Llibre professor química 4 ESO by 5minutsciencia

Reaccions químiques: fonaments

Presentació de la unitat

es siguin errònies i que les dificultats de comprensió dels fenòmens implicats persisteixin a l’inici d’aquesta unitat. Una de les principals dificultats pot ser la no-assimilació per part de l’alumne del fet que en una reacció química es conserven determinades partícules (àtoms), però no altres (molècules o ions), la qual cosa, unida a la percepció d’una disminució de massa quan es desprén un gas, pot dificultar la comprensió de la conservació de la massa.

El bloc de continguts del currículum dedicat als canvis químics es tracta en la present unitat i en la següent. En aquesta primera unitat, abordem els aspectes fonamentals de les reaccions químiques i donem les pautes necessàries per poder realitzar càlculs estequiomètrics. Els continguts d’aquest bloc són continuació dels iniciats en el primer cicle de l’ESO, però el seu enfocament és aquí menys fenomenològic i més quantitatiu. S’estableixen les bases del càlcul estequiomètric, contingut fonamental de la matèria de Química, es tracten aspectes qualitatius de cinètica química i s’aborda, per primera vegada, la relació entre reaccions químiques i energia. Aquest últim aspecte s’aprofundirà en el primer curs de batxillerat.

A més, en aquest curs s’introdueix el concepte de quantitat de substància i la seva unitat, el mol, que presenta, d’una banda, grans dificultats de comprensió, ja que els alumnes i les alumnes tendeixen a confondre aquesta magnitud amb la massa, i de l’altra, dificultats de maneig a l’hora de relacionar la quantitat de substància amb les unitats fonamentals a què es refereix, a causa de la mateixa magnitud del nombre d’Avogadro.

Tasques relacionades

Recursos i materials

Recomanem realitzar la primera part de la primera tasca de l’apartat de TIC en finalitzar l’epígraf 1, i la segona part, dedicada a reactius, productes i sobrants, en finalitzar l’epígraf 4. La segona tasca de l’apartat TIC es durà a terme un cop s’acabi la unitat.

Per al tractament de la unitat, a més del llibre de l’alumnat, la guia d’aula i el material fotocopiable, seran d’especial utilitat els recursos digitals disponibles al web de Barcanova i els que es tracten en l’apartat de TIC.

Educació en valors En aquesta unitat recomanem el treball col·laboratiu i el repartiment de tasques en el treball pràctic i en les activitats TIC. A més, suggerim realitzar petites coavaluacions al llarg de la unitat per fomentar l’esperit autocrític i el respecte pel treball dels altres.

Suggeriments generals Idees prèvies i dificultats d’aprenentatge Encara que l’estudi de les reaccions químiques es va iniciar en el primer cicle de l’ESO, és probable que algunes de les idees prèvi-

Esquema de la unitat

REACCIONS QUÍMIQUES

és una

ocorren a una

Reordenació d’àtoms

Velocitat de reacció

resultat de

Equacions químiques

que depèn de

Col·lisions entre unitats fonamentals

Orientació adequada

es representen mitjançant

Energia suficient

Concentració

si inclouen

Calor de reacció

Grau de divisió de reactius

Equacions termoquímiques

que inclouen

Fórmules químiques

Coeficients estequiomètrics

són la proporció entre

Presència de catalitzadors Temperatura

es denominen

Reactius

Productes

Quantitat de substància

Els focs artificials són un exemple de reacció química exotèrmica que va acompanyada de llum, color i so.

Abans de començar

Reaccions químiques: fonaments

❚ Les substàncies químiques estan formades per àtoms, molts cops units mitjançant enllaços. Si els enllaços es trenquen i se’n formen d’altres de nous, tindrem noves substàncies, diferents de les de la partida.

❚ En un canvi químic apareixen substàncies noves. En general, s’ha pro-

L’aparició de substàncies noves Des de temps remots, la humanitat ha aconseguit transformar unes substàncies en unes altres per utilitzar-les en diferents aplicacions, com ara l’obtenció de metalls, com la malaquita, que es transforma en coure en un alt forn, i d’altres de més quotidianes, per aconseguir productes d’ús diari, com la transformació de matèries primeres per obtenir-ne productes alimentaris (pa, cervesa, formatge, etc.). Avui dia ja comprenem com són aquests canvis químics i les lleis que els governen, i allò que és més important: per què es produeixen i com es poden controlar. En aquesta unitat hi farem una aproximació i provarem d’explicar-los.

1 Sabràs què són els canvis químics i

4 Faràs càlculs estequiomètrics de

la seva relació amb la llei de conservació de massa.

reaccions químiques amb reactius purs, entre gasos i amb reactius en dissolució.

de reacció modificant la concentració de reactius, la temperatura o el grau de divisió de reactius sòlids, o afegint-hi un catalitzador.

3 Coneixeràs el significat de la magnitud fonamental quantitat de subs tància i relacionaràs la seva mesura en unitats de SI (mol) amb els valors de massa i volum.

❚ Una reacció química només afecta l’escorça de l’àtom, ja que és un procés relacionat amb la ruptura i la formació d’enllaços químics.

❚ No hem de confondre les reaccions químiques amb els canvis físics com ara els canvis d’estat o la dissolució de substàncies en l’aigua. En aquests darrers casos, després del canvi, tenim les mateixes substàncies, perquè no es produeix la formació de nous enllaços químics.

❚ L’expressió unitats elementals fa referència als àtoms, les molècules o els ions que hi ha en una substància. La utilitzarem durant tota la unitat.

Pensem en grup Formeu grups amb diversos companys i companyes i reflexioneu sobre les qüestions següents:

1 Elaboreu una relació de canvis físics i químics quotidians, i expliqueu

Quan acabis la unitat...

2 Explicaràs com s’altera la velocitat

duït la ruptura d’enllaços químics i la formació d’uns altres de nous. Aquesta modificació en la naturalesa de les substàncies implica un intercanvi d’energia.

5 Sabràs calcular l’energia en les reac cions químiques per poder diferenciar entre les que són exotèrmiques i les que són endotèrmiques a partir de l’equació termoquímica i del signe de la calor de reacció.

per què són d’un tipus o altre. Feis servir com a punt de partida les imatges que oferim.

2 Com ja sabem, la massa es conserva en els canvis químics. Explica el significat d’aquesta llei i valora si es contradiu amb el fet que s’hi poden formar noves substàncies.

3 L’objectiu principal de les reaccions de combustió és la transformació d’energia química per al seu aprofitament. Quin producte d’aquestes reaccions químiques té un impacte ambiental a nivell planetari?

6 Les orientacions de resolució de problemes t’ajudaran a fer les activitats d’aquesta unitat.

En el web Trobaràs una autoavaluació inicial interactiva.

Suggeriments metodològics • Suggerim començar la unitat, una vegada realitzats els apartats «Abans de començar» i «Pensem en grup» d’aquesta doble pàgina, amb l’exposició d’un mapa conceptual senzill en el qual es mostren els tres aspectes fonamentals a tractar: velocitat de reacció, càlculs estequiomètrics i termoquímica. Així mateix, els estudiants, tant individualment com en grup, han d’anar completant-lo al llarg de la unitat, perquè siguin conscients dels avenços que van realitzant en l’aprenentatge d’aquesta part de la química. Aquesta activitat pot formar part del portfoli de l’alumnat. • Conèixer el punt de partida de l’alumnat resulta fonamental per aconseguir un aprenentatge efectiu. Per això recomanem que es realitzin tasques prèvies per conèixer-lo. Algunes poden basar-se en les activitats proposades en aquesta doble pàgina i altres en una pluja d’idees sobre el que coneixen dels canvis químics. Les preguntes poden ser dicotòmiques (de resposta sí o no, o vertader o fals) que resulten dinàmiques i permeten avaluar de forma ràpida les idees prèvies. Aquests qüestionaris poden tractar la diferenciació entre fenòmens físics i químics, la naturalesa de l’enllaç químic, la conservació de la massa o les idees fonamentals sobre la teoria atòmica.

• L’estudiant trobarà aquí els aprenentatges finals imprescindibles que ha d’haver adquirit en finalitzar la unitat.

Abans de començar • Amb la relació d’idees d’aquest apartat pretenem que l’alumnat repassi les idees de partida que ha de tenir clares abans de començar l’estudi de la unitat. • L’últim punt és un aclariment sobre la terminologia que s’usa en la unitat. Ens referim a unitats fonamentals, i no solament a molècules, per posar de manifest que no totes les reaccions químiques es donen entre substàncies moleculars, ja que no només existeixen substàncies moleculars. L’extensió del qualificatiu molecular a tota mena de substàncies es dóna amb molta freqüència en diversos aspectes de la química, com per exemple la denominació «massa molecular»; en aquest text, com en el text del curs precedent, s’ha evitat aquesta generalització.

Pensem en grup • El nombre de components per grup dependrà de les característiques de la classe i de la manera de plantejar el treball per tasques o el treball col· laboratiu.

• Destaquem que, a causa del tipus de continguts d’aquesta unitat, fonamentalment de procediment, l’alumnat pot percebre que estan allunyats de la seva realitat, i que no li resultaran útils. Per això, s’ha procurat que els enunciats d’algunes activitats es refereixin a situacions quotidianes i comunes.

• Aquestes activitats, juntament amb l’autoavaluació inicial, permetran identificar els coneixements previs de l’alumnat.

• La unitat acaba amb l’estudi de la relació entre energia i reaccions químiques. El currículum explicita que s’empri el criteri de la calor de reacció per diferenciar reaccions endotèrmiques i exotèrmiques. En aquest punt del curs no s’ha abordat encara aquest concepte, per això suggerim anticipar alguns dels conceptes com són les diferències entre calor, temperatura i energia tèrmica.

part de l’experiència quotidiana de l’alumnat, com a exemple de canvis físics i les reaccions químiques que tenen lloc en cuinar els aliments, o les que ocorren a l’interior dels organismes vius.

Quan acabis la unitat... • Aquest apartat és d’utilitat tant per a l’alumnat com per al professorat.

• A continuació s’indiquen les solucions a aquestes qüestions, que poden abordar-se al principi o al final de la unitat.

1 És esperable que s’esmentin els canvis d’estat de l’aigua, que formen

2 Amb aquesta pregunta pretenem que l’alumnat recordi el que ha après en el primer cicle de l’ESO i que relacioni la formació de noves substàncies amb la reordenació d’àtoms, i no amb la generació de massa.

3 Es tracta del diòxid de carboni, gas amb efecte d’hivernacle, l’elevada concentració del qual en la nostra atmosfera està provocant un escalfament global i un canvi climàtic a escala planetària. 75

UNITAT

Canvis químics

1.3 Expressió d’una reacció química: l’equació química

1.1 Conceptes bàsics

Per expressar quantitativament els canvis químics utilitzem equacions químiques.

En una reacció química es parteix d’unes substàncies anomenades reactius, presents abans del canvi, i se n’obtenen unes altres de noves com a conseqüència del canvi, anomenades productes de la reacció.

Les equacions químiques expressen la relació entre els reactius i els productes durant una reacció química, i la proporció que guarden entre si les seves unitats elementals mitjançant coeficients estequio mètrics.

Perquè es produeixi el canvi químic, els reactius han d’estar en contacte entre ells. Durant el procés també es produeixen canvis físics que els fan evidents, com es mostra a continuació.

A vegades, també informen dels estats d’agregació de les substàncies, de la temperatura o de la pressió a la qual tenen lloc.

Evidències físiques d’un canvi químic: exemples

Ajustar una equació química consisteix a escollir els valors dels coeficients de manera que el nombre d’àtoms de cada element sigui el mateix tant en els reactius com en els productes.

Expressió i ajustament d’equacions químiques Utilitzarem com a exemple la reacció entre l’amoníac i l’oxigen molecular, que té com a productes el nitrogen molecular i l’aigua.

1 Escrivim les fórmules dels reactius i dels productes, separats amb una fletxa que marca el sentit de la reacció: NH3 + O2 8 N2 + H2O Intercanvi d’energia.

Canvi de color.

2 Escollim els valors dels coeficients estequiomètrics per fer que el nombre

Canvi d’estat.

d’àtoms de cada element sigui el mateix tant en els reactius com en els productes. Per això:

3 2.1 Primer, ajustem els coeficients de les substàncies no elementals:

1.2 Teoria atòmica de les reaccions químiques

L’aparició de substàncies noves com a resultat d’una reacció química es basa en una reordenació dels àtoms dels reactius. Perquè pugui tenir lloc, les unitats elementals que formen els reactius han de col·lidir entre elles. Com a resultat d’aquestes col·lisions, es trenquen enllaços i es formen enllaços nous, i així es tenen noves substàncies. Com que es tracta d’una reordenació d’àtoms, la massa total de les substàncies abans i després del canvi químic no varia. Per això, podem dir el següent: Durant un canvi químic, la massa es conserva, és a dir, la suma de les masses dels reactius és igual a la suma de les masses dels productes. Aquest enunciat es coneix com a llei de la conservació de la massa.

coeficients ja escollits, per tempteig. Es poden utilitzar nombres fraccionaris:

Comprèn, investiga… 1 Dibuixa un esquema com el

N2 + 3 H2O

d’abans per a la reacció:

Observa que el coeficient estequiomètric del nitrogen molecular és 1, per això no s’escriu.

