Operació món: Física i Química 3º ESO (demo) by Grupo Anaya, S.A.

DEMO

INCLOU

ÈN

C IA 1 2 ME

Ill

Ba lear

PROJECTE DIGITAL

ESO

FÍSICA I QUÍMICA J. M. Vílchez González, A. M.a Morales Cas, G. Villalobos Galdeano

ió

c ra

n ó O m pe

Índex Els sabers bàsics del curs

DESAFIAMENTS QUE MARQUEN

Organitzar un joc d’escapada........................................................10

El coneixement científic ........................................ 12 La utilitat del coneixement científic 1. Què és la ciència? 2. La física i la química 3. Magnituds físiques. Unitats i mesures 4. Instruments de mesura. Errors 5. Múltiples i submúltiples 6. El llenguatge de la ciència 7. Material de laboratori. Normes de seguretat Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

1 La matèria. Els gasos

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

Coneixent els gasos 1. Els estats d’agregació 2. La teoria cineticomolecular 3. Canvis d’estat 4. Lleis dels gasos ideals 5. L’atmosfera terrestre Projecte d’investigació L’energia de l’atmosfera Treball pràctic Evidències de la pressió atmosfèrica Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

2 Dissolucions

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

L’aigua, dissolvent universal 1. Substàncies, mescles i sistemes materials 2. Dissolucions, suspensions i col·loides 3. Concentració d’una dissolució 4. Solubilitat 5. L’aigua. Característiques i contaminació Projecte d’investigació Aigua potable-aigua embotellada Treball pràctic Concentració i densitat d’una dissolució Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

Dossier d’aprenentatge......................................................................................................... 70

DESAFIAMENTS QUE MARQUEN

Em convertesc en influenciador o influenciadora................. 72

Exposició fotogràfica: l’ull que tot ho veu...............................152

3 L’àtom

6 Les forces; efectes .. ..................................................................................................... 74

Viure sense Internet 1. Primeres idees sobre l’àtom 2. De la naturalesa elèctrica de la matèria al primer model atòmic 3. De la radioactivitat al model nuclear de l’àtom 4. El nucli de l’àtom 5. Classificació dels elements químics 6. L’escorça de l’àtom 7. Aplicacions dels isòtops radioactius Projecte d’investigació Els residus radioactius Treball pràctic Química de focs artificials

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

Producció i processament de productes agrícoles 1. Substàncies simples i compostes 2. Els àtoms s’uneixen 3. Enllaç químic 4. Molècules i cristalls 5. Fórmules químiques 6. Aplicacions industrials biomèdiques i tecnològiques Projecte d’investigació Fertilitzants i explosius Treball pràctic Substàncies simples i composts Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències Apèndix Formulació i nomenclatura química

5 Reaccions químiques

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

Comprenent les forces de la naturalesa 1. Forces 2. Deformacions 3. Moviments 4. Forces quotidianes 5. Lleis de Newton 6. Màquines simples Projecte d’investigació L’acceleració de la gravetat Treball pràctic Deformacions elàstiques Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

7 Naturalesa de les forces

Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

4 Les substàncies químiques

. . ................................................... 154

130

Estudi de les transformacions 1. Canvis en la composició de les substàncies 2. Teoria atòmica de les reaccions químiques 3. Equacions químiques 4. Lleis ponderals i equacions químiques 5. Quantitat de substància 6. Química, medi ambient i societat Projecte d’investigació Embornals de CO2 Treball pràctic Reaccions químiques amb substàncies gasoses Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

Dossier d’aprenentatge....................................................................................................... 150

.............................. 180

Geolocalització 1. Força gravitatòria 2. Força electrostàtica 3. Força magnètica 4. Electromagnetisme Projecte d’investigació Força magnètica d’un electroimant Treball pràctic On està el nord? Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

Dossier d’aprenentatge............................................................... 200 DESAFIAMENTS QUE MARQUEN

Saviesa col·lectiva........................................................................... 202

8 Circuits

............................................................................................ 204

El transistor 1. Corrent elèctric 2. Circuit elèctric 3. Llei d’Ohm 4. Lleis de Kirchhoff 5. Dispositius elèctrics 6. Electrònica Projecte d’investigació Evolució dels microprocessadors Treball pràctic Mesura de resistències Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

9 Fonts d’energia

................................................................ 226

El cotxe elèctric 1. Ús racional de l’energia 2. Centrals elèctriques 3. Transport i distribució d’energia elèctrica 4. Energia i potència elèctriques 5. Energia elèctrica a les cases Projecte d’investigació Tipus de llums Treball pràctic Energia per cuinar Comprèn, reflexiona i posa a prova les teves competències

Dossier d’aprenentatge................................................................246

4 Les substàncies químiques PRODUCCIÓ I PROCESSAMENT DE PRODUCTES AGRÍCOLES La diversitat de la matèria que ens envolta es deu a les diferents pro pietats de les substàncies que la componen. Hi ha substàncies conduc tores de la calor, de l’electricitat i unes altres que són solubles en aigua. A més, les substàncies es poden transformar o processar per obtenir-ne altres de diferents, amb millors propietats per a una funció concreta. El processament de substàncies és de màxima importància en els ali ments, que són processats des que són un producte agrícola fins a con vertir-se en un aliment final. Actualment, no tots els països són capaços de transformar-los, i només el 30% dels països en vies de desenvolu pament sotmeten els aliments a un processament industrial. Davant d’això, gairebé la totalitat dels països desenvolupats, un 98 %, sí que processen els productes agrícoles que generen. A més a més de suplir aquestes diferències entre països industrialitzats i països en desenvolupament, existeix un altre problema derivat de la indústria alimentària: els productes químics utilitzats i els rebuigs que es generen. Els fertilitzants i els pesticides que s’usen en els cultius aca ben contaminant les terres i les aigües que hi ha al voltant. I no és l’únic problema associat a les terres de cultiu, perquè també són les causants de més del 20 % de les emissions de gasos d’efecte d’hivernacle a cau sa de la desforestació. 96

COMPROMÍS ODS

Una vegada hàgiu vist els vídeos sobre les metes 9.b i 12.4, feis en grup les activitats següents:

1. Realitzau una recerca de projectes de desenvolupament a Àsia relacionats amb la meta 9.b dels ODS. 2. Escriviu un paràgraf sobre la possibilitat i l’oportunitat de dur a terme aquesta meta. 3. Cercau informació sobre les substànci es químiques permeses en el processa ment d’aliments, com la sal comuna. En acabar aquesta unitat, revisau les anota cions inicials i comparau-les amb el co neixement que heu adquirit. 4. Quins problemes comporta la utilitza ció de fertilitzants i pesticides en la sa lut dels sòls i dels ecosistemes? Cercau algunes mesures que es poden prendre per restaurar les terres degradades.

Què descobriràs? En aquesta unitat

SEQÜÈNCIA D’APRENENTATGE

Producció i processament de productes agrícoles

VÍDEO. LA REGLA DE L’OCTET.

1. Substàncies simples i compostes

4.1 Crea un canal de YouTube, d’accés privat, en el qual pujaràs els vídeos que crearàs.

2. Els àtoms s’uneixen 3. Enllaç químic 4. Molècules i cristalls 5. Fórmules químiques 6. Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques Taller de ciències Projecte d’investigació: Fertilitzants i explosius Treball pràctic: Substàncies simples i composts

En anayaeducacion.es Per motivar-te: • Vídeo: «Abans de començar». • Documents: «Vols dedicar-te a l’enginyeria ambiental?», «Vols dedicar-te a la microbiologia?», «Vols dedicar-te a ser químic o química especialista en femtoquímica?». Per detectar idees prèvies: • Activitat interactiva: Autoavaluació inicial. • Presentació: «Què necessites saber». Per estudiar: • Vídeo: «Nanotubs de carboni». • Simulació: «Construeix una molècula». • Presentació: «La taula periòdica». • Visualitzador de molècules: Substàncies moleculars, cristalls iònics, cristalls metàl·lics i cristalls covalents. • Presentació: «Per estudiar». Per avaluar-te: • Activitat interactiva: Autoavaluació final.

4.2 Seguint el model de bones pràctiques que vares elaborar, crea un vídeo en què expliquis les formes en què els elements poden aconseguir la configuració electrònica del gas noble més pròxim. En aquesta unitat, els vídeos seran senzills i de durada curta. Es pot optar perquè es vegi una presentació mentre s’escolta la veu del presentador o presentadora. Heu de fer en grup cada una de les presentacions, i els passos que s’han de seguir poden ser: • Fer un esquema. • Introduir els textos. Han de ser curts i directes. • Cercar les imatges o animacions que s’afegiran, i comprovar que tenguin les llicències pertinents. • Fer les animacions i les transicions. • Fer un guió de l’àudio i assajar-lo. • Triar la música ambiental, de llicència adequada. És convenient que per a aquest primer vídeo opteu per una opció senzilla sense molt de material audiovisual. VÍDEO. L’ENLLAÇ QUÍMIC. Elabora un vídeo per explicar les distintes formes en què s’uneixen els àtoms per formar composts. Utilitza algun programa de modelatge de molècules per generar imatges amb què il·lustrar les explicacions. VÍDEO. LA MASSA MOLECULAR. Explica en un vídeo com es calcula la massa molecular d’un compost d’interès industrial. Pots incloure una explicació sobre la importància d’aquest compost, el procés de producció, etc.

• Solucions de totes les activitats numèriques. I, a més, tota la documentació necessària per aplicar les claus del projecte.

+ orientacions en anayaeducacion.es

1.1 Els maons de la matèria Hem estudiat que la matèria està composta d’àtoms, i els diferents tipus d’àtoms s’ordenen segons el nombre atòmic en el sistema periòdic dels elements. Molts d’aquests elements químics es coneixen des de l’Antigui tat i uns altres varen ser descoberts una vegada que la química va aconse guir l’entitat de ciència. Però com va ser possible descobrir diferents tipus d’àtoms abans de conèixer, si més no, que existien?

Substàncies simples i compostes

Per respondre la pregunta anterior és necessari acudir a una classificació de les substàncies en funció de la composició i determinar si és possible o no descompondre la substància: • Substàncies simples, si les unitats que les componen estan formades per àtoms del mateix element químic. Per tant, aquest tipus de substàn cies no es descomponen en altres més senzilles. Substàncies compostes, o composts, si estan formades per la unió d’àtoms de diferents elements químics. Les substàncies compostes es poden descompondre en substàncies simples; per exemple, l’aigua pot descompondre’s en dioxigen i dihidrogen.

1.2 Elements naturals i artificials Identifica les entitats elementals

De manera general, es pot afirmar que els elements químics amb un nom bre atòmic inferior o igual al de l’urani (Z = 92) corresponen a àtoms que es troben a l’escorça terrestre formant substàncies simples o compostes. El seu descobriment va passar necessàriament per aïllar les substàncies simples formades per cada un.

Observa la imatge inferior esquerra, en què cada esfera representa un àtom. Quina diries que és l’entitat elemental que forma cada una de les substàncies?

La resta dels elements químics coneguts s’han obtengut per mitjà de la desintegració radioactiva d’uns altres o en acceleradors de partícules. El seu descobriment no ha implicat aïllar la substància simple, sinó observar directament l’àtom.

Torna a pensar aquesta pregunta en fi nalitzar la unitat.

Substància simple o composta Substància pura

Es pot descompondre en altres substàncies per processos químics?

Sí

Nh Co Ni 28

NIHONI

Tant els composts com les substàncies simples estan for mats per unitats idèntiques entre si. La diferència és que els composts estan formats per dos o més àtoms diferents.

Ga Ge Zn MOSCOVI

117 P

S 118 Cl

Ts Br OgKr 34

AsTENESISe

OGANESSÓ

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

Substància simple

Ru Rh Pd Ag Cd

Compost

115

113

Au Hg

In Tl

Ds Rg Cn Uut

Sn Pb

Sb Bi

Fl Uup Lv Uus Uuo

Els nous elements químics descoberts en els darrers anys ja tenen nom i símbol. Cerca informació sobre això. Quins criteris s’estableixen per anomenar-los?

1.3 Elements químics i substàncies simples

Analitza el grup de l’hidrogen

És important tenir present que la denominació «element» pot referir-se tant al tipus d’àtom amb el mateix nombre de protons (és a dir, amb el mateix nombre atòmic), o bé a la substància simple formada per àtoms d’aquest tipus. Per evitar que hi hagi confusió, en moltes ocasions, en aquest llibre utilitzarem el terme «element químic» per denominar la clas se d’àtoms i no la substància simple. Per exemple, el ferro (substància simple) és el que es troba format per àtoms de l’element químic ferro.

HIDROG

1.4 Grans grups en el sistema periòdic De manera complementària a l’agrupació dels elements químics en famí lies o grups, i en períodes, i tenint en compte a certes propietats, podem classificar els elements químics en:

A quin grup pertany l’hidrogen? Presenta les mateixes propietats que els metalls?

• Metalls. La majoria dels elements químics (els representats en color blau a la imatge inferior) són metàl·lics. Els àtoms metàl·lics perden electrons amb facilitat i, per tant, formen cations. • No metalls. Al contrari del que pot semblar pel nom, els elements quí mics que es denominen «no metalls» no són tots aquells que no són metalls, sinó que es tracta només dels deu elements representats amb groc. Aquests àtoms formen anions. • Semimetalls. Les substàncies simples formades per aquests elements químics comparteixen amb els metalls certes propietats, però presenten també propietats de les substàncies no metàl·liques. Són els elements químics representats de color verd a la taula inferior. • Gasos nobles. Es tracta dels elements del grup 18 de la taula periòdica. Les substàncies formades per aquests elements químics són gasoses i estan formats per àtoms que no estan units entre si. Aquestes caracte rístiques permeten explicar la càrrega dels ions i la forma en què la resta dels elements químics s’uneixen entre si.

