertia el sistema tradicional de la perfumeria, començant amb el dissolvent i no amb el concentrat, sinó que a penes era físicament capaç per a aquest treball. Grenouille va triar com a l’atzar entre els pots d’essències, els va treure el tap de vidre, se’ls va passar un segon per sota el nas, va posar unes gotes d’un a l’embut, després d’un altre i un raget d’un tercer, i no va tocar ni una sola vegada la pipeta, els tubs d’assaig, la proveta graduada, la cullereta, el batedor, cap dels estris imprescindibles per al perfumista durant el complicat procés de la mescla. Patrick Süskind, El perfum, 1985 (adaptació)

Competències bàsiques ■ MATEMÀTICA

Lectura i realització de gràfics i taules de dades. ■ CONEIXEMENT I INTERACCIÓ AMB EL MÓN FÍSIC

Sensibilitat social davant les implicacions del desenvolupament tecnocientífic que comporten riscos per a les persones i el medi ambient. ■ AUTONOMIA I INICIATIVA PERSONAL

Elaboració d’experiències i anàlisi dels resultats. Treball d’hipòtesis, contrast de resultats, recerca d’alternatives, etc.

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

1 Els canvis d’estat sió id

ifi

ca ció

Fu So l

ció za rit ció po sa Va en ció nd qua Co o li

líquid

Sublimació

sòlid

gasós Sublimació o cristal·lització

Quan una substància passa d’un estat a un altre es diu que canvia d’estat. En l’esquema del lateral, surten tots els noms que reben els diferents canvis d’estat. Perquè un sòlid es fongui o un líquid s’evapori, cal que absorbeixi energia, generalment en forma de calor. Per contra, quan un gas passa a líquid i un líquid se solidifica, es desprèn energia en forma de calor.

2 Fusió-solidificació Observa l’experiència següent:

EX PE RI ÈN CI A A. Omplim una quarta part d’un tub d’assaig gran amb naftalè en pols. El naf· talè és una substància pura de color blanc (la naftalina utilitzada com a anti· arnes és naftalè impur). El tub d’assaig està proveït d’un termòmetre, de manera que el dipòsit queda a l’interior del sòlid. A continuació, l’escalfem al bany maria. Quan el termòmetre marca uns 50 ºC comencem a prendre nota, cada mig minut, de les temperatures. Anotem també els canvis que observem a l’interior del tub. Amb les dades obtingudes, completem el quadre següent: Temps (minuts)

Escalfar al bany maria consisteix a col· locar el recipient que conté la substància dins d’un altre on hi hagi aigua en con· tacte amb el focus calorífic. 40

Temperatura (ºC)

Observacions

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

50 55 60 65 70 75 78

El tub d’assaig conté no· més naftalè sòlid.

3,5 4 4,5 5

80 80 80 80

El naftalè es comença a fondre.

5,5 6 6,5 7

82 85 89 92

Tot el naftalè s’ha fos.

El tub d’assaig conté una mescla de naftalè sòlid i líquid.

La temperatura del líquid augmenta.

Representem les dades que hem obtingut en una gràfica temperatura/temps. B. La gràfica obtinguda consta de tres parts: a) Entre els minuts 0 i 3,5, la gràfica ens indica com augmenta la temperatura del sòlid quan se l’escalfa. b) A 80 ºC, el naftalè es fon i la seva temperatura no varia, malgrat que con· tinuem escalfant·lo (minuts 3,5 a 5). c) Quan tot el sòlid s’ha fos (minut 5), en continuar escalfant, la temperatura del líquid torna a augmentar. Temperatura (ºC) 100 90 80 70 60 50 0

6 7 Temps (min)

La gràfica indica la variació de la temperatura en funció del temps d’escalfament.

C. A continuació, retirem el bunsen i substituïm l’aigua calenta del bany ma· ria per aigua ben freda. Cada mig minut, anotem les temperatures i les observacions que fem: Temps (minuts)

Temperatura (ºC)

Observacions

0 0,5 1

90 85 81

El tub d’assaig només conté naftalè líquid.

1,5 2 2,5 3

80 80 80 80

El naftalè es comença a solidi· ficar.

3,5 4 4,5 5 5,5 6

78 74 70 66 62 58

Tot el naftalè s’ha solidificat.

El tub d’assaig conté una mes· cla de substància sòlida i líqui· da.

El sòlid es va refredant gradual· ment.

Temperatura (ºC) 90 80 70 60 50

4 5 Temps (min)

Observant la taula, podem comprovar que la temperatura del naftalè baixa i quan arriba al mateix valor anterior (80 ºC) no varia durant una estona. Representem aquestes dades en una gràfica de temperatura/temps, que pots observar al lateral.