A partir de la informació de la il·lustració, dedueix quins enllaços s’han trencat i quins s’han format durant el canvi químic que es representa.

També podem multiplicar per dos l’equació química perquè no hi hagi coeficients fraccionaris:

2 NH3 + 3/2 O2 8

N2 + 3 H2O 2

3 Per acabar, comprovem, element a element, que el nombre d’àtoms

Quants i quins enllaços s’han trencat i quants i quins s’han transformat?

2 NO2

En la il·lustració de l’esquerra, hi ha representada la reacció d’oxidació del monòxid de nitrogen, que dóna diòxid de nitrogen. Veiem que s’hi produeix una reordenació dels àtoms i que la massa es conserva durant tot el procés.

Elements

Reactius

Productes

àtoms de H

4 NH3 (4 · 3 = 12)

6 H2O (6 · 2 = 12)

àtoms de N

4 NH3 (4 · 1 = 4)

2 N2 (2 · 2 = 4)

àtoms de O

3 O2 (3 · 2 = 6)

6 H2O (6 · 1 = 6)

Digues què signifiquen els coeficients estequiomètrics en la reacció de l’activitat anterior.

3 Ajusta aquestes reaccions quí-

que hi ha en els reactius és el mateix que el que hi ha en els productes:

+ +

2 NH3 + 3/2 O2 8

CH4 + 2 O2 8 CO2 + 2 H2O

Treballa amb les imatges

Teoria atòmica i conservació de la massa

2 NO

2 NH3 + O2 8 N2 + 3 H2O

3 2.2 A continuació, els de les substàncies elementals. Si cal, corregirem els

miques: a) CO2 + H2O 8 H2CO3 b) NO + O2 8 NO2 c) Cr2O3 + Al 8 Al2O3 + Cr d) NO2 + H2O 8 HNO3 + NO e) C2H2 + O2 8 CO2 + H2O

125

124

Suggeriments metodològics • Aquesta primera doble pàgina aborda continguts que ja s’han vist en el primer cicle de l’ESO. Pretenem que l’alumnat repassi algunes de les idees i procediments fonamentals que li seran necessaris per a aquesta unitat. • En primer lloc, posem de manifest que un canvi químic sol portar associat un canvi en una propietat física del sistema. Suggerim reprendre aquesta idea en començar l’epígraf 2, dedicat a la velocitat de reacció, per indicar que la velocitat de reacció es pot mesurar com la variació d’una propietat física del sistema, com s’indica en el text. • La teoria atòmica de les reaccions químiques ja ha sigut abordada en el primer cicle de l’ESO. Es tracta de fer un repàs d’un dels aspectes fonamentals: ruptura i formació d’enllaços, que implica una reordenació d’àtoms de la qual es pot deduir la llei de conservació de la massa.

Solucions Treballa amb les imatges (pàgina de l’esquerra) • Els enllaços que es trenquen són els dels que formen reactius; l’enllaç del nitrogen amb l’oxigen en el cas del NO, i el de l’oxigen amb l’oxigen, a la molècula de O2. Els enllaços que es formen són els que uneixen un àtom de nitrogen amb dos d’oxigen, per obtenir el NO2 com a producte.

Comprèn, pensa, investiga...

1 L’esquema demanat és:

• En la segona pàgina es repassa l’ajustament de les equacions químiques. Destaquem que el significat que hi donem a l’equació química és un significat a nivell atòmic, ja que ens referim a la proporció d’unitats fonamentals. El significat macroscòpic i quantitatiu de l’equació química, referit a la proporció de la quantitat de substància de cada reactant, s’aborda un cop vist el significat d’aquesta magnitud química.

CH4

• Recomanem usar aquí la primera de les aplicacions a què es refereix l’apartat TIC d’aquesta unitat, «Ajustament de reaccions químiques». Aquesta aplicació es pot abordar des d’un enfocament de joc a l’aula o com a treball a casa, com veurem més endavant en l’apartat que li dediquem. • En l’exemple del quadre de la pàgina 125 s’ha usat una reacció que admet un ajustament amb nombres fraccionaris per als coeficients estequiomètrics, de manera que l’alumnat pugui veure les dues opcions que pot usar. Recomanem que s’usin nombres enters a l’hora d’abordar els càlculs estequiomètrics, perquè permeten una identificació més senzilla de les proporcions de reactants. 76

CO2

2 O2

2 H2O

Es trenquen dos enllaços O-O i quatre enllaços C-H. Es formen dos enllaços C-O i quatre enllaços O-H.

Els coeficients estequiomètrics indiquen el nombre de molècules de cada reactiu i producte que intervenen en la reacció; en aquest cas, una molècula de metà, dues d’oxigen, una de diòxid de carboni i dues d’aigua.

3 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari.

UNITAT

Velocitat de reacció

2.3 Catalitzadors Sovint, per poder modificar la velocitat d’una reacció química hem de variar tant alguns factors que no surt a compte. En aquest cas, se solen utilitzar els catalitzadors.

La velocitat a la qual transcorre una reacció química es defineix en funció del temps que tarda a desaparèixer un reactiu o a aparèixer un producte.

Els catalitzadors són substàncies químiques que modifiquen la velo citat d’una reacció química sense alterar la naturalesa dels reactius ni dels productes.

A vegades, també es pot determinar per la variació d’una altra propietat en el lloc on ocorre la reacció química.

2.1 Teoria de les col·lisions

Aquesta característica de no alterar els reactius ni els productes de la reacció és la més important, ja que és la que determina que es puguin utilitzar o no. A més, els catalitzadors tenen dues propietats més:

Com hem vist, en una reacció química es trenquen i es formen enllaços com a resultat de les col·lisions que tenen lloc entre les unitats elementals dels reactius.

❚ Són extremadament específics. Generalment, per a cada reacció química hi ha un catalitzador determinat. La seva presència provoca que tingui lloc una reacció química en concret i no cap altra que fos possible a partir dels mateixos reactius.

No totes les col·lisions donen lloc a la ruptura o la formació d’enllaços; no totes les col·lisions són efectives. Només ho són les que tenen prou energia i aquelles on les molècules tenen una orientació adequada.

❚ Participen en la reacció química sense patir canvis permanents. La

2.2 Factors que influeixen en la velocitat de reacció

majoria dels catalitzadors es recuperen quan acaba la reacció, per això no s’inclouen en l’equació química com a reactius o productes.

Hi ha diversos factors que poden alterar la velocitat de reacció. Segons l’estat d’agregació dels reactius, tindran més importància o menys. Aquests factors són:

Els enzims com a catalitzadors

■ Temperatura

Formats per

En les reaccions en què intervenen substàncies en estat líquid o gasós, un augment de la temperatura fa que augmenti la velocitat de les unitats elementals dels reactius. Això causa un nombre més alt de col·lisions amb prou energia perquè la reacció progressi.

■ Grau de divisió dels reactius En el cas que un dels reactius es trobi en estat sòlid, la mida de les porcions que tingui és determinant en la velocitat del canvi químic (figura de sota).

Aminoàcids en (combinacions determinen de H, C, O, N, S)

E N Z I

■ Concentració de reactius En les reaccions que tenen lloc en una dissolució aquosa, un augment de la concentració dels reactius implica una probabilitat més alta que es produeixin col·lisions i, per tant, l’augment de la velocitat de reacció.

Treballa amb la imatge

Els enzims són unes molècules que actuen com a catalitzadors dins dels organismes. Tenen una acció molt específica; existeix pràcticament un enzim per a cada reacció química que es produeix a l’interior d’un ésser viu.

· Varien la velocitat de reacció. · Són molt específics. · Actuen a pH i T determinats. · Sistema digestiu. · Degradació

M Biològiques

Suposa que el costat del quadrat de la figura mesura 1 cm. Calcula quant valdria la superfície disponible en els tres casos. Obtén una regla general en funció del nombre de divisions.

Efecte del grau de divisió

Característiques

l’estructura i la funció.

En el cas dels humans, la seva presència és vital, ja que si l’efecte catalític no es desenvolupa com cal, la termoregulació, la pressió arterial o la formació de l’ADN podrien veure’s afectats.

de molècules.

· Respiració cel·lular. · Transport d’energia i senyals.

Aplicacions Industrials

· Fàrmacs. · Producció

La imatge mostra l’estructura tridimensional d’un enzim. Hi ha enzims de moltes mides i formes.

d’aliments.

· Desenvolupament

de biocombustibles.

Comprèn, pensa, investiga... La figura explica el perquè de l’increment de la velocitat de reacció que es produeix en funció de la mida de les porcions del reactiu sòlid. Fixa-t’hi que, a mesura que augmenta el grau de divisió del reactiu sòlid, augmenta la superfície de contacte que té amb l’altre reactiu (que pot trobar-se en estat gasós o líquid). El nombre de xocs efectius entre les molècules d’ambdós reactius serà més alt i, per tant, augmentarà la velocitat de reacció.

Si barregem una dissolució d’àcid sulfúric concentrat amb aigua, sempre s’ha d’afegir, gota a gota, l’àcid en el recipient que conté l’aigua, i no al revés.

6 Què creus que passaria si les reaccions químiques que

Tenint en compte que aquestes dues substàncies reaccionen violentament, explica per què prenem aquesta precaució. Amb quin factor físic que afecta la velocitat de reacció el relacionaries?

Cerca imatges de diferents enzims que existeixen en el nostre organisme. Dibuixa-les al quadern i explica les diferències i les semblances en les formes i mides que tenen. Per què creus que és així?

Indica per quin motiu la carn picada es fa malbé abans que un tros de carn de les mateixes característiques que no s’hagi picat. Amb quin factor físic ho relaciones?

Cerca informació sobre la lactosa i el motiu pel qual algunes persones no digereixen bé la llet. Coneixes algun altre tipus d’enzim que si no funciona repercuteix en la manca de digestió d’aliments? Com es poden esmenar aquests fets?

es produeixen a l’interior del nostre cos no es duguessin a terme amb enzims catalítics?

127

126

Suggeriments metodològics • Aquest epígraf s’ha dedicat a l’estudi fenomenològic de la velocitat de reacció. Es tracta d’abordar els continguts relatius a l’estàndard d’aprenentatge 2.1 del bloc 3: La matèria. El relacionat amb l’estàndard següent, 2.2, el que fa referència a experiències de laboratori o aplicacions virtuals interactives, es tracta en el treball pràctic i en la tasca «Simulacions sobre la velocitat de reacció» de l’apartat TIC. Recomanem realitzar el treball pràctic i aquesta tasca TIC en finalitzar l’estudi i les activitats d’aquest epígraf. • Comencem aquest epígraf definint la velocitat de reacció química. Es tracta d’abordar aquest concepte de forma qualitativa, deixant el càlcul i l’expressió de la velocitat de reacció com a derivada de la concentració de reactius respecte del temps per a posteriors etapes, en les quals s’abordi de forma quantitativa l’estudi de la cinètica química. • L’estudi dels factors que afecten la velocitat de reacció es va iniciar en el primer cicle de l’ESO. En aquell moment, només es va abordar l’efecte que tenen la concentració dels reactius i la temperatura sobre la velocitat de reacció des d’un punt de vista empíric i fenomenològic. En aquest curs es fa un pas més enllà, i s’inclou el grau de divisió dels reactius sòlids i l’efecte dels catalitzadors. A més, es demana que l’alumnat sigui capaç de relacionar aquests efectes amb la teoria de col·lisions i el model cineticomolecular de la matèria. • Per això, en el text s’esmenta la velocitat de les unitats elementals, per relacionar-lo amb la teoria cineticomolecular, i la probabilitat de col·lisions per fer-ho amb la teoria de col·lisions, que s’exposa gairebé al principi de l’epígraf. • En relació amb els catalitzadors s’aporten diverses idees generals, sense entrar en detall, ja que en aquesta etapa l’alumne o alumna només n’ha de conéixer l’existència. A tall d’exemple, es pot explicar que l’oxidació del ferro amb l’oxigen atmosfèric només es produeix en presència d’aigua; així aquesta substància, l’aigua, és un catalitzador de la reacció d’oxidació.

• Incloem una descripció sobre els enzims perquè pretenem aconseguir que l’alumnat relacioni els continguts que aprèn en altres matèries amb els d’aquesta. Un dels objectius que es persegueix amb aquests exemples és donar un enfocament holístic a la ciència, fugint d’esquemes que la compartimentalitzen, desvirtuant així el seu propi caràcter integrador.

Solucions Treballa amb la imatge • En el quadre «Efecte del grau de divisió» no s’aprecia bé el motiu de l’augment de superfície, i amb això, de la velocitat de reacció. Hem de recordar que un cub, en ser una figura amb volum, en dividir-lo s’obtenen més cubs dels que apareixen representats en aquesta imatge. És a dir, si es divideix el costat del cub en dues parts iguals, s’obtenen 8 cubs, el doble dels que apareixen en la imatge. I si fos en tres parts iguals, serien 27 cubs, tres vegades més dels que veiem representats. Així, l’àrea total en cada cas serà: – Cas 1: A T = ( 1 · 1 ) · 6 · 1 = 6 cm2 – Cas 2: A T = ( 1/2 · 1/2 ) · 6 · 8 = 12 cm2 – Cas 3: A T = ( 1/3 · 1/3 ) · 6 · 27 = 18 cm2 Per tant, una regla general per això pot ser: A T = ( l/n )2 · 6 · n3 = 6 · l · n Sent l la mesura del costat del cub de partida i n el nombre de divisions iguals que es volen fer. • Es pot proposar que, amb aquesta fórmula, es recalculin aquests exemples i que ho facin, també, per a altres divisions del cub, i veure si es compleix de forma general. Comprèn, pensa, investiga...

