1er Batxillerat física i química Edebé by 5minutsciencia

3# BLOC 2. TRANSFORMACIONS DE LA MATÈRIA

Reaccions químiques q 1. El

concepte de reacció química

q 2. Equacions

químiques 2.1. Significat qualitatiu d’una equació química 2.2. Mètodes d’ajust de les equacions químiques 2.3. Significat quantitatiu d’una equació química

q 3. Tipus

de reaccions químiques 3.1. Reaccions de combustió

q 4. Estequiometria

de les reaccions químiques 4.1. Càlculs amb relació massa-massa 4.2. Càlculs amb relació volum-volum 4.3. Càlculs amb relació massa-volum 4.4. Càlculs amb reactiu limitant 4.5. Càlculs amb reactius en dissolució w w

w w

q 5. Rendiment d’una reacció química q 6. Reactius

impurs i puresa d’una mostra

q 7. La indústria química i el medi ambient

7.1. Tipus d’indústria química 7.2. Processos industrials 7.3. Desenvolupament sostenible

w w w

Simulador

112876_UN_03_CAT.indd 82

Problemes interactius

Presentació

Pràctiques de laboratori

13/01/15 11:08

Pel·lícules Vídeo sobre les aportacions de la química. Química: está en todo lo que te rodea. Producció: EPCA, UNESCO i IUPAC. http://www.youtube.com/watch?v=y6Zl7MsXbag

Llocs web En les adreces d’internet següents pots apreciar la importància de la química en la societat i la relació que té amb la tecnologia i amb el medi ambient. —— Química i societat http://links.edebe.com/j4a http://links.edebe.com/63x —— Any Internacional de la Química, 2011 (CSIC) http://links.edebe.com/k8fq

Llibres A continuació ressenyem dos llibres interessants per a completar la teva formació: —— Bernardo Herradón García, ¿Qué sabemos de? Los avances de la química. Editorial CSIC i Catarata, 2011. —— Robert L. Wolke, Lo que Einstein le contó a su cocinero. Ma non troppo, 2011.

EN CONTEXT a > Una vegada hagis visionat la pel·lícula Química: está en todo lo que te rodea, respon: 3 —— Què aporta la química a la salut, al transport i a les comunicacions? —— Les reaccions químiques formen part de la nostra vida diària. Raona com seria un dia sense reaccions químiques. Podem sobreviure sense elles? b > Fixa’t en les imatges d’aquestes dues pàgines: —— Què hi observes? —— Quines reaccions químiques et suggereixen les imatges? —— Què en penses? c > T’has parat mai a pensar: —— Per què es rovella el ferro? Què es necessita per a fer foc? Per què els aliments canvien de color quan són cuinats? Com funciona el coixí de seguretat d’un cotxe? Per què les patates s’enfosqueixen un cop pelades? —— Poseu en comú les vostres opinions a classe, elaboreu una llista i guardeu-la. En finalitzar la unitat, repreneu-la i comproveu si continueu pensant de la mateixa manera.

112876_UN_03_CAT.indd 83

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

1. El concepte de reacció química

1. El concepte de reacció química Diàriament observem que es produeixen canvis en l’entorn. L’aigua es congela, les plantes i els animals creixen, la fusta crema i el vidre es trenca. La matèria es transforma constantment i hi ha dos tipus de canvis: INTERNET En l’adreça d’internet següent pots trobar més exemples de canvis físics i químics: http://links.edebe.com/pmvrw4

—— Canvis físics. Són canvis en què no es modifica la natura de les substàncies que hi intervenen. Per exemple, l’aigua es congela; és a dir, passa a l’estat sòlid (gel), però continua sent aigua, i podem tornar-la a l’estat líquid si varia la temperatura. —— Canvis químics. Són canvis en què unes substàncies es transformen en unes altres de diferents, amb una natura i unes propietats distintes. Per exemple, quan la fusta crema, observem que queda un residu negre i que es desprenen gasos. Els canvis químics es descriuen per mitjà de reaccions químiques. Una reacció química és un procés mitjançant el qual una o diverses qq substàncies inicials, anomenades reactius, es transformen en unes altres substàncies finals, anomenades productes.

En alguns casos, detectem que es produeix una reacció química perquè observem canvis a simple vista; per exemple, canvis bruscs de temperatura, canvis d’aspecte, centelleigs lluminosos, despreniments de gas, etc. En d’altres hem d’analitzar les substàncies per a saber que s’ha produït una reacció química. Oxidació d’una poma. L’enfosquiment de la poma es deu a l’oxidació, una reacció química que es produeix entre els compostos químics de la fruita i l’oxigen de l’aire.

EXEMPLE

—— Vegem què succeeix si s’escalfa una mescla de sofre amb llimadures de ferro: s’observa que desapareix el color groc del sofre i es forma un sòlid negre. S’ha produït un canvi químic. La reacció química que ho descriu és la següent: S + Fe → FeS   Reactius

Productes

—— Vegem què succeeix si s’escalfa un tros de carbó en contacte amb l’oxigen de l’aire: totes dues substàncies reaccionen i es transformen en diòxid de carboni, una altra substància de composició i propietats químiques diferents de les inicials. La reacció química que descriu aquest canvi químic és aquesta:

INTERNET

C + O2 → CO 2  Reactius

En l’enllaç següent pots explorar reaccions químiques que es produeixen en la natura i en el nostre entorn, com la digestió, la fotosíntesi, l’oxidació de metalls, la combustió, etc.: http://links.edebe.com/9jbqi

Productes

En tota reacció química les molècules dels reactius xoquen entre si i els àtoms es reorganitzen. Els enllaços entre els àtoms dels reactius es destrueixen i es formen enllaços nous, que donen lloc als productes. És a dir, els àtoms canvien l’organització que tenien; per això les propietats dels reactius i dels productes són diferents. —— Vegem què succeeix en la reacció entre el clor i l’hidrogen: es trenquen els enllaços covalents entre els àtoms d’hidrogen (H–H) i entre els àtoms de clor (Cl–Cl), i es formen nous enllaços covalents entre l’hidrogen i el clor (H–Cl). Productes Reactius Cl

Exercicis i problemes 5 a 10

+ H H

Cl2

2HCl

112876_UN_03_CAT.indd 84

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

2. Equacions químiques

2.1. Significat qualitatiu d’una equació química

Hem descrit les reaccions químiques anteriors mitjançant una expressió abreujada que relaciona les fórmules de les substàncies que intervenen en el procés. Aquesta representació s’anomena equació química.

2.3. Significat quantitatiu d’una equació química

2.2. Mètodes d’ajust de les equacions químiques

Una equació química és la representació escrita i abreujada d’una qq

reacció química, que la descriu de manera qualitativa i quantita tiva. Zn(s) + H2SO4 (aq) → ZnSO4 (aq) + H2(g)

Aquest llenguatge és universal, ja que, independentment de l’idioma que parlem, podem interpretar el significat de la reacció química.

2.1. Significat qualitatiu d’una equació química

AMPLIA AíLPMA La fletxa d’una reacció química indica si una reacció és irreversible o reversible. Irreversible: s’esdevé en un sol sen tit. C(s) + O2 (g) → CO2 (g) Reversible: pot evolucionar en tots dos sentits. Es representa amb una fletxa doble. 2 H2O(l)  H3O+ (aq) + OH− (aq)

Per a escriure i interpretar una equació química, cal seguir uns passos i unes normes d’escriptura. Vegem en què consisteix aquest procediment, aplicat a la reacció química següent: Δ

CaCO3 (s) ⎯⎯⎯→ CaO(s) + CO2 (g) ↑      Reactius

En l’aigua que bevem hi ha en una proporció petita oxoni i hidròxid, a causa de l’equilibri químic que hi ha entre les tres espècies.

Productes

—— Escrivim les fórmules dels reactius a l’esquerra i les dels productes, a la dreta. Si hi ha diversos reactius o productes, hi afegim el signe + entre ells. —— Separem els dos membres de l’equació mitjançant una fletxa que indica el sentit en què avança la reacció. —— Tan sols escrivim les fórmules de les substàncies que intervenen en la reacció; així, no escrivim la fórmula de l’aigua, per exemple, si aquesta només és el mitjà de dissolució. —— S’ha d’indicar l’estat d’agregació de les substàncies; darrere de cada fórmula, hi posem les lletres dels estats entre parèntesis: estat sòlid (s); estat líquid (l) o estat gasós (g). Si la substància està en solució aquosa, s’hi afegeix (aq). —— De vegades, s’hi inclouen altres símbols per a indicar altres característiques del procés: • El símbol D col·locat sobre la fletxa que mostra el sentit de la transformació significa escalfament. • La fletxa ↑ al costat d’un producte significa despreniment d’un gas. • La fletxa ↓ al costat d’un producte significa precipitat sòlid. —— En altres casos, apareixen també variables com la temperatura i la pressió de la reacció, la presència de catalitzadors o l’energia de reacció. Així, el significat qualitatiu de la reacció química representada com a exemple s’expressa de la manera següent: el carbonat de calci sòlid, CaCO3(s), es descompon per acció de la calor i produeix òxid de calci sòlid, CaO(s), i el despreniment de diòxid de carboni gasós, CO2(g).

Aigua (H2O) (H2O)

Hidròxid (OH−)

Oxoni (H3O+)

Reacció reversible de l’aigua. Representació de l’equilibri químic de l’aigua a nivell molecular.

VOCABULARI Catalitzador. Substància que incrementa la velocitat d’una reacció química sense consumir-se ni trans formar-se en la reacció. No varien ni la composició ni les propietats de la reacció.

Exercicis i problemes 11

112876_UN_03_CAT.indd 85

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

RECORDA —— La llei de Lavoisier de conservació de la massa enuncia el següent: «En tota reacció química, la massa total dels reactius que reaccionen és igual a la massa total dels productes formats». —— J. Dalton va formular una teoria que podia justificar la llei de Lavoisier. El químic britànic va indicar que «en una reacció, el nombre d’àtoms de cada element és el mateix en els reactius i en els productes, encara que l’organització dels seus enllaços sigui diferent». Aquesta teoria està estretament relacionada amb l’ajust de les equacions químiques.

2.2. Mètodes d’ajust de les equacions químiques En una reacció química canvien els enllaços entre els àtoms, però la quantitat total d’àtoms de cada element es conserva. Per tant, el nombre d’àtoms de cada element ha de ser igual en tots dos membres de l’equació. Comptem el nombre d’àtoms d’hidrogen i d’oxigen en els dos membres de l’equació següent: H2 (g) + O2 (g) → H2O(g) Veiem que hi ha dos àtoms d’hidrogen, tant en els reactius com en els productes. En canvi, hi ha dos àtoms d’oxigen en els reactius i només un en els productes. Per solucionar aquest problema col·loquem el nombre fraccionari ½ davant la fórmula de l’oxigen: 1 H2 (g) + O2 (g) → H2O(g) 2 Ara tenim un àtom d’oxigen a cada banda de l’equació. Aquest procediment s’anomena ajust d’una equació química. Ajustar una equació química consisteix a assignar a cada fórmula un qq

coeficient perquè el nombre d’àtoms de cada element sigui igual en tots dos membres.

Aquests nombres s’anomenen coeficients estequiomètrics, i és convenient que siguin els nombres enters més petits possibles.

INTERNET En les pàgines web següents, pots practicar l’ajust d’equacions químiques: http://links.edebe.com/bn http://links.edebe.com/45vstm

Per tant, en la reacció anterior multipliquem per dos tots els coeficients de l’equació per evitar els nombres fraccionaris: 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O(g) Una equació química sempre ha d’estar ajustada. Per a això, hem d’utilitzar un dels mètodes següents: el mètode de tempteig o el mètode algèbric (o del sistema d’equacions). —— Mètode de tempteig. Consisteix a provar amb diferents valors fins que l’equació quedi ajustada. Es comença pels àtoms que no són hidrogen, oxigen o substàncies elementals, i es deixa aquests darrers per al final. Es fa servir en equacions senzilles.

EXEMPLE

Vegem com s’ajusta l’equació següent per mitjà del mètode de tempteig: C 3H8 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O(l) Solució

COMPRENSIÓ. Identifiquem els tipus d’àtoms que hi ha: carboni, hidrogen i oxigen. Comptem el nombre de cadascun d’ells en els dos membres de l’equació. RESOLUCIÓ. En primer lloc ens fixem en el carboni, després en l’hidrogen i, finalment, en l’oxigen. —— Carboni: hi ha tres àtoms a l’esquerra i un a la dreta. Escrivim un 3 davant del diòxid de carboni i assumim un 1 davant de C3H8(g): C3H8 (g) + O2 (g) → 3 CO2 (g) + H2O(l)

—— Hidrogen: hi ha vuit àtoms a l’esquerra i dos a la dreta. Escrivim un 4 davant de l’aigua: C3H8 (g) + O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O(l) —— Oxigen: hi ha dos àtoms a l’esquerra i deu a la dreta. Escrivim un 5 davant de l’oxigen molecular: C3H8 (g) + 5 O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O(l) COMPROVACIÓ. Comptem novament el nombre d’àtoms de cada element per assegurar-nos que l’equació està ajustada correctament.