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

2.1 Lleis de la fusió Com a resultat de moltes experiències, es pot afirmar el següent: TAuLA 1 Punts de fusió d’algunes substàncies pures Alcohol Mercuri Aigua Sofre Plom Plata Or Ferro Platí Tungstè

–114 ºC –39 ºC 0 ºC 115 ºC 327 ºC 962 ºC 1 064 ºC 1 538 ºC 1 768 ºC 3 422 ºC

Temperatura (ºC)

a) Quan una substància pura es fon, ho fa a una temperatura determinada, anomenada temperatura de fusió. b) Mentre dura la fusió –és a dir, mentre coexisteixen sòlid i líquid–, la temperatura es manté invariable. c) Tots els líquids purs prou refredats s’acaben solidificant a la mateixa temperatura en què es fonen. d) Mentre dura la solidificació, la temperatura es manté invariable. Així doncs, la temperatura de fusió i la de solidificació d’una substància pura són idèntiques. Aquestes conclusions reben el nom de lleis de la fusió i la solidificació de les substàncies pures. La temperatura de fusió (o solidificació) d’una substància pura varia –encara que molt poc– amb la pressió que hi actua. El punt de fusió es defineix com la temperatura a partir de la qual una substància pura passa d’estat sòlid a estat líquid a la pressió atmosfèrica normal, que és de 1 013 hPa (1 atm). En la taula 1 es mostren els punts de fusió (o solidificació) d’algunes substàn· cies pures. S’hi pot observar, per exemple, que el mercuri es fon a –39 ºC. Això significa que aquest element és un líquid a temperatura ordinària i que s’ha de refredar a 39 ºC sota zero perquè es comenci a solidificar. Observa també l’elevat punt de fusió del tungstè. Cal escalfar·lo a una tem· peratura de 3 422 ºC perquè es comenci a fondre.

Temps (min)

el punt de fusió o solidificació d’una substància pura és una propietat característica que pot servir per identificar-la. Corba de solidificació de l'aigua salada.

La presència d’impureses en un líquid o de substàncies en dissolució fa disminuir el seu punt de solidificació. Així, per exemple, l’aigua pura solidifica a 0 ºC, però l’aigua del mar ho fa a una tempe· ratura una mica més baixa.

ALTRes eXeMPLes De sOLiDiFiCACió

L’experiència ens ensenya que, en refredar aigua salada, un refresc, llimonada o altres mescles líquides, la temperatura no es manté constant durant el canvi d’estat. Si la temperatura d’una substància varia durant un canvi d’estat, llavors no es pot considerar que sigui una substància pura.

A C T I V I TAT S › 1 Un canvi d’estat és un fenomen físic, en canvi, l’oxidació del ferro és un fenomen químic. Raona-ho. › 2 Explica el significat d’aquesta frase: «El punt de fusió d’un sòlid pur és una propietat característica.»

2.2 Canvi de volum en fondre’s o en solidificar-se una substància pura La immensa majoria de les substàncies pures, en fondre’s, augmenten de vo· lum; per contra, en solidificar·se, disminueixen de volum. L’aigua és una excepció, ja que en solidificar-se augmenta de volum. En canvi, la massa de la substància que es fon o se solidifica es manté sempre constant.

EX PE RI ÈN CI ES A. Omple fins a dalt d’aigua destil·lada una ampolla de plàstic transparent d’uns 250 cm3. Tapa·la bé i deixa·la al congelador de la nevera. L’endemà treu·la del con· gelador i observa què ha passat. – Com ho pots explicar? – L’aigua augmenta o disminueix de volum en solidificar·se? – Per què el gel flota a l’aigua? Raona·ho. B. Observa les fotografies. 1. Introdueix glaçons triturats en un erlenmeyer petit. El recipient ha d’estar ben tapat perquè no es perdi aigua per evaporació. – Quina és la massa total? 2. Una vegada que estigui tot el gel fos, pesa de nou el recipient. – Quina és ara la massa total? – Quines conclusions pots treure d’aquesta experiència?

A C T I V I TAT S › 3 A moltes carreteres d’alta muntanya, cobertes de neu a l’hivern, hi apareixen sovint clivelles després del desglaç. Per què? › 4 Tenim uns glaçons amb una massa total de 4 g. a) Si deixem que es fonguin, quina és la massa i el volum de l’aigua obtinguda? Raona-ho. b) Quin era el volum del glaç abans de fondre’s? Dades: densitat de l’aigua: ρ = 1 g/cm3, densitat del glaç: ρ = 0,9 g/cm3

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

3 Vaporització S'anomena vaporització el pas de l’estat líquid al gasós. Anem a veure com la vaporització pot tenir lloc de dues maneres diferents.