4 a 8 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari. 77

UNITAT

Quantitat de substància

3.2 Concentració molar o molaritat

3.1 Quantitat de substància

■ Massa i volum molars

En una reacció química convé conèixer quantes unitats elementals, N, de cada substància hi intervenen. Per això utilitzem una magnitud anomenada quantitat de substància.

La quantitat de substància es quantifica de manera indirecta mesurant la massa o el volum d’una substància. Per això, s’estableix una relació entre aquestes magnituds i la quantitat de substància. Així:

La quantitat de substància, n, és una mesura del nombre d’unitats elementals que conté una determinada porció d’una substància. La unitat en el SI és el mol. Com que la massa dels àtoms és de l’ordre de 10–27 kg, el nombre d’unitats elementals d’1 kg de qualsevol substància és molt gran. Es pren com a referència la massa de l’isòtop de carboni–12 i s’estableix que en un mol de substància hi ha 6,022 · 1023 unitats elementals. Aquest valor és constant i es coneix com el nom bre d’Avogadro, NA. Un mol de qualsevol substància conté el nombre d’Avogadro d’unitats elementals (NA = 6,022 · 1023 unitats elementals/mol), i es defineix com la quan titat de substància d’un sistema que conté tantes unitats elementals com àtoms hi ha en 0,012 kg de carboni–12. Per tant, si una porció de substància té N unitats elementals, la quantitat de substància, n, es determina amb l’expressió:

N NA

❚ La massa molar, M, d’una substància és la massa, m, expressada en grams, d’un mol de substància. La uni tat és g · mol–1, i el valor numèric coincideix amb la massa molecular o la massa de la unitat fórmula d’una substància. La relació matemàtica entre aquestes magnituds i la magnitud quantitat de substància és:

n (mol) =

Moltes reaccions químiques tenen lloc en una dissolució aquosa. Per això resulta convenient expressar la concentració de reactius i productes en concentració molar, o molaritat. La molaritat, M, d’una dissolució és la quantitat de substància de solut que conté un litre de dissolució. La unitat en el SI és mol/L. Conèixer aquest paràmetre és útil per relacionar directament el volum de la dissolució amb la quantitat de substància que conté. Això ens permetrà realitzar càlculs de les substàncies reaccionants de manera ràpida. Així, la relació matemàtica és:

m (g)

Activitats resoltes 2 Calcula el nombre de molècules i d’àtoms que

3 Calcula la molaritat d’una dissolució d’hidròxid de

conté una mostra de 77 g de diòxid de carbo ni. Quin volum ocupa en condicions normals? Dades: M (C) = 12 g/mol; M (O) = 16 g/mol.

sodi sabent que 500 mL contenen 120 g de NaOH.

Primer, calculem la massa molar del CO2:

❚ El volum molar és el que ocupa un mol mesurat en

M CO2 = 12 $ 1 + 16 $ 2 = 44 g $ mol

determinades condicions de pressió i temperatura. En condicions normals, CN (273 K i 1 atm), el volum molar de qualsevol gas és, aproximadament, de 22,4 L/mol.

de la constant d’Avogadro, NA.

té una massa de

77 g m = = 1, 75 mol M 44 g/mol

Dades: M (Na) = 23 g/mol; M (O) = 16 g/mol; M (H) = 1 g/mol. En primer lloc, calculem la massa molar del NaOH:

M NaOH = 23 $ 1 + 16 $ 1 + 1 $ 1 = 40 g $ mol –1 A partir de la massa molar calculem la quantitat de substància que hi ha:

Per tant, el nombre de molècules de CO2 és:

23 6, 022 $ 10 molècules N CO2 = 1, 75 mol $ 1 mol N CO2 - 1, 054 $ 10 24 molècules

6,022 · 1023 molècules

A cada molècula de CO2 hi ha dos àtoms d’oxigen i un de carboni. Per això:

1 Obtén, d’acord amb el que s’ha explicat, el valor En el text s’ha definit el mol com la quantitat de substància d’un sistema que conté tantes entitats elementals com àtoms hi ha en 0,012 kg de carboni–12, i aquest nombre d’unitats elementals coincideix amb el nombre d’Avogadro:

–1

A continuació, trobem la quantitat de substància que correspon als 77 g de CO2:

Anàlisi d’1 mol de H2O conté

n solut (mol) Vdissolució (L)

–1

M (g $ mol )

L’expressió anterior serà la que utilitzarem amb més freqüència per calcular la quantitat de substància, n, d’una mostra de substància de massa m i de massa molar M (vegeu les activitats resoltes de la pàgina següent).

1 mol de H2O

Activitat resolta

N C = N CO2 = 1, 054 $ 10

cada una té una massa de

18 u

dels quals

Expressem el volum en les unitats adequades:

Vdissolució = 500 mL = 0, 5 L Així, podem calcular la molaritat de la dissolució d’hidròxid de sodi d’aquesta manera:

àtoms de carboni

N O = 2 $ N CO2 = 2, 108 $ 10 24 àtoms d'oxigen Així, si 1 mol de qualsevol gas en CN ocupa 22,4 L:

Vm = 1, 75 mol $ 18 g

22, 4 L = 39, 2 L 1 mol

120 g m = = 3 mol M 40 g $ mol –1

3 mol =6M 0, 5 L

Fixa’t que expressem la molaritat com el seu valor seguit de la lletra M.

NA = 6,022 · 1023 unitats elementals/mol Atès que l’isòtop de C–12 té una massa de 12 u, això és, 1,9932 · 10–26 kg (1 u = 1,661 · 10–27 kg), la quantitat d’isòtops de C–12 que hi ha en una mostra de 0,012 kg de C–12 serà:

0, 012 kg

Comprèn, pensa, investiga... 9

16 g són de O

2g són de H

16 u són de O

2u són de H

1, 9932 $ 10 –26 kg/isòtop de C-12

Calcula la massa molar de l’amoníac, el clorur d’hidrogen i l’hidròxid de calci.

Solució: 17 g/mol; 36,5 g/mol i 74 g/mol.

12 Calcula la quantitat de la substància que hi ha en

10 Quina de les substàncies de l’activitat anterior contindrà més quantitat de substància en un quilogram de massa?

N - 6, 022 $ 10 unitats = N A

• La comprensió del significat de la magnitud quantitat de matèria i la de la seva unitat, el mol, és potser un dels aspectes que comporta més dificultats en aquest bloc dedicat a la química. • El currículum indica que l’alumnat ha de reconéixer aquesta magnitud com a magnitud fonamental (criteri d’avaluació 4 del bloc 3: Els canvis) i ha de realitzar càlculs que relacionin la quantitat de substància amb la massa atòmica o molecular, i la constant d’Avogadro (estàndard d’aprenentatge 4.1 del bloc 3: Els canvis). No obstant això, no s’al·ludeix a la comprensió del significat de la magnitud, la qual cosa pot resultar poc convenient per obtenir un aprenentatge efectiu i significatiu. • Per aconseguir una comprensió del significat de la magnitud quantitat de substància, aquest epígraf comença amb una definició en termes de nombre d’unitats fonamentals (àtoms, ions o molècules). • A continuació, expliquem què és un mol de dues formes diferents. La primera d’elles, connecta les idees de quantitat de substància i constant d’Avogadro. Incloem la segona perquè habitualment és la que es trobarà en altres textos de química, però que resulta menys comprensible. • El currículum només al·ludeix a la massa molecular (o atòmica) i no esmenta la massa molar; això implica una desconnexió entre la descripció a escala atòmica de la reacció química i l’ús de la quantitat de substància a escala macroscòpica. Per incidir en aquesta relació, que considerem necessària, definim massa molar en funció de la massa molecular (coneguda pels nostres estudiants des del primer cicle de l’ESO) i l’acompanyem amb una figura que destaca el paral·lelisme entre massa molar i massa molecular. En aquest sentit es planteja l’activitat 10. Usem la denominació massa de la unitat fórmula per referir-nos a substàncies no moleculars, com es va veure en el curs anterior. • Finalment, en aquest epígraf dedicat a la quantitat de substància, incloem la concentració molar o molaritat, que serà necessària per resoldre problemes que impliquin càlculs estequiomètrics entre reactius en dissolució, com veurem més endavant. 78

250 mL d’una dissolució 2 M de NaOH. Variarà el resultat si la dissolució és de Ca(OH)2? Solució: 0,5 mol.

129

128

Suggeriments metodològics

Cerca informació sobre la determinació del nombre d’Avogadro i elabora un petit informe.

Solucions Comprèn, pensa, investiga...

La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari.

10 La substància que contindrà més quantitat de substància, és a dir, més nombre d’unitats fonamentals, serà la de menor massa molar, per tant, aquella la unitat fonamental de la qual sigui de menor massa; es tracta de l’amoníac.

Es pot acudir a la investigació de Jean Perrin o a l’experiment de Millikan.

12 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari.

Anotacions

UNITAT

Càlculs estequiomètrics

4.2 Càlculs amb reactius en dissolució Com ja hem indicat, moltes reaccions químiques tenen lloc en una dissolució aquosa en què l’aigua actua com a dissolvent. Les substàncies que intervenen en la reacció que es troben en la dissolució s’indiquen amb l’abreviatura (aq).

Per poder realitzar càlculs estequiomètrics en una equació química, primer hem d’ajustar-la. Per fer-ho, utilitzarem els coeficients estequiomètrics, que relacionen la quantitat de substància, tant de reactius com de productes, que hi intervenen. Fixa’t que si multipliquem aquests coeficients pel NA, podrem conèixer el nombre d’unitats elementals de les substàncies que hi intervenen.

Però, a vegades, l’aigua participa en la reacció com a reactiu o com a producte. Vegem-ne un exemple per entendre-ho millor.

4.1 Càlculs estequiomètrics massa–massa Activitat resolta

S’utilitzen per calcular la massa d’una de les substàncies (substància incògnita) que intervé en la reacció, a partir de la massa d’una altra (substància dada). Els passos que hem de seguir es recullen en l’exemple següent.

5 Calcula el volum d’una dissolució d’àcid clorhídric 0,2 M necessari perquè reaccionin completament 250 mL d’una dissolució d’hidròxid de calci 0,1 M. Els productes d’aquesta reacció química són clorur de calci i aigua.

Activitat resolta 4 El clorat de potassi, KClO3, es descompon en clorur de potassi i oxigen. Calcula la massa d’oxigen que s’obté en descompondre 86,8 g de clorat de potassi per l’acció de la calor. Dades: M (K) = 39,1 g/mol; M (Cl) = 35,5 g/mol; M (O) = 16,0 g/mol.

3 Calculem les masses molars de les substàncies

dada i incògnita: 1

que reacciona i que es forma de cada compost, primer haurem d’ajustar estequiomètricament la reacció: 1

86, 8 g 122, 6 g $ mol

–1

incògnita i anotem la informació de l’enunciat:

Calcula la massa de clorur de potassi que s’obté en la reacció de l’exemple.

Calcula la quantitat de substància de PCl3 que s’obté si reaccionen 426 g de Cl2 segons la reacció: Cl2 + P4 8 PCl3 Solució: 4 mol.

15 Calcula la quantitat de substància de P4 que és ne-

2 Escrivim les dades de l’enunciat al costat de

l’equació química: 1

3 mol O 2 n O2 = 0, 708 mol KClO 3 $ 2 mol KClO 3 n O2 = 1, 062 mol O 2

2 HCl 1 mol $ Ca(OH) 2 n HCl = 0, 050 mol HCl

n HCl = 0, 025 mol $ Ca (OH) 2 $

5 Per acabar, calculem el volum de la dissolució

incògnita a partir de la definició de molaritat:

VHCl ? ;

VCa (OH) 2 = 250 mL = 0, 250 L

n (mol) M= V (L)

n (mol) V (L)

8 V (L) =

n (mol) M

les següents: 2

8 n (mol) = M $ V (L)

nHCl = 0,050 mol

;

M = 0,2 mol/L

2 Per tant, el volum necessari d’àcid clorhídric per-

què reaccionin completament els 250 mL de la dissolució de l’enunciat serà:

tir de la definició de molaritat: 1

2 En el nostre cas, les dades de què disposem són

2 HCl (aq) + Ca (OH) 2 (aq) 8 2 H 2 O + CaCl 2 (aq)

3 Calculem la quantitat de substància dada a par-

m O2 = 1, 062 mol $ 32,0 g $ mol –1 = 33, 984 g

Comprèn, pensa, investiga...