112876_UN_03_CAT.indd 86

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

—— Mètode algèbric o sistema d’equacions. S’empra en els casos més complicats, en què no podem determinar els coeficients per tempteig. Els passos que cal seguir són aquests: • Cadascun dels coeficients es considera una incògnita i es representa amb una lletra. • Es construeix una equació per a cada element químic, i s’iguala el nombre d’àtoms d’aquest element en tots dos membres. • Es resol el sistema d’equacions. Com que hi ha més incògnites que equa cions, s’assigna un valor arbitrari a una d’elles i obtenim una de les solucions possibles. • Si s’obtenen coeficients fraccionaris, és habitual multiplicar-los pel nombre adequat per a obtenir un conjunt de valors enters.

Exercicis i problemes 12 y 13

EXEMPLE

Vegem com s’ajusta l’equació següent per mitjà del mètode del sistema d’equacions: HBr(aq) + Fe(s) → FeBr3 (aq) + H2 (g). Solució

COMPRENSIÓ. Identifiquem els tipus d’àtoms que hi ha: hidro gen, brom i ferro. Comptem el nombre de cadascun d’ells en tots dos membres de l’equació. No està ajustada.

De la 1a equació: a = 2 · 1 = 2 De la 2a equació: c =

RESOLUCIÓ. —— Assignem coeficients provisionals (a, b, c, d) a cada reactiu i producte: a HBr(aq) + b Fe(s) → c FeBr3 (aq) + d H2 (g)

De la 3a equació: b =

Ferro: b = c

—— Assignem un valor arbitrari a una d’elles. Per exemple: d = 1. Resolem el sistema i obtenim el següent:

3 2 3

—— Per evitar els coeficients fraccionaris, els multipliquem tots per tres:

—— Establim una equació per a cada element. L’equació indica que el nombre d’àtoms de l’element és igual en tots dos membres: Hidrogen: a = 2d Brom: a = 3c

a = 6 b = 2 c = 2 d = 3 6 HBr(aq) + 2 Fe(s) → 2 FeBr3 (aq) + 3 H2 (g) COMPROVACIÓ. Comptem novament el nombre d’àtoms de cada element per assegurar-nos que el resultat és correcte.

2.3. Significat quantitatiu d’una equació química Les equacions químiques ajustades ens proporcionen informació sobre les proporcions de les substàncies que hi intervenen. Així, podem interpretar una equació química en termes atomicomoleculars i en termes molars. Vegem el significat quantitatiu de l’equació de l’exemple anterior: 6 HBr(aq) + 2 Fe(s) → 2 FeBr3 (aq) + 3 H2 (g)

—— Relació atomicomolecular. Sis entitats moleculars de bromur d’hidrogen reaccionen amb dues entitats moleculars de ferro i produeixen dues entitats moleculars de bromur de ferro(III) i tres entitats moleculars d’hidrogen. —— Relació molar. Sis mols de bromur d’hidrogen reaccionen amb dos mols de ferro i produeixen dos mols de bromur de ferro(III) i tres mols d’hidrogen.

RECORDA La llei d’Avogadro explica la relació entre coeficients estequiomètrics d’una reacció química: «Volums iguals de qualsevol gas, mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, contenen el mateix nombre de molècules». La relació entre la constant d’Avogadro i la quantitat de substància és: —— Un mol de molècules conté 6,022 · 1023 molècules. —— Un mol d’àtoms conté 6,022 · · 1023 àtoms.

Exercicis i problemes 14

112876_UN_03_CAT.indd 87

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

3. Tipus de reaccions químiques 3.1. Reaccions de combustió

CURIOSITATS El foc va ser adorat com un déu fins que l’ésser humà va aprendre a controlar les reaccions químiques que el produeixen. Es rendia culte al foc pel caràcter de misteri inescrutable que tenia. Apareixia d’una manera explosiva de l’interior de la Terra amb un bram intenso queia del cel amb unes conseqüències espectaculars. Podia ser ferotge i devastador o protegir els cossos del fred. Feia llum, espantava els depredadors i cuinava els aliments, o de sobte s’extingia.

3. Tipus de reaccions químiques Hi ha una gran varietat de reaccions químiques. Algunes s’esdevenen en la natura i d’altres es duen a terme als laboratoris o en la indústria. A continuació aprendrem com es classifiquen i, en concret, estudiarem les reaccions de combustió, les quals són molt importants per les diverses aplicacions que tenen. Les reaccions químiques es poden classificar tenint en compte diversos criteris. —— Segons el mecanisme d’intercanvi, es distingeixen els tipus de reaccions següents: • Reaccions de síntesi. Dos o més reactius senzills es combinen i formen un producte més complex. L’amoníac és el producte de la combinació de dues substàncies: el nitrogen i l’hidrogen. N2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) • Reaccions de descomposició. Una substància es descompon en d’altres més senzilles. L’aigua es descompon en hidrogen i oxigen gasós. 2 H2O(l) → 2 H2 (g)↑+ O2 (g)↑ • Reaccions de desplaçament o substitució. Un element és substituït per un altre en un compost. El zinc desplaça l’hidrogen de l’àcid clorhídric i ocupa el seu lloc. Zn(s) + 2 HCl(aq) → ZnCl2 (aq) + H2 (g) ↑

FIXA-T’HI —— Àcid. Substància que en una solució aquosa cedeix hidrons, mentre que una base és una substància capaç d’acceptar-los. —— Reductor. Espècie química que cedeix electrons; és a dir, s’oxida, mentre que un oxidant és una espècie química capaç de guanyar electrons; és a dir, es redueix.

• Reaccions de desplaçament doble. Dos àtoms intercanvien les posicions respectives i formen dos compostos nous. En la reacció entre l’àcid sulfúric i l’hidròxid de calci, l’hidrogen i el calci intercanvien les posicions de manera que es forma sulfat de calci i aigua. H2SO4 (aq) + Ca(OH)2 (aq) → CaSO4 (aq) + 2 H2O(l) —— Segons les partícules intercanviades, distingim tres tipus de reaccions: • Reaccions àcid-base, o de neutralització. Consisteixen en la transferència d’hidrons d’un àcid a una base. Una solució d’àcid clorhídric reacciona amb una altra d’hidròxid de sodi, de manera que l’àcid cedeix un hidró a l’hidròxid i es forma una sal i aigua. HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)

INTERNET En el vídeo següent es mostren exemples dels diversos tipus de reaccions químiques: http://links.edebe.com/pua5zm Fixa’t que les reaccions de síntesi també es poden anomenar reaccions de combinació directa.

Exercicis i problemes 15 a 18, 20 i 22

àcid + base → sal + aigua

• Reaccions d’oxidació-reducció (redox). Són les reaccions en què hi ha una transferència d’electrons des d’una substància que els perd (s’oxida) fins a una altra que guanya aquests electrons (es redueix). En la reacció entre el sulfat de coure i el ferro, el coure es redueix (disminueix el seu nombre d’oxidació) i el ferro s’oxida (augmenta el seu nombre d’oxidació). Cu  SO4 (aq) + Fe  (s) + Fe  (s) → Cu  SO 4 (aq) +2

• Reaccions de precipitació. Consisteixen en la transferència d’ions en dissolució entre dos compostos iònics solubles, per formar una sal insoluble anomenada precipitat. En mesclar una solució de nitrat de plata amb una altra de clorur de potassi, la plata(1+), Ag+, s’uneix amb el clorur, Cl−, i s’origina un precipitat de clorur de plata. AgNO3 (aq) + KCl(aq) → KNO3 (aq) + AgCl(s) ↓

Precipitat de clorur de plata.

112876_UN_03_CAT.indd 88

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

3.1. Reaccions de combustió

INTERNET

Aquesta denominació inclou un ampli grup de processos químics en què l’oxigen, també anomenat comburent, reacciona amb una altra substància anomenada combustible, i l’oxida. Per tant, es tracta d’una reacció redox. A conseqüència d’això, es desprèn una gran quantitat d’energia en forma de llum i calor.

Observa el següent experiment sobre les reaccions de combustió: http://links.edebe.com/je

Les reaccions de combustió no es produeixen d’una manera espontània, sinó que requereixen una aportació de calor o una espurna. Després, continuen per si mateixes. La combustió és una reacció d’oxidació ràpida en què es desprèn calor qq

AMPLIA AíLPMA

i llum.

La combustió completa d’hidrocarburs i derivats oxigenats genera com a productes de reacció diòxid de carboni i vapor d’aigua: 2C 4H10 (g) + 13 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 10 H2O(g)  butà

Tanmateix, la combustió del carbó només produeix diòxid de carboni: C(s) + O2 (g) → CO2 (g) ↑ Si no hi ha prou oxigen, la combustió és incompleta i també es genera monòxid de carboni (CO). Aquest gas, que és tòxic, incolor, sense gust ni olor, s’uneix a l’hemoglobina de la sang i la blocja, de manera que aquesta no pot transportar l’oxigen. En concentracions baixes, produeix somnolència i mal de cap, però en concentracions elevades és letal. Les reaccions de combustió s’utilitzen per a obtenir energia, tant en l’àmbit industrial com en el domèstic. Són aplicables als motors de combustió, als sistemes de calefacció o a la il·luminació. Els combustibles poden ser sòlids, líquids o gasosos. Els més emprats són els següents: —— Sòlids: carbó, carbó de coc, torba, fusta, paper, etc.

La respiració cel·lular es pot interpretar com una combustió de la glucosa. L’energia despresa és utilitzada per l’ésser viu per a mantenir les seves funcions vitals. C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O    glucosa

—— Investiga quines etapes consti tueixen el procés de respiració cel·lular.

RECORDA Els aparells domèstics que cremen combustible (com les calderes i les estufes) poden produir CO si no funcionen correctament.

—— Líquids: gasolina, fuel, gasoil, querosè, alcohol, etc. —— Gasosos: gas natural, metà, propà, butà, etc. Actualment tenen una importància especial els biocombustibles, que són combustibles d’origen biològic obtinguts a partir de residus orgànics. A diferència dels combustibles fòssils, com el petroli, són una font d’energia renovable. L’ús dels biocombustibles respecta el medi ambient i prevé l’esgotament de recursos.

BIOCOMBUSTIBLES

Sòlids

Biomassa

Agrícola

Forestal Bioetanol Líquids

Agroindustrial Biodièsel Residus urbans

Gasosos

CURIOSITATS Sabies que les companyies petrolieres canvien la composició de la gasolina quatre vegades a l’any? La gasolina és una mescla d’hidro carburs amb diferents graus de volatilitat. A l’hivern és més difícil vaporitzar la gasolina, a causa de les temperatures baixes, per això afegeixen més components volàtils a la mescla. En canvi, a l’estiu disminueixen la proporció de components volàtils, ja que aquests es perdrien per evaporació.

Biogàs

També s’estan investigant noves tècniques per a aprofitar al màxim l’energia dels combustibles, i per a tractar i eliminar les substàncies contaminants que es produeixen en les combustions.

Exercicis i problemes 19, 21 i 23

112876_UN_03_CAT.indd 89

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

4. Estequiometria de les reaccions químiques 4.1. Càlculs amb relació massa-massa 4.2. Càlculs amb relació volum-volum 4.3. Càlculs amb relació massa-volum 4.4. Càlculs amb reactiu limitant

4. Estequiometria de les reaccions químiques

4.5. Càlculs amb reactius en dissolució

Quan treballem amb reaccions químiques, hem de saber quina quantitat de producte s’obté a partir d’una determinada quantitat de reactiu, o quina quantitat de reactiu es necessita per a obtenir una certa quantitat de producte. L’estequiometria és l’estudi de la relació quantitativa entre reactius i qq productes en una reacció química.

RECORDA La massa molar, M, de qualsevol substància expressada en grams coincideix numèricament amb la seva massa atòmica o molecular. Per exemple, en el cas de l’oxigen: Mr (O2 ) = 2 · 16,00 = 32,00 M (O2 ) = 32,00 g ·mol−1

Els càlculs que s’efectuen per a obtenir aquesta informació quantitativa d’una equació química ajustada s’anomenen càlculs estequiomètrics.

4.1. Càlculs amb relació massa-massa Per a conèixer la massa d’un reactiu o producte, a partir de la massa d’un altre, hem de tenir en compte la relació molar entre totes dues substàncies. Aquesta relació s’obté de l’equació química ajustada. Per als càlculs estequiomètrics, utilitzem factors de conversió. En general, els passos que cal seguir són aquests: —— Escriure i ajustar l’equació química corresponent. —— Convertir a mols la dada de partida. —— Aplicar la relació molar entre la substància coneguda i la que volem conèixer, segons els coeficients de l’equació química ajustada.

Exercicis i problemes 24, 25 i 28

—— Calcular la massa o el volum de la substància en qüestió.