EX PE RI ÈN CI ES

A. Posa dues o tres gotes d’alcohol en una càpsula i algunes altres al palmell de la mà. Observa com el líquid no tarda a desaparèixer, lentament el de la càpsula i més ràpidament el de la mà. Notes l’olor característica i alhora un refredament al palmell de la mà? Repeteix l’experiència utilitzant acetona. Quina diferència hi observes? L’alcohol i l’acetona han passat de l’estat líquid al gasós, i s’han convertit en vapor. Per això es diu que s’han evaporat. B. Escalfa un líquid –aigua, per exemple– i observa com augmenta gradual· ment la temperatura, fins que arriba un moment en què es nota un mo· viment tumultuós en tota la massa líquida, que dóna lloc a bombolles de vapor que pugen des del fons fins a la superfície. Quan això passa, es diu que l’aigua bull o entra en ebullició, i també aquí l’aigua passa de l’estat líquid al gasós. Amb un termòmetre es pot comprovar que la temperatura de l’aigua es manté constant mentre està bullint.

Tant en l’experiència A com en la B els líquids es vaporitzen, però la vaporització ha tingut lloc de dues maneres ben diferents. La vaporització es pot produir per evaporació o per ebullició. • P er evaporació, quan el pas del líquid a gas s’efectua a qualsevol tempe· ratura, de manera més o menys lenta i només a través de la superfície lliure del líquid (superfície en contacte amb l’aire), sense notar·se cap fenomen a l’interior. Es diu que el líquid s’evapora. • Té lloc per ebullició quan s’efectua a una temperatura determinada, de ma· nera ràpida, i el líquid es vaporitza en tota la massa, fet que s’adverteix pel seu moviment tumultuós. Es diu que el líquid bull. Tant l’evaporació com l’ebullició es duen a terme mitjançant absorció d’energia. En l’experiència A, l’energia absorbida per l’alcohol o per l’acetona durant l’evaporació procedeix de la mà; per això s’aprecia un refredament al palmell. En l’experiència B, l’energia procedeix del focus calorífic.

A C T I V I TAT S › 5 Per què, en sortir del bany, si no ens eixuguem ràpidament, notem sensació de fred? › 6 Llegeix la temperatura en un termòmetre de laboratori i anota-la. A continuació, col·loca un cotó amarat d’acetona de manera que envolti el dipòsit del termòmetre. Al cap d’uns minuts, llegeix de nou la temperatura i compara-la amb l’anterior. Anota les observacions i intenta donar-los una explicació.

3.1 Factors que influeixen en la velocitat d’evaporació Pensem en situacions de la vida quotidiana. – Per què la roba mullada s’eixuga més ràpidament si l’estenem que si la deixem amuntegada dins d’una cistella? – Per què en un dia de vent la roba estesa s’eixuga abans que en un dia sense vent? – Per què un bassal d’aigua s’asseca abans a l’estiu que a l’hivern? En totes les qüestions proposades, l’aigua s’evapora; però, quins factors influ· eixen perquè un líquid s’evapori més o menys ràpidament?

EX PE RI ÈN CI ES A. La influència de la classe de líquid en la velocitat d’evaporació. S’aboca una certa quantitat d’alcohol en un recipient. Un altre recipient igual conté la mateixa quantitat d’aigua a la mateixa temperatura que l’alcohol. Al cap d’unes hores comprovem que l’alcohol s’ha evaporat més ràpidament que l’aigua. B. La influència de la superfície lliure. Aboca volums iguals d’alcohol en un recipient ample (un plat) i en un d’estret (una proveta). Al cap d’unes quantes hores, mesura el volum d’alcohol que queda en cada recipient. En quin dels dos l’alcohol s’ha evaporat més ràpidament? C. La influència de la temperatura. Dissenya una experiència per demos· trar la influència de la temperatura en la velocitat d’evaporació. D. La influència de la ventilació. Impregna amb la mateixa quantitat d’aigua dos trossos de roba de la mateixa mida. Estén·los i penja’ls, però posa’n un davant d’un ventilador en funcionament. Quin dels dos s’eixuga abans?

Un dia de vent la roba s’eixuga abans.

L’experiència demostra que la velocitat d’evaporació depèn de: • La classe de líquid. Hi ha líquids, com l’èter, el brom o l’acetona, que s’eva· poren ràpidament a temperatura ambient. Es diu que són molt volàtils. D’al· tres, com l’oli, pràcticament no s’evaporen. Es diu que són molt poc volàtils, o que són fixos. • La superfície lliure. La velocitat amb què s’evapora un líquid és més gran com més superfície lliure ofereix. • La temperatura. La velocitat amb què s’evapora un líquid augmenta amb la temperatura. • La ventilació. La renovació de l’aire sobre el líquid n’afavoreix l’evaporació, ja que la capa de vapor que es troba en contacte amb el líquid és desplaçada per l’aire. En el cas contrari, el vapor s’acumula sobre el líquid i se’n frena l’evaporació, que fins i tot es pot arribar a aturar.

A C T I V I TAT S › 7 L’èter i l’acetona són líquids molt volàtils. Explica raonadament què vol dir l’afirmació anterior. › 8 Quan iniciàvem l’estudi dels factors que influeixen en la velocitat d’evaporació, hem proposat tres qüestions. Intenta respondre-hi.