Els grups d’elements en el sistema periòdic

Semimetalls

Gasos nobles

Metalls

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

No metalls

1 Explica la diferència entre substància simple i element químic. Posa un exem ple de cada un.

Na Mg

Ga Ge

Ru Rh Pd Ag Cd

Xe Rn

Nb Mo Tc

Ba La

Re Os

Au Hg

Ra Ac

Db Sg Bh Hs

Ds Rg Cn

Lantànids Actínids

Cr Mn Fe

Consulta la taula periòdica interac tiva que t’oferim en anayaeducacion.es i contesta: quantes files i columnes té el sistema periòdic dels elements químics?

3 Indica si els elements químics següents són metalls, no metalls, gasos nobles o semimetalls:

Nd Pm Sm Eu Gd Td U

Np Pu Am Cm Bk

Tm Yb

a) Fòsfor, clor i carboni.

Es Fm Md No

b) Magnesi, calci i zinc.

Dy Ho Cf

c) Argó, xenó i radó. d) Bor, silici i germani.

2.1 L’enllaç químic Les substàncies simples, com el diclor, Cl2, i les compostes, com l’amoní ac, NH3, estan formades per entitats elementals que són el resultat de la unió entre àtoms, unió que es denomina enllaç químic i es produeix per què els àtoms enllaçats són més estables que els àtoms aïllats, excepte en el cas dels gasos nobles, com veurem a continuació.

Els àtoms s’uneixen

Un enllaç químic és el resultat de la força d’atracció que uneix dos àtoms.

2.2 Gasos nobles i regla de l’octet Si els àtoms dels gasos nobles no s’uneixen és perquè són estables aïllats. Observant les característiques d’aquests àtoms podem concloure que l’estabilitat prové del nombre d’electrons de la darrera capa: • L’heli (Z = 2), primer gas noble, té dos electrons a la darrera capa. Com que aquesta capa és l’única que té, estarà plena.

Extreu conclusions Explica el color diferent utilitzat per il· lustrar els electrons dels gasos nobles de la imatge.

• La resta dels gasos nobles posseeixen vuit electrons a la darrera capa, però no tots tenen el darrer nivell ple. De tots, només el neó té la darrera capa d’electrons completa. A partir del neó, els gasos nobles no tenen la darrera capa completa a cau sa de l’ordre en l’ompliment de les capes, que s’estudiarà en altres cursos.

Configuració electrònica dels gasos nobles

He HELI

Ne NEÓ

L’heli i el neó tenen la darrera capa d’electrons completa; no obstant això, l’argó i el criptó no tenen aquesta capa comple ta, encara que sí que hi tenen vuit electrons.

100

ARGÓ

CRIPTÓ

En cursos següents veuràs que aquesta és una primera apro ximació a la regla de l’octet que, com veurem, és la regla que prediu la formació d’unions entre àtoms.

Les observacions anteriors es resumeixen en la regla de l’octet: Els àtoms s’uneixen entre si de tal manera que, com a resultat de la unió, posseeixin vuit electrons a la darrera capa, excepte el H, Li i Be que es queden amb dos electrons. Un àtom pot adquirir la configuració electrònica de gas noble en unir-se amb un altre, i això vol dir que com a resultat d’aquesta unió l’àtom tendrà tants electrons com un gas noble. Els ions també es formen per tenir el mateix nombre d’electrons que un gas noble.

2.3 Maneres d’aconseguir la configuració de gas noble

Investiga els tipus d’enllaç químic

En estudiar l’escorça de l’àtom vàrem veure que un àtom neutre pot cedir o guanyar electrons, i es forma així un ió. El nombre d’electrons que en cedeix o en guanya no és qualsevol, sinó el necessari perquè la darrera capa tengui els mateixos electrons que el gas noble més pròxim (dos en el cas de l’heli i vuit per a la resta de gasos nobles).

A partir d’aquestes dues maneres d’aconseguir vuit electrons a la capa de valència s’obtenen tres tipus d’enllaç químic diferents: covalent, iònic i me tàl·lic.

Però hi ha àtoms molt enfora d’un gas noble en el sistema periòdic, per la qual cosa haurien de cedir o guanyar un nombre excessiu d’electrons. En aquests casos ocorre que dos o més àtoms comparteixen electrons entre si, per complir la regla de l’octet.

Investiga sobre els tipus d’enllaç químic i assigna’ls a la part adequada de l’es quema.

Maneres d’aconseguir vuit electrons Els àtoms adquireixen espontàniament estabilitat

poden ser estables com els de

Gasos nobles

cedint electrons

guanyant electrons

Cations

Anions

que tenen

compartint electrons

per adquirir Vuit electrons a la darrera capa

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

4 Fes un esquema de l’escorça dels àtoms dels tres primers períodes del grup 17 de la taula periòdica. Quines con clusions extreus?

Els globus d’heli suren en l’aire, ja que aquest gas és menys dens que la mescla de gasos que formen l’aire. Creus que és convenient llançar globus d’heli en un acte sobre medi ambient? Explica la teva postura sobre aquest tema amb una redacció.

«Els gasos nobles […] normalment es troben a la naturalesa en forma aïllada perquè la capacitat que tenen per reaccionar amb altres elements i formar composts és molt reduïda. Però no nul·la i al laboratori s’ha estudiat un bon nombre de molècules formades per gasos nobles». Agència SINC, desembre, 2013. Cerca l’origen d’aquesta informació i analitza-la.

101

3.1 Càrregues elèctriques dels ions Mitjançant la regla de l’octet es pot justificar que els ions de certs ele ments químics tenguin una càrrega elèctrica determinada. Per exemple, l’alumini forma cations Al3+; el bari, Ba2+; el clor, anions Cl–, i el sofre, S2–. Això és així perquè, d’aquesta manera, aquests elements aconsegueixen la configuració electrònica del gas noble més pròxim.

Enllaç químic

Podem conèixer la càrrega de l’ió aplicant aquesta seqüència: • A partir del grup del sistema periòdic deduïm el nombre d’electrons a la darrera capa. • Coneixent el nombre d’electrons de la darrera capa, sabrem quants n’hi falten o n’hi sobren per tenir els mateixos que el gas noble més pròxim i, amb això, la càrrega de l’ió que es forma.

3.2 Enllaç iònic Hem vist, en cursos anteriors, que una de les formes en què la matèria adquireix càrrega elèctrica és mitjançant l’intercanvi d’electrons entre els àtoms que la formen. Per tant, perquè es formi un anió és necessari que simultàniament es formi un catió, i així es produeix l’intercanvi d’electrons entre tots dos. Quan aquest intercanvi ha ocorregut, existeixen dos ions de càrregues con tràries, fet que dona lloc a l’atracció elèctrica entre tots dos. Un enllaç iònic és el resultat de la força d’atracció entre cations i anions per ser les càrregues d’aquests de signe contrari. Veurem, a continuació, que l’enllaç iònic no es produeix en dos ions aï llats, sinó entre un gran nombre d’aquests.

Càrrega d’ions a partir de la posició en el SI 1 1

HIDROGEN

Li LITI

16 8

OXIGEN

BERIL·LI

Na Mg SODI

POTASSI

Rb RUBIDI

MAGNESI

Ca CALCI

ESTRONCI

ESCANDI

ITRI

SOFRE

Se SELENI

TEL·LURI

17 9

FLUOR

CLOR

BROM

IODE

Nre. d’electrons valència

En cedeixen o en guanyen

Càrrega de l’ió

En cedeixen

En guanyen

–2

En guanyen

–1

HELI

Ne NEÓ

Ar ARGÓ

CRIPTÓ

Xe XENÓ

Els elements dels grups més pròxims al grup 18 (gasos no bles) cedeixen o guanyen un nombre d’electrons igual o inferior a quatre, i formen ions. D’aquesta manera aconse gueixen tenir el mateix nombre d’electrons que el gas noble més pròxim. Així, el fluor guanyarà un electró, formarà F–, i el magnesi en perdrà dos, i donarà lloc a Mg2+.

102

Grup

El que hem exposat aquí serveix per conèixer la càrrega dels ions dels elements dels grups d’aquesta taula. Per a la resta d’elements del sistema periòdic, perquè també hi ha elements que formen ions, la deducció de la càrrega no és tan senzilla, com veuràs en cursos supe riors.

3.3 Unions d’àtoms

compartint electrons Alguns àtoms s’uneixen a uns altres compartint elec trons, fet que pot donar lloc a dos tipus d’unions, o enllaços, totalment diferents: l’enllaç covalent i l’enllaç metàl·lic. Les substàncies que presenten un enllaç covalent tenen propietats físiques i químiques molt diferents de les que tenen les substàncies amb un enllaç metàl·lic. • Enllaç covalent. És la unió entre dos àtoms d’elements del grup dels no metalls, que poden ser del mateix ele ment químic o d’elements químics diferents, ja que com parteixen parells d’electrons. Els electrons que es comparteixen pertanyen alhora a tots dos àtoms, ja que són atrets per cada un dels nuclis dels dos àtoms enllaçats. Es tracta d’un tipus d’unió molt estable, i per tant molt difícil de separar. • Enllaç metàl·lic. És la unió dels àtoms d’un mateix me tall, com a resultat que tots comparteixen de manera col·lectiva alguns dels electrons.

EXERCICIS RESOLTS

1 Indica quin tipus d’ió formarà el beril·li a partir de la informació sobre la ubicació en el sistema periòdic. A quin gas noble correspon l’escorça electrònica de l’ió format? El beril·li està en el segon grup i segon període, per tant la seva capa de valència és la segona i té dos electrons. Formarà un catió Be2+ en perdre aquests dos electrons i quedar amb la mateixa distribució d’electrons a l’escorça que l’heli.

2 Utilitzant el mètode que hem après per justificar la càrrega d’ions, indica quin tipus d’ió forma l’hidrogen. L’hidrogen té un electró a la capa de valència, i per això pot: –G uanyar un electró i que l’escorça quedi com la de l’heli, i formi H–. –P erdre un electró i quedar sense electrons, i formi H+. Aquest ió de l’hidrogen es coneix també com a protó.

Estructura de l’enllaç covalent i de l’enllaç metàl·lic

L’aigua, H2O, està formada per un àtom d’oxigen que està unit a dos àtoms d’hidrogen, compartint amb cada un d’aquests un parell d’electrons.

L’enllaç metàl·lic es basa en l’atracció de cadascun dels àtoms carregats de la xarxa amb els electrons que cedeixen al conjunt.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

7 Dedueix quina càrrega tendran els ions dels elements se güents, referint-los al gas noble més pròxim en el sistema periòdic: a) Clor. b) Potassi. c) Bor. d) Oxigen.

8 Indica si és possible que les parelles d’àtoms següents s’uneixin, atesa la càrrega dels ions que formen: a) Clor i fluor. b) Sodi i liti.

103

Molècules i cristalls

Les entitats elementals que componen les substàncies poden ser àtoms individuals o agrupacions de dos o més àtoms. El qualificatiu elemental s’utilitza perquè aquestes entitats representen la menor porció possible d’una substància, sigui simple o composta. Les entitats elementals forma des per diversos àtoms poden ser molècules o cristalls.

4.1 Molècules La majoria de les substàncies estan formades per molècules. Aquestes entitats elementals són el resultat de la unió d’àtoms d’elements no metàl· lics, compartint els electrons, és a dir, són el resultat d’enllaços covalents. Una molècula és una entitat elemental formada per àtoms units entre si mitjançant enllaç covalent. Els àtoms que formen una molècula poden ser del mateix o de diferents elements químics. El nombre d’àtoms que componen una molècula de terminada no és variable, sinó que totes les molècules d’una substància tenen el mateix nombre i tipus d’àtoms.

Interpreta models moleculars En els models moleculars, la unió en tre àtoms es representa per barres i els àtoms, per esferes. Quants àtoms té una molècula de glu cosa? A quants d’àtoms està unit cada nitrogen (esfera blava) en una molècula d’amoníac?

Existeixen molècules molt senzilles, com el diclor, l’ozó o l’aigua; unes altres un poc més complexes, com els àcids grassos o la glucosa, i molècules d’una complexitat estructural notable, com les proteïnes, que tenen una funció a l’organisme determinada per la seva estructura tridimensional.

4.2 Cristalls En l’estat sòlid, les partícules presenten un ordre tridimensional. Aquesta es tructura es denomina cristall. Un cristall és una estructura tridimensional que manté un ordre regular a les unitats que la formen. Hi ha sòlids que no estan formats per cristalls, i s’anomenen sòlids amorfs.

Models per representar les molècules

Molècules d’amoníac.

104

Molècules d’aigua.

Molècules de glucosa.

Els cristalls es classifiquen segons l’entitat elemental que es repeteixi a l’estructura: cristalls iònics, metàl·lics o co valents.

Tipus de cristalls

• Els cristalls iònics estan formats per cations i anions que s’uneixen com a resultat de l’atracció de càrregues elèctriques de signe contrari; és a dir, com a resultat d’enllaços iònics. • Els cristalls metàl·lics estan formats per àtoms del ma teix metall, que comparteixen els electrons. Els elec trons de la xarxa metàl·lica s’hi mouen lliurement, amb major o menor facilitat en funció de l’element metàl·lic que formi la xarxa. • Els cristalls covalents són resultat de la unió d’àtoms d’elements no metàl·lics mitjançant enllaç covalent. Per això, els electrons en aquestes xarxes no es mouen lliu rement. Aquesta varietat d’unions entre els àtoms que formen cada tipus de cristall dona com a resultat propietats molt diferents entre si.