EXEMPLE

Quan el zinc metàl·lic reacciona amb una solució de sulfat de coure(II), es forma una solució de sulfat de zinc i es diposita coure metàl·lic. Si partim de 20 g de sulfat de coure(II), calcula la massa de coure que es pot obtenir com a màxim. Solució

COMPRENSIÓ. Hem de calcular la massa d’un dels productes de la reacció i, com a dada, la massa d’un reactiu. DADES. m (CuSO4) = 20 g; incògnites: m (Cu). RESOLUCIÓ. Escrivim i ajustem l’equació química corresponent: Zn(s) + CuSO4 (aq) → ZnSO4 (aq) + Cu(s) —— Calculem la massa molar de la substància coneguda i, després, el nombre de mols: Mr (CuSO4 ): 1 · 63,55 + 1 · 32,07 + 3 · 16 = 143,62 M (CuSO4 ): 143,62 20 g CuSO4 ·

g ·mol−1

1 mol CuSO4 143,62 g CuSO4

= 0,14 mol CuSO4

—— Determinem el nombre de mols de Cu que s’obtenen a partir de la relació molar entre el CuSO4 i el Cu, descrita en l’equació:

0,14 mol CuSO4 ·

1 mol Cu = 0,14 mol Cu 1 mol CuSO4

—— Multipliquem els mols de coure per la seva massa molar i obtenim la massa de coure que s’ha format: Ar (Cu): 63,55 M(Cu): 63,55 g ·mol−1 0,14 mol Cu ·

63,55 g Cu 1 mol Cu

= 8,9 g Cu

Observa que podem col·locar els factors de conversió de manera consecutiva: 20 g CuSO4 · ·

1 mol CuSO4 1 mol Cu · · 143,62 g CuSO4 1 mol CuSO4 63,55 g Cu = 8,9 g Cu 1 mol Cu

COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

112876_UN_03_CAT.indd 90

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

4.2. Càlculs amb relació volum-volum

RECORDA La unitat de pressió en l’SI és el pascal, Pa. 1 atm = 760 mmHg = 1,013 · 105 Pa 1 bar = 105 Pa

Si tenim un reactiu o producte gasós i en volem esbrinar el volum a partir del volum de l’altre, es procedeix d’una manera semblant a la que hem vist. Utilitzem la relació molar entre totes dues substàncies, que es deriva de l’equació química ajustada. Segons la definició actual de la IUPAC, en els gasos 105 Pa i 273 K es consideren condicions estàndard de pressió i temperatura. En aquest cas, un mol de qualsevol gas ocupa 22,7 L. És a dir, el volum molar és: Vm = 22,7 L · mol−1. Si el gas que hi intervé no està mesurat en aquestes condicions, per a la conversió a mols hem de tenir en compte l’equació d’estat dels gasos ideals. p V n R T

p V = n RT

= = = = =

També pots veure el valor de R com: R = 0,082 atm · L · K−1 · mol−1

pressió (Pa) volum (m3 ) quantitat de substància (mol) constant dels gasos ideals en l’SI = 8,31 Pa ·m3 ·K−1 ·mol−1 temperatura (K)

Exercicis i problemes 29

EXEMPLE

Troba el volum d’oxigen necessari per a cremar completament 4,0 L de butà, C4H10, a 105 Pa i 273 K. Solució

COMPRENSIÓ. Tenim com a dada de partida el volum d’un dels reactius. DADES. V (C4H10) = 4,0 L. Incògnites: V (O2); p = T = 273 K.

105

Pa;

0,18 mol C4H10 ·

2 C4H10 (g) + 13 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 10 H2O(l) —— Calculem la quantitat de butà, tenint en compte que estan a 105 Pa i 273 K: 4,0 L C4H10 ·

22,7 L C4H10

= 0,18 mol C4H10

22,7 L O2

1,2 mol O2 ·

= 1,2 mol O2

= 27 L O2

1 mol O2

Observa que també podem col·locar de manera consecutiva els factors de conversió que hem utilitzat: 4,0 L C4H10 ·

—— Determinem la quantitat d’O2 que es necessita a partir de la relació molar entre el C4H10 i l’O2:

2 mol C4H10

—— Passem a litres els mols d’oxigen obtinguts:

RESOLUCIÓ. Escrivim i ajustem l’equació química corresponent:

1 mol C4H10

13 mol O2

1 mol C4H10 22,7 L C4H10

13 mol O2 2 mol C4H10

22,7 L O2 1 mol O2

COMPROVACIÓ. Comprovem que la quantitat i les unitats són correctes. En cas contrari, revisem els càlculs.

EXEMPLE

L’oxidació del diòxid de sofre produeix triòxid de sofre, SO3. Calcula el volum d’oxigen, mesurat a 740 mmHg i 300 K, que es requereix per a obtenir 100 L de triòxid de sofre a la mateixa pressió i a 320 K. Solució

COMPRENSIÓ. Sabem que el volum del producte és SO3.

—— Calculem la quantitat d’O2 que es necessita a partir de la relació estequiomètrica de la reacció:

DADES. V (SO3) = 100 L = 0,100 mesurat a 320 K i 740 mmHg; incògnites: V (O2) a 740 mmHg i 300 K. m3,

p = 740 mmHg ·

1 atm 760 mmHg

1,013 ·

105

1 atm

3,71 mol SO3 ·

= 9,86 · 104 Pa

V (O2 ) =

2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g) —— Calculem la quantitat d’SO3 a partir de l’equació d’estat dels gasos ideals: n (SO3 ) =

9,86 · 104 Pa · 0,100 m3 8,31 Pa · m3 · K −1 ·mol−1 · 320 K = 3,71 mol SO3

= 1,86 mol O2

—— Passem a litres els mols d’O2 necessaris:

RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació química ajustada:

1 mol O2 2 mol SO3

n RT p

1,86 mol · 8,31 Pa · m3 · K −1 · mol−1 · 300 K 9,86 ⋅ 10 4 Pa

V (O2 ) = 0,0470 m3 O2 ·

1000 L O2 1 m3 O 2

= 47,0 L O2

COMPROVACIÓ. Comprovem que la quantitat i les unitats són correctes. En cas contrari, revisem els càlculs. 91

112876_UN_03_CAT.indd 91

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

4.3. Càlculs amb relació massa-volum

HCl(aq)

H2(g)

Quan en una reacció química volem calcular el volum d’un producte gasós, coneguda la massa d’un reactiu o producte, emprem la relació molar entre les substàncies i l’equació dels gasos ideals, si escau.

AI(s) Aigua

Reacció química entre l’alumini i l’àcid clorhídric. Es forma clorur d’alumini, AlCl3(s), i es desprèn hidrogen gasós, H2(g).

EXEMPLE

L’àcid clorhídric, HCl(aq), reacciona amb l’alumini, Al(s), i es produeix clorur d’alumini, AlCl3(aq), i hidrogen gasós, H2(g). Si volem obtenir 140 L d’hidrogen, mesurats a 20 °C i 740 mmHg, calcula: a) Quina massa d’alumini es necessita? b) Quina massa de clorur d’alumini, AlCl3(aq), s’obtindrà? Solució

COMPRENSIÓ. Sabem quin és el volum d’un dels productes i ens demanen la massa d’un reactiu (alumini) en l’apartat a); i la massa de l’altre producte (clorur d’alumini) en l’apartat b). DADES. V (H2) = 140 L = 0,140 m3, mesurats a 20 ºC i 740 mmHg. 1 atm

p = 740 mmHg

760 mmHg

1,013 · 105 Pa 1 atm

= 9,86 · 104 Pa

T = (20 + 273) K = 293 K Incògnites: m (Al); m (AlCl3). RESOLUCIÓ. —— Escrivim i ajustem l’equació química corresponent: 6 HCl(aq) + 2 Al(s) → 2 AlCl3 (aq) + 3 H2 (g) ↑

INTERNET

a) Per a determinar la massa d’alumini necessària, seguim aquests passos: En les pàgines d’internet següents, pots practicar els càlculs estequiomètrics i veure la solució pas a pas de cada exercici:

— Calculem a quants mols d’hidrogen equival el volum d’hidrogen que volem obtenir (0,140 m3). Per a això, fem servir l’equació d’estat dels gasos ideals: n (H2 ) =

http://links.edebe.com/sd36 http://links.edebe.com/6yzzbi

pV RT

9,86 · 104 Pa · 0,140 m3 8,31 Pa · m3 · K −1 ·mol−1 · 293 K

= 5,67 mol H2

— Trobem la massa d’alumini necessària a partir de la relació estequiomètrica de la reacció. Per a això, utilitzem una seqüència de factors de conversió: Ar (Al): 26,98 5,67 mol H2 ·

M (Al): 26,98 g ·mol−1 2 mol Al 3 mol H2

26,98 g Al 1 mol Al

= 102 g Al

Es necessiten 102 g d’alumini.

b) Per calcular la massa de clorur d’alumini que es formarà, procedim de la mateixa manera: Mr (AlCl3 ) = 1 · 26,98 + 3 · 35,45 = 133,4 5,67 mol H2 ·

2 mol AlCl3 3 mol H2

133,4 g AlCl3 1 mol AlCl3

M (AlCl3 ) = 133,4 g ·mol−1 = 504 g AlCl3

Es formen 504 g de clorur d’alumini, AlCl3(aq). Exercicis i problemes 26 i 33

COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

112876_UN_03_CAT.indd 92

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

4.4. Càlculs amb reactiu limitant

FIXA-T’HI

Quan es duu a terme una reacció química en la indústria o en els laboratoris, els reactius no hi solen ser presents en quantitats estequiomètriques; és a dir, en les proporcions exactes que indiquen els coeficients de l’equació, per la qual cosa la reacció s’acaba quan un d’ells s’esgota, i una part de l’altre queda sense reaccionar.

qq El reactiu limitant és el que es consumeix íntegrament i determina la quantitat màxima de producte que es pot obtenir.

Els reactius que només es consumeixen parcialment, i en sobra una part, s’anomenen reactius en excés. Quan tenim dades de dos reactius, hem d’identificar el reactiu limitant i prendre’l com a referència en els càlculs.

EXEMPLE

La combustió del sulfur d’hidrogen, H2S, en presència d’oxigen, O2, produeix diòxid de sofre, SO2, i aigua, H2O. Si es cremen 18,32 g de sulfur d’hidrogen en presència de 40 L d’oxigen, mesurat a 1,00 · 105 Pa i 273 K, determina quina massa de diòxid de sofre es formarà. Solució

Per identificar el reactiu limitant, conegudes les quantitats dels dos reactius, procedim de la manera següent: —— Calculem la quantitat de totes dues substàncies. —— Triem un dels reactius i calculem la quantitat necessària del segon reactiu mitjançant la relació estequiomètrica. —— Si la quantitat necessària del segon reactiu és més petita que la quantitat disponible, hi haurà un excés d’aquest reactiu, i el primer serà el reactiu limitant. Si la quantitat necessària del segon reactiu és més gran que la disponible, aquest reactiu serà el limitant i n’hi haurà un excés del primer.

COMPRENSIÓ. Tenim les dades dels dos reactius. H2S(g) + O2 (g) → SO2 (g) + H2O(g) DADES. m (H2S) = 18,32 g, V (O2) = 40 L = 0,040 m3, a 1,00 · 105 Pa i 273 K. Incògnites: m (SO2). RESOLUCIÓ. —— Escrivim i ajustem l’equació química corresponent: 2 H2S(g) + 3 O2 (g) → 2 SO2 (g) + 2 H2O(g) —— Hem de conèixer quin dels dos reactius és el limitant. Per a això, calculem quants mols hi ha de cadascun dels dos reactius: Mr (H2S): 2 · 1,01 + 1 · 32,07 = 34,09 M (H2S): 34,09 g ·mol−1 1 mol H2S 18,32 g H2S · = 0,5374 mol H2S 34,09 g H2S n (O2 ) =

pV RT

1,00 · 105 Pa · 0,040 m3 8,31 Pa · m3 · K −1 ·mol−1 · 273 K

= 1,8 mol O2

—— Determinem els mols d’oxigen necessaris perquè reaccionin totalment amb 0,537 4 mol de sulfur d’hidrogen, tenint en compte la relació estequiomètrica (dos mols de sulfur d’hidrogen consumeixen tres mols d’oxigen): 0,5374 mol H2S ·

3 mol O2 2 mol H2S

INTERNET En els enllaços següents, pots observar simulacions de reaccions químiques que t’ajudaran a comprendre el concepte de reactiu limitant: http://links.edebe.com/3gr http://links.edebe.com/28bk

= 0,8061 mol O2

http://links.edebe.com/tzfn

Es necessiten 0,806 1 mol d’oxigen perquè reaccioni tot el sulfur d’hidrogen. Com que tenim 1,8 mol d’oxigen, significa que l’oxigen hi és en excés i el reactiu limitant és el sulfur d’hidrogen. Podem calcular l’excés d’oxigen: excés (O2) = (1,8 – 0,806 1) mol O2 = 0,993 9 mol O2. —— Aleshores prenem com a dada de referència els 0,537 4 mol d’H2S i procedim de la manera habitual per calcular la massa d’SO2 que s’obtindrà: Mr (SO2 ): 1 · 32,07 + 2 · 16,00 = 64,07 0,5374 mol H2S ·

2 mol SO2 2 mol H2S

M (SO2 ): 64,07 g ·mol−1

64,07 g SO2 1 mol SO2

= 34,43 g SO2

Es formen 34,43 g de diòxid de sofre. COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

Exercicis i problemes 27, 30, 31 i 34

112876_UN_03_CAT.indd 93

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

INTERNET Consulta les normes de seguretat per a l’emmagatzematge i la manipulació dels productes químics:

4.5. Càlculs amb reactius en dissolució Sovint, les reaccions químiques es produeixen en dissolució. En aquests casos, hem de conèixer les concentracions de les solucions que hi intervenen per a calcular la quantitat de reactiu present.

http://www.insht.es

EXEMPLE

El carbonat de calci, CaCO3, reacciona amb àcid clorhídric, HCl(aq), i forma clorur de calci, CaCl2; diòxid de carboni, CO2, i aigua, H2O. Es fan reaccionar 6,5 g de carbonat de calci amb àcid clorhídric 1,5 mol · L-1. Calcula el volum d’àcid clorhídric 1,5 M necessari perquè la reacció sigui completa. Solució