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

3.2 L’ebullició Observa l’experiència següent:

EX PE RI ÈN CI A Hem muntat l’aparell de la fotografia del lateral. A mesura que s’escalfa l’aigua continguda a l’erlenmeyer l’evaporació es pro· dueix més ràpidament. Arriba un moment que l’aigua bull –diem que entra en ebullició– i ho fa a una temperatura fixa, que no varia mentre dura l’ebullició. Podem comprovar·ho observant que, a pressió normal (1 013 hPa), el termòmetre marca 100 ºC. A mesura que l’aigua bull, l’erlenmeyer es va omplint de vapor d’aigua que desplaça l’aire. Aquest vapor incolor i transparent no és visible. A la sortida del recipient, el vapor es refreda i es condensa en menudíssimes gotes d’ai· gua, que formen una boira o baf, que sí que es pot veure.

L’erlenmeyer inicialment conté aigua pura a temperatura ambient. Observa que el bulb del termòmetre està submergit dins del líquid però sense tocar el fons del recipient.

Si en comptes d’aigua usem alcohol, aquest bull a 78 ºC a la pressió nor· mal. Podem comprovar que, mentre dura l’ebullició, la temperatura es manté constant. Les LLeis De L’eBuLLiCió

Com a resultat de l’observació de moltes experiències semblants es pot afirmar que: a) Cada líquid pur bull, a pressió fixa, a una temperatura determinada, anomenada temperatura d’ebullició. b) Mentre el líquid està bullint, la temperatura es manté invariable. Aquestes dues conclusions s’anomenen lleis de l’ebullició de les substàncies pures. Quan l’aigua bull es poden observar bombolles que pugen contínuament cap a la superfície des de diferents punts de l’interior.

A C T I V I TAT S › 9 Interpreta les gràfiques següents, que corresponen a canvis d’estat de l’aigua. A

Temperatura (ºC)

Temps (min) 0

Temps (min)

3.3 La temperatura d’ebullició varia amb la pressió La temperatura d’ebullició d’un líquid no sempre és la mateixa, sinó que varia amb la pressió exterior a la qual està sotmès. Per exemple, l’aigua bull a 100 ºC a la pressió normal; això no obstant, al cim d’una muntanya, on la pressió atmosfè· rica és més baixa, l’aigua bull a menys de 100 ºC. Així, al cim del Mont Blanc, a 4 800 metres d’altitud, l’aigua bull a uns 84 ºC; i l’alcohol, a uns 65 ºC, ja que en aquesta altitud la pressió atmosfèrica és quasi la meitat de la que hi ha a nivell del mar. Si la pressió que s’exerceix sobre un líquid augmenta, es pot comprovar que també augmenta la temperatura d’ebullició. És el que passa a l’interior de les olles de pressió. En aquests recipients tancats (proveïts d’una vàlvula de seguretat) l’ai· gua s’escalfa i la pressió a l’interior de l’olla augmenta. Aquest augment de la pres· sió sobre el líquid el provoquen els mateixos vapors que es desprenen del líquid. Per tant: una disminució de pressió sobre un líquid fa disminuir-ne la temperatura d’ebullició. un augment de la pressió sobre un líquid n’augmenta la temperatura d’ebullició. A causa d’aquestes variacions el punt d’ebullició d’un líquid es defineix com la temperatura a la qual bull, quan la pressió exterior és de 1 013 hPa (1 atmosfera). el punt d’ebullició d’un líquid pur és una propietat característica que serveix per identificar-lo. La presència d’impureses –substància en solució– fa augmentar la temperatura d’ebullició de la substància. En la taula 2 hi ha els punts d’ebullició d’algunes substàncies pures.

EX PE RI ÈN CI A Munteu l’aparell segons les instruccions de la pàgina anterior. Ompliu l’er· lenmeyer fins a la meitat amb aigua destil·lada. Poseu·la a escalfar suaument i anoteu la temperatura cada minut fins que l’aigua bulli. Mantingueu·la en ebullició durant 3 o 4 minuts més. Mentre un company o companya avisa cada minut, un altre fa la lectura del termòmetre i un tercer anota el temps, la temperatura i les observacions. Amb les dades obtingudes completeu una taula semblant a la de l’apartat 2 d’aquesta unitat. Representeu les dades obtingudes en una gràfica temperatura/temps. – Com és la part de la gràfica corresponent a l’ebullició de l’aigua? – En la teva experiència, el termòmetre va marcar exactament 100 ºC mentre va durar l’ebullició? – En cas que no marqués exactament 100 ºC, com s’explicaria aquest fet?

Al cim del Mont Blanc, a 4 800 m d’altitud, l’aigua bull a 84 ºC.