Els anions (verd) i els cations (violeta) de la sal comuna (NaCl) s’uneixen i formen un cristall iònic.

• Les substàncies formades per cristalls iònics, anomena des sals, són fràgils i solubles en aigua, com el clorur de sodi. • Les substàncies formades per cristalls metàl·lics, ano menades metalls, són conductores de l’electricitat, flexibles, dúctils i mal·leables. Es tracta de substàncies simples, com el ferro. • Els sòlids covalents, que és com s’anomenen les subs tàncies formades per cristalls covalents, són durs, no condueixen l’electricitat i són molt estables. Un exem ple d’això és el diamant.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Fes un esquema on es relacioni la informa ció de les unions entre àtoms amb la classe d’en titats elementals que poden tenir les substàncies.

Visualitza els distints tipus de cristalls que t’oferim en anayaeducacion.es i explica quines són les diferènci es entre un cristall iònic, un de metàl·lic i un de covalent.

A partir del que has estudiat, proposa un mètode per identificar els diferents tipus de cristalls.

Veig, pens, em deman. Investiga sobre el material que se situa a la part alta d’una central termosolar per a la generació de corrent elèctric.

Cerca informació sobre el quart tipus de cristall que no està esmentat en aquest text, el cristall molecu lar, i explica com està constituït, així com algunes de les seves característiques.

En els metalls, els electrons es comparteixen de manera col·lectiva, i tenen llibertat de moviment.

El diamant és una xarxa cristal·lina covalent d’àtoms de car boni. És la segona forma més estable del carboni.

105

5.1 Fórmules químiques A partir del nom comú d’una substància, per exemple l’amoníac, sense una altra informació addicional, no és possible saber si es tracta d’una subs tància simple o d’un compost. No obstant això, si disposam de la fórmula química sí que podrem deduir de quina classe de substància es tracta.

Fórmules químiques

Substàncies simples Fórmula

Nom

Fórmula

Nom

Ferro

Al2O3

Òxid d’alumini

Cl2

Diclor

NH3

Amoníac

Formulació química Consulta l’annex de formulació per fa miliaritzar-te amb la manera d’escriure les fórmules químiques i d’anomenar les substàncies.

Compost

En el cas de la substància simple formada per clor, el seu nom pot ser diclor, i així dona informació sobre el subíndex de la fórmula, o simple ment clor. En aquest darrer cas es pot confondre la denominació de la substància amb la de l’element químic que la forma.

5.2 Interpretació de fórmules químiques Les fórmules químiques ofereixen informació de dues classes: • Qualitativa, ja que indiquen quins són els elements químics amb àtoms que formen les entitats elementals de la substància. • Quantitativa, a través dels subíndexs de cada símbol químic. En el cas que el subíndex sigui el valor «1», aquest no s’escriu.

Interpretació d’una fórmula química Nombre de símbols químics Un

Tipus d’elements que la componen Substància simple

Metall

Cristall

No metall

Cristall covalent

Molècula

Cl2

Fórmula química

Diversos

Compost

Metall + No metall

No metall + No metall

106

Exemple

Cristall

Molècula

Explicació

El subíndex 1 (que no s’escriu) indica que només existeix aquest element en el cristall.

El subíndex indica el nombre d’àtoms que forma cada molècula.

Al2O3

Els subíndexs indiquen la proporció de cada ió en el cristall.

CH4

Els subíndexs indiquen el nombre d’àtoms de cada element presents a la molècula.

5.3 Massa molecular i massa de la unitat

Molècula de butà

fórmula

Les propietats d’una substància química estan determinades per les de l’entitat elemental que les compon. Una d’aquestes característiques és la massa molecular o la massa de la unitat fórmula. S’anomena massa molecular d’una substància la massa de la seva mo lècula, que s’obté a partir de la seva fórmula química, sumant les mas ses atòmiques dels àtoms que componen aquesta molècula. En el cas de les substàncies simples moleculars, la massa molecular té en compte el nombre d’àtoms que formen la molècula.

m (CH4) = 1 · m (C) + 4 · m (H)

Cristall de fluorur de bari

En substàncies formades per cristalls, la massa de la seva entitat elemen tal s’anomena massa de la unitat fórmula. La massa de la unitat fórmula d’una substància pura és la suma de les masses dels àtoms que es representen en la fórmula de la substància. Per quantificar la massa d’una unitat d’una substància formada per cris talls, per exemple el fluorur de bari, BaF2, que és un cristall iònic, utilitzam la fórmula del compost. Així, la massa de la unitat fórmula és la massa d’un àtom de bari, Ba, i dos de fluor, F.

m (BaF2) = m (Ba) + 2 · m (F)

EXERCICIS RESOLTS

3 Calcula la massa de la unitat fórmula de l’òxid d’alumini a partir d’aquesta informació: un cristall d’òxid d’alumini conté dos àtoms d’alumini per cada tres àtoms d’oxigen; m (Al) = 27 u, m (O) = 16 u. La fórmula del compost és: Al2O3. La massa de la unitat fórmula serà: m (Al2O3) = 2 · m (Al) + 3 · m (O) Substituint: m (Al2O3) = 2 · 27 u + 3 · 16 u = 102 u

4 Calcula la massa molecular de l’aigua oxigenada (H2O2). Serà major o menor que la massa molecular de l’aigua? La massa molecular serà: m (H2O2) = 2 · m (H) + 2 · m (O) A partir dels valors de massa atòmiques del sistema pe riòdic: m (H2O2) = 2 · 1,008 u + 2 · 15,999 u = 34,014 u Aquest valor és major que la massa molecular de l’ai gua, que té un àtom menys a la seva molècula.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

14 Calcula

la massa molecular de les substànci es amb aquestes fórmules: a) SO3, b) N2O3, c) FeS, d) Na2O. És correcte parlar de massa molecular en tots aquests casos? Per què?

L’hipoclorit de sodi s’utilitza com a agent desinfec tant en la potabilització d’aigües. Cerca la fórmula quí mica d’aquest compost i calcula’n la massa de la unitat fórmula.

16 Indica si les substàncies següents estan formades per molècules o per cristalls. Calcula la massa de la unitat fórmula o la massa molecular, utilitza per a això la infor mació de l’annex de formulació: a) Òxid de bari.

d) Amoníac.

b) Hidrur de zinc.

e) Clorur de bari.

c) Arsà.

f) Òxid d’alumini. 107

Multitud de substàncies químiques, simples o compostes, serveixen de base per fabricar productes amb un alt valor afegit.

Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques

Algunes de les àrees d’investigació en química tenen com a objectiu dis senyar substàncies noves, o a descobrir usos nous de substàncies conegu des. Segons quin sigui l’àmbit d’ús o l’aplicació de les substàncies quími ques, podem citar aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques.

6.1 Aplicacions industrials Els composts químics de més rellevància a la indústria serveixen, alhora, de matèria primera per a altres producte. Entre altres destaquen els següents: • Àcid sulfúric (H2SO4). És el compost químic més produït al món. La pro ducció d’aquest àcid es considera un indicador de la capacitat industrial d’un país, ja que serveix de matèria primera per a la fabricació d’altres productes. La major part de la producció d’àcid sulfúric es destina a la fabricació de fertilitzants. • Amoníac (NH3). El procés de fabricació de l’amoníac a partir d’hidrogen i nitrogen va comportar una gran revolució, ja que s’aconseguia obtenir fertilitzants de manera artificial i no dependre de les fonts naturals. Els adobs són substàncies d’origen natural o artificial que posseeixen nutri ents que poden assimilar les plantes. • Àcid clorhídric (HCl). L’àcid clorhídric s’utilitza en processos de trac tament d’aigües residuals, en la producció d’aliments i en la fabricació d’altres productes químics. A més a més, s’utilitza per eliminar l’òxid i les impureses de l’acer abans de processar-lo.

6.2 Aplicacions biomèdiques La biomedicina engloba les ciències que estudien el desenvolupament de fàrmacs nous, o principis actius, i la comprensió a escala molecular dels mecanismes que causen les malalties. Els dos objectius de la bio medicina estan íntimament relacionats, perquè conèixer les interaccions entre molècules en les malalties és el punt de partida per desenvolupar fàrmacs nous, o proposar aplicacions noves dels principis actius ja exis tents.

Producció d’àcid sulfúric Producció d’àcid sulfúric a la UE Bèlgica i Luxemburg 12 % Regne Unit 18 % Alemanya 17 % França 12 %

Espanya 15 %

Itàlia 9 % Finlàndia 9 % Grècia 4 % Noruega 4 % Suècia 4 %

Països Baixos 6 %

Els països més industrialitzats són els majors productors d’àcid sulfúric.

108

Els processos industrials d’obtenció d’àcid sulfúric requerei xen instal·lacions d’una gran complexitat.

Avenços en biomedicina

Recentment s’ha descobert que el magnesi pot estar implicat en la resis tència que alguns bacteris presenten davant de certs antibiòtics.

El desenvolupament de nanopartícules capaces de fer arribar fàrmacs fins a l’in terior dels tumors és una faceta promete dora de la investigació en biomedicina.

L’acció de la quinolina sobre els glò buls rojos afectats per malària és un dels darrers descobriments en biome dicina.

6.3 Aplicacions tecnològiques El disseny de nous materials amb aplicacions electròniques ha permès un avenç exponencial de la tecnologia en les darreres dècades. En aquest avenç han tengut un gran protagonisme els semiconductors, com el silici, i materials com el grafè. En els darrers anys, la investigació sobre molts materials amb aplicacions prometedores ocupa un espai destacable en la innovació i el desenvolupament de la química.

Nous materials +

– –

–

– –

El grafè és un material format per una capa d’àtoms de car boni amb multitud d’aplicacions; com els nanocircuits de grafè.

–

– –

L’antimonene, un material bidimensional nou de gruixa mo noatòmica format per àtoms d’antimoni, presenta propietats prometedores a l’hora d’emmagatzemar energia.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Cerca el pictograma de seguretat de les substànci es que s’esmenten a la pàgina anterior i enumera quins són els riscs a l’hora de manejar-les.

El mirall. Cerca informació sobre l’antimonene i el grafè i enumera les similituds entre aquests materials i els avantatges d’un respecte de l’altre.

Per arribar al camp professional de la bioquímica, pots optar per cicles formatius de la família química, o una gran varietat de graus universitaris relacionats amb les ciències i les ciències de la salut.

El camp de la bioquímica està molt relacionat amb àmbits com la medicina o la farmacologia, i es treballa

Esmenta tres professions que combinen la química amb una altra branca de coneixement.

en equips amb experts d’altres àrees amb l’ús de les tec nologies més capdavanteres.

109

Taller de Ciències

Fertilitzants i explosius

Projecte d’investigació Introducció Els fertilitzants són substàncies naturals o sintètiques que s’afegeixen als sòls de cultiu per enriquir-los en un, o diversos, dels tres elements neces saris per a la vida de les plantes: nitrogen, fòsfor i potassi. Fins al segle xx s’utilitzaven fertilitzants nitrogenats d’origen natural: el guano (procedent del Perú) i el salnitre (nitrat de sodi, provinent de jaci ments a Xile, comercialitzat amb el nom de nitrat de Xile). L’any 1913 els químics alemanys Fritz Haber i Carl Bosch varen aconseguir fixar el nitrogen de l’atmosfera (N2) en forma d’amoníac (NH3) i desenvo luparen un procés industrial de gran importància conegut com a procés Bosch-Haver de síntesi d’amoníac. Posteriorment, aquest procés va servir per sintetitzar fertilitzants a la resta del món, fet que va canviar dràsticament, durant el segle xx, la capacitat de producció agrícola mundial.

Creixement anòmal d’algues resultants d’eutrofització.

Objectiu Realitzau una investigació documental sobre les repercussions de l’ús de fertilitzants sintètics.

Procediment

Trencaclosques

Organitzau la classe en grups de treball petits i feis una recerca a Internet sobre els temes següents: • L’eutrofització, per aconseguir la meta 6.3 dels ODS. • L’agricultura ecològica i l’accés als aliments, seguint la meta 2.3 dels ODS. • Els efectes de l’agricultura intensiva sobre el medi ambient, per acon seguir la gestió sostenible i l’ús eficient dels recursos naturals (meta 12.2 dels ODS). • La vida de Fritz Haber i la controvèrsia amb el Premi Nobel de Química que va rebre. REFLEXIÓ FINAL

Resultats

1 Tots els descobriments tenen una

A partir de la informació trobada elaborau uns panells per a l’aula que relacionin els temes tractats amb els Objectius del Mil·lenni d’aquest projecte.

aplicació beneficiosa per a la so cietat i alguna controvèrsia. Conèi xer-les ambdues permet tenir una vi sió crítica sobre l’ús i les aplicacions. Indica els pros i els contres de l’ús de fertilitzants sintètics a l’agricultura.

2 Els problemes que afecten el con junt de la societat mundial concer neixen a tots els que en formam part. Com a futur ciutadà responsa ble elabora una llista amb les teves conclusions en aquest treball.

110

Decidiu entre tots l’estructura d’aquests panells i el suport en què els fareu.

Discussió, conclusions i comunicació del resultat Organitzau una exposició i una taula rodona amb un altre grup de clas se per difondre el vostre treball i per utilitzar-lo com a suport de dis cussió crítica. Elaborau una acta de la taula redona on es recullin conclusions i compro misos.