COMPRENSIÓ. Tenim la massa d’un reactiu i la concentració del reactiu del qual ens demanen la quantitat en volum perquè la reacció sigui completa. CaCO3 (s) + HCl(aq) → CaCl2 (aq) + CO2 (g) + H2O(l) DADES. m (CaCO3) = 6,5 g c(HCl) = 1,5 mol · L−1; incògnites: V (HCl). RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació ajustada: CaCO3 (s) + 2 HCl(aq) → CaCl2 (aq) + CO2 (g) ↑ + H2O(l) —— Convertim la massa de CaCO3 en quantitat de substància. Calculem la quantitat d’HCl necessària, segons la relació estequiomètrica, i ho convertim a volum de solució tenint-ne en compte la concentració: Mr (CaCO3 ): 1 · 40,08 + 1 · 12,01 + 3 · 16,00 = 100,09 6,5 g CaCO3 · Problemes resolts A

Exercicis i problemes 32

1 mol CaCO3 100,09 g CaCO3

2 mol HCl 1 mol CaCO3

M (CaCO3 ): 100,09 g ·mol−1

1 L HCl(aq) 1,5 mol HCl

= 0,090 L HCl(aq)

Es necessiten 90 mL d’HCl(aq) 1,5 mol · L-1 perquè reaccionin completament 6,5 g de CaCO3. COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

EXEMPLE

Es fan reaccionar 5,0 g de zinc amb una solució d’àcid clorhídric 35 % en massa i 1,18 g · cm-3 de densitat. Calcula el volum d’àcid necessari perquè la reacció sigui completa. Solució

COMPRENSIÓ. Ens proporcionen la massa d’un reactiu i la concentració i la densitat de l’altre, del qual hem de calcular el volum necessari perquè la reacció sigui completa. Zn(s) + HCl(aq) → ZnCl2 (aq) + H2 (g) ↑

—— Calculem el volum de solució d’HCl, tenint en compte el percentatge en massa i la densitat de la solució: 5,0 g Zn ·

1 mol Zn 65,41 g Zn

DADES. m (Zn) = 5,0 g % massa (HCl) = 35 % d (HCl) = 1,18 g · cm−3 Incògnites: V (HCl).

Zn(s) + 2 HCl(aq) → ZnCl2 (aq) + H2 (g) —— Determinem la massa d’HCl necessària, procedint de la manera habitual: Mr (Zn): 65,41

M (Zn): 65,41 g ·mol−1

Mr (HCl): 1 · 1,01 + 1 · 35,45 M (Cl): 36,46 g ·mol−1

2 mol HCl 1 mol Zn

36,46 g HCl 1 mol HCl

= 5,6 g HCl 5,6 g HCl ·

RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació ajustada:

100 g solució 35 g HCl

1 cm3 solució 1,18 g solució

= 14 cm3 Es necessiten 14 cm3 de solució d’àcid clorhídric 35 % en massa perquè la reacció sigui completa. COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

112876_UN_03_CAT.indd 94

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

5. Rendiment d’una reacció química

5. Rendiment d’una reacció química En la realitat, quan es duu a terme una reacció química, s’obté menys quantitat de producte de la que teòricament caldria esperar a partir dels càlculs estequio mètrics. Quan succeeix això, diem que la reacció té un rendiment inferior al 100 %. El rendiment d’una reacció química és el quocient entre la quantitat de qq

producte obtingut realment i la quantitat de producte que esperàvem obtenir teòricament. Rendiment (%) =

Quantitat de producte obtingut Quantitat de producte teòric

Indústria química. El rendiment d’una reacció química és un factor fonamental en la indústria química.

· 100

Com que el volum, si són gasos, i la massa són proporcionals a la quantitat de substància, és habitual relacionar el rendiment d’una reacció amb aquestes magnituds, ja que són més fàcils de determinar en la pràctica que la quantitat química. FIXA-T’HI

Un rendiment inferior al teòric en una reacció química es pot deure a les causes següents:

Com que el rendiment real d’una reacció química sempre és inferior al 100 %, es produeix menys quantitat de producte que el teòric. Per tant, necessitem més quantitat de reactiu que el teòric per a obtenir una quantitat de producte determinada.

—— El desenvolupament de la reacció s’ha produït en condicions inadequades. —— L’existència de reaccions secundàries paral·leles, que han donat lloc a productes no volguts. —— La pèrdua de material durant la manipulació o la purificació d’aquest. —— S’ha utilitzat menys temps de reacció que el requerit. Vegem en l’exemple següent que, a partir del valor del rendiment d’una reacció química, podem determinar la quantitat de producte real obtinguda. Per a això n’hi ha prou de calcular la quantitat teòrica mitjançant l’estequiometria de la reacció i multiplicar-ho pel rendiment donat.

EXEMPLE

Exercicis i problemes 35 a 40

Mr (KClO3 ): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 + 3 · 16,00 = 122,55

M (KClOi oxigen. g ·molla−1quantitat de clorur de potassi 3 ): 122,55 Es descomponen 160 g de clorat de potassi, KClO3, i es produeixen clorur de potassi Calcula obtinguda, en grams, si el rendiment de la reacció és del 85 %. Mr (KCl): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 = 74,55 Solució

M (KCl): 74,55 g ·mol−1 COMPRENSIÓ. Coneixem la massa del reactiu i el rendiment de la reacció.

160 g KClO3 ·

KClO3 (s) → KCl(s) + O2 (g) ·

DADES. m (KClO3) = 160 g; Rendiment = 85 % Incògnites: m (KCl).

1 mol KClO3 122,55 g KClO3

74,55 g KCl 1 mol KCl

2 KClO3 (s) → 2 KCl(s) + 3 O2 (g) —— Calculem la massa teòrica de KCl a partir de l’estequiometria de la reacció: Mr (KClO3 ): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 + 3 · 16,00 = 122,55 M (KClO3 ): 122,55 g ·mol−1 M (KCl): 74,55 g ·mol−1

· 112876_UN_03_CAT.indd 95

122,55 g KClO3

74,55 g KCl 1 mol KCl

2 mol KCl 2 mol KClO3

= 97,3 g KCl (teòrics)

97,3 g KCl teòrics ·

85 g KCl obtinguts 100 g KCl teòrics

= 83 g KCl

S’obtenen 83 g de clorur de potassi. COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

Mr (KCl): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 = 74,55 1 mol KClO3

2 mol KCl 2 mol KClO3

—— Hi apliquem el rendiment de la reacció per conèixer la quantitat obtinguda realment de KCl:

RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació ajustada:

160 g KClO3 ·

· 95

= 97,3 g KCl (teóricos) 13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

6. Reactius impurs i puresa d’una mostra

Minimum assay (Perm.) 98 % MAXIMUM LIMIT OF IMPURITIES Insoluble matter in H2O 0,003 % Chloride (Cl) 0,002 % 0,005 % Sulphate (S4O) Heavy metals (as Pb) 0,001 % As 0,00004 % Metals by ICP [mg/Kg (ppm)] Al 5 K 50 Au 5 Li 5 B 5 Mg 25 Ba 5 Mn 5 Be 5 Mo 5 Bi 5 Ni 10 Ca 25 Pb 10 Cd 5 Sb 5 Co 5 Si 5 Cr 5 Sn 5 Cu 10 Sr 5 Reactius de laboratori. Fe 10 Ti 5 Ga 5 Tl En les etiquetes de les substàncies 5coGe 5 V 5 mercials s’indica Hg el percentatge 5 Zn de10pu-

resa o riquesa del reactiu corresponent.

6. Reactius impurs i puresa d’una mostra Els reactius que s’utilitzen en la indústria química i en els laboratoris normalment no tenen una puresa del 100 %. És a dir, contenen impureses que hem de tenir en compte en els càlculs, ja que només reaccionarà la part de la mostra lliure d’impureses, i no la quantitat de mostra inicial. Per a això considerem el concepte de riquesa o puresa. La riquesa o puresa d’una mostra és el percentatge de substància qq pura que conté.

Es pot expressar de les maneres següents: Riquesa (% m/m) = Riquesa (% v/v) =

m (substància pura) m (mostra)

V (substància pura)

· 100

V (mostra)

EXEMPLE

El carbonat de calci, CaCO3(s), de les roques calcàries es descompon, quan s’escalfa, en òxid de calci, CaO2(s), i diòxid de carboni, CO2(g). Si es calcinen 500 g de calcària al 70,0 % m/m de riquesa en carbonat de calci, calcula la quantitat d’òxid de calci que es produirà. Quin volum de diòxid de carboni s’obtindrà a 20 °C i 700 mmHg? Solució

COMPRENSIÓ. Coneixem la massa i la riquesa de la mostra. Δ

CaCO3 (s) ⎯⎯⎯→ CaO(s) + CO2 (g)

Calcària. Roca sedimentària composta majoritària ment per cal cita (CaCO 3). Reacciona amb àcid clorhídric. Textura cristal·lina. Color blanc, incolor, marró, rosa, groc o gris. S’utilitza sobretot en la fabricació de ciments, ceràmiques i pintures, però també s’usa com a component de medicaments i cosmètics.

DADES. m (calcària) = 500 g; Riquesa (CaCO3) = 70 % m/m Incògnites: m (CaO); V (CO2) a 20 ºC i 700 mmHg. Δ RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació ajustada: CaCO3 (s) ⎯⎯⎯ → CaO(s) + CO2 (g) ↑

—— Calculem la massa de CaCO3 que reacciona, tenint en compte la riquesa de la calcària: 500 g calcària ·

70,0 g CaCO3 100 g calcària

= 350 g CaCO3

—— Determinem la massa de CaO que es produeix en la reacció: Mr (CaCO3 ): 1 · 40,08 + 1 · 12,01 + 3 · 16,00 = 100,09

M (CaCO3 ): 100,09 g ·mol−1

Mr (CaO): 1 · 40,08 + 1 · 16,00 = 56,08

M (CaO): 56,08 g ·mol−1

350 g CaCO3 ·

1 mol CaCO3 100,09 g CaCO3

1 mol CaO

1 mol CaCO3

56,08 g CaO 1 mol CaO

= 196 g CaO

—— Determinem la quantitat de CO2 que es produeix: 350 g CaCO3 ·

1 mol CaCO3 100,09 g CaCO3

1mol CO2 1 mol CaCO3

= 3,50 mol CO2

—— Calculem el volum de CO2 obtingut amb l’equació d’estat dels gasos ideals, tenint en compte les condicions de pressió i temperatura: T = (20 + 273) K = 293 K; p = 700 mmHg · Problemes resolts B

Exercicis i problemes 41 a 46

V (CO2 ) =

n RT p

1 atm 760 mmHg =

1,013 · 105 Pa 1 atm

= 9,33 · 104 Pa

3,50 mol · 8,31 Pa ·m3 · K −1 · mol−1 · 293 K 9,33 · 104 Pa

= 0,0913 m3 CO2

COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

112876_UN_03_CAT.indd 96

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

7. Indústria química i medi ambient

7. Indústria química i medi ambient La química té un paper fonamental en la nostra societat actual. D’una banda, gràcies a la investigació, contribueix al desenvolupament científic i tecnològic. De l’altra, l’aplicació d’aquests coneixements a la indústria ha permès el desenvolupament de processos i l’obtenció de nous productes, els quals satisfan les necessitats diàries que tenim i milloren la nostra qualitat de vida.

7.1. Tipus d’indústria química 7.2. Processos industrials 7.3. Desenvolupament sostenible

Fritz Haber (1868-1934)

La indústria química s’ocupa de l’extracció i el processament de les primeres matèries, tant naturals com sintètiques, i de la transformació corresponent en altres substàncies diferents mitjançant reaccions químiques.

7.1. Tipus d’indústria química La indústria química s’aplica en sectors molt diversos, i així parlem de les indústries alimentària, metal·lúrgica, farmacèutica, petroquímica, paperera, etc. Si considerem el tipus de primera matèria que s’utilitza i el producte final que es fabrica, distingim aquests tipus d’indústria química: —— La indústria química de base utilitza primera matèria bàsiques i elabora productes intermedis que, al seu torn, serveixen de primera matèria per a altres indústries. Són exemples d’aquests productes intermedis l’amoníac, l’àcid sulfúric, l’hidròxid de sodi, l’etanol, el toluè, etc. —— La indústria química de transformació empra com a primera matèria els productes intermedis elaborats per la indústria química de base, i fabrica productes finals destinats al consum directe. Entre aquests productes finals trobem els productes d’alimentació, el paper, els fàrmacs, la roba, els combustibles per als vehicles, etc.

7.2. Processos industrials

Químic alemany que fou guardonat amb el Premi Nobel de Química l’any 1918, per la síntesi de l’amoníac. El 1913, Haber va desenvolupar un mètode per a obtenir amoníac a partir del nitrogen i l’hidrogen de l’aire, i va establir les bases per a produir-lo a gran escala. Més endavant, Carl Bosch va adaptar el mètode per fer-ne un ús comercial i es va anomenar procés Haber-Bosch. L’amoníac s’utilitza en la fabricació d’explosius i en la producció de fertilitzants.