2 HCl (aq) + Ca (OH) 2 (aq) 8 2 H 2 O + CaCl 2 (aq) producte de la reacció.

- 0, 708 mol

incògnita a partir de la massa molar:

m KClO 3 = 86, 8 g

6 Per acabar, trobem la massa de la substància

2 KClO 3 (s) 8 2 KCl (s) + 3 O 2 (g)

cia incògnita corresponent a partir dels coeficients estequiomètrics:

2 Fixa’t que l’aigua, a més del dissolvent, és un

a partir dels coeficients estequiomètrics: 1

n KClO 3 =

n Ca(OH) 2 = 0, 1 M $ 0, 250 L = 0, 025 mol

quem la substància dada i la substància incògnita:

5 Calculem la quantitat de substància incògnita

2 KClO 3 (s) 8 2 KCl (s) + 3 O 2 (g)

2 Identifiquem la substància dada i la substància 1

1 Partim de l’equació química ajustada i identifi-

M KClO 3 = 122, 6 g/mol ; M O2 = 32, 0 g/mol tància dada a partir de la massa molar:

4 A continuació, calculem la quantitat de substàn-

Com en l’activitat resolta de la pàgina anterior, seguirem la seqüència de passos:

4 Calculem la quantitat de substància de la subs-

1 Per poder relacionar la quantitat de substància

2 En el nostre cas:

V (L) =

0, 050 (mol) 0, 2 mol $ L–1

= 0, 250 L = 250 mL

Comprèn, pensa, investiga... 16

Es fa reaccionar carbonat de calci amb àcid clorhídric segons la reacció següent: CaCO3 + 2 HCl 8 CaCl2 + H2O + CO2 Calcula la massa de clorur de calci que s’obté a partir de 350 g de carbonat de calci. Solució: m = 388,5 g de CaCl2.

17 Quin volum d’àcid clorhídric es necessita en la reac-

cessària en la reacció de l’activitat anterior.

ció anterior suposant condicions normals?

Solució: 1 mol.

Solució: V = 156,8 L.

Calcula el volum necessari d’una dissolució d’àcid clorhídric 2,5 M perquè reaccionin 0,2 mol de zinc segons aquesta reacció: 2 HCl + Zn 8 ZnCl2 + H2. Solució: V = 160 mL.

19 Informa’t sobre altres formes d’expressar la concentració d’una dissolució. Quin avantatge té emprar la molaritat i no una altra per dur a terme càlculs estequiomètrics?

• L’epígraf 4, que comprèn aquestes pàgines i la següent, es dedica als càlculs estequiomètrics, i s’aborda usant exemples resolts. • Suggerim explicar la resolució de problemes amb l’objectiu que l’alumnat reflexioni sobre els processos mentals implícits en aquest procés. Per això, és convenient demanar, com a part de l’avaluació del treball personal de cada estudiant, l’escriptura de l’estratègia seguida en la resolució d’un problema. • En aquest sentit, pot resultar enriquidor plantejar un treball en grups petits com a dinàmica en les sessions dedicades a aquesta part de la unitat. Cada membre del grup exposarà a la resta la resolució dels problemes que s’hagin encarregat com a treball de casa, comentat el seu esquema de resolució i els resultats. Una vegada realitzada la posada en comú, s’elaborarà per escrit la resolució del problema amb l’estratègia seguida en cada grup. Finalment, cada grup corregirà l’estratègia i els resultats d’un altre grup. El docent supervisarà les tasques i qualificarà el treball individual, l’aportació de cada membre al grup i el treball de coavaluació. D’aquesta manera, fomentem les tasques col·laboratives, l’esperit autocrític i la coavaluació. • Poden resultar útils les activitats 19 i 20 de la pàgina 143, a més de les de la pàgina 130. • La concentració d’una dissolució és un dels temes fonamentals en química. El seu adequat maneig implica que l’alumnat hagi interioritzat el significat dels termes raó i proporció. Per això, suggerim incidir en aquests conceptes abans d’abordar els càlculs estequiomètrics amb reactius en dissolució. • Així mateix, recomanem l’ús dels factors de conversió tant en el càlcul de quantitats a partir del valor de concentració (en g/L o molaritat) com en el càlcul de la quantitat de substància de la substància incògnita. Un plantejament alternatiu sol passar per l’ús de les regles de tres, la qual cosa resulta menys àgil i molt més lent.

A serà necessari per fer reaccionar completament 2 mL d’una altra dissolució 2 M d’una substància B si sabem que els coeficients estequiomètrics de A i B són iguals?

21 Calcula el volum de dissolució d’àcid clorhídric de l’activitat resolta d’aquesta pàgina si la concentració d’aquest reactiu fos 0,1 M. Quina relació hi ha entre ambdós resultats? Solució: V = 250 mL.

131

130

Suggeriments metodològics

20 Quin volum d’una dissolució de 2 M d’una substància

• La resolució de problemes d’estequiometria usant factors de conversió és el mètode que se sol seguir en etapes educatives posteriors. Per això, a causa del caràcter propedèutic d’aquest curs, suggerim incidir en el seu ús. • Recomanem abordar la primera part del primer enunciat de l’epígraf «Orientacions per a la resolució de problemes» en finalitzar aquesta doble pàgina.

Solucions Comprèn, pensa, investiga...

13 a 18 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari. 19 Les formes habituals d’expressar la concentració són: % en massa o riquesa (massa de solut en g per cada 100 g de dissolució), % en volum (volum de solut en mL per cada 100 mL de dissolució) i concentració en massa de solut, en grams, per cada litre de dissolució. L’avantatge d’usar la molaritat en els càlculs estequiomètrics és que una vegada tinguem el volum de dissolució, podem calcular la quantitat de substància fàcilment; el valor d’aquesta magnitud és el necessari per dur a terme els càlculs.

20 Si la molaritat d’ambdues dissolucions és la mateixa, i la relació entre els coeficients estequiomètrics és 1:1, el volum de dissolució serà el mateix, ja que contindrà la mateixa quantitat de substància, que és la requerida perquè reaccioni completament la quantitat de substància donada.

21 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari.

Anotacions

4.3 Càlculs de reaccions entre gasos La quantitat de substància d’un gas es pot relacionar amb el volum que ocupa si coneixem les seves condicions de pressió i temperatura. L’equació que relaciona aquestes magnituds, considerant el gas ideal, és:

Quan té lloc una reacció química, de la mateixa manera que passa en altres processos, s’intercanvia energia entre el sistema sobre el que s’està produint el canvi i l’entorn.

on p és la pressió, V el volum, n la quantitat de substància, T la temperatura i R la constant dels gasos ideals, amb un valor que depèn de les unitats en què està expressada. Habitualment utilitzem aquest valor:

Aquest tipus d’energia que es transforma durant una reacció química s’anomena energia química.

atm $ L K $ mol

L’energia química és la que està associada amb els enllaços químics i les atraccions intermoleculars.

Segons la llei d’Avogadro, dues substàncies gasoses en les mateixes condicions de pressió i temperatura ocupen el mateix volum. Per això:

L’energia química del conjunt de les substàncies que reaccionen es modifica, ja que es trenquen uns enllaços i se’n formen uns altres, i així es dóna lloc als productes.

Les relacions entre els coeficients estequiomètrics, en reaccions entre gasos, són les mateixes que entre els volums de gas, mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura.

Podem tenir dues situacions diferents: una en què als reactius els correspon més energia que als productes de la reacció, i la contrària. En el primer cas, es tractarà d’una reacció exotèrmica i en el segon, d’una reacció endotèrmica.

Activitat resolta 6 Demostra que la relació entre els volums dels ga sos d’aquesta reacció química és la mateixa que la que obtenim entre els coeficients estequiomètrics, si es mesuren en les mateixes condicions de pres sió i temperatura. 2 N2 (g) + 3 H2 (g) 8 2 NH3 (g) La relació entre els coeficients estequiomètrics és: 2 mol de N2 reaccionen amb 3 mol d’H2 per obtenir 2 mol de NH3. Suposem que les condicions de pressió i temperatura són p i T.

Podem quantificar l’energia química d’un canvi químic a partir de la variació de l’energia dels reactius i dels productes.

Els volums es calcularien amb l’equació:

n $R $T V= p

DE = E productes – E reactius

Utilitzant la relació estequiomètrica tenim:

VN2 = 2 $

R $T p

; VH2 = 3 $

R $T p

; VNH3 = 2 $

R $T p

Com que R · T/p no varia, es pot concloure que 2 L de N2 reaccionen amb 3 L d’H2 per produir 2 L de NH3, i s’observa la mateixa relació que entre els coeficients estequiomètrics.

El signe de la variació d’energia per a una reacció endotèrmica serà positiu; en canvi, per a una reacció exotèrmica serà negatiu. Hi ha reaccions químiques molt exotèrmiques. Per exemple, les combustions, on s’allibera energia química mitjançant la calor. Contràriament, algunes reaccions químiques absorbeixen energia de l’ambient i el refreden. Són les reaccions endotèrmiques.

Tipus de reaccions

Comprèn, pensa, investiga... 22 Calcula la quantitat de gas metà que hi ha en un recipient de 3 litres si p = 1,2 atm i T = 27 °C. Si refredem el recipient fins als 10 °C, quin serà el nou valor de la pressió? Solució: 0,146 mol; p = 1,13 atm.

23 Calcula el volum d’hidrogen (H2) mesurat a 25 °C i 0,98 atm que es desprèn quan es fa reaccionar 41,4 g de sodi amb aigua: 2 Na (s) + H2O 8 2 NaOH (aq) + H2 (g) Solució: V = 22,44 L.

24 Comprova que el valor de la constant dels gasos, expressats en unitats SI, és 8,31 J · K–1 · mol–1.

25 Comprova que un mol de qualsevol gas mesurat en CN (273 K i 1 atm) ocupa un volum de 22,4 L.

26 Calcula el volum de CO2 desprès en CN en cremar 5 mol de propà. Solució: V = 336 L.

Reaccions exotèrmiques

Reaccions endotèrmiques

PRODUCTES

REACTIUS

27 A partir de les reaccions de combustió dels quatre primers alcans, indica el volum i la massa de CO2 que es desprèn en cremar-ne un litre de cada un, mesurat en CN. CH4 +2 O2 8 CO2 + 2 H2O C2H6 +

7 O 8 2 CO4 + 3 H4O 2 4

C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O C4H10 +

9 O 8 4 CO2 + 5 H2O 2 2

Solució: metà; VCO2 = 1 L; mCO2 = 1,96 g; età; VCO2 = 2 L; mCO2 = 3,93 g; propà; VCO2 = 3 L; mCO2 = 5,90 g; butà; VCO2 = 4 L; mCO2 = 7,86 g.

PRODUCTES PROGRÉS DE LA REACCIÓ En una reacció exotèrmica, l’energia dels reactius és més gran que la dels productes, i la variació d’energia de la reacció és negativa.

Suggeriments metodològics • Concloem en aquesta primera pàgina els càlculs estequiomètrics abordant les reaccions entre reactius gasosos. • Incloem l’equació d’estat del gas ideal, o equació de Clapeyron, que relaciona la quantitat de substància gasosa amb el volum que ocupa en determinades condicions de pressió i temperatura. • Suggerim recordar a l’alumnat el que ha estudiat en relació amb les lleis dels gasos en els cursos precedents. Resulta convenient realitzar aquest repàs i indicar que aquesta equació del gas ideal reuneix la informació continguda en les lleis de Boyle i Mariotte, i Charles i Guy-Lussac. • En alguns textos s’aplica l’equació de Clapeyron a gasos en condicions de pressió molt superiors a 1 atm, la qual cosa no és adequada ni recomanable. En els nous currículums de Batxillerat s’inclouen, a més d’aquesta, altres equacions d’estat, com és la de van der Waals. Per això, en aquest curs hem de destacar les condicions en les quals podem considerar que el comportament d’un gas és el de gas ideal (sense interacció entre les partícules que el formen). Aquesta consideració s’ha tingut en compte en l’elaboració dels enunciats de les activitats. • La segona pàgina correspon a l’inici de l’epígraf 5, «L’energia en les reaccions químiques». Suggerim anticipar els continguts, encara que sigui de manera molt esquemàtica, relatius a la diferència entre calor, temperatura i energia tèrmica que s’aborden en la unitat 11. • Els conceptes de reacció exotèrmica i endotèrmica no ofereixen especial dificultat; tanmateix, la seva representació en un esquema d’energies pot resultar una mica més complex. Es pot posar algun exemple de reacció per facilitar la comprensió dels esquemes d’aquesta pàgina. • Recomanem relacionar els continguts d’aquesta pàgina amb el text de l’apartat «Química quotidiana» dedicat a aplicacions de reaccions endotèrmiques i exotèrmiques en productes de consum quotidià.

REACTIUS PROGRÉS DE LA REACCIÓ Tanmateix, en una reacció endotèrmica l’energia dels reactius és més baixa que la dels productes, i això fa que la variació de l’energia de la reacció sigui positiva.

133

132

5.1 Reaccions endotèrmiques i exotèrmiques

p $V =n $R $T

R = 0, 082

UNITAT

L’energia en les reaccions químiques

Solucions Comprèn, pensa, investiga...

22 i 23 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari. 24 Usant factors de conversió: atm $ L 101325 Pa 1 m 3 J $ $ - 8, 31 1 atm 1000 L K $ mol K $ mol 25 Per això aclarim el volum en l’equació del gas ideal i substituïm els valors de les magnituds: n $ R $ T 1 mol $ 0, 082 atm $ L $ K –1 mol –1 $ 2732 K = - 22, 4 L V= p 1 atm R = 0, 082

26 i 27 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari.

Anotacions

UNITAT

5.2 Diagrames d’energia i catalitzadors

5.4 Equacions termoquímiques

En els diagrames d’energia que mostrem a la pàgina anterior, només s’informa sobre l’energia dels estats inicial i final d’una reacció química. Però l’evolució del sistema durant la reacció és més complexa. Recorda que no tots els xocs entre les molècules de reactius són efectius, perquè no tots tenen l’orientació i l’energia suficient.