TAuLA 2 Punts d’ebullició d’algunes substàncies pures Heli Oxigen Èter Acetona Alcohol Aigua Mercuri Sofre Alumini Ferro

–269 ºC –183 ºC 35 ºC 56 ºC 78 ºC 100 ºC 357 ºC 445 ºC 2 519 ºC 2 861 ºC

A C T I V I TAT S › 10 Pots afirmar que sempre que es transmet calor a una substància n’augmenta la temperatura? Raona la resposta i posa’n exemples per aclarir-ho. › 11 L’afirmació «l’aigua pura bull sempre a 100 ºC» no és del tot correcta. Què hem d’afegir-hi perquè sigui correcta?

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

4 Sublimació Observa les experiències següents:

Quan escalfem suaument l’àcid benzoic, passa directament a gas. Quan el refre· dem, el gas passa a sòlid.

B Quan el iode gas toca la part fre· da del recipient es torna a soli· dificar en petits cristalls.

EX PE RI ÈN CI A Escalfa una mica d’àcid benzoic, sòlid de color blanc, molt suaument, en un vas de precipitats tapat amb un vidre de rellotge. Observa que aquesta subs· tància passa directament de sòlid a gas. A la part freda del vas de precipitats i a la del vidre de rellotge, el gas es torna a solidificar, en forma de finíssimes agulles, sense passar per l’estat líquid. Pots repetir l’experiència col·locant una espiga de blat, en comptes del vidre de rellotge, al damunt del vas de precipitats o d’una càpsula, d’acord amb la figura A.

EX PE RI ÈN CI A Escalfa una mica de iode (sòlid), suaument, en un tub d’assaig o en una càpsula. Observa també que aquesta substància passa directament de sòlid a gas i apareixen uns vapors de color violeta. A la part freda del tub es torna a solidificar en petits cristalls (Figura B). D’això es pot deduir que: El pas directe de l’estat sòlid a gas sense passar per líquid s’anomena sublimació. El pas invers, de gas a sòlid, s’anomena cristal·lització, o sublimació inversa. Les substàncies que sublimen són molt poques. En són exemples el iode, la naftalina, la càmfora, l’àcid benzoic i la neu carbònica (diòxid de carboni sòlid), anomenada també gel sec. Molts perfums sòlids contenen substàncies aromàtiques que sublimen. Has après que la majoria dels sòlids, quan s’escalfen prou, es fonen o sublimen, i els líquids bullen. No obstant això, hi ha substàncies que, en escalfar·les, es descomponen i es transformen en altres substàncies diferents; d’altres cremen o es carbonitzen, com el sucre.

A C T I V I TAT S › 12 Com expliques la «desaparició» de la naftalina o de les pastilles que es col·loquen als armaris per combatre les arnes? › 13 L’anomenada neu carbònica és diòxid de carboni en estat sòlid. A pressió atmosfèrica normal, i a temperatura de –78,5 ºC, sublima. La neu carbònica s’usa per apagar incendis. Per què? Consulta-ho si és necessari.

5 Explicació cinètica de la fusió, de l’evaporació i de l’ebullició LA Fusió

Quan s’escalfa un sòlid pur, l’energia que se li comunica fa augmentar el mo· viment de vibració de les partícules situades als nusos de la xarxa cristal·lina. La temperatura del sòlid augmenta gradualment. A partir d’una temperatura de· terminada, anomenada temperatura de fusió, les partícules adquireixen prou energia cinètica per desprendre’s de les forces d’atracció de les seves veïnes, i presenten més mobilitat i desordre. L’estructura cristal·lina es desmunta, i el sòlid es comença a fondre. L’experiència ens ensenya que, mentre dura la fusió, la temperatura es manté invariable. Com es pot explicar? Segons la teoria cineticomolecular, això és conseqüència del fet que, mentre un sòlid pur es fon, tota l’energia que se li subministra s’usa per passar les molècules de l’estat sòlid a l’estat líquid.

+ calor esquema de l’estructura d’un cristall

esquema de l’estructura d’un líquid

S’ha de comunicar energia a un sòlid perquè passi a líquid.

S’anomena calor de fusió o calor latent de fusió l’energia que s’ha de subministrar a la unitat de massa d’un sòlid pur, que es troba a la temperatura de fusió, per convertir-lo en líquid a la mateixa temperatura. Així, per exemple, la calor de fusió de l’aigua (gel) és de 334,4 kJ/kg. Aquesta dada ens indica que, si es té un quilogram de gel a 0 ºC i es vol convertir en aigua a 0 ºC, cal subministrar·li 334,4 kJ. L’eVAPORACió

Ja sabem que, experimentalment, s’observa que la velocitat a la qual s’evapora un líquid augmenta amb la temperatura. La raó és que, quan la temperatura d’un líquid augmenta, l’energia cinètica mitjana de les seves molècules creix i, com a conseqüència, augmenta el nom· bre de les que es poden escapar i passar a gas. A la mateixa temperatura, els líquids presenten tendències diverses a passar a l’estat gasós; aleshores es diu que són més o menys volàtils.