En els processos industrials s’utilitzen reaccions químiques que prèviament s’han estudiat al laboratori, amb l’objectiu de fabricar un producte de qualitat al mínim cost possible. A continuació, estudiarem els processos d’obtenció d’algunes substàncies i materials de gran interès per a la indústria i l’ésser humà.

Obtenció de l’amoníac L’amoníac és un gas incolor, amb una olor aguda i molt penetrant. S’obté a partir dels seus elements, hidrogen i nitrogen, mitjançant el mètode descobert per Fritz Haber, anomenat síntesi d’Haber. La reacció de producció industrial de l’amoníac és la següent: N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 (g) El procés d’Haber (o procés d’Haber-Bosch) té aquestes tres etapes: —— Preparació dels gasos de síntesi. Es preparen l’hidrogen i el nitrogen.

La planta experimental que va utilitzar Fritz Haber. El reactor catalític és el cilindre de l’esquerra.

—— Síntesi catalítica. Els gasos es posen en contacte amb un catalitzador per accelerar la reacció en el reactor, que funciona a 200 atm de pressió i 400 °C de temperatura. Aquestes condicions optimitzen el rendiment i el temps de la reacció. —— Separació de l’amoníac. Es refreda la mescla que surt del reactor i se separen els gasos de l'amoníac en un condensador (els gasos són reutilitzats).

Exercicis i problemes 47 i 49

112876_UN_03_CAT.indd 97

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

Mineral de ferro

Calcària (fundent)

Obtenció d’acer

Carbó de coc

La siderúrgia s’encarrega de tractar el mineral del ferro per a elaborar aliatges, principalment, acer. L’acer és un aliatge amb dos components fonamentals, ferro (Fe) i carboni (C). El procés siderúrgic comprèn les etapes següents, en què, a partir del mineral de ferro (ric en òxids de ferro), el carbó de coc i la calcària com a primeres matèries, s’obté acer com a producte final:

Gasos Coc d’escapament Calcària Tolva Muntacàrregues

Fosa de ferro

Bocana Pans o lingots de ferro colat

Revestiment refredat per aigua

Ferro Coc Cullera Calcària de colada

800°

Conducte principal d’aire

Ferralla Tovera

Cubilot

Aire calent Ferro colat fos «Colada»

1 900°

Escòria

Oxigen

Cisterna d’escòria

Acer Torpede

Gresol

Convertidor

Lingots d’acer refinat Forn elèctric d’afinament

Esquema del procés siderúrgic. El ferro colat que surt de l’alt forn pot seguir dos processos diferents, segons si s’utilitza per a fabricar acero (0,03 - 1,76 % en C) o ferro de fosa (1,76 - 6,67 % en C).

COMPOSICIÓ

De baix carboni

% C < 0,25

De mitjà carboni

0,25 < % C < 0,55

D’alt carboni

0,55 < % C < 2

De baix aliatge

< 5 % elements d’aliatges (Mn, Cr, Ni, V, Ti)

D’alt aliatge

> 5 % elements d’aliatges (Mn, Cr, Ni, V, Ti)

Inoxidables

Aliatges

Al carboni

TIPUS D’ACER

< 1,2 % C > 10,5 % Cr

Exercicis i problemes 50 i 51

—— Preparació de les primeres matèries. Es condicionen i emmagatzemen les primeres matèries. Cal moldre el mineral de ferro en petits aglomerats. —— Reducció del mineral de ferro per obtenir ferro colat. La transformació del mineral de ferro en ferro metàl·lic es duu a terme en els alts forns. Per la bocana (part superior del forn) es carreguen els minerals de ferro, la calcària i el coc. Per la tovera s’injecta aire preescalfat a 1 000 ºC que facilita la combustió del coc. Durant aquesta combustió s’allibera monòxid de carboni (CO), que es combina amb els òxids de ferro del mineral i els redueix a ferro metàl·lic. Aquestes reaccions són les següents: 2 C(s) + O2 (g) → 2 CO(g) Fe2O3 (s) + 3 CO(g) → 3 CO2 (g) + 2 Fe(l)

El ferro líquid format s’anomena ferro colat i flueix cap al fons del forn. La calcària reacciona amb les impureses del mineral, la qual cosa evita que contaminin el ferro colat, i originen l’escòria (subproducte usat en la fabricació de ciments i aïllants tèrmics). L’escòria fosa i el ferro colat s’acumulen en el gresol (part inferior del forn) i se separen; l’escòria, menys densa, flota sobre el ferro colat, més dens, que ocupa el fons del gresol. Cada cert temps s’extreu el ferro colat en una operació anomenada colada, i es drena l’escòria a una cisterna. —— Fabricació de l’acer. Per a obtenir acer a partir del ferro colat, cal eliminar una part del carboni i les impureses que conté en un procés anomenat afinament. En un convertidor d’oxigen s’introdueix de primer ferralla d’acer (20-40 %) i, a continuació, el ferro colat (60-80 %) procedent dels alts forns, que té a la vora d’un 6 % de carboni. S’injecta oxigen pur que oxida el carboni del ferro colat, de manera que es produeix diòxid de carboni gasós (CO2), i es redueix el percentatge en carboni del ferro colat, segons la reacció següent: 2 C(s) + O2 (g) → 2 CO2 (g). Al final d’aquest procés, s’analitza la composició de l’acer afinat (tindrà prop d’un 2 % de carboni) i s’hi agreguen els ferroaliatges (aliatges amb un alt contingut en elements, com ara crom, tungstè, molibdè, coure, níquel, etc.), que aporten característiques especials als diversos tipus d’acer, i es rectifica el contingut en carboni. Les propietats mecàniques dels acers (ductilitat, duresa, etc.) depenen de la composició de l’aliatge. —— Laminació de l’acer en productes finals. L’acer se sotmet a diferents tractaments mecànics per a obtenir-ne barres, planxes, tubs, etc.

112876_UN_03_CAT.indd 98

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

Obtenció de l’alumini En la indústria metal·lúrgica destaca, per les nombroses aplicacions que té, la fabricació d’alumini. L’alumini s’obté a partir de la bauxita, una roca sedimentària composta per òxids d’alumini hidratats.

Bauxita de mina

Mòlta Digestor Filtre

El procés de fabricació de l’alumini consta de les dues fases següents: —— Extracció de l’alúmina (Al2O3), per mitjà del procés Bayer. De primer es tritura la bauxita i es renta amb una solució calenta d’hidròxid de sodi (NaOH) per a dissoldre-hi els minerals d’alumini. Aquesta etapa s’anomena digestió, i es duu a terme a una temperatura de 140 ºC. A continuació, es procedeix a la decantació i filtració per a retirar els sòlids no dissolts, i a la precipitació de la dissolució per a formar hidròxid d’alumini pur Al(OH)3. Finalment, l’hidròxid d’alumini s’escalfa a 1 050 °C, en una operació anomenada calcinació, per a convertir-lo en alúmina (Al2O3). En la calcinació s'esdevé la reacció química següent:

Precipitador

Residus de bauxita Forn rotatiu Alúmina

Esquema del procés Bayer. Principal mètode industrial per a produir alúmina a partir de la bauxita. Aquest procés el va patentar l’austríac Karl Bayer el 1889.

2 Al(OH)3 (s) → Al2O3 (s) + 3 H2O(g) —— Obtenció de l’alumini mitjançant electròlisi, segons la reacció següent: 2 Al2O3 (l) → 4 Al(l) + 3 O2 (g) ↑

VOCABULARI

Desenvolupament de nous materials i les seves aplicacions

—— Nanotecnologia. Camp de la ciència que estudia i manipula la matèria a escala nanomètrica (0,1 nm-100 nm).

Els metalls i els seus aliatges tenen propietats molt interessants per a l’enginyeria i la tecnologia. L’acer és el més utilitzat, ja que, a més de ser molt versàtil, combina bones propietats físiques i mecàniques i té un preu baix.

—— Biomedicina. Disciplina que aplica els principis de les cièn cies naturals (biologia, química i física) a la pràctica clínica.

Tanmateix, els darrers anys han aparegut nous materials millorats fruit de la investigació i del desenvolupament en els camps de la química i la física. Entre aquests materials, destaquem els següents, que s’apliquen àmpliament en camps com la nanotecnologia o la biomedicina:

—— Biomaterial. Compost dissenyat per a ser implantat o incorporat en un sistema viu a fi de reemplaçar o restaurar alguna funció.

—— Semiconductors: materials la resistència dels quals al pas del corrent depèn de factors com la temperatura, la tensió mecànica o el grau d’il·luminació aplicada. El silici, el gal·li o el seleni en són exemples. Amb aquests materials es fabriquen microxips per a dispositius electrònics. —— Superconductors: materials com els nanotubs de carboni, els aliatges de niobi i titani, les ceràmiques d’òxids d’itri, bari i coure, etc., que no oposen resistència al pas del corrent i permeten el transport d’energia sense pèrdues. El seu funcionament es basa en la creació de camps magnètics molt intensos, que s’utilitzen actualment en ressonàncies magnètiques, en frens i en acceleradors. Tanmateix, se n’està investigant el comportament a temperatures altes per a aplicar-los en computació, motors i mitjans de transport que leviten en l’aire. —— Silicones: consisteixen en polímers formats per cadenes de silici en comptes de carboni. Són molt flexibles, lleugers i emmotllables, per la qual cosa s’usen com a biomaterials en pròtesis i implants, com, per exemple, en lents intraoculars. —— Cristalls líquids: materials que presenten una fase intermèdia entre la líquida i la sòlida, i que tenen propietats de totes dues. S’apliquen en pantalles de dispositius electrònics, com ara televisors, ordinadors, telèfons mòbils, etc.

INTERNET La fibra òptica és un mitjà de transport de dades molt utilitzat actualment en telecomunicacions, perquè permet enviar una gran quantitat de dades a molta distància. Està formada per fils de vidre transparent. En l’enllaç següent, en pots veure el procés de fabricació: http://links.edebe.com/f3xf

Exercicis i problemes 52, 58 i 59

112876_UN_03_CAT.indd 99

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

INTERNET Analitza els signes de l’efecte d’hiver nacle i com afecta la nostra vida diària, mitjançant el recurs interactiu següent: http://links.edebe.com/nuq

7.3. Desenvolupament sostenible La química ha proporcionat grans progressos a la humanitat, però també ha contribuït a l’agreujament de problemes ambientals com la contaminació de l’aire, l’aigua i el sòl. Té una importància especial l’anomenat canvi climàtic, que està estretament relacionat amb els fenòmens següents: —— Efecte d'hivernacle. Consisteix en l’augment de la temperatura mitjana del planeta, a conseqüència de l’acumulació de gasos en l’atmosfera, emesos quan es cremen combustibles fòssils. Aquests gasos són diòxid de carboni (principalment), metà, òxids de nitrogen, vapor d’aigua, ozó i els clorofluorocarbonis (CFC), que impedeixen que el planeta emeti radiació infraroja a l’espaiexterior. En conseqüència, com que hi ha menys pèrdues d'energia, l’energia total augmenta, per la qual cosa la temperatura general també s'incrementa. Un efecte directe d’això és la pujada del nivell del mar, a causa del desglaç dels casquets polars.

FIXA-T’HI Podem contribuir al desenvolupament sostenible si apliquem les mesures següents: —— Reduir la generació de residus sòlids; consumir només el que necessitem i reutilitzar tots els envasos que puguem. —— Contribuir al reciclatge de residus separant els metalls, els plàstics i el vidre dels residus orgànics. —— Comprar electrodomèstics de baix consum o d’alta eficiència energètica. —— Utilitzar el transport públic en comptes del cotxe. —— No tenir aixetes obertes ni llums encesos que no utilitzem. —— Vestir-se de manera adequada a l’estació de l’any i no abusar de la calefacció ni de l’aire condi cionat.

—— Pluja àcida. El diòxid de sofre i, en una proporció més petita, els òxids de nitrogen procedents de les emissions de la indústria i del transport reaccionen amb el vapor d’aigua dels núvols i originen àcids que la pluja arrossega. Aquesta pluja provoca danys importants a la fauna i la flora, i fins i tot als edificis i els monuments, ja que reacciona amb els materials de construcció. —— Destrucció de la capa d’ozó. L’ozó és a l’estratosfera, on forma una capa de gas (ozonosfera) que fa de filtre contra la radiació solar. Hi ha una zona en aquesta capa on la concentració d'ozó és inferior; es coneix com a «forat d’ozó» i és provocat pels clorofluorocarbonis (CFC) que abans s’utilitzaven en els aerosols i que avui dia estan prohibits. Actualment s’estan desenvolupant productes i processos que redueixen o eliminen aquests efectes negatius sobre el medi ambient i la salut de les persones. És el que es coneix com a química verda o química sostenible, i que té l’objectiu de contribuir a la sostenibilitat del planeta mitjançant la creació de tècniques alternatives que previnguin la contaminació. La indústria química està canviant, i ja no pot tenir en compte solament la rendibilitat econòmica sinó que també ha de considerar la rendibilitat mediambiental. És a dir, la química pot i ha de contribuir a un futur sostenible. desenvolupament sostenible consisteix a satisfer les necessitats de qq El les generacions presents sense comprometre les necessitats de les generacions futures.