Anomenem equació termoquímica aquella que ens informa no tan sols de quines són les substàncies que intervenen en una reacció química, sinó també dels seus estats d’agregació i de quina quantitat d’energia es posa en joc. El valor de la calor de reacció que apareix en una equació termoquímica depèn de:

Durant el transcurs d’una reacció química s’assoleix un estat de transició energètic entre els reactius i els productes amb una energia més gran que la d’ambdós. En aquest punt es forma el complex activat (figura de sota).

❚ L’estat d’agregació de reactius i productes, ja que un canvi d’estat im-

Independentment de si la reacció és endotèrmica o exotèrmica, en qualsevol reacció química es passa per aquest estat d’energia.

Per exemple, la següent equació termoquímica ens informa que en la combustió d’un mol de butà gasós, C4H10, s’alliberen 2.877 kJ si obtenim CO2 en estat gasós i aigua líquida:

plica una variació d’energia.

❚ La quantitat de substància que reaccioni, i per això cal fixar-se en els valors dels coeficients estequiomètrics que s’han utilitzat.

Energia d’activació. Catalitzadors

C 4 H 10 (g ) +

E Reacció sense catalitzar Energia d’activació sense catalitzador, Ea Energia d’activació amb catalitzador, Ea’

REACTIUS

Reacció catalitzada

PRODUCTES PROGRÉS DE LA REACCIÓ

La diferència d’energia entre la dels reactius i la de l’estat de transició s’anomena energia d’activació. Aquesta energia suposa una barrera que només ultrapassaran les molècules de reactiu que tinguin prou energia i hi xoquin de forma efectiva. Quan aquesta energia es molt alta i els reactius no poden superar-la, s’utilitzen catalitzadors. Aquestes substàncies disminueixen l’energia d’activació i creen una ruta energètica més favorable, i fan que els reactius puguin transformar-se en els productes.

Activitat resolta 7 Calcula la quantitat d’energia que s’allibera en fer reaccionar un quilogram de butà i la que es des prèn quan reacciona un quilogram de metà. Dades: Qr (CH4) = –890 kJ/mol; Qr (C4H10) = –2.877 kJ/mol; M (C) = 12 g/mol, M (H) = 1 g/mol. Les calors de combustió es refereixen a un mol de combustible. Per això, hem de calcular la quantitat de substància de cada combustible sumat als reactius.

28 Si toquem un got on té lloc una

La calor de reacció ens permetrà diferenciar entre una reacció endotèrmica i una d’exotèrmica. Per això definim prèviament un criteri de signes:

❚ Reaccions endotèrmiques. Quan es produeix una reacció d’aquest tipus, l’energia del sistema augmenta. L’intercanvi d’energia mitjançant calor es produeix des de l’entorn cap al sistema. En aquests casos, la calor de reacció DE és positiva.

❚ Reaccions exotèrmiques. Quan es produeixen aquestes reaccions, l’energia del sistema disminueix. L’intercanvi d’energia mitjançant calor es produeix des del sistema cap a l’entorn; per això, la calor de reacció és negativa.

Abans, ens fa falta conèixer les masses molars, que calcularem a partir de les fórmules moleculars:

reacció endotèrmica, quina sensació tindrem?

Cerca exemples de reaccions exotèrmiques i endotèrmiques i les aplicacions que tenen en productes quotidians.

Què pots dir d’una reacció química, si Qr = –287,9 kJ/ mol? I si fos de signe contrari?

La calor de reacció, Qr, és l’energia intercanviada en forma de calor entre un sistema en el qual té lloc una reacció química i l’entorn.

altera el valor de Qr?

Calculam la quantitat de substància de cada un dels combustibles:

n CH4 = n C4 H10 =

Q c (CH 4) = 62, 5 mol $ Q c (C 4 H 10) = 17, 2 mol $

Raona si una reacció és endotèrmica o exotèrmica si la calor de reacció en l’equació termoquímica és de signe positiu sumat en els reactius.

34 Calcula l’energia necessària per a la formació de 75 g de monòxid de nitrogen segons la reacció: N2 (g) + O2 (g) + 181 kJ 8 2 NO (g) Solució: Qr = 226,25 kJ.

• En la primera pàgina es completa l’explicació del paper que juguen els catalitzadors en la velocitat d’una reacció química. Suggerim que s’al·ludeixi al que s’ha vist en l’epígraf 2. La figura d’aquesta pàgina es refereix a una reacció exotèrmica, encara que en el text s’indica que l’estat de transició ocorre també en les reaccions endotèrmiques. Per això, suggerim al docent que dibuixi un esquema de la representació de l’energia davant l’avanç de la reacció per a aquest últim tipus de reaccions. • La calor de reacció s’inclou en el currículum, perquè en l’estàndard 3.1 del bloc 3: Els canvis s’al·ludeix a la interpretació del signe d’aquesta magnitud. Per tant, serà necessari adoptar un criteri de signes per indicar si el trànsit d’energia ocorre des del sistema cap als voltants o viceversa. En aquest text s’ha usat el criteri més emprat en textos de química general. • Així mateix, el currículum en el criteri d’avaluació 3 del bloc 3: Els canvis indica que l’alumnat ha d’interpretar equacions termoquímiques. Aquestes equacions inclouen la calor de reacció. Per interpretar aquesta informació, es pot usar el signe de la calor de reacció o bé, indicar si l’energia corresponent se suma en el costat dels reactius o dels productes. Aquesta última opció s’inclou en el text però recomanem usar com a criteri el signe de la calor de reacció per evitar incloure un criteri addicional. • En la interpretació de les equacions termoquímiques és precís tenir en compte els estats d’agregació de reactius i productes, i els valors dels seus coeficients estequiomètrics. Aquests factors no s’expliciten en el currículum, però s’inclouen en el text atès el caràcter propedèutic d’aquest curs, ja que en Batxillerat s’estudiarà i s’ampliarà en la part de termoquímica.

890 kJ 4 - 5, 56 $ 10 kJ 1 mol 2.877 kJ 4 - 4, 95 $ 10 kJ 1 mol

La calor de combustió de l’àcid benzoic és –26,42 kJ/g: a) És una reacció endotèrmica o exotèrmica? b) Quina quantitat d’energia en forma de calor es desprèn en la combustió de 3 mol d’àcid benzoic (C7H6O2)? Solució: 9.670 kJ.

135

134

• Aquesta doble pàgina tanca l’epígraf dedicat a energia i reaccions químiques. Incloem algunes nocions sobre la teoria del complex activat, la definició de la calor de reacció i les equacions termoquímiques.

1.000 g - 17, 2 mol 58 g/mol

Comprèn, pensa, investiga...

sentis les situacions d’intercanvi d’energia tant en reaccions endotèrmiques com exotèrmiques.

Suggeriments metodològics

1.000 g = 62, 5 mol 16 g/mol

I per acabar, la calor que desprèn cada un durant la combustió:

M CH4 = 12 $ 1 + 1 $ 4 = 16 g/mol M C4 H10 = 12 $ 4 + 1 $ 10 = 58 g/mol

31 La presència d’un catalitzador 32 Dibuixa un esquema on repre-

Q r = –2.877 kJ

A vegades, podem trobar la calor de reacció integrada dins de l’equació química. Si es tracta d’una reacció endotèrmica estarà sumada als reactius; i si és exotèrmica, als productes.

Comprèn, investiga...

Per mesurar-la, introduïm el concepte d’energia de reacció, o calor de reacció:

13 O 2 (g ) 8 4 CO 2 (g ) + 5 H 2 O (l ) 2

Pel que fa a les reaccions de combustió, com la de l’exemple, la calor de reacció rep el nom de calor de combustió i es refereix a un mol del combustible.

5.3 Intercanvi d’energia. Calor de reacció Un intercanvi d’energia entre un sistema i l’entorn, o entre dos sistemes, es pot produir mitjançant calor o treball. Quan té lloc una reacció química, es produeix una variació de l’energia del sistema que reacciona.

• Recomanem treballar l’exercici resolt de la pàgina 135, ja que l’enunciat al·ludeix a la situació més comuna d’utilització del valor de la calor d’una reacció química: la calor de combustió d’un combustible. En aquest sentit, aconsellem resoldre l’activitat 30 de la pàgina 145, en la qual es demana una comparativa entre l’energia alliberada en la combustió de certa quantitat de diversos combustibles i la quantitat de diòxid de carboni emesa, de manera que es potenciï en l’alumnat la capacitat d’analitzar dades i extreure conclusions per tenir així una opinió fonamentada davant de certes qüestions.

Solucions Comprèn, pensa, investiga...

28 Tindrem una sensació de fred, ja que part de l’energia de la nostra mà es transmetrà al sistema, on ocorre aquesta reacció endotèrmica.

Es pot al·ludir a compreses de fred instantani, en les quals es duu a terme la hidratació del nitrat d’amoni, i a les begudes autoescalfables, a les quals dediquem la lectura del final de la unitat, en les quals reacciona òxid de calci amb aigua.

Es tracta d’una reacció exotèrmica; si el signe fos contrari , seria una reacció endotèrmica.

31 No altera el valor de l’energia d’activació. 32 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari. 33

Si es tracta d’una reacció endotèrmica la calor apareixerà afegida als reactius, ja que l’estat energètic dels productes és més gran; al contrari, la calor apareix afegida als productes si es tracta d’una reacció exotèrmica, ja que es tracta d’energia que abandona el sistema.

34 i 35 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari. 81

Orientacions per a la resolució de problemes

UNIDAD

Com es resol un exercici d’estequiometria

1 Entén l’enunciat i extreu-ne dades Llegeix l’enunciat dues vegades per assegurar-te que entens ben bé la situació que es tracta.

❚ Després de la primera lectura, busca el significat de les paraules que no entenguis i que consideres rellevants.

❚ A partir de la segona lectura, extreu-ne les dades que s’hi donen i identifica què és el que es demana. Recorda’t d’expressar les magnituds amb el seu símbol i intenta utilitzar subíndexs per a les diferents substàncies.

Comprèn, pensa, investiga... ExEmplE 1

ExEmplE 2

Una mostra d’alumini pur es fa reaccionar amb 150 mL d’una dissolució d’àcid clorhídric (HCl) de concentració 5 M. Es forma clorur d’alumini (AlCl3) i es desprèn hidrogen gasós (H2). Quina massa tenia la mostra d’alumini? Quin vo lum d’hidrogen s’ha desprès si es mesura en CN? Dades: M (Al) = 27g/mol.

Calcula l’energia que es desprèn en forma de calor quan reaccionen 440 g de propà amb la quantitat suficient d’oxigen. Dada: Qr = –2.218,8 kJ/mol.

❚ L’enunciat descriu una reacció química.

❚ L’enunciat descriu una reacció exotèrmica en què es demana l’energia alliberada en forma de calor. – Substància dada: propà, C3H8:

❚ Diferenciem entre les dades que ens donen i les que se’ns demana que calculem:

Qr = –2.218,8 kJ/mol.

VHCl = 150 mL; 5 M = 5 mol/L

Es tracta d’un problema d’estequiometria, atès que ens diuen dades de substàncies que reaccionen. Hem d’escriure l’equació química ajustada, juntament amb les dades i les masses molars de les substàncies.

2 Al (s) + 6 HCl (aq) 8 2 AlCl3 (aq) + 3 H2 (g) mAl

V = 150 mL

MAl = 27 g/mol

VH2 , CN

Per tant, 2 mol de Al es combinen amb 6 mol de HCl i donen 2 mol de AlCl3 i 3 mol de H2.

Solució: 50 mol.

C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O

següent reacció química: Qr = –2.218,8 kJ

M C3 H8 = 44 g/mol

En aquest cas, hem de seguir aquesta seqüència:

❚ Relació entre massa molar, quantitat de substància i

1. Calcular la quantitat de substància dada:

n (mol) =

m (g) M

❚ Llei dels gasos ideals, P · V = n · R · T, si hi ha reactius o productes gasosos.

❚ Definició de molaritat: M=

n (mol) V (L)

n (mol) = M · V (L) 2. A partir de la relació estequiomètrica, es calcula la quantitat de substància de cada compost incògnita. 3. Calcular la massa i el volum de les substàncies incògnita a partir de la massa molar i de l’equació dels gasos, respectivament.

m (g) n (mol) = M 2. Calcular l’energia alliberada en forma de calor a partir de l’equació termoquímica.

❚ Analitza el resultat i comenta’l, si és necessari.

❚ Calculem la quantitat de HCl: n HCl = 5

mol $ 0, 15 L = 0, 75 mol L

❚ A partir d'aquest valor, trobem la quantitat de Al i H2: 2 mol Al = 0, 25 mol 6 mol HCl 3 mol H 2 n H2 = 0, 75 mol HCl $ = 0, 375 mol 6 mol HCl n Al = 0, 75 mol HCl $

❚ Per acabar, calculem la massa de Al i el volum de H2:

d) Quin volum d’hidrogen, mesurat a 300 K i 1,2 atm, es desprèn a partir de l’aigua que reacciona? Dades: M (Ca) = 40 g/mol; M (O) = 16 g/mol; M (H) = 1 g/mol.