Substàncies simples i composts

Treball pràctic Plantejament del problema En mesclar ferro i sofre obtenim una mescla heterogènia. No obstant això, si encalentim aquesta mescla, obtenim una substància nova? Com podem saber si es tracta d’una substància nova? La teva proposta Recorda alguna propietat del sofre i del ferro que et permeti identifi car-los i fes un plantejament per comprovar si en encalentir la mescla s’obtenen substàncies noves. La nostra proposta Una característica del ferro és que aquest pot ser atret per un imant. Aquesta propietat ens permetrà diferenciar entre ferro en estat ele mental i un compost en què el ferro està present.

A l’informe de laboratori pots adjuntar una fotografia de cada substància ele mental, de la mescla i del compost ob tengut en la pràctica.

Material • Sofre • Llimadures de ferro • Dos vasos de precipitats • Vidre de rellotge • Cresol • Espàtula • Bec de Bunsen • Vareta d’acer • Imant • Guants per manejar elements calents • Ulleres de seguretat Addicionalment àcid clorhídric i tubs d’assaig

Orientacions per realitzar l’experiència • Per formar el compost format per ferro i sofre, és neces sari encalentir la mescla utilitzant una vareta de metall prèviament encalentida. Utilitza guants de protecció per a elements calents i ulleres de seguretat, i pren to tes les precaucions necessàries. • Una vegada obtengut el compost químic, estarà a una temperatura elevada. Preveu en el teu plantejament ex perimental un temps perquè el compost es refredi. • Col·loca en un vas de precipitats dues espàtules de sofre i una de llimadures de ferro, mescla-ho amb una vareta de vidre i retola-ho com a «mescla».

• Prepara la mateixa mescla que en el punt anterior, però en aquest cas al cresol. Encalenteix la vareta de metall a la flama del bec de Bunsen (utilitzant els elements de seguretat) i després col·loca la vareta al cresol. Observa els fenòmens que ocorren i apunta els resultats al teu quadern. • Fes les proves que hagis plantejat per diferenciar entre la mescla i el compost. Prèviament escriu el plantejament experimental i pregunta al professor per alguna prova addicional que es pugui dur a ter me.

EXTREU CONCLUSIONS...

1 Tenen les mateixes propietats la mescla i el compost quí mic final? Explica les evidències experimentals que hi ha gis trobat.

2 Descriu el que ha ocorregut al cresol des de dos punts de vista: l’observació i l’aplicació dels models vists a la unitat.

3 La substància que s’ha format en el cresol és monosulfur de ferro. a) Escriu-ne la fórmula química. b) És una substància molecular o es tracta d’un cristall? Interpreta el significat de la fórmula química.

111

COMPRÈN Organitza les teves idees

Mapa conceptual sistèmic

1 Afegeix a l’esquema inferior els conceptes se güents: substàncies simples i composts.

Fes un altre mapa conceptual on resumeixis tots els continguts de la unitat.

Els àtoms s’uneixen

per guanyar estabilitat

Enllaç iònic

Cedint/guanyant electrons

Compartint electrons

formen

Enllaç metàl·lic

i donen lloc a

Àtoms del mateix element químic

Enllaç covalent

Àtoms de diferent element químic

que poden ser

Molècules

que constitueixen

? ................................

Les solucions de totes les activitats numèriques es troben en anayaeducacion.es.

Substàncies simples i composts 1 Cerca informació sobre la fórmula de les substàncies següents: metà, età, propà i butà. a) Són substàncies simples o compostes? b) Es podrien descompondre en altres substàncies més senzilles? 2 El nom d’alguns elements químics fa referència a un científic, al qual s’honra d’aquesta forma. Per exemple, el meitneri es diu així en honor a Lisa Meitner, codes cobridora de la fissió nuclear. Indaga a qui s’honra amb el nom dels elements químics de nombre atòmic 104, 107, 96, 99, i cerca una referència sobre l’aportació a la ciència que varen fer.

112

Entitats elementals

compostes per

Cristalls

3 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o fal ses i explica per què: a) Els metalls són bons conductors de l’electricitat, però mals conductors de la calor. b) Els metalls tendeixen a formar cations, i guanyen electrons. c) Els metalls són trencadissos i fràgils. d) Es poden fabricar fils i làmines fets de metall.

4 Cerca el nom i l’any de descobriment dels elements de nombre atòmic 113, 115, 117 i 118. 5 Classifica els elements següents en metalls, no metalls, semimetalls i gasos nobles: sodi, calci, plata, argó, nitrogen, heli, fòsfor i silici.

Recorda seleccionar el material de treball d’aquesta unitat per al teu dossier d’aprenentatge.

6 Indica si aquests elements químics són naturals o ar tificials i escriu-ne el símbol químic: escandi, ruteni, americi, laurenci i wolframi. Els àtoms s’uneixen 7 Quins són els únics elements que es troben a la na turalesa com a àtoms aïllats? A quin grup del sistema periòdic pertanyen? 8 Indica si les afirmacions següents són certes o falses: a) Tots els àtoms dels gasos, sense excepció, tenen completa la darrera capa. b) A cada àtom d’heli es poden allotjar fins a sis elec trons més a la capa més externa. c) Tots els àtoms dels gasos nobles tenen vuit elec trons a la darrera capa.

9 Indica els dos mecanismes segons els quals poden unir-se els àtoms. Quants d’electrons han de quedar a la darrera capa perquè l’espècie química sigui es table? Com es coneix aquesta regla? 10 Recorda el model de capes que hem estudiat per a l’estructura de l’escorça de l’àtom i elabora una taula amb el nombre que correspon a cada capa, la lletra que s’utilitza per denominar-la i el nombre màxim d’electrons que es poden allotjar a cada una. 11 Indica si les parelles d’elements químics següents es poden unir compartint electrons o bé com a resultat que un cedeixi electrons i l’altre en guanyi.

14 Indica si l’esquema de l’es corça d’un àtom de la imat ge pot pertànyer a un gas noble, a un catió o a un anió. En el cas dels ions, indica de quin element quí mic són.

–

+ –

15 Explica si els ions següents són estables o no: a) Li– c) B– e) Ca2+ g) Al2+ b) Cl3+ d) Ar2+ f) O2– h) S2– 16 L’hidrogen pot formar un catió o un anió. Dedueix la càrrega de cada un i raona sobre l’estabilitat que tenen. 17 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o falses i explica per què: a) La unió entre un àtom de carboni i un d’hidrogen correspon a un enllaç iònic. b) En un enllaç metàl·lic els electrons no queden as sociats a cap parella d’àtoms. c) Àtoms de diferent element metàl·lic es poden unir entre si. d) El calci pot formar anions o cations, guanyant o cedint dos electrons indistintament. 18 Completa la taula al teu quadern. Element Cl (Z = 17)

Ió que es formarà

–

Cl–

Nre. d’electrons per capa

a) Sodi i fluor. b) Sofre i oxigen.

F (Z = 9)

c) Magnesi i oxigen.

K (Z = 19)

d) Sofre i calci.

Mg (Z = 12)

e) Carboni i oxigen.

B (Z = 5)

f) Hidrogen i sodi.

O (Z = 8)

Enlace químico 12 Basant-te en la regla de l’octet, indica la càrrega dels ions estables d’aquests elements químics: beril·li, calci, sodi i sofre. 13 Quants d’electrons té a la darrera capa un ió Li+ (nombre atòmic del liti 3)? Incompleix la regla de l’octet? Explica la resposta.

19 És possible que es formi un enllaç iònic entre dos àtoms? I si es tracta d’un enllaç covalent? 20 Indica quins dels ions següents tenen els mateixos electrons que un gas noble i escriu el nom del gas noble. a) Li+ c) Al3+ e) S2– b) Na+ d) K+ f) N3–

113

Molècules i cristalls 21 Ateses aquestes característiques, indica de quina classe de substàncies es tracta: a) Sòlid, soluble en aigua que condueix l’electricitat en estat líquid. b) Xarxa cristal·lina no soluble en aigua i no conduc tora de l’electricitat. c) Sòlid que condueix l’electricitat. d) Gas monoatòmic. 22 Raona sobre la veracitat o la falsedat de les afirma cions següents: a) Una molècula està formada per un nombre inde terminat d’àtoms. b) En les molècules, cada àtom s’uneix als altres compartint els electrons amb la resta dels àtoms de les molècules. c) Les molècules poden tenir un màxim de deu àtoms. d) En una molècula cada àtom està unit a un o di versos àtoms. Els electrons es comparteixen entre parelles d’àtoms. 23 Indica si les afirmacions són vertaderes o falses. a) Un cristall és una estructura ordenada formada per àtoms. b) Els composts amb estructura cristal·lina solen ser sòlids en condicions ambientals. c) El nombre màxim d’entitats elementals en un cris tall és 1023. d) El nombre màxim d’entitats elementals d’un cris tall depèn del compost de què es tracti. e) En una xarxa cristal·lina metàl·lica els electrons es mouen lliurement. f) Els cristalls iònics tenen càrrega elèctrica neta di ferent de zero. 24 Explica per què els metalls condueixen l’electricitat i, no obstant això, els cristalls iònics i els cristalls co valents no. 25 Escriu les fórmules químiques dels composts se güents tenint en compte que el vermell representa oxigen, el negre carboni, el blanc hidrogen i el groc sofre. a) b) c) d)

114

26 Indica quantes unions entre àtoms hi ha a les molè cules de l’exercici anterior. Aquestes unions, són el resultat de cedir o guanyar electrons, o bé de com partir-los? 27 Explica el significat de les fórmules químiques d’aquests composts iònics: a) MgCl2 b) KI c) CaF2 d) Na2O

28 Explica què manté unides les unitats elementals de cada tipus de cristall. 29

Consulta en el visualitzador de molècules que t’oferim en anayaeducacion.es l’estructura cristal· lina de l’òxid de silici (SiO2). Explica per què en la fórmula química d’aquest compost correspon un subíndex u per al silici i dos per a l’oxigen.

Fórmules químiques 30 Classifica les substàncies següents a la taula de l’enunciat i copia-la al quadern. Fórmula H2O

Tipus de substància

Tipus d’elements

Entitat elemental

Compost

No metall-no metall

Molècula

Fe2O3 CaO HCl Na2S N2 NH3 C2H6

31 Explica la diferència entre massa molecular i massa de la unitat fórmula. Posa un exemple d’una subs tància per a la qual és adequat parlar de massa mo lecular i un altre d’una substància per a la qual s’ha d’utilitzar la massa de la unitat fórmula. 32 A partir de les dades de masses atòmiques mitjanes, calcula la massa molecular d’aquestes substàncies: a) H2

b) CH4

c) NH3

d) C2H6O

Element

Massa atòmica

Hidrogen

1,01 u

Carboni

12,01 u

Oxigen

16,00 u

Nitrogen

14,01 u

33 Relaciona cadascuna de les fórmules de l’exercici anterior amb la representació de la molècula i indica si es tracta de substàncies simples o de composts: a) c)

Investiga sobre aquesta malaltia que constitueix un problema de salut greu en molts països tropicals i subtropicals. A partir de l’enunciat de l’activitat i del vídeo sobre la meta 3.3 dels ODS, respon el qües tionari. a) Quina estructura de l’organisme danya la malària? b) Quins són els símptomes d’aquesta malaltia? c) Quin tipus de tractament requereix?

d) Quines són les formes de prevenció de la malària? e) Quin paper tenen els pesticides en l’extensió d’aquesta malaltia?

34 Calcula la massa de la unitat fórmula dels composts següents: a) K2S. b) BaS. c) BaCl2. d) KCl.

37 Un dels tractaments clàssics de la malària és la qui nolina, que té un mecanisme que s’ha revelat re centment. A partir de la figura:

Utilitza per a això les masses atòmiques mitjanes del sistema periòdic del llibre de text.

Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques 35 Una de les substàncies representades a l’activitat 23 apareix en les diverses transformacions que consti tueixen el procés de síntesi de l’àcid sulfúric; indica quin és i quins efectes mediambientals té. 36

La malària és una malaltia causada per un parà sit que es transmet a través de la picada d’un mos quit anopheles infectat. La malaltia ataca estructures fonamentals per al funcionament de l’organisme.

a) Escriu la fórmula d’aquest compost, sabent que el negre representa el carboni, el blanc l’hidrogen i el blau el nitrogen. b) Indica quantes unions entre àtoms hi ha i de quina classe d’enllaç es tracta. c) És la quinolina una molècula o un cristall?

REFLEXIONA En aquesta unitat hauràs creat un canal segur en el qual començaràs a pujar els vídeos que has fet basats en continguts ja coneguts i que hauràs presentat de forma senzilla, respectant les normes establertes en el nostre protocol. Reflexiona sobre el teu apre nentatge omplint el qüestionari disponible en anayaeducacion.es. Aspectes

Ho comprenc i podria explicar-ho als companys i companyes

No ho comprenc bé del tot. Se’m plantegen alguns dubtes

No ho entenc

No ho sé

Hem creat un canal de YouTube específic que hem configurat per tenir un accés privat, però al qual tots els integrants del grup hem pogut accedir. ...

POSA A PROVA LES TEVES COMPETÈNCIES Fes l’avaluació competencial inclosa en anayaeducacion.es

115

5 Reaccions químiques COMPROMÍS ODS

ESTUDI DE LES TRANSFORMACIONS

Distribuïts per equips contestau les activitats se güents:

El nucli principal de la química és l’estudi dels canvis quí mics; és a dir, la transformació d’unes substàncies en unes altres. Igual que en altres disciplines científiques, el conei xement que tenim avui en dia sobre això es basa en les conclusions que s’han extret de les experiències desenvo lupades des de temps remots.

1. Se suposa que durant l’any 2020 s’havia d’ha ver aconseguit la meta 13.a dels Objectius de Desenvolupament Sostenible. Creis que ha estat així? Quines mesures us venen al cap per aconse guir-la? Informau-vos sobre què és «El Fons Verd per al Clima», quina és la funció que té i qui en forma part. Exposau les vostres investigacions en veu alta, per torns, i feis una posada en comú so bre el que hàgiu trobat.