Per a aconseguir un desenvolupament sostenible, cal que hi hagi un equilibri en les dimensions mediambiental, econòmica i social. La societat cada dia és més conscient de la problemàtica mediambiental i s’adopten mesures orientades a la sostenibilitat, tant des del punt de vista urbà com industrial. Són mesures destinades a evitar la contaminació que genera la indústria química: Exercicis i problemes 48, 53 a 57, 60 i 61

—— L’aprofitament de les emissions gasoses. —— El tractament i la purificació de les aigües residuals. —— El reciclatge de residus sòlids.

Síntesis 62 a 67

—— El desenvolupament i la utilització de productes biodegradables. —— L’ús d’energies renovables.

100

112876_UN_03_CAT.indd 100

13/01/15 11:08

Problemes RESOLTS

unitat 3. reaccions químiques

ESTEQUIOMETRIA I REACTIUS EN DISSOLUCIÓ

1 L NaOH (aq) S’esdevé la reacció de 250 mL d’una solució de 0,50 mol · L−1 d’hidròxid de sodi amb 50 mL d’una mol · L−1 d’àcid sulfúric. Es250 NaOH altra (aq) d’1,5 · · 1000 mL NaOH (aq) reacció. brina la massa de sulfat de sodi que s’origina en la reacció i les quantitats d’altres substàncies que hi haurà al final d’aquesta · COMPRENSIÓ. Coneixem les quantitats dels dos reactius (volum i molaritat). Hem d’esbrinar quin és el reactiu limitant, ja que aquest és el que es consumirà totalment. Per tant, hem de partir de la quantitat de reactiu limitant per a efectuar els càlculs estequiomètrics pertinents i trobar les quantitats que es demanen en el problema. H2SO4 (aq) + NaOH(aq) → Na2SO4 (aq) + H2O(l) DADES. V (NaOH) = 250 mL

c (NaOH) = 0,50 mol·L−1

V (H2SO4 ) = 50 mL c (H2SO4 ) = 1,5 Incògnites: m (Na2SO4); m (H2O).

50 mL H2SO4 (aq) · ·

—— Escrivim i ajustem l’equació química corresponent. —— Calculem la quantitat de mols de cada reactiu continguts en el volum de solució que ens donen, tenint en compte la concentració de cada solució. —— Determinem quin reactiu és el limitant i quin hi és en excés, aplicant la relació molar entre tots dos. —— Calculem la massa de sulfat de sodi formada a partir de la quantitat de reactiu limitant, tenint en compte l’estequiometria de la reacció. —— Al final de la reacció, quedaran també la massa d’aigua que s’ha format i la part del reactiu en excés. —— Indiquem la quantitat de reactiu que sobra; restem la quantitat de partida menys la que reacciona. Resposta

—— Trobem els mols de cada reactiu aplicant la molaritat de cada solució.

50 mL H2SO4 (aq) ·

Solució

1 L H2SO4 (aq)

1000 mL H2SO4 (aq) = 0,080 mol H2SO4

1 mol H2SO4

= 0,070 mol H2SO4

2 mol NaOH

Fan falta 0,070 mol d’H2SO4 perquè reaccioni tot l’NaOH. Com que tenim més quantitat d’H 2 SO 4 , 0,080 mol, l’H2SO4 hi és en excés, i el reactiu limitant és l’NaOH. —— Calculem la massa d’Na2SO4 que s’ha format: Mr (Na2SO4 ): 2 · 22,99 + 1 · 32,07 + 4 · 16,00 = 142,05 M (Na2SO4 ): 142,05 g ·mol−1 0,13 mol NaOH ·

1 mol Na2SO4 2 mol NaOH

142,05 g Na2SO4 1 mol Na2SO4

= 9,2 g Na2SO4 —— Calculem la massa d’H2O que s’origina en la reacció: Mr (H2O): 2 · 1,01 + 1 · 16,00 = 18,02 M (H2O): 18,02 g ·mol−1 0,13 mol NaOH ·

2 mol H2O 2 mol NaOH

18,02 g H2O 1mol H2O

= 2,3 g H2O

H2SO4 (aq) + 2 NaOH(aq) → Na2SO4 (aq) + 2 H2O(l)

1 L NaOH (aq)

= 0,13 mol NaOH

—— Calculem els mols d’H2SO4 necessaris perquè reaccioni tot l’NaOH present:

—— Escrivim l’equació química ajustada:

1 L NaOH (aq) 1000 mL NaOH (aq)

0,50 mol NaOH

1,5 mol H2SO4 1 L H2SO4 (aq)

mol·L−1

Passos

1 L NaOH (aq)

0,13 mol NaOH ·

RESOLUCIÓ. Intenta resoldre el problema tot sol; per fer-ho, tapa la resposta i segueix aquests passos:

250 mL NaOH (aq) ·

0,50 mol NaOH

= 0,13 mol NaOH 1 L H2SO4 (aq)

1000 mL H2SO4 (aq)

—— Determinem l’excés d’H2SO4 que quedarà al final de la reacció: Excés (H2SO4 ) = (0,080 − 0,070) mol = 0,010 mol Al final de la reacció s’han format 9,2 g d’Na2SO4, 2,3 g d’H2O, i han sobrat 0,010 mL d’H2SO4. COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són adequades.

1,5 mol H2SO4 · = 0,080 mol H SO4 El KI reacciona Pb(NO3)2 i dóna lloc2 a un precipitat 1 L H2SOamb 4 (aq) groc, PbI2, a més d’una altra substància. Si mesclem 25 mL d’una solució de 3,0 mol · L–1 de KI amb 15 mL de solució de (PbNO3)2 0,40 mol · L–1 quina quantitat de precipitat obtindrem? s

Sol.: 1,7 g de Pbl2

En escalfar Ca(ClO)2 i HCl es forma gas Cl2, CaCl2 i H2O. Si es fan reaccionar 50 g de Ca(ClO)2 i 275 mL d’HCl, 6,0 M, determina els grams de Cl2 que es produeixen en la reacció i la quantitat de reactius que hi ha en excés. s

Sol.: 50 g Cl2(g); 1 · 10 g d’HCl en excés

101

112876_UN_03_CAT.indd 101

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

ESTEQUIOMETRIA I RIQUESA D’UNA MOSTRA

La galena és un mineral que conté sulfur de plom(II). La torrefacció completa de la galena es representa mitjançant l’equació química següent (sense ajustar): PbS(s) + O2(g) → PbO(s) + SO2(g). Calcula el volum de diòxid de sofre que s’obtindrà després de torrar 1,00 kg de mineral amb un 75,0 % de riquesa en PbS, si es recull a 1,00 · 105 Pa i 400 °C. Esbrina el volum d’aire, mesurat en condicions estàndard, que ha reaccionat. Considera que l’aire té un 21 % en volum d’oxigen. Solució

COMPRENSIÓ. Hem de calcular la quantitat de reactiu, sulfur de plom, que hi ha en 1 kg de galena. Després, hem d’efectuar els càlculs estequiomètrics corresponents per a trobar les quantitats que es demanen en el problema. DADES. m (galena) = 1,00 kg; Riquesa (PbS) = 75,0 % m/m p = 1,00 · 105 Pa; T = 400 °C = 673 K

—— Calculem els mols d’SO2 que es produeixen en la reacció, tenint en compte la relació molar entre el PbS i l’SO2: Mr (PbS): 1 · 207,19 + 1 · 32,07 = 239,26 M (PbS): 239,26 g ·mol−1 750 g PbS ·

Incògnites: V (SO2); V (O2). RESOLUCIÓ. Intenta resoldre el problema tot sol; per fer-ho, tapa la resposta i segueix aquests passos: Passos —— Ajustem l’equació química corresponent. —— Calculem la quantitat de sulfur de plom(II) que hi ha en 1 kg de mineral. El sulfur de plom(II) serà, òbviament, el reactiu limitant. —— Determinem la quantitat de diòxid de sofre que s’origina en la reacció, tenint en compte l’estequiometria de la reacció. —— Passem els mols de diòxid de sofre a unitats de volum mitjançant l’equació d’estat dels gasos ideals, amb les condicions de pressió i temperatura donades. —— Calculem el volum d’oxigen que ha reaccionat a partir de l’estequiometria de la reacció i el volum molar, ja que se’ns demana en condicions estàndard (105 Pa i 273 K).

—— Escrivim l’equació química ajustada:

V (SO2 ) =

75,0 g PbS 100 g galena

= 750 g PbS

3,13 mol · 8,31 Pa ·m3 · K −1 · mol−1 · 673 K 1,00 · 105 Pa

= 0,175 m3 SO2 = 175 L SO2 —— Determinem el volum d’O2 necessari perquè es produeixi la reacció. Com que se’ns demana en condicions estàndard, podem utilitzar el volum molar per a la conversió a litres: 750 g PbS ·

1 mol PbS 239,3 g PbS

3 mol O2 2 mol PbS

22,7 L O2 1 mol O2

= 107 L O2

107 L O2 ·

—— Calculem la massa de PbS present en un 1 kg de galena, tenint en compte la riquesa en sulfur de plom: ·

—— Trobem el volum d’SO2 mitjançant l’equació d’estat dels gasos ideals, considerant les condicions de pressió i temperatura en què es recull: n RT V (SO2 ) = p

2 PbS(s) + 3 O2 (g) → 2 PbO(s) + 2 SO2 (g)

1 kg galena

2 mol SO2 2 mol PbS

—— Trobem el volum d’aire equivalent, sabent que el 21 % de l’aire és oxigen:

Resposta

1000 g galena

= 3,13 mol SO2

—— Finalment, indiquem el volum d’aire tenint present el percentatge d’oxigen en l’aire.

1,00 kg galena ·

1 mol PbS 239,26 g PbS

L’esfalerita és un mineral que té com a component principal el sulfur de zinc. Per torrefacció completa de l’esfalerita s’obtenen òxid de zinc i diòxid de sofre. Calcula la puresa en sulfur de zinc d’una esfalerita, si sabem que la torrefacció completa de 13,0 g de mineral produeix 2,50 L de diòxid de sofre gasós, mesurat en condicions estàndard. a

Sol.: 82,3 %

100 L aire 21 L O2

= 510 L aire

En la reacció s’han produït 175 L d’SO2, mesurats a 1,00 · 105 Pa i 400 °C i, per a això, hi han intervingut 510 L d’aire, mesurats en condicions estàndard. COMPROVACIÓ. Comprovem que la quantitat i les unitats són correctes. En cas contrari, revisem els càlculs.

La reacció del carbonat de calci amb àcid clorhídric produeix diòxid de carboni, clorur de calci i aigua. Calcula la quantitat de calcària, del 92,00 % m/m de riquesa en carbonat de calci, que es necessita per a obtenir 2,500 kg de clorur de calci. Quin volum ocupa el diòxid de carboni obtingut mesurat a 25 °C i 770 mmHg de pressió? 2 s

Sol.: 2,451 kg; 542 L d’SO2

102

112876_UN_03_CAT.indd 102

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

EXERCICIS i PROBLEMES c) Ag(s) + O2(g) → Ag2O(s)

1 EL CONCEPTE DE REACCIÓ QUÍMICA 5. 6.

Observa les reaccions químiques que s’esdevenen en la natura. Explica-les a partir de les preguntes següents: a) Què hi observes? b) Què et fa dir això?

d) Na2CO3(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + CO2(g) + H2O(l)

e) C2H5OH(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g)

13.

Classifica en canvis físics o químics els processos següents. Justifica les respostes. a

a) PCl3(l) + H2O(l) → H3PO3(aq) + HCl(aq)

a) Afegir sal a una olla amb aigua calenta. b) Fermentar el most del raïm. c) Desfer glaçons. d) Encendre un llumí.

b) PdCl2(aq) + HNO3(aq) → Pd(NO3)2(s) + HCl(aq)

Indica els reactius i els productes d’aquestes reaccions químiques:

d) Al4C3(s) + H2O(l) → Al(OH)3(s) + CH4(g)

a) L’òxid de calci reacciona amb l’aigua i genera hidròxid de calci.

f) Cr2O3(s) + Si(s) → Cr(s) + SiO2(s)

c) SO2(g) + O2(g) → SO3(g)

b) Per a obtenir òxid de nitrogen(II) fem reaccionar amoníac i oxigen, i també es forma vapor d’aigua. c) La descomposició de l’òxid de mercuri(II) origina mercuri elemental i oxigen molecular.

e) Na(s) + Cl2(g) → NaCl(s) —— Interpreta-les en termes atomicomoleculars i en termes molars.

14.

—— Indica quins enllaços es trenquen i quins es formen en cada reacció.

La combustió del metà (CH4) en presència d’oxigen origina diòxid de carboni i vapor d’aigua. Indica’n els reactius i els productes, i explica quins enllaços es trenquen i quins es formen. Fes un esquema de la reacció a nivell molecular. s

10.

Busca informació sobre la reacció de corrosió dels metalls. Assenyala’n els reactius i els productes, i explica per què saps que es tracta d’un canvi químic. 1 Realitza l’experiment següent amb un company o companya:

b) El zinc reacciona amb el vapor d’aigua i s’obté òxid de zinc i hidrogen. c) La descomposició de l’àcid carbònic origina diòxid de carboni i aigua. d) En cremar propà (C3H8) en presència d’oxigen, s’obté diòxidde carboni i aigua.