40 Quina energia es desprèn quan reaccionen 330 g

❚ Calculem la quantitat de C3H8, dividint per la massa molar (M), que podem expressar així:

440 g n C3 H8 = = 10 mol 44 g/mol

❚ Calculem l’energia alliberada: Energia = 10 mol $ C 3 H 8 $

VH 2 =

• Els exemples triats per a aquest epígraf són: problemes de càlculs estequiomètrics amb reactius en dissolució, reactius sòlids i productes gasosos, o bé problemes de càlcul d’energia associada a una reacció química. • El primer és un problema la resolució del qual és un dels aspectes centrals d’aquest bloc de continguts. Per això, suggerim donar-li més importància que al segon. • Per al primer destaquem que, com en tots els problemes d’estequiometria, convé, una vegada llegit l’enunciat, indicar quina és la substància donada i quines són les substàncies incògnita. Realitzar aquesta rutina resulta convenient ja que, quan en el curs següent s’aborden els problemes d’estequiometria en els quals hi hagi un reactiu limitant, l’estudiant els identificarà amb rapidesa. • En ambdós casos, la identificació de lleis per resoldre els problemes, es limita a l’ús d’una definició, la de molaritat en el primer problema i la de massa molar en el segon. • Podríem completar l’anàlisi del resultat del primer problema verificant que es compleix la llei de conservació de massa. Recomanem treballar aquesta activitat fins a la seva total comprensió i que s’inclogui en el portfoli de l’alumnat. • A més, resulta convenient demanar a l’alumne o alumna que proposi la seva pròpia estratègia de resolució de problemes, basada en l’esquema en quatre passos amb el qual treballem en aquest text.

Solucions Comprèn, pensa, investiga...

36 i 41 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari.

M (O) = 16 g/mol;

Solució: Qc = –4.814,7 kJ; VCO2 = VH2= 246,4 L.

41 Una mostra de ferro es barreja amb 200 mL d’àcid sulfúric, H2SO4, de concentració 3,5 M. En aquesta reacció es formen hidrogen en estat gasós i sulfat de ferro (II). Quina massa tenia la mostra de ferro? Quin volum d’hidrogen es desprèn mesurat a 30 °C i 0,95 atm?

Solució: mFe = 39,06 g; VH2 › 18,31 L.

137

136

• L’entrenament d’estratègies per a la resolució de problemes és un dels temes centrals d’aquesta matèria en aquest nivell. En el bloc de continguts de química, potser són els d’aquesta unitat els més adequats per al desenvolupament d’habilitats en la resolució de problemes.

Dades: M (C) = 12 g/mol; M (H) = 1 g/mol.

Dades: M (Fe) = 55,8 g/mol; M (S) = 32 g/mol; M (O) = 16 g/mol; M (H) = 1 g/mol.

atm $ L $ 273 K K $ mol - 8, 39 L 1 atm

0, 375 mol $ 0, 082

Suggeriments metodològics

(–2.218,8 kJ) = –22.188 kJ 1mol $ C 3 H 8

Expressem el resultat amb signe negatiu per indicar que es tracta d’energia alliberada.

m Al = 0, 25 mol $ 27 g/mol = 6, 75 g

c) Calcula la massa d’hidròxid de calci que es forma amb la mateixa quantitat d’aigua.

de C2H4O2 amb la quantitat suficient d’oxigen? Si la reacció tingués lloc en CN, quin volum de CO2 es formaria? I d’aigua? Qc = –875,4 kJ/mol.

❚ Fes els càlculs que siguin necessaris per dur a terme la teva estratègia de resolució del problema i recorda’t de mantenir la coherència en les unitats de les magnituds implicades.

b) Calcula la quantitat d’hidrur de calci que reaccionara amb 3,6 mol d’aigua.

Solució: b) 1,8 mol; c) m = 133,2 g; d) V = 73,8 L.

❚ Definició de calor de reacció. 4 Obtén el resultat i analitza’n la validesa

CaH2 (s) + H20 (l ) 8 Ca (OH)2 (s) + H2 (g) a) Ajusta l’equació química.

Això vol dir que en la combustió d’un mol de propà s’alliberen 2.218,8 kJ.

Identifica les lleis que hi intervenen massa:

Calcula la quantitat d’oxigen necessària per a la combustió completa de la quantitat de propà del segon exemple.

39 L’hidrur de calci reacciona amb aigua segons la

L’equació química ajustada és:

Calcula el volum d’hidrogen desprès del primer exemple resolt si es mesura a 25 °C. Serà més gran o més petit que el de l’exemple? Solució: V › 9,16 L.

m C3 H8 = 440 g – Calor de reacció:

– Substància dada: àcid clorhídric:

Calcula la massa de clorur d’alumini que s’ha format a partir de la reacció química del primer exemple resolt. Dada: M (Cl) = 35,5 g/mol. Solució: m › 33,4 g.

❚ Dades que extraiem:

– Substàncies incògnites: massa del Al i volum del H2 en CN.

2 Fes l’ajustament de la reacció química

10 4

Anotacions

TIC

UNITAT

Simulacions sobre la velocitat de reacció

Ajustament de reaccions Construïm gràfics En aquesta primera pàgina et mostrem dues eines que et serviran per practicar l’ajustament de reaccions químiques i per comprendre com és la proporció de les substàncies que reaccionen tenint en

compte la quantitat de productes i reactius que ens trobem en acabar la reacció. Això ens ajudarà a comprendre durant els pròxims cursos el concepte de reactiu limitant.

Ajustem reaccions químiques

Reactius, productes i sobrants

Utilitzarem una aplicació disponible en el web de Barcanova. Aquesta aplicació té dues parts: Introducció i Joc.

Utilitzarem ara una aplicació complementària a l’anterior, que pots descarregar en: https://phet.colorado.

• En aquesta aplicació es tracta d’una manera visual i in-

edu/sims/html/reactants-products-and-leftovers/latest/ reactants-products-and-leftovers_en.html.

tuïtiva l’ajustament de reaccions químiques comptant de forma immediata el nombre d’àtoms de cada element que hi ha en els reactius i en els productes. Per començar, utilitza la part Introducció i activa al cantó de dalt a la dreta l’eina que et permetrà visualitzar la balança d’elements.

Parteix d’un exemple d’estequiometria 2:1, formant un sandvitx que requereix 2 llesques de pa i 1 llenca de formatge. Encara que et sembli molt senzill, és la idea que utilitzarem per predir quin reactiu sobra.

• Fixa’t que el nombre de molècules, o unitats fonamen-

En aquesta unitat hem estudiat els factors que afecten la velocitat d’una reacció química. Utilitzarem un simulador de reaccions químiques per observar com és

l’efecte de la temperatura, de la concentració de reactiu i d’un catalitzador, que són els efectes més fàcils de reproduir.

Ara utilitzarem una aplicació disponible en:

Experiments de velocitat de reacció

https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/ reactions-and-rates. Te l’has de descarregar i executar amb Java. La simulació té tres parts: Col·lisió única, Moltes col·li sions i Experiments de velocitat de reacció. En tots tres casos, es tracta d’una reacció reversible, és a dir, que una vegada que es formen els productes de reacció, aquests interaccionen entre ells i donen lloc de nous als reactius. Hi ha moltes reaccions químiques en les quals té lloc aquesta situació. Diem aleshores que s’ha assolit l’equilibri químic.

Col·lisió única En aquesta part de la simulació pots observar l’efecte que té l’orientació relativa de les dues molècules de reactiu i l’energia de la col·lisió. Per observar com l’orientació relativa fa que la col·lisió sigui, o no, efectiva has de seleccionar en les Opcions del llançador (cantó de dalt a la dreta) Llançament oblic, i llançar la molècula de reactiu amb energia suficient.

tals, que permet emprar aquesta aplicació ha de ser un nombre enter.

• Utilitza ara el Joc per ajustar equacions amb nivells de dificultat creixent. Si no fas bé algun d’aquests exercicis, l’aplicació et dóna l’opció d’esbrinar-ne el perquè i tornar-ho a provar, tal com es mostra en la figura:

Aquí, l’aplicació permet variar el nombre de molècules dels reactius. A la banda de la dreta tenim les opcions per controlar l’experiment:

• Selecció de la reacció. Podem utilitzar una de les reaccions, o bé dissenyar-ne una, basant-nos en el diagrama d’energia. En el diagrama d’energia són editables els valors d’energia de reactius i productes, per tenir reaccions endotèrmiques o exotèrmiques, i el valor de l’energia d’activació, que ens permetrà simular la presència d’un catalitzador.

• Nombre de molècules a l’inici. Ens permet variar el nombre de molècules de reactius i productes a l’inici de la reacció.

• Temperatura inicial. • Opcions de gràfics. D’aquestes, resulta útil activar el gràfic de barres per tenir una idea de les quantitats de reactius i productes que hi ha, i la cinta per visualitzar el progrés de la reacció.

Comprèn, pensa, investiga... 1 Fes diversos experiments amb una sola col·lisió variant l’energia i l’angle de llançament. Extreu conclusions sobre la probabilitat que es produeixi una col·lisió efectiva i els factors dels quals depèn.

2 Fes un experiment de velocitat de reacció amb la pri-

Comprèn, pensa, investiga...

mera reacció química de les que s’ofereixen, variant la quantitat de molècules dels dos reactius.

1 Explica per què el darrer coeficient que s’ha d’ajustar és el que correspon a substàncies elementals o substàncies simples.

Activa la visualització del cronòmetre i el diagrama d’evolució de la reacció per cronometrar el temps que tarda a estabilitzar-se la reacció.

2 De la mateixa manera que quan tenim quatre llesques Una vegada que hem treballat amb aquesta aplicació, farem un pas més i veurem què passa en una situació en què les unitats fonamentals dels reactius no hi són en proporció estequiomètrica, és a dir, que sobra una certa quantitat d’un reactiu.

de pa i una sola llenca de formatge aquest ingredient «limita» la preparació de dos sandvitxos (només se’n pot fer un), en estequiometria es fa servir el concepte de reactiu limitant, que estudiaràs en profunditat en altres cursos més endavant. Si prenem com a exemple la reacció de formació de l’amoníac i tenim dos mol de nitrogen (N2) i tres d’hidrogen (H2), quin és el reactiu limitant?

L’efecte de l’energia de col·lisió es pot observar fent llançaments, ampliant més o menys l’angle del llançador. Observa que si l’energia del llançament és inferior a l’energia d’activació de la reacció no obtindràs una collisió efectiva. Per poder visualitzar el diagrama d’energia de la reacció has d’activar l’opció Veure gràfic d’energia.

Ajunta en una taula els resultats que obtinguis i extreu-ne conclusions sobre la influència de la concentració de reactius. Per què diem que l’equilibri químic és un equilibri dinàmic?

3 Fes la mateixa experiència variant ara la temperatura. Extreu-ne conclusions.

139

138

Ús de les TIC en l’aprenentatge

Solucions

• Presentem dues eines de treball amb reaccions químiques.

Comprèn, pensa, investiga... (pàgina 138)

• La primera mostra la interpretació a escala atòmica de les equacions químiques per a, a partir d’aquesta, triar els coeficients estequiomètrics adequats, és a dir, per ajustar l’equació química. Els estudiants d’aquest nivell educatiu ja haurien de tenir força facilitat en l’ajustament d’equacions químiques. No obstant això, l’alumnat pot usar aquesta eina com a mitjà d’entrenament autònom.

1 i 2 La resolució d’aquestes activitats es recull en l’ampliació del soluci-

• L’aplicació té a més una part lúdica en la qual l’estudiant s’enfronta a una sèrie d’equacions químiques de complexitat creixent. Es pot usar aquesta eina dins d’una activitat de ludificació a l’aula, que sol resultar motivadora per als estudiants en proposar un context d’aprenentatge diferent. • La segona eina, «Simulacions sobre la velocitat de reacció», és una aplicació basada en la teoria de col·lisions. • Al principi de l’exposició indiquem que es tracta de reaccions reversibles, la qual cosa ocorre, en major o menor extensió, en qualsevol canvi químic. Aquesta característica de l’eina permet introduir la idea d’equilibri químic com a equilibri dinàmic, en el qual les velocitats de la reacció directa i inversa s’igualen. Encara que no es tracta d’un contingut propi d’aquest curs, resulta adequada la seva introducció aquí, ja que l’estudi de l’equilibri químic que té lloc en etapes posteriors està molt dirigit a les relacions quantitatives de les magnituds implicades, i es corre el risc de desvincular els procediments propis del càlcul del significat del fenomen que està tenint lloc.

onari. Comprèn, pensa, investiga... (pàgina 139)

1 Esperem respostes que argumentin sobre l’orientació relativa dels reactius i de l’energia de la col·lisió.

2 Amb aquesta activitat pretenem per una banda analitzar l’efecte de la concentració de reactius sobre la velocitat de reacció, usant, entre altres, aplicacions virtuals. Per altra banda, destaquem el caràcter dinàmic de l’equilibri químic, amb l’objectiu que ja s’ha esmentat.

3 Igual que en el cas anterior, es pretén analitzar l’efecte de la temperatura sobre la velocitat de reacció.

Anotacions

• Amb aquesta eina, podem estudiar els factors que afecten l’efectivitat d’una col·lisió usant el mode «col·lisió única». A més, d’una forma indirecta, es pot relacionar l’energia del tret amb el significat del desplaçament de la posició d’equilibri d’un ressort. Suggerim destacar que en aquest últim cas es tracta només d’una representació, que podrem relacionar amb l’energia cinètica de les partícules, i aquesta amb l’energia tèrmica del sistema a través del valor mitjà. 83

Taller de ciències

UNITAT

Treball pràctic

Les idees clau

Factors que afecten la velocitat de reacció

Canvis químics

Quantitat de substància

Una reacció química dóna lloc a l’aparició de noves substàncies; per això es trenquen els enllaços que formen les molècules de reactius i es formen els que donaran lloc als productes.