En els laboratoris d’investigació química, entre altres acti vitats, es desenvolupen tècniques per fer més eficients les reaccions químiques d’utilitat industrial, s’estudien tots els factors que afecten les combinacions químiques que tenen lloc en el medi ambient i es dissenyen reaccions específi ques per obtenir productes d’utilitat social. Un dels reptes més rellevants de la nostra societat és re vertir el canvi climàtic. Aquesta alteració del clima mun dial, que es manifesta en un augment de la temperatura mitjana del planeta, té l’origen en l’emissió a l’atmosfera de quantitats de diòxid de carboni per damunt dels nivells naturals, sobretot des de les grans revolucions industrials i la posterior proliferació d’indústries en el món. 130

2. A partir de la meta 13.3 dels Objectius de Desen volupament Sostenible, explicau la importància de l’objectiu 4 per aconseguir que frenar el canvi climàtic sigui una cosa vertaderament possible. 3. Moltes de les reaccions químiques que es duen a terme en la indústria, expulsen gasos i residus tòxics al medi ambient. Explicau el perill d’aquest fet tenint en compte les metes 3.4 i 3.9 dels ODS.

Què descobriràs? En aquesta unitat Estudi de les transformacions 1. Canvis en la composició de les substàncies 2. Teoria atòmica de les reaccions químiques 3. Equacions químiques 4. Lleis ponderals i equacions químiques 5. Quantitat de substància 6. Química, medi ambient i societat Taller de ciències Projecte d’investigació Treball pràctic. Reaccions químiques amb substàncies gasoses.

En anayaeducacion.es Per motivar-te: • Vídeo: «Abans de començar». • Document: «Quins estudis universitaris i de formació professional podries cursar per fer feina en la indústria química?». Per detectar idees prèvies: • Activitat interactiva: Autoavaluació inicial. • Presentació: «Què necessites saber». Per estudiar: • Vídeos: «Formació d’amoníac», «Oxidació d’una poma», «Combustió del propà» i «Cicle del carboni». • Presentacions: «Evidències d’una reacció química», «La quantitat de substància: el mol» i «Per estudiar». • Laboratoris virtuals: «Balanceig d’equacions químiques» i «Reactius, productes i excedents». Per avaluar-te: • Activitat interactiva: Autoavaluació final.

SEQÜÈNCIA D’APRENENTATGE VÍDEO. EXPERIMENT SENZILL SOBRE LA VELOCITAT DE REACCIÓ. 7.1 Tria una reacció química que puguis fer en condicions diferents per variar la velocitat de reacció. La reacció triada pot ser, per exemple, l’oxidació d’una fruita, com una poma, en presència d’oxigen, una reacció que es pot estudiar en funció de la quantitat d’oxigen existent, la quantitat de llum, la presència d’àcids, etc. 7.2 Mostra en un vídeo el procés i explica la reacció que s’hi produeix. En aquesta ocasió, el vídeo serà un poc més complex perquè requerirà combinar imatges reals amb un altre tipus de material digital, com ara veu, àudio, esquemes, etc. Per a la gravació pots usar la càmera d’un mòbil, en el qual podràs instal·lar també alguna aplicació gratuïta que et permeti editar i muntar el vídeo. VÍDEO. LA LLEI DE CONSERVACIÓ DE LA MASSA. Mostra en vídeo la llei de conservació de la massa. Una reacció possible pot ser la que té lloc entre les llimadures de ferro amb sofre en pols per donar sulfur de sofre. Si no vols treballar amb flames al laboratori, una alternativa pot ser la reacció d’hidrogenocarbonat de sodi amb l’àcid acètic del vinagre, segons es descriu en l’apartat «Treball pràctic» d’aquesta unitat. VÍDEO. LA IMPORTÀNCIA D’UNA REACCIÓ QUÍMICA EN UN PROBLEMA MEDIAMBIENTAL. Es pot triar qualsevol reacció química relacionada amb problemes mediambientals, com poden ser la generació de la pluja àcida, la destrucció de la capa d’ozó o l’augment de l’efecte d’hivernacle. Tal vegada, el més senzill sigui triar la generació de diòxid de carboni a través d’una reacció de combustió.

• Solucions de les activitats numèriques. I, a més, tota la documentació necessària per aplicar les claus del projecte.

+ orientacions en anayaeducacion.es

131

1.1 Canvis químics

Canvis en la composició de les substàncies

Com ja saps, hi ha canvis en la matèria en què no s’alteren les substàncies; és a dir, no apareixen substàncies noves. Són els canvis físics. Però hi ha un altre tipus de canvis en els quals unes substàncies es transformen en altres de diferents; aquests canvis els anomenam canvis químics: Els canvis químics, també denominats reaccions químiques, són aquells que provoquen l’aparició de substàncies noves. Per tant, deim que ha tengut lloc una reacció química quan: • Les substàncies que estaven presents abans del canvi es combinen en tre si i, en part, desapareixen. Aquestes substàncies es coneixen com a reactius de la reacció. • Apareixen una o diverses substàncies noves per la combinació dels re actius. Aquestes substàncies es denominen productes de la reacció. Una reacció química és tot procés on una o més substàncies es transformen en una altra o unes altres. Els reactius es transformen en els productes.

1.2 Diversitat de reaccions químiques Existeixen infinitat de reaccions químiques diferents i de diferents criteris per classificar-les; per exemple, depenent del nombre de reactius i pro ductes: si existeix un sol reactiu que dona lloc a dos productes, estam a davant d’una reacció de descomposició, i, per contra, si dos o més reac tius donen lloc a un producte, la reacció serà de síntesi. Visualitza en anayaeducacion.es la producció d’aigua a partir dels seus elements constituents. Depenent de la finalitat amb la qual es dugui a terme la reacció, pot re sultar interessant considerar-les com a reaccions naturals, quan no inter venen factors antropogènics, reaccions artificials, si ocorren a causa de l’acció humana; reaccions en dissolució aquosa, perquè les substàncies estan dissoltes en aigua, o, reaccions in vivo, com les que es produeixen a l’interior de les cèl·lules.

Diversitat de reaccions químiques Glucosa

Insulina K+ ATP

Insulina Entrada de Ca2+

Mitocondri Ca2+

132

La síntesi de la insulina té lloc en les cèl·lules del pàncrees. És una reacció in vivo.

La boira fotoquímica, que cau sa la contaminació atmosfèrica en moltes ciutats, és un entra mat de reaccions químiques que es produeixen per causes antropogèniques.

1.3 Evidències de les reaccions químiques De vegades, no és evident determinar que s’està produint un canvi quí mic, ja que pot no ser fàcil observar l’aparició de noves substàncies, per què poden ocórrer canvis físics de manera simultània. Algunes de les evi dències d’un canvi químic són: • Canvi en les propietats del medi en què ocorre la reacció. Això és pel fet que les propietats d’aquestes noves substàncies són diferents, i pot, per exemple, formar-se un precipitat (substància poc soluble) com a re sultat de la reacció química, o aparèixer un bombolleig, si la nova subs tància estigués en estat gasós (és a dir, amb una temperatura d’ebullició inferior a la del medi). • Intercanvi d’energia entre les substàncies que intervenen en la reacció química i el seu entorn. Per exemple, en el cas de les reaccions de com bustió, aquest intercanvi d’energia és notable, però no és així d’evident en totes les reaccions químiques.

Interpreta un fenomen Quan observam l’aparició de bom bolles en un tassó d’aigua de l’aixeta, podem concloure que s’ha produït una substància gasosa resultat d’una reac ció química? Explica per què.

Evidències d’una reacció química

1 Aparició

d’un precipitat. Si els reac tius es troben en dissolució, pot succeir que la nova substància que s’obté tengui una solubilitat menor, per la qual cosa precipi tarà i es podrà observar a simple vista.

Com a resultat d’una reacció química, podem obtenir

2 Aparició de substàncies en dife1 2

Llum i energia en forma de calor

rent estat d’agregació. De ma nera anàloga al cas anterior, si es produeix una substància gasosa, s’observarà que un bombolleig surt de la dissolució.

3 Un canvi de color. L’aparició d’un

color en la reacció diferent posa de manifest la presència d’una substància nova.

4 Les

Substància poc soluble Substància gasosa

Substància d’un altre color

reaccions químiques que provoquen un gran intercanvi d’energia són fàcilment detecta bles, com és el cas de la combus tió, que intercanvia energia en for ma de llum i calor.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Organitzador gràfic. S’ha definit canvi químic per oposició al canvi físic. Però hem vist que alguns canvis físics acompanyen un canvi químic, encara que no tots. Segons això: a) Fes un diagrama de Venn on es mostri aquesta rela ció. b) Explica el diagrama a la resta de la classe.

Veig, pens, em deman. Si en treure un pitxer amb llimonada de la gelera observam que ha aparegut un pre cipitat al fons del pitxer, podem concloure que s’ha pro duït una reacció química? Consulta una presentació en anayaeducacion.es sobre evidències dels canvis químics, observa la teva ger ra, reflexiona i escriu les preguntes que et sorgeixin.

133

Teoria atòmica de les reaccions químiques

No totes les substàncies reaccionen entre si en entrar en contacte. Algunes ho fan molt ràpidament, altres més lentament i unes altres no reaccionen. A més, existeixen factors que influeixen en què es produeixi o no un canvi químic i la velocitat a la qual es produirà. En aquest epígraf, estudiarem la teoria que explica, a escala atòmica, com es produeixen les reaccions químiques i la rapidesa amb què ho fan.

2.1 Teoria de les col·lisions Segons la teoria atòmica de Dalton, una reacció química consisteix en una reordenació d’àtoms. Per comprendre aquest procés, hem de tenir presents les idees de la teoria cinètica de la matèria, segons la qual la ma tèria està formada per partícules (àtoms, molècules o ions) que es troben en moviment continu. A causa d’aquest moviment, les partícules xoquen les unes amb les altres i, en les condicions apropiades, les dels reactius se separen i es reordenen per formar els productes de la reacció. Una reacció química té lloc si les partícules dels reactius xoquen entre si de manera efectiva, de tal manera que es rompen els enllaços que mantenen units els àtoms en els reactius i es formen enllaços nous que donen lloc als productes. Perquè aquests xocs siguin efectius, s’han de complir dues condicions: • Els xocs entre les partícules han de tenir energia suficient. • L’orientació d’aquests xocs ha de ser l’adequada.

Orientació adequada de col·lisions Col·lisió efectiva

Les molècules s’aproximen amb energia suficient i orientació ade quada. Es produeix una col·lisió efectiva. Es formen enllaços nous que do nen lloc a les molècules dels pro ductes. Col·lisió no efectiva

Les molècules s’aproximen amb energia suficient, però l’orientació no és adequada. La col·lisió no és efectiva. No s’obtenen molècules dels pro ductes, és a dir, no existeix reacció química en aquest cas.

134

2.2 Factors que afecten la velocitat

Recorda que…

de reacció

Existeixen reaccions químiques extremadament ràpides, com les explosi ons, i altres més lentes, com l’oxidació del ferro. La velocitat d’una reacció química es defineix com la variació de la quantitat dels productes obtenguts, o dels reactius que desapareixen, per unitat de temps. De vegades, es pretén afavorir la formació de determinats productes be neficiosos per a la societat, com els obtenguts per la indústria química; per això, s’augmenta la velocitat de certes reaccions. No obstant això, en el cas de reaccions no desitjades, com la descomposició d’aliments, se cerca l’efecte contrari, alentir el canvi químic. En tots dos casos, resulta im prescindible conèixer quins factors influeixen en la velocitat de la reacció. Alguns són els següents: • La temperatura. En augmentar la temperatura, augmenta la velocitat de les partícules, per la qual cosa també augmenta l’energia dels xocs que es produeixen, fet que dona lloc a un nombre major de xocs efec tius, i, amb això, a un augment de la velocitat de reacció. En disminuir la temperatura, obtenim l’efecte contrari.

A partir d’ara, cada vegada que parlam de partícules o entitats elementals, farem re ferència a la unitat més petita que forma una substància, que pot ser un àtom, una molècula o un grup d’ions.

Investiga sobre els catalitzadors A més a més de la temperatura i la con centració dels reactius, existeix un altre factor que afecta la velocitat d’una reac ció: la presència de catalitzadors. Cerca informació sobre aquestes substàncies i explica per què són tan importants. Posa diversos exemples i comparteix la recerca amb la resta de la classe.

• La concentració dels reactius. En reaccions que ocorren en dissolució, si s’augmenta la concentració dels reactius, hi haurà una major proba bilitat de col·lisions entre les partícules, i, per tant, una major velocitat de reacció.

Factors que influeixen en la velocitat de reacció En la cambra refrigerada

A temperatura ambient

Les reaccions de descomposició dels aliments són més ràpides a temperatura ambient que en fred. Visualitza l’oxi dació d’una poma en anayaeducacion.es.

La concentració de reactiu en la reacció de la dreta és major que en la de l’esquerra, i per això, la velocitat de reacció és major.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Organitzador gràfic. Fes un esquema on relacio nis les idees de la teoria cinètica de la matèria i la teoria atòmica de Dalton amb la teoria de les col·lisions de les reaccions químiques. Extreu i escriu conclusions sobre els factors que afecten la velocitat de les reaccions quími ques.

Taula rodona. Reflexionau i responeu aquestes pre guntes: a) Creis que la pressió afecta la velocitat de les reaccions si els reactius estan en estat gasós? b) Es cremarà abans un tronc de fusta o la mateixa massa en forma d’encenalls?