3 TIPUS DE REACCIONS QUÍMIQUES 15.

1. P orteu de casa vinagre, hidrogencarbonat de sodi (comunament conegut per «bicarbonat de sodi»), una ampolla de plàstic, una cullera i un globus.

b) Òxid de plata → plata + oxigen c) Sodi + clor → clorur de sodi

16.

a) Què succeeix? b) Per què penseu que passa això? c) Debateu-ho entre tots dos i escriviu-ne una hipòtesi conjunta.

Ajusta l’equació química següent i indica la informació qualitativa que en pots extreure:

b) AgNO3(aq) + K2CrO4(aq) → Ag2CrO4(s) + KNO3(aq) c) HNO3(aq) + KOH(aq) → KNO3(aq) + H2O(l)

17.

18.

N2(g) + O2(g) → NO(g)

12.

Ajusta les equacions químiques següents per mitjà del mètode de tempteig o bé del sistema d’equacions: a

a) HCl(aq) + Fe(s) → FeCl3(aq) + H2(g) b) C4H10(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g)

Classifica les reaccions químiques següents depenent de les partícules intercanviades. Ajusta les equa cions. 2 a

a) Mg(s) + Cl2 → MgCl2(aq)

2 EQUACIONS QUÍMIQUES a

Classifica les reaccions químiques següents segons el mecanisme d’intercanvi que es produeix. Escriu les equacions i ajusta-les. 2 a

a) Iodur de sodi + clor → clorur de sodi + iode

2. Poseu unes cullerades de bicarbonat de sodi dins l’ampolla. 3. Aboqueu vinagre en el globus i poseu el globus a l’ampolla de manera que en cobreixi l’obertura.

Escriu les equacions químiques ajustades que representen les reaccions químiques següents, i interpreta-les en termes atomicomoleculars i molars: d

a) En escalfar carbonat d’amoni s’allibera amoníac, diòxid de carboni i aigua.

11.

Ajusta les equacions químiques següents mitjançant el mètode que consideris més adequat: s

Escriu la reacció de neutralització de l’àcid sulfúric amb l’hidròxid d’alumini. És de desplaçament doble? Justifica la resposta. 2 Escriu l’equació química que representa la reacció entrel’alumini i el clor per a formar clorur d’alumini. Indica quin és l’oxidant i quin és el reductor. Es tracta d’una reacció de síntesi o de descomposició?

103

112876_UN_03_CAT.indd 103

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

19.

20.

21.

Escriu la reacció de combustió d’una gasolina, si considerem que està completament formada d’octà (C8H18). Identifica’n el combustible i el comburent. S’introdueix un clau de ferro en una solució de sulfat de coure(II). S’observa que la solució es descoloreix i es forma un precipitat de coure. Escriu la reacció ajustada i classifica-la en funció del mecanisme d’intercanvi i de les partícules intercanviades. s

29.

30.

Analitza l’experiment següent a partir del vídeo: 1

a) Què has observat durant l’experiència? b) Què penses que succeeix?

31.

d) Per què una meitat de la poma s’oxida i l’altra no? e) Discutiu en parelles i després compartiu les respostes amb els altres companys. Investiga les aplicacions dels biocombustibles en la vida diària. Tria un procés en què s’utilitzin biocombustibles i descriu la reacció química que el representa. 1

32.

Sol.: 0,13 L d’HCl

33.

Sol.: a) 4,6 g de CaH2; b) 0,44 L d’HCl

34.

Sol.: 3,60 g d’H2O a

—— Quina massa d’amoníac es necessita perquè reaccionin 16,5 mol de monòxid de nitrogen?

Calcula el volum de diòxid de carboni, CO2, que es desprèn, a 105 Pa i 273 K, en cremar 30 g d’etanol (C2H5OH).

Sol.: a) 0,040 mol d’Na2CO3 en excés; b) 3,0 g de CoCO3

5 RENDIMENT D’UNA REACCIÓ QUÍMICA 35.

27.

Es fan reaccionar 0,92 mol d’àcid sulfúric i 1,49 mol de clorur de sodi. Calcula la massa de sulfat de sodi obtinguda; indica quin és el reactiu limitant i quin és l’excésde l’altre reactiu. a

Sol.: 106 g de NaSO4; 18 g d’H2SO4 en excés

En el procés d’oxidació d’una làmina de ferro de 150 g es generen 80 g d’òxid de ferro(III). a

—— Calcula el rendiment de la reacció.

Sol.: 30 L de CO2

Es mesclen 50 mL d’una solució 0,50 mol · L–1 de clorur de cobalt(II) amb un volum idèntic d’una altra solució de carbonat de sodi 1,3 mol · L–1, i es forma un precipitat de carbonat de cobalt(II) i clorur de sodi. 2 d

a) Quin és el reactiu limitant? Quina quantitat sobra del que hi és en excés? b) Quina quantitat de precipitat s’obtindrà?

Sol.: 187 g d’NH3

26.

Un globus s’omple amb hidrogen procedent de la reacció entre l’hidrur de calci i l’aigua. Si l’altre producte obtingut en la reacció és hidròxid de calci, calcula: 2 d

a) La massa d’hidrur de calci necessària per a produir 5,0 L d’hidrogen, mesurats en condicions estàndard, i omplir el globus. b) El volum d’àcid clorhídric 0,50 M que es requereix perquè reaccioni amb tot l’hidròxid de calci format.

El monòxid de nitrogen, NO, és un dels contaminants emesos pels vehicles i està implicat en la formació de la pluja àcida. Una manera d’eliminar l’NO de les emissions gasoses és fer-lo reaccionar amb amoníac. Els productes que es formen en la reacció són nitrogen gasós i aigua. Escriu i ajusta l’equació química corresponent a aquesta reacció.

Una solució que conté 0,50 g d’hidròxid de calci es neutralitza amb àcid clorhídric 0,10 mol · L−1. s

—— Calcula el volum d’àcid necessari.

QUÍMIQUES

A 400 °C el nitrat d’amoni es descompon en monòxid de dinitrogen, N2O i vapor d’aigua. Calcula els grams d’aigua que es formen en la descomposició de 8,00 g de nitrat d’amoni.

Una solució de nitrat de plata es mescla amb una altrade clorur de sodi. Si cadascuna conté 20,0 g de substància, troba la massa de clorur de plata que es forma. s

Sol.: 16,9 g d’AgCl

4 ESTEQUIOMETRIA DE LES REACCIONS

25.

En un recipient s’introdueixen 100 g de nitrogen i 100 g d’hidrogen. Totes dues substàncies reaccionen entresi i s’origina amoníac. Si els reactius i els productes es troben en estat gasós, indica quin és el reactiu limitant i la quantitat de reactiu en excés. Quin volum d’amoníac s’obté, mesurat a 720 mmHg i 22 °C? s

Sol.: 78,0 g d’H2 en excés; 182 L

c) Quines preguntes et fas després d’observar aquesta experiència?

24.

Un cotxe fa 9,5 km per cada 1,0 L de gasolina consumit. Calcula el volum d’oxigen, en litres, mesurat a 105 Pa i 273 K, que es requereix per a un viatge de 850 km. Considera que la composició de la gasolina és octà (C8H18) i que té una densitat de 0,69 g · mL−1. Sol.: 1,5 · 105 L d’O2

http://links.edebe.com/2zq

23.

La hidrazina, N2H4, i el peròxid d’hidrogen o aigua oxigenada, H2O2, mesclats s’usen com a combustibles per a coets. Els productes de reacció són nitrogen i aigua. Calcula la massa de peròxid d’hidrogen que es requereix per cada 1,0 g d’hidrazina en el coet. Sol.: 2,1 g d’H2O

La cel·lulosa és el component principal del paper.

—— Escriu l’equació química que descriu la combustió completa del paper i proposa’n una altra per a la seva combustió incompleta.

22.

28.

Sol.: 37 %

36.

La reacció entre el nitrat de plom(II) i el iodur de potassi produeix iodur de plom(II) i nitrat de potassi. a

a) Escriu i ajusta l’equació química corresponent al procés. b) Si es fan reaccionar 15,0 g de nitrat de plom(II), s’obtenen 18,5 g de iodur de plom(II). Quin és el rendiment del procés? Sol.: b) 88,5 %

104

112876_UN_03_CAT.indd 104

13/01/15 11:08

unitat 3. reaccions químiques

37.

38.

Determina la massa d’amoníac que es pot obtenir a partir de 10 L d’hidrogen, mesurats a 105 Pa i 273 K, si el rendiment de la reacció és del 70 %.

a) El volum de mercuri líquid que es forma si la densitat d’aquest és de 13 600 g · L−1. b) El volum mínim d’aire que es requereix, mesurat en condicions estàndard, i considerant que l’aire conté un 21 % en volum d’oxigen.

Sol.: 3,5 g

Calcula els volums de nitrogen i d’hidrogen, mesurats a 105 Pa i 273 K, necessaris per a obtenir 20,4 L d’amoníac, en les mateixes condicions. Tingues en compte que el rendiment de la reacció és del 30,0 %. Sol.: 34,0 L d’N2 i 102 L d’H2

39.

La reacció entre el nitrat de sodi i l’àcid sulfúric produeix sulfat de sodi i àcid nítric. Si es volen obtenir 100 g d’àcid nítric, calcula la quantitat d’àcid sulfúric que s’ha d’utilitzar, considerant un rendiment del 70,0 % en el procés. s

Sol.: a) 50,7 mL de mercuri; b) 372 L d’aire

7 LA INDÚSTRIA QUÍMICA I EL MEDI AMBIENT

47.

48.

Sol.: 111 g d’H2SO4

40.

Classifica els productes següents com a intermedis o finals: sabó, amoníac, vidre, paper, clor, cosmètics, àcid nítric i carbonat de sodi. A quin tipus d’indústria química pertany cadascun? Descriu aquestes imatges i relaciona-les amb el fenomen mediambiental que representen:

El ferro s’obté en els alts forns fent reaccionar els minerals de ferro, fonamentalment Fe2O3, amb monòxid de carboni, segons l’equació (no ajustada) següent: 2 d

NO2

SO2 HNO3

Fe2O3(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g)

H2SO4

Si tenim un mineral que conté 1 000 kg de Fe2O3, quants quilograms de ferro obtindrem si el rendiment del procés és del 75,2 %? Sol.: 526 kg de Fe obtingut

6 REACTIUS IMPURS I PURESA D’UNA MOSTRA

41.

Determina la quantitat de ferro pur contingut en una mostra de 39 g de ferro del 70 % m/m de riquesa. a

Sol.: 27 g de Fe

42.

En escalfar l’òxid de mercuri(II) es descompon en oxigen gasós i mercuri metàl·lic. a

—— Calcula la quantitat de mercuri metàl·lic que s’obtindrà en descompondre 20,5 g d’un òxid del 80 % m/m de puresa. Sol.: 15 g d’Hg

43.

Troba la quantitat de calcària, la riquesa en carbonat de calci de la qual és del 85,3 % m/m, que es necessita per a obtenir 100 L de diòxid de carboni, mesurats a 18 °C i 752 mmHg, mitjançant la reacció amb àcid clorhídric.

49.

50.

51.

Sol.: 485 g de calcària

44.

El potassi reacciona amb l’aigua i produeix hidrò xid de potassi i hidrogen gasós. Per a això disposem d’aigua suficient i d’una mostra de 400 g de substància que conté K(s), a partir de la qual obtenim 100 L d’H2(g) a 105 Pa i 273 K. Calcula la riquesa de la mostra en potassi.

52.

Per torrefacció completa del sulfur de mercuri(II) s’obtenen diòxid de sofre i mercuri líquid. Si torrem 1,00 kg de cinabri, un mineral que conté un 80,0 % m/m de sulfur de mercuri(II), determina: 2

Entra en els següents enllaços sobre el descobriment d’un nou adhesiu per a preparar cors i contesta a les preguntes: s

http://links.edebe.com/3b2 a) Quines propietats interessants té aquest nou material? b) Amb quin camp de la ciència està estretament relacionat aquest descobriment?

Sol.: 71 % m/m

46.

Què és el procés Solvay? Informa-te’n; descriu les fases del procés i les reaccions que hi intervenen. 1

http://links.edebe.com/ggq7

En tractar 0,50 g d’una mostra de sulfur de ferro(II) amb àcid clorhídric, es forma clorur de ferro(II) i es desprenen 100 mL de sulfur d’hidrogen gasós, mesurats a 27 °C i 760 mmHg. Determina la puresa de la mostra en tant per cent en massa. s

Busca a internet les aplicacions dels diversos tipus d’acer segons la composició. Elabora’n una taula i compara-la amb la dels companys. 1

—— Fes una presentació amb el resultat de la investigació que hagis realitzat i exposa-la davant la resta de la classe.

Sol.: 86,0 % m/m

45.

Investiga sobre el procés d’obtenció d’àcid sulfúric industrial. A quin tipus d’indústria química pertany? 1

53.

Informa’t sobre la repercussió de la indústria química en el medi ambient. Prepara una presentació sobre això i exposa-la davant la resta de la classe; proposa mesures per a un desenvolupament sostenible. 1 s

105

112876_UN_03_CAT.indd 105

13/01/15 11:08

bloc 2. transformacions de la materia

54.

Llegeix els titulars de les notícies següents i explica el concepte a què fan referència:

a) La quantitat de carbur de silici que s’obté a partir d’1,0 t de mostra amb una riquesa del 93 % en massa de diòxid de silici. b) La quantitat de carboni, en tones, necessària perquè es completi la reacció anterior. c) El volum de diòxid de carboni, en m 3, mesurat a 20 °C i 705 mmHg, que es produeix en la reacció.