L’eBuLLiCió

Ja sabem que, mentre un líquid bull, la temperatura es manté constant. Com es pot explicar? Segons la teoria cineticomolecular, mentre un líquid pur bull, tota l’energia subministrada en forma de calor s’usa perquè les molècules passin de l’estat líquid al gasós. S’anomena calor de vaporització l’energia que s’ha de subministrar a la unitat de massa d’un líquid pur per convertir·la totalment en gas (a pressió constant), sense modificar·ne la temperatura. Així, per exemple, la calor de vaporització de l’aigua a 100 ºC és de 2 255 kJ/kg. Aquesta dada ens indica que, si tenim un quilogram d’aigua líquida a 100 ºC i la volem convertir en vapor d’aigua a 100 ºC, li haurem de subministrar 2 255 kJ.

La velocitat amb què s’evapora un líquid augmenta amb la temperatura.

+ calor 2,26 kJ 1 g d’aigua líquida a 100 ºC 1 g de vapor d’aigua a 100 ºC

S’ha de comunicar energia a un líquid perquè passi a gas.

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

› 14 Fes un esquema en el qual figurin els noms dels diferents canvis d’estat. › 15 Resumeix a la teva llibreta les lleis de la fusió i de la solidificació. › 16 Completa les frases següents: Una massa de 50 g d’alcohol es transforma, en congelar-se, en

g d’alcohol sòlid.

Un volum de 50 cm d’aigua inicialment a 4 ºC 3

es transforma, en congelar-se, en

cm3

de gel a 0 ºC. Dades: densitat del gel, ρ = 915 kg/m3; densitat de l’aigua a 4 ºC, ρ = 1 000 kg/m3. › 17 Comenta la frase: «El punt de fusió o de solidificació d’una substància pura és una propietat característica.» › 18 Quan l’aigua se solidifica, augmenta o disminueix de volum? Proposa una experiència per comprovar-ho. › 19 Un recipient obert conté aigua a temperatura ambient i a pressió normal. Representa en una gràfica temperatura/temps la variació de temperatura de l’aigua, a mesura que es va escalfant, fins que tota la massa del líquid s’ha convertit en vapor d’aigua a 100 ºC. › 20 Un recipient obert conté aigua pura a temperatura ambient i pressió normal. Representa en una gràfica temperatura/temps la variació de temperatura de l’aigua, a mesura que es va refredant, fins que tota la massa líquida s’ha convertit en gel a 0 ºC.

ACTIVITATS

› 24 Explica què és una mescla frigorífica. › 25 Explica alguns fenòmens que demostrin que l’aigua augmenta de volum en solidificar-se. ›› 26 Per mitjà de curoses mesures es comprova que 1 000 cm3 d’aigua a 4 ºC produeixen, en solidificar-se, 1 090 cm3 de gel. a) Els 1 000 cm3 d’aigua tenen la mateixa massa que 1 090 cm3 de gel? Raona-ho. b) Calcula, a partir de les dades anteriors, quina és la densitat del gel. c) Calcula quin serà el volum que arribarà a ocupar el gel obtingut en la solidificació de 2,00 kg d’aigua. d) Si es fonen 2,00 dm3 de gel i l’aigua obtinguda s’escalfa fins a la temperatura de 4 ºC, quin volum d’aigua s’obtindrà? › 27 Explica la diferència entre vaporització, evaporació i ebullició. › 28 Quan fonem un glaçó, la massa d’aigua obtinguda és la mateixa que la massa del gel? I el volum? Raona les respostes. › 29 La velocitat amb què s’evapora un líquid augmenta amb la temperatura. Justifica-ho mitjançant la teoria cineticomolecular. › 30 Quines són les lleis de l’ebullició? › 31 L’aigua pura bull sempre a 100 ºC? Explica-ho. ›› 32 Per preparar un ou dur al cim de l’Everest, hauríem d’utilitzar una olla de pressió, ja que amb el procediment normal per bullir-lo difícilment ho aconseguiríem. Per què?

› 21 Indica quins canvis d’estat tenen lloc en augmentar la temperatura de les substàncies pures i quins, en disminuir-la.

› 33 Per què la roba estesa en un dia humit tarda tant de temps a eixugar-se?

›› 22 En fabricar una peça metàl·lica d’una forma determinada, l’operari aboca el metall fos en un motlle, les dimensions del qual són una mica més grans que les que ha de tenir la peça sòlida resultant. Indica per què.

› 34 En un dia de sol, col·loca a l’exterior un got alt i estret i al seu costat, un plat. Afegeix en cada un 20 cm3 d’aigua. Al cap d’unes quantes hores mesura el volum d’aigua que queda en cada recipient. Interpreta el que has observat.

› 23 Què són els anticongelants?

FINALS › 35 Explica per què cal obrir els paraigües mullats si volem que s’eixuguin.

›› 44 El vapor d’aigua és visible? El baf que observem a la superfície d’una olla que conté aigua bullint, és vapor d’aigua? Raona-ho.