135

Equacions químiques

Una equació química és la representació simbòlica d’una reacció quí mica que conté informació quantitativa i qualitativa. La informació quantitativa es refereix al nombre d’entitats elementals (àtoms, molècules o ions) de reactius i productes que intervenen en la reacció. La informació qualitativa serà la que mostri l’estat d’agregació de les substàncies i les condicions en què es produeix la reacció. Una equació química es compon de: • Les fórmules químiques dels reactius separades pel signe «+», el sím bol del canvi químic (8) i les fórmules dels productes, separades també pel signe «+». • Els coeficients estequiomètrics, que indiquen el nombre de partícules de cada substància que intervé en la reacció. Si el coeficient té de valor la unitat, no s’escriu. Per llegir la informació quantitativa que conté una equació química, és necessari que estigui ajustada, és a dir, que el nombre d’àtoms de cada element químic que intervé en el procés sigui igual en els reactius i en els productes. Això s’aconsegueix triant els valors adequats per als coeficients estequiomètrics, com mostren els quadres d’aquesta pàgina i la següent.

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

REACTIUS

Sulfur de ferro(II)

Es trien els elements que apareixen només en un reac tiu i en un producte i s’ajusten els coeficients estequio mètrics. Primer els metalls i després els no metalls:

Oxigen

PRODUCTES

Òxid de ferro(III)

Diòxid de sofre

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

Així, els coeficients estequiomètrics són: 2 FeS + O2 8 Fe2O3 + SO2

2 FeS + O2 8 Fe2O3 + 2 SO2

Per evitar que apareguin coeficients frac cionaris, multiplicam tots els coeficients 2 · (2 FeS + 7 O2 8 Fe2O3 + 2 SO2) 2 pel denominador de la fracció, encara que totes dues expressions són vàlides: REACTIUS

136

2 FeS + 7 O2 8 Fe2O3 + 2 SO2 2

4 FeS + 7 O2 8 2 Fe2O3 + 4 SO2

PRODUCTES

1 Ò 4 = 4 àtoms de Fe

2 Ò 2 = 4 àtoms de Fe

1 Ò 4 = 4 àtoms de S

2 Ò 7 = 14 àtoms de O

3 Ò 2 + 2 Ò 4 = 14 àtoms de O

Interpreta els nombres Per què evitam els coeficients este quiomètrics fraccionaris a les equa cions químiques? Tenen sentit per interpretar l’equació?

Ajust d’una reacció de combustió Per a aquest tipus de reaccions químiques, se guirem sempre aquest procediment. Utilitzarem com a exemple la combustió del propà. En aquesta reacció química, el propà es combina amb oxigen i s’obtenen diòxid de carboni i ai gua. Els reactius i productes de la reacció són:

Per saber el nombre de mo lècules de diòxid de carboni, es té en compte que tots els àtoms de carboni del propà passen a formar part del diò xid de carboni.

REACTIUS

Propà

PRODUCTES

Oxigen

El nombre de molècules d’ai gua ve determinat pel nombre d’àtoms d’hidrogen del pro pà, que són vuit; per tant, es produeixen quatre molècules d’aigua.

Diòxid de carboni

Aigua

Finalment, en els productes hi ha deu àtoms d’oxigen; per tant, seran cinc molècules d’oxigen en els reactius.

Seguint aquest raonament, establim els coeficients estequiomètrics: C3H8 + O2 8 3 CO2 + H2O REACTIUS

C3H8 + O2 8 3 CO2 + 4 H2O

C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O

PRODUCTES

3 Ò 1 = 3 àtoms de C

1 Ò 3 = 3 àtoms de C

2 Ò 5 = 10 àtoms de O

2 Ò 3 + 1 Ò 4 = 10 àtoms de O

8 Ò 1 = 8 àtoms de H

2 Ò 4 = 8 àtoms de H

Pots visualitzar la combustió del propà i del metà en anayaeducacion.es. Practica després, al laboratori virtual, l’ajust d’altres equacions químiques.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

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

7 Quina d’aquestes equacions químiques correspon a la re acció del clorur de níquel(II), NiCl2, amb hidròxid de sodi, NaOH? a) NiCl2 + NaOH 8 Ni(OH)2 + NaCl b) NiCl2 +2 NaOH 8 Ni(OH)2 + 2 NaCl c) NiCl2 + Na2(OH)2 8 Ni(OH)2 + Na2Cl2

Observa aquest procés en el vídeo que trobaràs a anayaeducacion.es.

6 Indica si les equacions químiques següents estan ajusta des o no. Corregeix les que sigui necessari:

8 Ajusta les equacions químiques següents: a) Ca + H2O 8 Ca(OH)2 + H2 b) Fe (s) + HCl (aq) 8 FeCl3 + H2 (g) c) CH4 (g) + O2 (g) 8 CO2 (g) + H2O (g)

a) 4 NH3 + 6 O2 8 4 NO2 + 6 H2O b) 2 K + 3 H2O 8 2 KOH + 3 H2 c) 4 KMnO4 8 2 K2O + 4 MnO + 5 O2 d) Na2O (s) + H2O (l ) 8 2 NaOH (aq) Recorda que disposes de les solucions de totes les activitats numèriques en anayaeducacion.es.

La fermentació de la glucosa és un tipus de reacció de descomposició; la glucosa es descompon en etanol i diòxid de carboni. Cerca la fórmula dels tres composts, escriu la reacció que es produeix i ajusta-la. Compara la solució amb la resta de la classe. 137

Lleis ponderals i equacions químiques

Entre 1789 i 1804, es varen donar a conèixer les denominades lleis ponderals. Es tractava de lleis empíriques que establien relacions entre la massa dels reactius i els productes que intervenen en una reacció química.

4.1 Llei de la conservació de la massa El 1789, el científic francès A. Lavoisier va arribar a la conclusió que en una reacció química no es destrueix ni es genera massa, només es produ eix una transformació de substàncies. Aquesta observació es pot enunciar d’aquesta manera: En una reacció química, la suma de les masses dels reactius és igual a la suma de les masses dels productes. La teoria atòmica explica aquesta llei empírica, ja que una reacció química és només una reordenació d’àtoms, no es creen àtoms nous, sinó que els àtoms dels reactius s’ordenen de manera diferent per formar altres substàncies, els productes de la reacció química. Per això, la massa total dels reactius serà igual a la massa total dels productes (Part 1 del quadre de la pàgina següent).

4.2 Llei de les proporcions definides Entre 1794 i 1804, J. L. Proust va establir que, en reaccionar dues o més substàncies simples per formar un compost, la proporció de les masses de les substàncies simples que reaccionaven havia de ser sempre la mateixa. Això es verificava en variar successivament les masses de reactius i com provar que la proporció es mantenia sempre constant. En una reacció química, la proporció entre les masses dels reactius i els productes és fixa i independent de la quantitat que reaccioni. Aquesta llei empírica pot explicar-se tenint en compte aquests fets: • La composició de cada substància química és constant i s’expressa en la fórmula química. • La massa atòmica mitjana és una característica de cada element quí mic. La massa d’un compost s’obté a partir de la massa dels elements que el componen. • El nombre d’entitats elementals de cada substància que intervé en la reacció química és constant i s’expressa en l’equació química mitjançant els coeficients estequiomètrics. Revisa el que s’explica a la Part 2 del quadre de la pàgina següent.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

10 Sabent que les masses atòmiques mitjanes de l’hidro

12 En les reaccions de combustió de fusta en una xeme

gen (1 u) i del nitrogen (14 u): es compleix la llei de con servació de la massa en la formació d’amoníac (NH3) a partir de dihidrogen (H2) i dinitrogen (N2)?

neia, en finalitzar, s’obté cendra. La massa de cendra és inferior a la massa de fusta cremada. Per què passa això? Es compleix la llei de conservació de la massa? Raona la resposta.

11 A partir de la resposta de l’exercici anterior, verifica que es compleix la llei de les proporcions definides si sabem que 7,5 o de dihidrogen es combinen amb 35 o de dini trogen i s’obtenen 42,5 o d’amoníac.

138

Explica el significat de «llei empírica» i «teoria». Qui na diferència hi ha entre una llei empírica i una teoria? Posa un exemple de cada cas per reforçar l’exposició.

Lleis ponderals i equacions químiques Amb aquest exemple veim la relació que hi ha entre les lleis ponderals i la informació d’una equació química.

Revisa el laboratori virtual sobre el balanceig d’equaci ons químiques que t’oferim en anayaeducacion.es.

L’amoníac (NH3) es combina amb oxigen (O2) per produir monòxid de nitrogen (NO) i aigua (H2O). Part 1

4 NH3 + 5 O2 8 4 NO + 6 H2O

Massa atòmica

Nre. d’àtoms en reactius

Equació química ajustada.

Nre. d’àtoms en productes

14 u

4·1=4

4 · 3 = 12

6 · 2 =12

16 u

5 · 2 = 10

4 · 1 + 6 · 1 = 10

REACTIUS

Comprovam que l’equació química està ajustada. Afe gim la dada de la massa atò mica mitjana, que serà ne cessària més endavant.

PRODUCTES

NH3

H2O

14 + 3 · 1 = 17 u

2 · 16 = 32 u

14 + 16 = 30 u

2 · 1 + 16 = 18 u

17 u · 4 = 68 u

32 u · 5 = 160 u

30 u · 4 = 120 u

18 u · 6 = 108 u

68 u + 160 u = 228 u

120 u + 108 u = 228 u

Calculam la massa molecular a partir de la massa atòmica mitjana. Calculam la massa que hi ha de cada substància en la re acció a partir de la massa de la seva molècula i del coefici ent estequiomètric. Comprovam que es compleix la llei de conservació de la massa.

Part 2 NH3

H2O

68 u

160 u

120 u

108 u

Proporció entre reactius mNH3 mO2

68 160

A partir de les masses mole culars de les substàncies que intervenen en la reacció, cal culam la proporció que hi ha entre aquestes. Aquestes proporcions es man tenen constants per a qualse vol massa, i es compleix, així, la llei de les proporcions definides.

Proporció entre productes

mNO

mH2O

120 108

10 9

Proporció entre reactius i productes mNH3 mNO

68 120

17 30

;

mNH3 mH O 2

68 108

mO2 160 4 = = ; m NO 120 3 27 17

;

mO2 mH2O

160 108

40 27

Repeteix els càlculs a partir de l’equació: 5 2 NH3 + O2 8 2 NO + 3 H2O 2

139

Una reacció química no es produeix entre unes poques partícules, sinó que el nombre que hi intervenen és immens, per la qual cosa usar la unitat de massa atòmica no és pràctic. Per això, es quantificaran d’una altra manera.

Quantitat de substància

5.1 Quantitat de substància La magnitud que mesura el nombre d’entitats elementals d’una subs tància es denomina quantitat de substància, i la unitat en el SI és el mol.

Quantitat de substància i massa molar

La propietat de la matèria que representa la quantitat de substància no és la massa, sinó el nombre de partícules que componen una determinada extensió de substància. En ser la massa d’aquestes partícules tan petita, el nombre d’entitats que formen, per exemple, un gram de qualsevol substància és enorme. A més a més, aquest nombre serà diferent d’una substància a una altra, perquè les entitats elementals que les componen tenen masses diferents. Un mol conté exactament 6,022 140 76 · 1023 entitats elementals. Aquesta xifra es denomina nombre d’Avogadro, NA.

La quantitat de raïm i de ciurons és la mateixa; no obstant això, la massa d’aquesta quantitat és diferent, ja que la massa d’un gra de raïm és distinta a la d’un ciuró.

5.2 Massa molar Per establir la relació entre la massa d’una substància i la quantitat d’aques ta substància present s’utilitza la massa molar.

Massa d’un mol Massa molecular o Substància massa fórmula/u

La massa molar, M, d’una substància és la massa d’un mol d’aquesta substància; és a dir, la massa de 6,022 140 76 · 1023 entitats elementals d’aquesta substància. Les unitats en el SI són kg/mol, encara que s’uti litza amb més freqüència g/mol.

Massa molar/(g/mol)

196,97

KCl

74,6

NO2

46,0

La massa molar permet fer càlculs a escala macroscòpica a partir de com binacions d’unitats d’escala atòmica. La relació entre quantitat de subs tància, n, i la massa molar, M, és la següent:

El valor de la massa molar d’una subs tància coincideix numèricament amb la massa molecular, o la massa de la unitat fórmula, d’aquesta substància.

n (mol) =

m (g) M (g/mol)

Massa, quantitat de substància i nombre d’entitats elementals Per a un mol d’acetaldehid (etanal, C2H4O), sabem que: M (C2H4O) = 12 · 2 + 1 · 4 + 16 · 1 = 44 g/mol 44 g de C2H4O

1 mol de C2H4O

6,022 · 1023 molècules

24 g de C

En 1 mol de C2H4O hi ha 2 mol de C

1,2044 · 1024 àtoms de C

Multiplicant per M (g/mol)

140

Multiplicant per NA

4 g de H

En 1 mol de C2H4O hi ha 4 mol de H

2,4088 · 1024 àtoms de H

16 g de O

En 1 mol de C2H4O hi ha 1 mol de O

6,022 · 1023 àtoms de O

Reaccions químiques i quantitat de substància Calcula la massa d’aigua, expressada en grams, que s’obté si reaccionen completa ment 204 g d’amoníac (NH3) amb oxigen, segons la reacció següent. Comprova que es compleix la llei de la conservació de la massa.