6 La magnitud quantitat de substància i la seva

2 Un canvi químic es representa per l’equació

7 A vegades expressem la concentració d’una

química, que expressa quantes unitats elementals de reactius es combinen i donen el nombre d’unitats elementals de productes que indica, comprovant que es compleix la llei de conservació de la massa.

dissolució en funció de la quantitat de substància. Aquest paràmetre rep el nom de con centració molar o molaritat.

Velocitat de reacció 3 Segons la teoria de col·lisions, la velocitat d’una reacció química està determinada per l’efectivitat amb què es produeixen els xocs entre les unitats fonamentals dels reactius.

4 Els factors que influeixen en la velocitat d’una reacció són la temperatura, la concentració dels reactius, el grau de divisió de reactius sòlids i la presència de catalitzadors.

5 Els catalitzadors són substàncies que no intervenen en la reacció com a reactius o productes, però la seva presència fa que la velocitat de reacció augmenti, ja que disminueix l’energia d’activació.

unitat, el mol, diuen el nombre d’unitats fonamentals que conté una proporció determinada d’una substància, independentment de la massa.

Autoavalua’t. Llegeix amb atenció cada una de les idees clau i assegura’t que les entens bé.

Resumeix informació en un dibuix. Explica, posant rètols als teus dibuixos, aquests continguts: • Els factors que afecten la velocitat de reacció. • La diferència entre una reacció endotèrmica i una reacció exotèrmica.

Confecciona un esquema conceptual. Completa l’esquema conceptual de la dreta amb alguns dels continguts de la unitat, a més dels indicats amb les lletres A, B, C, D i E.

Analitzar l’efecte que tenen el grau de divisió d’un reactiu sòlid, la concentració i la presència de catalitzadors sobre la velocitat de reacció. Per això et proposem que facis experiments amb aquestes dues reaccions químiques: Reacció 1: CaCO3 (s) + 2 HCl (aq) 8 CaCl2 + CO2 (g) + H2O Reacció 2:

Càlculs estequiomètrics 8 A partir de l’equació química i de les masses molars de les substàncies que hi intervenen es pot calcular la relació entre les masses dels reactius i els productes. Utilitzarem l’expressió de la molaritat i la llei dels gasos ideals quan tinguem reactius en dissolució o reaccions entre gasos.

L’energia i les reaccions químiques 9 L’energia química que s’intercanvia entre un sistema i l’entorn quan té lloc un canvi físic es quantifica mitjançant la magnitud calor de reacció.

10 El signe de la calor de reacció, que es pot incloure en l’equació termoquímica, informa de si una reacció és exotèrmica (Qr < 0) o endotèrmica (Qr > 0).

Zn (s) +H2SO4 (aq) 8 ZnSO4 + H2 (g)

La teva proposta Dissenya una pràctica per comprovar qualitativament com afecten la concentració i el grau de divisió del reactiu sòlid a la velocitat de reacció de la primera, i la presència d’un catalitzador en la segona.

La nostra proposta En ambdues reaccions es desprèn un gas. Per tant, la velocitat de bombolleig del gas pot donar una idea de la velocitat de reacció. Només ha de variar el factor estudiat en cada cas.

– Posa en dos tubs d’assaig més una quantitat de la dissolució d’àcid clorhídric, la mateixa en tots dos. – Amb molta cura, aboca les dissolucions d’àcid clorhídric als tubs d’assaig amb els trossos de marbre i amb la calcària polvoritzada. Anota el que passa. Experiència 2. Concentració d’un reactiu – A partir de la dissolució d’àcid clorhídric de partida prepara’n dues dissolucions més diluïdes fins que la concentració sigui la meitat que la inicial. – Fes el mateix procediment de l’experiència 1, però només amb la mostra de marbre en l’aigua destil·lada. Realitza l’experiència tres vegades: una per a la dissolució d’àcid clorhídric inicial i les altres dues per a les diluïdes. Experiència 3. Presència d’un catalitzador – En un tub d’assaig, posa-hi els encenalls de zinc i cobreix-los amb una dissolució d’àcid sulfúric diluïda. Observa el que passa i anota-ho. – En un altre tub d’assaig, posa-hi, a més dels encenalls de zinc, encenalls de coure i aboca-hi la mateixa quantitat d’àcid sulfúric diluït. Observa què passa i anota-ho.

Materials que necessites Calcària polvoritzada • trossos de marbre • dissolució d’àcid clorhídric • encenalls de coure i de zinc • dissolució d’àcid sulfúric diluït • tubs d’assaig • gradeta • matràs aforat • aigua destil·lada.

Organitza les idees 1

Plantejament del problema. Objectiu

Una reacció química està formada per

productes

els seus enllaços es

trenquen

s’expressa mitjançant

que ens informa sobre

Procediment

Comprèn, pensa, investiga...

Mesures de seguretat

En ambdues reaccions es podrà veure que es desprenen gasos. Fes servir ulleres de protecció per evitar projeccions.

2 A partir de l’experiència 3, fes un experiment po-

Experiència 1. Grau de divisió d’un reactiu sòlid l’estat d’agregació dels components

l’energia de reacció E

negativa

– Col·loca en un tub d’assaig una massa coneguda de calcària polvoritzada, i en un altre la mateixa massa de marbre trossejat. Aboca aigua a cada tub fins que el tros de marbre se submergeixi i, en el cas de la calcària polvoritzada, obtinguis una suspensió.

Elabora una taula que ajunti les condicions de cada experiència i les observacions que hagis anotat; i extreu-ne conclusions. sant només el catalitzador, el coure i l’àcid. Què observes?

3 Obtindríem uns resultats anàlegs als de l’experiència 3 si en comptes d’emprar coure utilitzéssim un compost de coure com ara sulfat de coure? Podríem dir que el sulfat de coure catalitza la reacció? Explica la teva resposta.

141

140

Organitza les idees

Solucions

1 L’apartat «Les idees clau» permet no solament que cada estudiant faci

1 Amb aquesta activitat es tracta que l’alumnat sigui conscient de la ne-

una autoavaluació del contingut de la unitat, sinó que també es pot usar com a punt de partida per a l’elaboració d’un esquema o resum i incloure’l en el portfoli de l’alumnat.

cessitat de dur a terme un control adequat de variables en l’experiència, com a única manera d’extreure conclusions a partir d’un treball pràctic.

2 De forma complementària al resum anterior, cada estudiant pot elabo-

2 És esperable que la reacció no tingui lloc, ja que falta un dels reac-

rar un gràfic o un dibuix en el qual es plasmin algunes idees de les estudiades. D’aquesta manera, es diversifica la manera de resumir els continguts, atenent així a les diferents capacitats i aptituds de l’alumnat.

tius. Es tracta de diferenciar el paper dels reactius del del catalitzador.

3 L’esquema s’ha de completar de la forma següent:

3 No s’esperen els mateixos resultats, ja que la substància que catalitza és el coure, no la presència d’ions coure a la dissolució.

A: reactius; B: formen; C: equació química; D: proporció entre reactius i productes; E: positiva.

Treball pràctic Aquest treball pràctic es complementa amb les activitats de l’apartat TIC. Es tracta d’estudiar els factors que afecten la velocitat de reacció que no van ser tractats en el primer cicle de l’ESO. El treball requereix el maneig d’àcids forts, per la qual cosa es recomana l’ús d’ulleres de seguretat per evitar accidents. Les dues primeres experiències proposades poden resultar bastant intuïtives una vegada estudiats els continguts de la unitat i les seves activitats, incloses les de l’apartat TIC. Es tracta de posar en pràctica el que s’ha predit en el treball amb models sobre les reaccions químiques i de la dependència de la velocitat de reacció. No obstant això, si el docent ho considera oportú, pot usar un esquema invers, és a dir, realitzar primer el treball pràctic per després obtenir l’explicació del fenomen que brinden els models. La tercera experiència resulta menys intuïtiva pel desconeixement dels mecanismes de catàlisi. Sobre això només es fa una al·lusió en l’activitat 3, per a la resposta de la qual l’alumnat ha d’inferir conclusions sobre coneixements sobre l’enllaç químic. 84

Anotacions

7 Mesurem la concentració d’una substància que in-

Els canvis químics 1 Digues cinc canvis químics que ets conscient que

tervé en una reacció química i obtenim les dades següents:

tenen lloc en la teva vida quotidiana.

2 Escriu l’equació química que representen aquests canvis químics, descrits a nivell molecular:

Temps (s)

Concentració (mol/L)

2,32

400

1,72

800

1,3

1 200

0,98

1 600

0,73

2 000

0,54

2 400

0,39

2 800

0,28

9 Explica quins són els avantatges d’utilitzar catalitza-

c) MgI2 + Mn(SO3)2 8 MgSO3 + MnI4

dors en reaccions que requereixen unes condicions extremes de pressió i/o temperatura.

d) C3H6O + O2 8 CO2 + H2O e) SeCl6 + O2 8 SeO2 + Cl2

4 Comprova que es compleix la llei de conservació de la massa en les reaccions químiques anteriors considerant la massa dels àtoms que formen les substàncies que hi són presents.

5 A partir de la informació de l’enunciat, indica quins enllaços es trenquen i es formen en aquests canvis químics:

+ CH4

2 O2

+ N2

2 H2O

CH2

3 H2

2 NH3

a) Clorur de calci.

e) Diclor.

b) Plata.

f) Triclorur d’alumini.

c) Triòxid de diferro.

g) Àcid sulfhídric.

d) Ozó.

h) Àcid sulfúric.

litzant les dades de masses atòmiques mitjanes que pots trobar a la taula periòdica.

d’una reacció química segons la teoria cinètica de la matèria.

b) P4 + O2 8 P2O3

Solució: 3,41 · 1024 àtoms.

14 Calcula la molaritat de les dissolucions següents uti-

8 Explica com afecta la temperatura a la velocitat

a) MgCl2 + Li2CO3 8 MgCO3 + LiCl

de 360 g de coure.

partir de les dades de masses atòmiques mitjanes que hi ha a la taula periòdica. Recorda que has d’escriure la fórmula de cada substància:

b) Representa les dades de concentració amb relació al temps. El pendent del gràfic en cada punt és una mesura de la velocitat de reacció. La velocitat de reacció augmenta o disminueix a mesura que avança la reacció? Explica el que observes.

3 Ajusta aquestes equacions químiques:

12 Digues el nombre d’àtoms que hi ha en una mostra

13 Calcula les masses molars d’aquestes substàncies a

a) Es tracta d’un reactiu o d’un producte?

10 4

UNITAT

Treballa amb el que has après

a) 200 g d’hidròxid de sodi en un volum total de 500 mL. b) 20 g de nitrat de sodi en aigua fins a completar un volum de 250 mL. c) Una dissolució d’àcid nítric en aigua que té una densitat de 1,12 g/cm3 i una riquesa (% en massa) del 80 %. d) Una dissolució preparada a partir de 200 mL d’una dissolució 2 M d’àcid clorhídric i aigua fins a completar un volum de 500 mL.

Solució: a) 10 M; b) 0,94 M; c) 14,2 M; d) 0,57 M.

15 Calcula la quantitat de substància d’àcid clorhídric

Quantitat de substància 10 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o falses: a) En un mol d’aigua hi ha el mateix nombre de molècules que en un mol de butà. b) En un mol d’aigua hi ha el mateix nombre d’àtoms d’hidrogen que en un mol de butà.

que té la dissolució de l’apartat d) de l’activitat anterior i el que hi havia abans que es dugués a terme el procés de dilució. Què hi observes?

16 S’ha mesurat la concentració d’una dissolució utilitzant un procediment d’anàlisi i se n’han obtingut les dades següents: Mesura

c) En un mol d’aigua hi ha un mol d’àtoms d’oxigen i dos mol d’àtoms d’hidrogen. d) En un mol d’aigua hi ha 1,8066 · 1024 àtoms. e) En un mol d’aigua hi ha 1,8066 · 1024 molècules.

11 Omple els buits de la taula amb les quantitats que hi ha en 20 mol d’aigua. Quantitat de substància (mol)

Velocitat de reacció 6 Explica com afecta la concentració dels reactius a la velocitat de reacció. Per fer-ho, utilitza la teoria de les col·lisions.

H2O

Àtoms o Massa molècules (g)

Massa molar (g/mol) 18

Concentració (mol/L)

0,012

0,015

0,017

0,020

0,023

0,014

Expressa el valor mitjà de la concentració, amb indicació de l’error absolut.

Solució: Concentració › (0,017 ± 0,002) mol/L.

17 Calcula el nombre d’àtoms d’hidrogen que conté una mostra d’un gram d’amoníac, clorur d’hidrogen i hidròxid de calci. Quina massa d’hidrogen conté cada una de les mostres?

18 Calcula la molaritat d’una dissolució de 70 g de clorur d’amoni en 500 mL d’aigua. Quants d’àtoms de H conté?

Solució: 2,62 M; 3,15 · 1024 àtoms.