«Han creat un plàstic biodegradable per a electrodomèstics a partir de palla de blat» «Nous materials afavoriran la fabricació de cotxes biodegradables»

—— Organitzeu un col·loqui per comentar les vostres respostes i elaboreu una resposta conjunta.

55.

56.

64.

Fes un mapa conceptual sobre el tema del desenvolupament sostenible. Compara el teu mapa amb el dels altres companys, i amplia’l des de noves perspectives.

Sol.: c) 1,1 · 103 kg

65.

Fes un esquema de les energies renovables amb l’ajut de l’aplicació interactiva següent: 1 s

59.

60.

61.

Cerca a internet el procés d’obtenció del bioetanol i les reaccions que el produeixen. Elabora un informe breu sobre les aplicacions que té actualment. 1 Explica les etapes que tenen lloc en el procés de fabricació de polímers artificials. Investiga a internet i esmenta’n les aplicacions en camps com la biomedicina o l’aeronàutica i posa exemples concrets de nous polímers. Elabora una representació multimèdia en la qual estructuris tota la informació. Cerca a la premsa o a internet notícies que facin referència al canvi climàtic. Després, confecciona amb els companys un mural amb totes les notícies i les imatges que hàgiu trobat. 1

En un generador portàtil d’hidrogen es fan reaccionar 30,0 g d’hidrur de calci amb 30,0 g d’aigua; es formen hidròxid de calci i hidrogen gasós. Determina: s

a) Si hi ha algun reactiu en excés i en quina quantitat. b) El volum d’hidrogen que es produeix, mesurat a 20 °C i 745 mmHg. c) El rendiment de la reacció si el volum real d’hidrogen produït va ser de 34,0 L. Sol.: a) 4,1 g d’H2O en excés; b) 35,1 L; c) 96,9 %

63.

El carbur de silici, o carborúndum, és un abrasiu de gran aplicació industrial. S’obté a partir de la reacció entre el diòxid de silici i el carboni, i en el procés també es genera diòxid de carboni. Calcula: 2 s

El gas de síntesi és una mescla gasosa composta per monòxid de carboni i hidrogen. Es pot obtenir a partir de la reacció entre el metà (CH4) i el vapor d’aigua. d

a) Escriu i ajusta l’equació química corresponent i classifica-la segons les partícules intercanviades. b) Busca la riquesa que conté en hidrogen, les aplicacions que té i els tipus d’indústria química en què intervé. Reflecteix tota aquesta informació en un informe. 1

SÍNTESI

62.

66.

Què és el protocol de Kyoto? Cerca’n informació a internet i elabora un treball monogràfic en què reflecteixis l’objectiu i l’àmbit d’actuació d’aquest conveni. 1

La glucosa (C6H12O6) en absència d’oxigen experimenta un procés anomenat fermentació alcohòlica, per l’acció de certs llevats anaerobis. Durant aquest procés, els llevats transformen la glucosa en etanol (C2H6O) i diòxid de carboni. 1 d

a) Escriu i ajusta l’equació química corresponent a la fermentació alcohòlica. b) Interpreta l’equació química ante rior en termes atomicomoleculars i en termes molars, i classifica-la segons el mecanisme d’intercanvi. c) Esmenta algunes aplicacions industrials d’aquesta reacció. A quin tipus d’indústria pertany aquest procés? d) Fes un esquema del procés d’elaboració d’una beguda que s’obtingui mitjançant fermentació alcohòlica i explica les possibles repercussions del procés en el medi ambient. Per a això, investiga per mitjà d’internet.

http://links.edebe.com/ubkntp

58.

Disposem de 500 kg de mineral amb una riquesa del 20 % en carbonat de coure(II). Si el fem reaccionar amb 100 L d’una solució aquosa d’àcid nítric d’1,390 g/cm3 de densitat i 65 % m/m de puresa, es formen nitrat de coure(II), diòxid de carboni i aigua. Determina: 2 s

a) L’equació química ajustada que correspon a aquesta reacció química. b) El reactiu que queda en excés. c) La quantitat de nitrat de coure(II), expressada en quilograms, que s’origina si el rendiment del procés és del 86 %.

Comenta les notícies següents:

—— «El desglaç àrtic farà pujar el nivell del mar entre 0,9 i 1,6 metres el 2100» —— «L’escalfament global pot multiplicar per deu els huracans de gran potència» —— «El diferent escalfament entre hemisferis pot reprogramar les pluges tropicals»

57.

Sol.: a) 0,62 t; b) 0,37 t; c) 4,0 · 102 m3

67.

L’aigua oxigenada és una solució aquosa de peròxid d’hidrogen (H2O2). Al laboratori es disposa d’una solució d’H2O2 de la qual es vol esbrinar la concentració. Per a ferho, es pren una mostra de 25 mL d’aigua oxigenada, s’hi afegeixen 10 mL d’àcid sulfúric diluït i es valora amb permanganat de potassi 0,020 M, de manera que es gasten 25 mL d’aquesta solució. Tenint en compte la reacció química (ajustada) següent: 2 d

3 H2SO4(aq) + 2 KMnO4(aq) + 5 H2O2(aq) → → 2 MnSO4(aq) + 5 O2(g) + K2SO4(aq) + 8 H2O(l) a) Classifica la reacció segons les partícules intercanvia des. b) Calcula la molaritat de la solució d’aigua oxigenada. c) Determina el volum d’oxigen, mesurat en condicions estàndard, que es produeix en la reacció. Sol.: b) 0,052 mol · L-1; c) 0,028 L d’O2

106

112876_UN_03_CAT.indd 106

13/01/15 11:08

REACCIONS QUÍMIQUES

Síntesi

Es representen per

Reactius

Tipus

Equacions químiques

Estequiometria

Indústria química

1. El concepte de reacció química 2. Equacions químiques

Es transformen

Informació qualitativa

3. Tipus de reaccions químiques

Tipus

4. Estequiometria de les reaccions químiques

De base

Productes

5. Rendiment d’una reacció química

Ajustades De transformació

Informació quantitativa

6. Reactius impurs i puresa d’una mostra 7. La indústria química i el medi ambient

Mecanismes d’intercanvi

Processos industrials

Síntesi

A + B → AB

Desenvolupament sostenible Descomposició

AB → A + B

AB + X → AX + B

Desplaçament

Efecte d’hivernacle

Pluja àcida

Desplaçament doble

AB + XY →AX + BY

Destrucció de la capa d’ozó

Massa-massa

Càlculs amb

Volum-volum

Massa-volum

Partícula intercanviada

Reactiu limitant

Redox

Combustió

Reactius en solució

Oxidant + Reductor →

Combustible + O2 → CO2 + H2O

Rendiment

→ Espècie reduïda + Espècie oxidada

Puresa d’una mostra

Àcid-base

Precipitació

Àcid + Base → Sal + Aigua

AB(aq) + CD(aq) → CB(aq) + AD(s)↓

107

112876_UN_03_CAT.indd 107

13/01/15 11:08

AVALUACIÓ

reaccions químiques

Raona si són vertaderes o falses les afirmacions següents:

a) Els canvis que es produeixen en la digestió dels aliments són físics.

a) 2,82 g

b) Si col·loquem una vareta calenta sobre un bloc de gel, apareix aigua líquida i vapor d’aigua; per tant, es tracta d’un procés químic. c) Quan el gas heli contingut en un globus s’escapa, es produeix un canvi físic.

b) 0,78 g c) 0,079 g

d) La fotosíntesi és un procés químic.

a) El reactiu en excés és l’oxigen.

a) WF6 (g) + H2O(l) → HF(g) + WOF4 (s)

d) No tenim dades suficients per a saber-ho.

c) Fe2O3 (s) + HCl(aq) → FeCl3 (aq) + H2O(l) El diclorur de disofre (S2Cl2) s’utilitza en la vulcanització del cautxú, un procés que impedeix que les molècules del cautxú se separin quan s’estira. Es pot obtenir mitjançant la reacció de sofre amb clor. A partir de l’equació química ajustada següent, analitza si són certes les afirmacions que hi ha a continuació (justifica les respostes):

b) El reactiu en excés és el propà. c) Cap dels dos no hi és en excés.

b) 40 mL c) 10 mL

Si disposem de 20 g d’acetilè (C 2 H 2 ) del 80 % m/m de riquesa i la reacció té un rendiment del 70 %, quina quantitat d’etanol (C 2H 3OH) obtindrem?

b) Un gram de clor produeix quatre grams de diclorur de sofre.

a) 18,71 g

c) Un litre de clor produeix un litre de diclorur de disofre.

b) 33,8 g c) 19 g

Indica si les indústries químiques següents són de base o de transformació: petroquímica, alimentària, tèxtil, metal·lúrgica. Justifica les respostes.

Investiga sobre el grafè. Explica’n la composició, les propietats i les aplicacions en nanotecnologia, biomedicina i aeronàutica. Quins processos s’han desenvolupat per a fabricar-lo? Elabora’n un informe en Word que inclogui fotografies.

Relaciona cadascun dels gasos següents amb l’efecte que té en el medi ambient i proposa mesures per a minimitzar aquest efecte: CO2, CFC, SO2, CH4.

«Quan un objecte de metall experimenta una reacció d’oxidació, pesa més que abans d’oxidar-se».

Classifica aquesta reacció química representada: 2

HNO3 (aq) + Ca(OH)2 (aq) → Ca(NO3 )2 (aq) + H2O(l) a) Àcid-base i desplaçament doble. b) Desplaçament doble i redox. c) Doble descomposició. d) Redox i síntesi.

Donada la reacció següent: 2 C2H2 (g) + H2O(l) → C2H3OH(l)

a) Un mol de clor produeix un mol de diclorur de disofre.

Raona si l’argument següent contradiu la llei de Lavoisier:

Determina el volum d’àcid sulfúric 0,10 M que es pot neutralitzar amb 40 mL d’hidròxid de sodi 0,10 M: a) 20 mL

S8 (l) + 4 Cl2 (g) → 4 S2Cl2 (g)

Si fem reaccionar 66,0 g de propà (C3H8) amb 96,0 g d’oxigen, podem afirmar sobre la combustió que:

Assenyala quines de les equacions químiques següents estan ajustades i ajusta les que no ho estiguin: b) CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2 (g)

Considera la reacció de síntesi del clorur de sodi. Quina quantitat de clorur de sodi podem obtenir a partir de 112 cm3 de gas clor, mesurats a 30 °C i 1,5 · 105 Pa?

108

112876_UN_03_CAT.indd 108

13/01/15 11:08

ZONA

UD. 3 reaccions químiques

SOCIETY

FUMATA BLANCA

Investiga: —— Com s’aconsegueix que el fum que surt per la xemeneia sigui de color gris o blanc?

Actualment, per triar el nou pontífex, els cardenals es reuneixen en conclave a la Capella Sixtina en un aïllament absolut.

—— Quin additiu o substància química s’hi afegeix perquè tingui aquest color?

Mentre dura la deliberació, els cardenals cada dia comuniquen si han arribat a un acord o no, per a la qual cosa cremen fenc humit en una estufa. Aquest fum és de color negre quan no s’ha aconseguit l’acord, i si és blanc i lleuger significa que hi ha un nou pontífex.

—— Sempre ha estat així, o ha canviat la composició de la mescla que es crema?

AUDIOVISUAL

Científics a la cuina Refredar amb nitrogen líquid, gelificar amb agaragar, desestructurar i tornar a ajuntar, crear textures i formes noves... La cuina s’ha convertit en un gran laboratori en què la intuïció, la imaginació i la creativitat ja no estan renyides amb els coneixements sobre les propietats de la matèria. El programa Redes, d’Eduard Punset, ens ofereix un vídeo en el qual es tracta aquest camp tan nou.

—— Cerca a YouTube el vídeo «Un científico en la cocina»:

http://links.edebe.com/p6k

—— Explica en què consisteixen els processos següents, aplicats en el context de la química gastronòmica: esterificació, gelificació, emulsionament. —— Què aporta a la cuina la utilització de nitrogen líquid? Quin objectiu es persegueix? Quina n’era l’alternativa en la cuina tradicional? —— Cerca a internet altres vídeos, pàgines web, etc. en què apareguin receptes en les quals la manipulació dels aliments es produeixi a nivell molecular, tant mitjançant processos físics com químics. Poseu en comú la informació obtinguda i elaboreu-ne un dossier.

ENTREPRENEURS

QUÍMICA RECREATIVA Quina reacció té el bicarbonat amb els àcids? Què succeeix si ens cau una mica de suc de llimona o vinagre sobre el marbre? Què tenen les tintes invisibles, i per què en escalfar-les esdevenen visibles? És possible fer cremar el sucre? Per què s’inflen les pastes quan les fiquem al forn? Algunes d’aquestes preguntes semblen molt simples, i pots experimentar a casa per comprovar-ho. Totes aquestes preguntes tenen en comú que estan relacionades amb alguna reacció química que has estudiat.

—— Formeu grups de quatre companys i busqueu informació a internet. Trieu un experiment senzill. —— Enregistreu un vídeo en què mostreu l’experiment i els resultats obtinguts.

—— Us poden ser útils les pàgines web següents: http://links.edebe.com/u9k4p http://links.edebe.com/mjw

109

112876_UN_03_CAT.indd 109

13/01/15 11:08