Per calcular la massa de les substàncies químiques que intervenen en una reac ció, partim de la massa molar i de la quantitat de substància de cada una. 4 NH3

5 O2

4 NO

DADES: Massa atòmica mitjana

N H O

1u 16 u

REACTIUS NH3

H2O M (H2O) = 2 · 1 + 16 M (H2O) = 18 g/mol

4 mol

6 mol

5 mol m (g) g n Md mol

mO2

mNO = 30 g/mol · 4 mNO = 120 g

mNH3

mlNH3

mO2

mlO2

mlNH3 mlO2

mH2O = 18 g/mol · 6 mH2O = 108 g

mNH3 mO2

160 g O2

A partir dels coeficients estequiomètrics i de la massa molar de cada substància, calculam les masses de cada substància per poder establir la proporció en massa.

mlNH3 mlO2

Aplicam la proporció en massa per cal cular les masses de la resta de les subs tàncies a partir de la massa d’amoníac.

Dada: m'NH3 = 204 g 68 g NH3

Calculam la massa molar de les subs tàncies a partir de les masses atòmiques mitjanes. Els coeficients estequiomètrics indiquen la proporció entre reactius i productes expressada en quantitat de substància.

g m (g) = n (mol) · M d mol n

mNH3 = 17 g/mol · 4 mO2 = 32 g/mol · 5 mNH3 = 68 g mO2 = 160 g

El valor numèric de la massa atòmica mitjana és igual al valor de la massa en grams d’un mol d’àtoms (massa molar).

M (NO) = 14 + 16 M (NO) = 30 g/mol

mNH3

14 g/mol 1 g/mol 16 g/mol

PRODUCTES

M (NH3) = 14 + 3 · 1 M (O2) = 2 · 16 M (NH3) = 17 g/mol M (O2) = 32 g/mol

n (mol) =

Equació química ajustada.

DADES: Massa molar

14 u

4 mol

6 H2O

Recorda que aquestes proporcions sempre es mantenen constants.

204 g NH3

68 g NH3

mlO2

120 g NO

mlO2 = 480 g

204 g NH3

68 g NH3

mlNO

108 g H2O

mlNO = 360 g

204 g + 480 g = 684 g

204 g NH3 mlH2O

mlH2O = 324 g

360 g + 324 g = 684 g

Comprovam que es complix la llei de conservació de la massa.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Visualitza en anayaeducacion.es la presentació so bre la quantitat de substància i calcula-la per a 350 g de:

Raona la veracitat o falsedat de les afirmacions següents:

a) Clorur de potassi, KCl

c) Sacarosa, C12H22O11

b) Ferro.

d) Ozó, O3.

b) 1 mol de N2 reacciona amb 1 mol de H2.

15 Donada l’equació química següent, sense ajustar: N2 (g) + H2 (g) 8 NH3 (g)

a) 1 g de N2 reacciona amb 3 g de H2. c) 1 mol de N2 produeix la mateixa quantitat de NH3. d) 28 g de N2 reaccionen amb 2 g de H2 i es formen 50 g de NH3. 141

Química, medi ambient i societat

La química té un gran impacte en la qualitat de vida de les persones, ja que aporta coneixement sobre substàncies noves amb tota classe d’apli cacions i contribueix a cercar solucions a problemes ambientals greus.

6.1 Problemes ambientals AAlguns d’aquests problemes es produeixen a l’atmosfera com a resultat de l’emissió de gasos en reaccions químiques. ■

La pluja àcida

En algunes zones industrials s’emeten gasos, com els òxids de sofre i ni trogen, que es desplacen per l’atmosfera i reaccionen amb el vapor d’ai gua atmosfèric que donen lloc a àcids corrosius, com el sulfúric (H2SO4) i el nítric (HNO3). Quan aquesta dissolució de gasos en aigua precipita en forma de pluja (l’anomenada pluja àcida) els efectes són catastròfics. A més a més de destrossar edificis i monuments històrics en poblacions, afecta nocivament la flora i la fauna de boscs, rius i llacs. ■

Efecte d’hivernacle anòmal

La presència de diòxid de carboni, CO2, a l’atmosfera terrestre fa que la temperatura del nostre planeta es mantengui dins d’uns valors que fan possible la vida tal com la coneixem. Aquest fenomen, explicat a la figura inferior, es coneix com a efecte d’hivernacle. En les darreres dècades, la quantitat de CO2 present a l’atmosfera s’ha incrementat de manera notable. Això és pel fet que s’ha alterat el cicle del carboni en utilitzar el petroli i el carbó com a fonts d’energia en reaccions químiques de combustió. Aquesta major quantitat de CO2 fa que la radiació infraroja quedi retinguda en excés, fet que provoca un augment de la temperatura mitjana de l’at mosfera que es manifesta, per exemple, amb un augment de la freqüència i la intensitat d’huracans i de ciclons. Aquests fenòmens formen part del denominat canvi climàtic, amb efectes devastadors al nostre planeta.

L’efecte d’hivernacle Part de la radiació que arriba a la Terra procedent del Sol és reflectida i una al tra part és absorbida; per això, la Terra s’encalenteix i emet, alhora, radiació del tipus infraroig, com a resultat de tro bar-se a una temperatura determinada.

Sol

Part de la radiació solar és reflectida per la Terra i l’atmosfera

La major part de la radiació infraroja és absorbida pels gasos d’efecte d’hivernacle

Atmosfera

Terra

142

Part de la radiació solar és absorbida per la superfície terrestre i l’encalenteix

La superfície terrestre emet radiació infraroja

Els gasos d’efecte d’hivernacle, com el CO2, presents a l’atmosfera, retenen part de la radiació infraroja que emet el planeta i eviten que aquesta radiació es dissipi a l’exterior, i contribueixen així al fet que la temperatura mitjana de la Terra es mantengui estable. Si no exis tís l’atmosfera, la superfície de la Terra aconseguiria temperatures molt eleva des durant el dia i es refredaria massa durant la nit, de manera que faria im possible l’existència de vida.

■

L’ozó estratosfèric i troposfèric

L’ozó és una molècula que consta de tres àtoms d’oxigen, O3, i forma una capa a uns 60 km d’altura sobre el nivell de la mar, a l’estratosfera. L’ozó absorbeix una part de la radiació solar que és perjudicial per a la salut, la radiació ultraviolada. En aquest procés, la molècula d’ozó se separa en dioxigen, O2, i oxigen monoatòmic, O. La peculiaritat d’aquesta dissoci ació és que és reversible, és a dir, que torna a formar-se l’ozó gairebé de manera immediata. Per tant, l’ozó estratosfèric conforma la capa d’ozó, que es manté intacta malgrat la radiació ultraviolada. En les darreres dècades del segle passat, es va detectar un forat a la capa d’ozó, provocat per la presència en l’estratosfera de certs gasos provinents de l’activitat humana: els CFC. En l’actualitat, la legislació ambiental ha li mitat molt la producció i l’ús d’aquests gasos, i el forat en la capa d’ozó ha revertit considerablement. D’altra banda, des de la Revolució Industrial, s’ha observat la presència d’ozó en la capa més baixa de l’atmosfera, la troposfera. Això sorgeix com a resultat de les emissions d’òxids de nitrogen i composts orgànics volàtils en indústries i automòbils. Aquest ozó troposfèric és un contaminant que danya la salut i el medi ambient.

Efecte de la pluja àcida en un bosc.

6.2 Indústria química Un dels objectius principals d’aquesta indústria és la transformació de ma tèries primeres en altres productes que, alhora, seran la matèria primera d’una infinitat de productes elaborats. Les facetes de la nostra vida quotidiana que estan influïdes pel desen volupament de la química són molt nombroses, des de la potabilització d’aigües, passant pels materials més desenvolupats que formen part dels dispositius electrònics, fins a teixits i materials polimèrics, carrosseries de cotxes, etcètera.

Evolució de la capa d’ozó l’any 2019.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Anàlisi associativa. A més a més de limitar l’ús de CFC, existeix una altra raó per la qual el forat de la capa d’ozó ha disminuït notablement. Cerca informació i po sa-la en comú amb la resta de la classe. Com es podria millorar aquesta situació sense danyar el planeta?

Explica les diferències entre l’ozó troposfèric i l’es tratosfèric. Existeixen diferències entre una molècula i una altra?

Visualitza en anayaeducacion.es el vídeo sobre la importància del CO2 a l’atmosfera i explica-ho amb les teves paraules. Quins són els efectes de l’efecte d’hiver nacle anòmal? Cerca com està relacionat amb la meta 13.1 i pensa com es podria solucionar. Quines accions es duen a terme actualment?

Cerca informació sobre el producte químic uti litzat per potabilitzar aigües i el cost que té. Elabora

un informe i inclou-hi una conclusió sobre l’ús amb la meta 6.1.

20 El desenvolupament de la indústria química està acom panyat d’una alta contaminació de l’aigua, l’aire i de la terra. Des de fa temps, moltes empreses han tractat de reduir aquest efecte tan negatiu, però és molt difícil per l’alt cost econòmic i la complicada adaptació de les in fraestructures. Cerca informació sobre una empresa que hagi aconseguit adaptar-se als objectius establerts per l’ONU. Quines mesures han pres? Creus que va ser sen zill? En equips, dissenyau un pla d’actuació per a alguna empresa que no l’hagi fet.

A partir del que has après en l’exercici anterior, quins estudis universitaris i de formació professional po dries cursar per fer feina a la indústria química? 143

Taller de Ciències

Embornals de CO 2

Projecte d’investigació Introducció L’augment de la quantitat de diòxid de carboni a l’atmosfera té una rela ció directa amb l’augment de la temperatura mitjana del planeta. La causa més evident i coneguda d’aquest augment de diòxid de carboni sorgeix com a resultat de la combustió de petroli i carbó utilitzat en la transforma ció de l’energia química en energia elèctrica, per exemple (meta 13.a). No obstant això, existeixen altres causes vinculades a l’increment del di òxid de carboni a l’atmosfera, com és l’augment de la població mundial. 1. Podria influir l’aire aspirat en la respiració dels éssers vius que habiten el planeta en aquest fet? Cerca les causes més conegudes del canvi climàtic. 2. Es podrien desenvolupar reaccions químiques en què el CO2 fos un reactiu i així disminuir la presència a l’atmosfera? 3. En quin procés natural el CO2 és un reactiu de la reacció i no un produc te? Podria donar-se aquest cas a la indústria?

Escull de coral a l’oceà que actua com a embornal de CO2 natural.

Objectiu Indagar sobre els anomenats embornals de CO2 i extreure conclusions.

Procediment

Trencaclosques

Es divideix la classe en grups de tres persones, i cada una investigarà so bre una de les àrees següents i tractaran de donar resposta a les pregun tes que li corresponguin. En la mesura que sigui possible, s’ha d’utilitzar bibliografia i referències subministrades pel professorat. • Àrea 1. Efectes de la superpoblació. Quina ha sigut la tendència en el nombre d’habitants del planeta en els darrers dos segles? Com són els hàbits de la població? Quina incidència té la superpoblació en el canvi climàtic? Afecta l’estil de vida? COMUNICACIÓ DE CONCLUSIONS

1 Es farà una exposició amb les info grafies dels grups de treball al centre educatiu.

2 Es durà a terme una taula rodona de cada àrea per explicar-ne les conclu sions. L’elecció dels membres de la taula redona es durà a terme pels companys i les companyes de classe.

144

CiR. Cada assistent que se gueixi les taules redones redactarà un article per a la revista escolar on reculli les postures i les conclusions extretes.

• Àrea 2. Embornals artificials de CO2. Es pot revertir el canvi climàtic? N’hi ha prou a disminuir l’emissió de gasos d’efecte d’hivernacle? Què són els embornals artificials de CO2? • Àrea 3. Nutrició autòtrofa. Embornals naturals de CO2. Què és el ci cle de carboni? En què consisteix la nutrició autòtrofa? Quins éssers vius la duen a terme? Es consideren embornals de carboni? Existeix alguna acció per afavorir aquesta via d’eliminació de diòxid de carboni?

Discussió de resultats Les persones de cada grup que hagin investigat sobre la mateixa àrea es reuniran i posaran en comú les respostes que hagin recollit a les pregun tes. Es redactarà un informe de cada àrea.

Conclusions Finalment, cada grup elaborarà una infografia amb els avantatges i els inconvenients de cada àrea per abordar accions relatives a les metes dels ODS treballades.

Reaccions químiques amb substàncies gasoses

Treball pràctic Plantejament del problema La presència d’una substància gasosa en una reacció química, com a reactiu o com a producte, altera el valor de la pressió de la mescla que reacciona. La diferència entre aquest valor de pressió i el de la pressió atmosfèrica fa que es pugui tenir constància de la reacció. La teva proposta

Preparar la tasca

Durem a terme dues reaccions químiques, una en què s’obté diòxid de carboni com a producte de la reacció [1] i una altra en què aquest gas és un dels reactius de la reacció [2]. NaHCO3(aq) + CH3COOH(aq) 8 CO2(g) + NaCH3COO(aq) + H2O(l ) [1] Bicarbonat de sodi

Àcid acètic

Acetat de sodi

CO2 (g) + 2 NaOH (aq) 8 Na2CO3 (aq) + H2O (l )

Material de laboratori necessari per dur a terme la pràctica.