›› 36 Quin és el fonament de les olles de pressió? › 45 En treure de la nevera una ampolla d’aigua ben freda hauràs observat que les parets exteriors queden recobertes de petites gotes d’aigua. Com ho expliques?

› 37 En tres plats iguals, col·loca 5 cm d’aigua, 5 cm3 d’alcohol i el mateix volum d’acetona respectivament. Al cap d’uns 10 minuts, mesura el volum de líquid en cada recipient. Quin líquid és més volàtil? I menys volàtil? 3

› 38 Defineix el punt de congelació de les substàncies pures. › 39 L’acetona és un líquid molt volàtil. Explica què significa això. ›› 40 La calor de fusió del gel és de 334,4 kJ/kg. Calcula l’energia en forma de calor que es necessita per fondre 100 grams de gel a 0 ºC i convertir-lo en aigua a la mateixa temperatura.

›› 46 Podem afirmar que totes les substàncies sòlides, quan s’escalfen prou, es fonen o sublimen? Raona la resposta i aclareix-la amb un exemple. ›› 47 Calcula l’energia calorífica despresa quan es condensen 10 grams de vapor d’aigua a 100 ºC i pressió atmosfèrica normal, i s’obté aigua líquida a 100 ºC.

›› 41 Per què, mentre un líquid pur se solidifica, la seva temperatura es manté constant? › 42 Suposa que escalfem aigua en un recipient obert. Quan l’aigua bull diem, sovint, que es veu el vapor d’aigua sobre el recipient. Estàs d’acord amb això? Per què?

›› 48 Per què, mentre dura la fusió d’una substància pura, la seva temperatura no varia? Justificaho mitjançant la teoria cineticomolecular.

› 43 Interpreta la gràfica següent que correspon als canvis d’estat de l’aigua. Temperatura (T)

Gas Líquid i gas C

B A Sòlid

Sòlid i líquid

›› 49 La velocitat d’evaporació d’un líquid augmenta amb la temperatura. Justifica-ho mitjançant la teoria cineticomolecular. ›› 50 Un dels compostos formats per fluor, clor i carboni que destrueixen la capa d’ozó de l’atmosfera és el CClF3. Aquest compost té un punt d’ebullició de 23,8 ºC, la seva calor d’evaporació és de 180,2 J/g i la seva densitat en estat líquid és d’1,47 g/cm3. Quina és l’energia necessària per vaporitzar totalment 10,0 cm3 de CClF3 sense que en variï la temperatura?

Líquid

Temps (t)

Els canvis d’estat. La seva interpretació cineticomolecular

Activitat experimental Mescla frigorífica. Fusió del gel Objectius – Saber com es prepara una mescla frigorífica. – Saber construir una gràfica a partir de dades experimentals.

Material – Vas de precipitats de 250 cm3 – Bec de Bunsen – Regle graduat – Martell – Gel

– Termòmetre – Rellotge – Paper mil·limetrat – Balança – Sal de cuina

PROCEDIMENT 1. Mescla frigorífica Pots obtenir temperatures sota zero barrejant aproximadament 100 cm3 de gel ben triturat amb el doble de volum de sal de cuina. La mescla ob· tinguda s’anomena mescla refrigerant o mescla frigorífica. Una vegada obtinguda la mescla, comprova’n la temperatura i anota·la. 2. Fusió del gel. Gràfica temperatura-temps a) Tritureu gel acabat de treure del congelador i ompliu un vas de precipi· tats d’uns 250 cm3 fins a la meitat. b) Introduïu·hi un termòmetre. c) Escalfeu el vas molt suaument i anoteu les temperatures cada minut, sense oblidar·vos d’agitar·lo abans de llegir la temperatura. d) Mentre algun company o companya avisa cada minut, un altre pot fer la lectura del termòmetre, i un tercer anotar el temps, la temperatura i les observacions. e) Escalfeu el vas fins que el termòmetre marqui uns 30 ºC. – Representeu en una gràfica temperatura/temps els valors obtinguts. – Expliqueu el significat de les diferents parts de la gràfica. – A quina temperatura s’ha estabilitzat el termòmetre? Per què? – Si la mateixa experiència s’hagués fet escalfant suaument sofre sòlid, a quina temperatura s’hauria estabilitzat el termòmetre? Temps (min) Temperatura (ºC)

estat físic

COMPETÈNCIES SOTA LA LUPA Antigament per identificar substàncies desconegudes un dels mètodes que es podia fer servir eren els punts de fusió i ebullició dels materials. Som al laboratori i hem trobat un pot sense identifi· car amb una substància sòlida groga a l’interior. Volem esbrinar de què es tracta i per fer·ho hem posat una petita mostra en un capil·lar, que és un tub molt petit i estret, enganxat al termòmetre de la figura. En escalfar el conjunt obtenim el quadre següent: T (K)

293

323

353

387

388

408

438

t (min)

1. Anomena tot el material de laboratori que surt a la il· lustració. 2. Representa un gràfic temperatura/temps i identifica els punts de fusió i/o ebullició de la substància en ºC. 3. Consulta les taules de punts de fusió i d’ebullició de la unitat. De quina substància es tracta? 4. Explica mitjançant la teoria cineticomolecular de la ma· tèria els canvis produïts entre el minut 1 i el 8. 5. Què passaria si haguéssim agafat 5 vegades més ma· terial? 6. Podríem realitzar aquest experiment amb seguretat a dalt d’una muntanya? Raona la resposta. 7. Amb quantes xifres significatives estem treballant?