Càlculs estequiomètrics 19 El carbonat de calci es descompon per l’acció de la calor en òxid de calci i diòxid de carboni. a) Escriu l’equació química ajustada. b) Calcula quina quantitat de diòxid de carboni es forma si reaccionen 150 g de carbonat de calci.

Solució: 1,5 mol.

20 L’hidròxid de liti reacciona amb bromur d’hidrogen i dóna bromur de liti i aigua. a) Escriu l’equació química ajustada. b) Calcula la quantitat de bromur d’hidrogen que és necessària perquè reaccionin 5 mol d’hidròxid de liti. c) A quina massa corresponen els resultats obtinguts en l’apartat anterior? d) Calcula la massa de productes que s’obté a partir dels 5 mol d’hidròxid de liti. e) Verifica, amb les dades de l’activitat, que es compleix la llei de conservació de la massa.

Solució: b) 5 mol; c) 120 g de LiOH, 405 g de HBr; d) 435 g de LiBr, 90 g d’aigua.

21 Tenim 250 mL d’una dissolució d’àcid sulfúric 3 M. Calcula el volum de dissolució d’hidròxid de sodi 1,5 M necessari perquè reaccioni completament la dissolució d’àcid sulfúric.

Solució: V = 500 mL.

142 142

Solucions S’inclouen aquí les solucions de les activitats proposades en les pàgines finals de la unitat. Aquelles la resposta de les quals requereix càlcul i representacions gràfiques s’ofereixen, convenientment desenvolupades, en l’ampliació del solucionari inclosa al final d’aquesta guia d’aula.

Els canvis químics 1 Cuinat d’aliments, formació de rovell, combustió, respiració cel·lular, entre d’altres. 1 2 Cu + O2 8 CuO 2 2 Fe + C 8 Fe2C

3 a) MgCl2 + Li2CO3 8 MgCO3 + 2 LiCl

143 143

8 Un augment de temperatura implica que ha ocorregut un augment de l’energia cinètica de les partícules; per tant, en produir-se un xoc entre diverses partícules, amb l’orientació adequada, la probabilitat que l’energia sigui suficient perquè aquest sigui un xoc efectiu augmenta. Per això, augmenta la velocitat de reacció.

9 Els catalitzadors rebaixen l’energia d’activació, la necessària perquè un xoc sigui efectiu. Per això, es poden donar xocs efectius en presència d’un catalitzador a menor temperatura.

Quantitat de substància 10 a) Vertader; b) Fals; c) Vertader; d) Vertader; e) Fals. 11 En 20 mol d’aigua hi ha: Quantitat de substància (mol)

Àtoms o molècules

Massa (g)

Massa molar (g/mol)

H2O

1,2044 í 1025

360

2,4088 í 10

1,2044 í 10

320

b) P4 + 3 O2 8 2 P2O3 c) 2 MgI2 + Mn(SO3)2 8 2 MgSO3 + MnI4 d) C3H6O + 4 O2 8 3 CO2 + 3 H2O e) SeCl6 + O2 8 SeO2 + 3 Cl2

4 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari. 5 Es trenquen quatre enllaços C-H i dos enllaços O-O; es formen dos enllaços C-O i quatre enllaços O-H. Es trenquen un enllaç N-N i tres H-H; es formen 6 enllaços N-H.

Velocitat de reacció 6 Com més gran és la concentració dels reactius, major és la probabilitat que es produeixi una col·lisió efectiva; per tant, major és la velocitat de la reacció.

7 Es tracta d’un reactiu, ja que la seva concentració va disminuint. En el gràfic representat en el l’ampliació del solucionari inclosa al final d’aquesta guia d’aula, s’observa que el pendent del gràfic va decreixent, la qual cosa indica que la velocitat de la reacció és cada vegada menor.

25 25

12 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en el l’ampliació del solucionari. 13 a) CaCl2: 111 g/mol; b) Ag: 107 g/mol; c) Fe2O3: 160 g/mol; d) O3: 48 g/mol; e) Cl2: 71 g/mol; f) AlCl3: 133,5 g/mol; g) H2S: 34 g/mol; h) H2SO4: 98 g/mol.

14 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari. 15 Per calcular la quantitat de substància multipliquem el volum, expressat en litres, per la molaritat: 0,2 L · 2 M = 0,4 mol. Aquesta és la mateixa quantitat de substància que hi ha en la segona dissolució.

16 a 18 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari.

Càlculs estequiomètrics 19 a 24 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari. 85

UNITAT

Treballa amb el que has après

drogen.

L’energia en les reaccions químiques

a) Escriu la reacció entre el zinc i l’àcid clorhídric.

25 Explica per què les afirmacions següents són verta-

b) Calcula el volum necessari d’una dissolució d’àcid clorhídric 3 M perquè reaccionin 60 g de zinc. c) Calcula el volum d’hidrogen que es desprendrà si el mesurem a 1 atm i 298 K. d) Calcula les masses de totes les substàncies implicades en aquesta reacció i verifica que s’hi compleix la llei de conservació de massa.

Solució: b) VHCl › 612 mL; c) VH2 = 22,43 L.

23 El litopó o blanc de bari (ZnS + BaSO4) és un pigment que s’utilitza en les aquarel·les i que es prepara mitjançant la precipitació de sals solubles a partir de les seves dissolucions, segons aquesta reacció química: BaS (aq) + ZnSO4 (aq) 8 ZnS (s) + BaSO4 (s)

deres o falses: a) L’energia associada als enllaços químics i a les forces intermoleculars és energia cinètica. b) La variació d’energia que es produeix en una reacció endotèrmica és positiva. c) L’energia d’activació és la diferència d’energia entre els reactius i els productes d’una reacció química. d) La calor de reacció és sempre positiva. e) Totes les reaccions necessiten superar una barrera d’energia per iniciar-se. f) L’energia del complex activat és més gran que l’energia dels reactius i que la dels productes.

26 Indica en el diagrama quina és la representació de la reacció catalitzada. Es tracta d’una reacció endotèrmica o exotèrmica?

a) Anomena tots els compostos que apareixen en aquesta reacció química. Quins són els reactius i quins són els productes?

c) Calcula el volum de la dissolució de sulfur de bari que s’ha necessitat. d)

Busca informació sobre el motiu pel qual no es pot utilitzar aquest pigment en pintures a l’oli.

Solució: b) m = 19,8 g; c) V = 200 mL.

Energia lliure

b) Calcula la massa de litopó que s’obté quan es fan reaccionar 300 mL d’una dissolució de sulfat de zinc 0,2 M amb la quantitat suficient d’una dissolució 0,3 M de sulfur de bari.

Estat de transició

Progrés de la reacció

27 S’ha mesurat la calor de combustió d’un combustible i s’han obtingut les dades següents.

a) CH3OH (g) 8 CH2O (g) + H2 (g) Qr = 54,5 kJ b) C2H6 (g) + 7/2 O2 (g) 8 2 CO2 + 3 H2O (l) Qr = –3 119,6 kJ c) CO (g) + H2 (g) 8 CH2O (g) Qr = 21,3 kJ/mol d) HCl (g) + NH3 (g) 8 NH4Cl (g) Qr = –1 75,9 kJ Digues quines són endotèrmiques i quines són exotèrmiques.

29 A partir de les dades de l’activitat anterior, calcula la calor que es desprèn quan reaccionen 71 g de HCl (g) segons la reacció de l’apartat d).

Solució: Qc = 342,16 kJ.

30 La calor de combustió d’alguns hidrocarburs saturats és la que es mostra a la taula: Mesura

Calor de combustió (kJ/mol)

–2.190,3

–2.202,7

–2.180,5

–2.144,6

–2.210,1

–2.165,2

a) N2 (g) + O2 (g) + 181 kJ 8 2 NO (g) b) C (s) + O2 (g) 8 CO2 (g) + 393,5 kJ

–2.180,5

Són reaccions endotèrmiques o exotèrmiques?

–2.144,6 –2.210,1 –2.165,2

Projecte d’investigació i autoavaluació interactiva

Solució: Qr › (–2,18 ± 0,01) · 103 kJ.

En el web, trobaràs, a més, una autoavaluació interactiva.

és la que té menor energia d’activació. Es tracta d’una reacció exotèrmica, ja que l’energia dels productes és menor que la dels reactius.

27 La resolució d’aquesta activitat s’ofereix en l’ampliació del solucionari.

i la segona és exotèrmica.

Química quotidiana. Calor portàtil Un dels aspectes tractats en la unitat és l’energia associada a les reaccions químiques. Aquesta lectura pretén connectar l’experiència sensorial de calor i de fred amb l’intercanvi d’energia que es produeix entre un sistema en el qual té lloc una reacció química i el seu entorn. També volem que l’alumnat reflexioni sobre la relació entre el flux d’energia i la sensació que es té en el cas d’enfrontar-nos a una reacció endotèrmica i exotèrmica. El concepte físic de fred no existeix, ja que es tracta d’un flux de calor en sentit invers al que provoca la sensació de calor. Si el sistema transfereix energia en forma de calor a l’exterior, la sensació que es té en posar-s’hi és la de calor; al contrari, quan el flux d’energia ocorre des de l’exterior al sistema, la sensació que es percep és la de fred. La falta de connexió entre l’explicació del fenomen i la percepció que se’n té és, en moltes ocasions, origen de confusió i de la no-comprensió d’alguns fenòmens físics, com en aquest cas, el de la percepció del fred. 86

Busca informació a internet sobre el disseny dels envasos per a begudes autoescalfables. Fes-ne un esquema i indica a quin compartiment hi ha la beguda i a quin els reactius de la reacció exotèrmica.

❚

Podríem utilitzar una reacció endotèrmica per tenir fred instantani? Cerca informació sobre la reacció entre el nitrat d’amoni i l’aigua.

amb la qual informeu la resta de grups del centre educatiu sobre en què es basen el refredament i l’escalfament instantanis en productes com les compreses de fred o les begudes autoescalfables.

Es pot completar aquest treball amb l’anàlisi d’una compresa o bossa de fred instantani, que es pot adquirir en botigues d’equipament esportiu, i a l’interior de la qual es troba una bossa amb aigua i nitrat d’amoni.

acció és negativa.

31 a) Qr = +181 kJ/mol; b) Qr = –393,5 kJ/mol. La primera és endotèrmica

❚

Amb les activitats intentem per un costat que l’alumnat percebi que per escalfar un líquid no és indispensable que estigui en contacte directe amb el focus de calor, i per l’altre que reflexioni sobre la utilitat del coneixement sobre la relació entre energia i reaccions químiques.

28 Les reaccions exotèrmiques són la b) i la d), ja que la seva calor de re29 i 30 Aquestes activitats estan resoltes en l’ampliació del solucionari.

CaO

145

144

26 La reacció catalitzada és la que es representa en línia contínua, ja que

Beguda

Activitat Una vegada estudiats els continguts d’aquesta unitat, estàs en condicions de continuar el projecte d’investigació: fes l’activitat 4.

25 a) Falsa; b) Vertadera; c) Falsa; d) Falsa; e) Vertadera; f) Vertadera.

Tapa

❚ En grups, organitzeu una exposició de cartells

Calcula el valor de la calor de combustió i l’error absolut.

L’energia en les reaccions químiques

Quan es vol prendre la beguda, el consumidor trenca la separació entre els compartiments que contenen els reactius, i així comença la reacció exotèrmica que escalfarà la beguda i la posarà a punt per consumir-la.

31 Escriu la calor de reacció a partir d’aquesta informació:

–2.202,7

Pel que fa a les begudes autoescalfables, l’envàs té un dipòsit que no està en contacte directe amb la beguda i en el qual té lloc una reacció química exotèrmica. El punt clau del disseny de l’envàs és fer que la reacció comenci quan s’hagi de consumir la beguda, i que l’intercanvi de calor entre el compartiment on té lloc la reacció i el que conté la beguda que s’ha d’escalfar sigui suficient per poder consumir la beguda a la temperatura òptima.

Cassoleta amb un pistó

Quina quantitat d’hidrogen seria necessària perquè es produís la reacció?

Avui en dia, el consum de menjars i begudes en qualsevol lloc i moment és un fet quotidià. Ens hem acostumat a tenir a l’abast, de manera gairebé immediata, productes a punt per consumir. Fins i tot, podem escalfar-los o refredar-los abans de consumir-los. És el cas de les begudes autorefredables o autoescalfables.

b) Calcula l’energia en forma de calor que s’allibera en la combustió d’un mol de cada hidrocarbur i realitza un gràfic en què comparis la quantitat de diòxid emès amb l’energia alliberada. Què hi observes?

–2.190,3

Calor portàtil

Làmina d’alumini Aigua

Calor de combustió (kJ/mol)

N 2 (g) + 3 H 2 (g) 8 2 NH 3 (l )

Química quotidiana

a) Calcula la quantitat de diòxid de carboni desprès en la combustió d’un mol de cada hidrocarbur.

mmHg, que s’obté si reaccionen 27,4 L de nitrogen, mesurats en les mateixes condicions, amb l’hidrogen suficient segons la reacció:

Solució: V (NH3) = 54,8 L; n (H2) = 2,72 mol.

28 Tens aquestes equacions termoquímiques:

Mesura

24 Calcula el volum d’amoníac, mesurat a 68 °C i 704

emprendre

aprendre

22 Els metalls reaccionen amb els àcids alliberant hi-

10 4

Anotacions