[2]

Idea, juntament amb el teu equip, com dur a terme cadascuna de les reaccions de tal manera que la diferència de pressió abans i després del canvi químic sigui evident. Observa la llista de materials que et proposam. La nostra proposta S’aboca el vinagre (que conté àcid acètic) a la botella de plàstic i s’introdueix el bicarbonat de sodi en el globus. Anant alerta, es tapa la botella amb el globus i s’aboca el bicarbonat a l’interior. S’observa l’augment de volum del globus. A continuació, es retira el globus i s’agrega l’hidròxid de sodi. S’en rosca el tap de la botella i es remena, per afavorir el contacte del di òxid de carboni amb l’hidròxid de sodi que s’està dissolent a l’aigua. S’observa el canvi de forma de la botella. Material 3 • Una botella de plàstic flexible d’1,5 L • Un globus • Uns 100 cm de vinagre de 6° • 8 g de bicarbonat de sodi • 7 g d’escates d’hidròxid de sodi

Orientacions per realitzar l’experiència • Les masses de reactius que vàrem mostrar en el proce diment excedeixen les quantitats estequiomètriques, per assegurar una velocitat de reacció adequada. • Alternativament, a la primera reacció es pot mantenir oberta la botella, sense utilitzar el globus, de tal forma

que el diòxid de carboni produït ompli l’espai de la bo tella i surti a l’exterior. • Per assegurar que aquest gas ha desplaçat tot l’aire que hi havia a l’interior de la botella, s’hi pot introduir un mis to encès i observar com s’apaga la flama.

EXTREU CONCLUSIONS...

1-2-4. Fes feina amb el teu equip i respon les qües tions següents:

b) Quin significat tenen els símbols entre parèntesis en les equacions químiques d’aquesta pàgina?

a) Quin efecte s’observa a la botella quan té lloc la sego na reacció? Per què?

c) Una part dels reactius queda sense reaccionar, com ho sabem?

145

COMPRÈN Organitza les teves idees

Mapa conceptual sistèmic

1 Copia el mapa conceptual al teu quadern, o en una aplicació per elaborar mapes conceptuals, i fes les ampliacions següents a) Completa les paraules que hi falten. b) Explica per què la paraula «molècules» sempre va acompanyada d’una alternativa al mapa con ceptual. Per a això, reflexiona sobre el tipus de substàncies que no són moleculars. c) Inclou al mapa conceptual una branca nova en el lloc indicat (1) per mostrar quin tipus de canvi és un canvi químic en relació amb la composició de la matèria. d) A partir de la branca de l’activitat anterior, inclou quines són les evidències que mostren que està ocorrent un canvi químic.

e) Inclou al mapa, a partir del lloc assenyalat (2), quins altres símbols es poden mostrar en una equació química. f) A partir del quadre de llei de conservació, indica la forma matemàtica d’expressar aquesta llei. g) Indica al mapa conceptual la relació entre quan titat de substància i massa. Per a això, inclou una branca en el lloc que consideris adequat. h) Il·lustra amb un dibuix, i inclou-lo al mapa, una col·lisió efectiva i una altra que no ho sigui en funció de l’orientació. i) Inclou al mapa conceptual la constant que re laciona el nombre d’entitats elementals amb la quantitat de substància expressada en mol.

Les reaccions químiques

es representen mitjançant

són

Equacions ? .................................

(1)

compleixen

Canvis

en les quals trobam

en els quals les

Llei de conservació ? .........................................

Llei de ? .........................................

(2) Coeficients ? .................................

Molècules o ? .................................

Fórmules químiques

que informen del

Reactius

Nombre

Col·lideixen

de Molècules o ? ................................

amb suficient

amb adequada

Energia

Orientació

que s’expressen en la unitat de quantitat de substància Mol

146

dona lloc a

? ...........................

Molècules o ? .................................

Recorda seleccionar el material de treball d’aquesta unitat per al teu dossier d’aprenentatge.

b) Representa les dades de la massa davant del temps, i indica si es tracta d’una relació lineal.

Les solucions de totes les activitats numèriques es troben en anayaeducacion.es.

c) A partir del gràfic anterior, indica en quin interval de temps és major la velocitat de la reacció quími ca. En què bases la resposta? Relaciona aquesta observació amb la teoria de les col·lisions.

Canvis en la composició 1 Què significa que en un canvi químic s’altera la natu ralesa de la matèria? Defineix amb les teves paraules l’expressió naturalesa de la matèria. 2 En posar en contacte vinagre i bicarbonat es desprèn un gas, diòxid de carboni, i es formen acetat de sodi i aigua: a) Indica quins són els reactius de la reacció. b) Indica el nombre de productes d’aquesta reacció. 3 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o fal ses i explica per què: a) En totes les reaccions químiques es desprèn ener gia. b) Les reaccions químiques només ocorren de manera natural en organismes vius. c) En una reacció química, els reactius i els productes poden estar en diferent estat d’agregació. d) Les reaccions químiques que es donen a la natura lesa constitueixen un problema ambiental. 4 Hi ha reaccions químiques amb una aplicació princi pal energètica, perquè en desenvolupar-les es des prèn una gran quantitat d’energia. Posa un exemple d’aquesta classe de reacció química. Explica quin pro blema ambiental duen associat.

La imatge. Explica què representa aquesta il· lustració:

Quines similituds i diferències hi ha entre la repre sentació anterior i la següent?

9 Com afecta la temperatura a la velocitat d’una reac ció química? Utilitza la teoria de les col·lisions i la te oria cineticomolecular sobre la temperatura i l’ener gia cinètica mitjana de les partícules. Representació de les reaccions químiques 10 Un estudiant ajusta aquesta equació química: NO + O2 8 NO2 de la manera següent:

Teoria atòmica de les reaccions químiques 5 Tots els xocs que es produeixen entre les partícules de reactius fan que aquestes es rompen? De quins factors depèn que un xoc sigui efectiu? 6 És compatible la teoria de les col·lisions amb la llei de conservació de la massa? Ambdues expliquen certs aspectes de les reaccions químiques, però utilitzen la mateixa escala? Explica les respostes. 7 A la taula següent es mostren les masses de dues subs tàncies mentre té lloc una reacció química al llarg del temps: Massa A, mA/g

7,5

3,75

2,5

1,88

Massa B, mB/g

1,7

3,4

6,8

13,6

Temps, t/min

a) Les substàncies A i B, són reactius o productes de la reacció? Justifica la resposta.

NO + O2 8 NO3 És correcte el que ha fet? Per què?

11 Ajusta les reaccions químiques següents: a) Al + O2 8 Al2O3 c) NH3 + H2SO4 8 (NH4)2SO4 b) SO2 + O2 8 SO3 d) Fe2O3 + H2 8 Fe + H2O 12 Escriu tota la informació que pots obtenir de l’equa ció química següent ajustada: 3 Cl2 (g) + 2 Fe (s) 8 2 FeCl3 (s)

13 Utilitza aquesta taula per verificar que la reacció de l’exercici anterior està ajustada. Element

Àtoms en reactius

Àtoms en productes

Cl Fe

147

14 Escriu l’equació química ajustada a partir de la infor mació d’aquest dibuix, on s’ha utilitzat el vermell per als àtoms d’oxigen, el negre per als de carboni i el blanc per als d’hidrogen.

15 El disulfur de ferro, sòlid, es combina amb dioxigen i s’obtenen diòxid de sofre i triòxid de diferro, sòlid. Escriu l’equació química ajustada d’aquest procés, indicant l’estat d’agregació en què es troben totes les substàncies. 16 Calcula el nombre total d’àtoms de cada element que hi ha en els reactius i en els productes de les equacions químiques següents: a) 2 KOH + H2CO3 8 K2CO3 + 2 H2O b) 2 C2H6 + 7 O2 8 4 CO2 + 6 H2O c) 3 HCl + Al(OH)3 8 AlCl3 + 3 H2O

17 Comprova si les reaccions químiques següents es tan ben ajustades; si no és així, corregeix-les: a) Zn (s) + Ag2O (s) 8 2 ZnO (s) + Ag (s)

19 Quan encalentim 50 g de carbonat de calci, es for men 28 g d’òxid de calci i diòxid de carboni. a) Quina massa de diòxid de carboni es forma? b) Si partim de 150 g de reactiu, quina massa s’obté de cada producte?

20 A partir de l’exercici anterior, obtén la proporció en massa en què reaccionen el carbonat de calci i l’òxid de calci. Podríem obtenir 56 g d’òxid de calci a partir de 60 g de carbonat de calci? En quina llei t’has ba sat per respondre a aquesta activitat? 21 Per a la reacció de gas clor amb ferro: 3 Cl2 + 2 Fe 8 2 FeCl3 utilitzam 531,75 g de clor i 300 g de ferro. Estan aquestes quantitats en proporció estequiomètrica? Utilitza la informació de la taula. Massa de reactius, mr/g Cl2

FeCl3

212,7

111,7

324,4

Calcula la massa de ferro que reaccionarà i la massa de FeCl3 que es forma.

Quantitat de substància 22 Completa la taula següent:

b) 2 NH4NO3 (s) 8 2 N2 (g) + H2O (g) + O2 (g) c) MgSO3 (s) 8 MgO (s) + SO2 (g) d) H2S (g) + SO2 (g) 8 3 S (g) + H2O (g)

18 Es disposa de la informació següent sobre una reac ció química: 3 H2 + N2 8 2 NH3 Massa de productes, mp/g

NH3

6,06

28,02

34,08

a) Calcula la massa d’amoníac que es pot obtenir si reaccionen completament 7,878 g d’hidrogen. b) Utilitzant la llei de conservació de la massa, calcu la la massa de nitrogen necessària en la reacció a partir de les dades anteriors.

148

Substància

Massa, m/g

Aigua

Quantitat de substància, n/mol

Diòxid de carboni

Nre. total d’àtoms de O

3,16 · 1024

Ozó

Lleis ponderals i equacions químiques

Massa de reactius, mr/g

Massa de productes, mp/g

2,5

23 Ordena de menor a major, pel que fa a la massa, les quantitats següents: a) 0,25 mol de tetraclorur de plom. b) 5 mol d’aigua. c) 1 mol d’àcid sulfúric.

24 Calcula quants àtoms i molècules hi ha a les mostres següents: a) 18 g d’aigua. b) 88 g de diòxid de carboni. c) 81 g d’alumini.

25 Si es fa reaccionar potassi (K) amb aigua (H2O), es forma hidròxid de potassi (KOH) i es desprèn gas hidrogen (H2).

b) Un criteri per a establir quin dels combustibles anteriors és més contaminant és comparar la quantitat de diòxid de carboni emès en la com bustió d’un mol de cada un. Calcula el quocient nCO2 / ncombustible en cada cas i indica quin combus tible és el més contaminant.

a) Escriu l’equació química ajustada. b) Calcula quina massa de gas hidrogen es desprèn en la reacció anterior quan reaccionen 78 g de potassi.

c) Si en la reacció anterior, 20 g de potassi reaccio nen amb 9,21 g d’aigua, quina quantitat, en mol, total de productes s’obté? Dades: m (K) = 39 u; m (H) = 1 u.

26 Es deixa a la intempèrie un clau de ferro de 5 g. Al cap d’un temps cert temps, s’observa que una part s’ha oxidat i que s’han format 5 g de triòxid de diferro:

A partir dels valors de la taula, calcula, per a cada combustible, la quantitat de diòxid de carboni emesa per cada quilojoule d’energia. Quin combus tible és més eficient energèticament? Quin emet menys diòxid de carboni a l’atmosfera per quilojou le? Quines conclusions pots extreure basant-te en els resultats? Tenint en compte el que has après, i la meta 13.a, quin combustible triaries per produir energia? Quines altres fonts d’energia estan en vies de desenvolupament per reduir això? Consulta la meta 7.2.

a) Quina massa de ferro ha reaccionat? b) Quina massa de ferro ha quedat sense reaccio nar? Quin percentatge de la massa del clau re presenta la part que ha quedat sense reaccionar?

Química i medi ambient 27

L’objectiu de la combustió dels hidrocarburs és transformar l’energia química en una altre tipus d’energia. Per quantificar l’energia que s’obté en cada reacció, s’utilitza el paràmetre poder de combustió (PC), que s’expressa en quilojoules (unitat d’energia) per mol de combustible (kJ · mol–1).

Què et fa dir això? En la combustió d’hidro carburs un dels productes de la reacció és el diòxid de carboni. Com més gran és el nombre d’àtoms de carboni de l’hidrocarbur, major és la quantitat de diòxid de carboni produït. Per aquesta raó, s’estan utilitzant preferentment combustibles amb menor nombre de carbonis. a) Escriu i ajusta les reaccions de combustió del metà (CH4), età (C2H6), propà (C3H8) i butà (C4H10).

Combustible

PC/(kJ · mol–1)

CH4

890

C2H6

1 560

C3H8

2 220

C4H10

2 900

REFLEXIONA En aquesta unitat hauràs creat vídeos de divulgació amb un percentatge d’elaboració pròpia més gran i amb un grau de dinamisme superior. Descarrega el qüestionari dis ponible en anayaeducacion.es i, si en algun dels aspectes de reflexió que s’hi propo sen detectes que no tens el nivell que t’agradaria, inclou alguna proposta per millorar aquesta situació i aplica-la. Aspectes

Ho comprenc i podria explicar-ho als companys i companyes

No ho comprenc bé del tot. Se’m plantegen alguns dubtes

No ho entenc

No ho sé

He expressat obertament les meves idees al grup, i he contribuït amb la meva creativitat... ...

POSA A PROVA LES TEVES COMPETÈNCIES Fes l’avaluació competencial inclosa en anayaeducacion.es

149

© GRUPO ANAYA, S.A., 2022 - C/ Juan Ignacio Luca de Tena, 15 - 28027 Madrid. Reservats tots els drets. El contingut d’aquesta obra està protegit per la llei, que estableix penes de presó, multes o ambdues ensems, ultra les indemnitzacions corresponents per danys i perjudicis, per a aquells qui reproduïssin, plagiassin, distribuïssin o comunicassin públicament, en tot o en part, una obra literària, artística o científica, o la seva transformació, interpretació o execució artística fixada en qualsevol tipus de suport o comunicada per qualsevol mitjà sense autorització prèvia.