Termòmetre

Tap Banda de goma Disposició del conjunt

Tub Thiele-Dennis Oli mineral

Tub capil·lar

Producte a assajar (pols, cristalls)

IÈNCIA, TÈCNICA I SOCIETAT Els anticongelants el punt de solidificació d’una solució és sempre més baix que el del dissolvent pur. Aquest és el fonament dels anticongelants. Els anticongelants són substàncies que s’afegeixen a un líquid, generalment aigua, per rebaixar·ne el punt de so· lidificació. La utilització més estesa d’aquestes substàncies consis· teix a prevenir la congelació de l’aigua en els sistemes de refrigeració dels motors dels automòbils exposats a la intempèrie i sotmesos a baixes temperatures. Sovint s’afe· geix a la gasolina i el diesel per evitar·ne la solidificació a l’hivern, i també a l’aigua de refrigeració dels motors. Una altra aplicació és la d’inhibir la corrosió dels sistemes de refrigeració que sovint contenen metalls com l’alumini, el ferro, el coure, etc. Els anticongelants són substàncies molt solubles en aigua. Han de ser ininflamables i no corrosius. El més utilitzat és un líquid anomenat etilenglicol. Un quilogram d’aquesta substància dissolt en cinc litres d’aigua descendeix el punt de solidificació fins a uns 6 ºC sota zero. La disminució del punt de congelació de les solucions és també el fonament de les mescles anomenades frigorífiques, utilitzades per obtenir temperatures inferiors a 0 ºC. Així, per exemple, si el gel es barreja amb sal comuna, es poden obtenir temperatures de fins a –20 ºC, si es prepara bé la mescla. La utilització de sal comuna per rebaixar el punt de fusió del gel o de la neu s’usa sovint per fondre la neu als carrers i a les carreteres. Com a norma general, l’anticongelant s’ha de substituir cada dos anys o 40 000 km. I recorda que fer les revisions periòdiques als nostres vehicles evita gran quantitat d’ac· cidents. Portar el cotxe al taller per a una revisió completa del motor, canviar l’oli regularment, comprovar la pressió dels pneumàtics i si estan molt gastats, etc. haurien de ser accions habituals per a tots els conductors.

1. Busca un envàs d’un anticongelant, observa la seva etiqueta i respon les preguntes. a. Fins a quina temperatura pot suportar aquest producte sense congelar-se? b. Quines icones de perillositat hi consten? Què signifiquen?

Augment del nivell del mar a causa del canvi climàtic Com ja saps, els combustibles fòssils produeixen gasos quan cremen, especialment diòxid de carboni, CO2. El CO2 és un dels principals responsables del fet que la temperatura del planeta augmenti. Cap país, gran o petit, ric o pobre, desenvolupat o en vies de desenvolupament, es pot escapar del canvi cli· màtic: tempestes, inundacions cada cop més devasta· dores, sequeres, pèrdua de collites, incendis, desapari· ció de glaceres, desertització, etc. L’organització meteorològica mundial (OMM) ha elaborat un informe en què alerta que el nostre planeta viu una se· qüència sense precedents de fenòmens climàtics extrems. L’any 2010 s’han enregistrat temperatures «rècord» a 17 països i han tingut lloc inundacions a Àsia i Europa central, onades de calor a Rússia i sequera a l’Àfrica. Al Pakistan, les intenses pluges sobtades han provocat grans estralls. Tanmateix però, un dels efectes més greus del canvi climàtic és l’augment del nivell del mar. Quan l’aigua del mar s’escalfa augmenta la seva temperatura, es dilata i com a conseqüència augmenta el nivell del mar. Aquest fet és molt preocupant atès l’increment progressiu de la temperatura global del planeta.

Víctima de les inundacions al Pakistan.

L’augment del nivell del mar afectarà milions de persones i grans ciutats com Nova York, Los Angeles, Rio de Janeiro, Tòquio, el Caire, entre d’altres, poden quedar seriosament afectades abans d’acabar aquest segle. Moltes zones agrícoles poden quedar també inundades o esdevenir salobres. El desglaç de les grans capes de gel de l’Àrtic i l’Antàrtic contribueix també a l’augment progressiu del nivell del mar.

Desgel a l’Àrtic.