Naturals U - 1

11111

L’estructura de la matèria

La matèria que ens envolta té una estructura molt complexa. Des de molt antic, la humanitat ha volgut entendre com estava feta la matèria; els primers filòsofs grecs, per exemple, ja intentaven explicar de què estava composta. A mesura que els mitjans tècnics i d’anàlisi es van perfeccionant, sorgeixen noves sorpreses i el que havia estat una teoria sòlidament acceptada, trontolla i deixa pas a una altra de nova. Si no fos així, una ciència dinàmica i viva com la química no avançaria, i alhora no seria una garantia d’un futur millor.

Ł

Q U È

Ciències de la naturalesa

1

7

S A P S ? > > > Q U È

E N

S A P S ? > > > Q U È

E N

S A P S ? > > > Q U È

E N

S A P S ? > > > Q U È

• Anomena una substància sòlida que, en escalfar-la, es converteixi directament en un gas.

• Què és un isòtop?

• Creus que els àtoms són indivisibles?

• Què és la radioactivitat?

• Què és un neutró?

E N

S A P S ? >

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 8

14 La matèria i els seus estats d’agregació Anomenem matèria tot allò que té massa i ocupa un lloc a l’espai.

La matèria es pot presentar en diferents formes, anomenades estats d’agregació. L’estat en què estigui una substància dependrà de les condicions de pressió i temperatura. En el nostre planeta podem trobar la matèria en tres estats diferents: sòlid, líquid o gasós. Existeix, de fet, un quart estat, el de plasma, que és habitual a les estrelles i es produeix a temperatures de milions de graus.

Les principals característiques dels estats sòlid, líquid i gasós són:

5

5

5

Els sòlids tenen una forma i un volum definits i són molt poc compressibles, és a dir, difícilment disminueixen de volum quan es fa pressió sobre ells. Es dilaten una mica quan s’escalfen.

Els líquids tenen volum propi, però no forma pròpia i s’adapten a la forma del recipient que els conté. Són fluids, és a dir, tenen la propietat de poder lliscar per un conducte o escapar-se per un orifici. Igual que els sòlids, són difícilment compressibles. En escalfar-los, es dilaten més que els sòlids.

Els gasos no tenen forma pròpia ni volum propi ja que tendeixen a ocupar tot el volum del recipient que els conté. Són molt compressibles i, com els líquids, poden fluir. Es dilaten molt quan la temperatura augmenta.

> Canvis d’estat i calor latent

Substància

Punt de fusió* (ºC)

Oxigen

– 218

Alcohol

–114

Mercuri

– 39

Aigua

0

Estany

232

Plom

327

Ferro

1 540

Tungstè

3 380

* A la pressió d’1atm.

Podem canviar l’estat d’una substància donant-li o prenent-li energia en forma de calor. Si escalfem un tros de glaç, per exemple, primer passa a aigua líquida i posteriorment a gas. Refredant vapor d’aigua es produeix el procés invers: primer es forma aigua líquida i després, gel. a) Canvi d’estat sòlid-líquid

El pas de sòlid a líquid s’anomena fusió i el procés invers, solidificació.

La temperatura a la qual es produeix el canvi d’estat sòlid-líquid, a la pressió atmosfèrica normal, s’anomena punt de fusió normal i és una característica de cada substància. Mentre dura la fusió, la temperatura es manté constant. Això vol dir que cal energia per convertir el sòlid en líquid encara que no hi hagi canvi de temperatura. S’anomena calor latent de fusió l’energia que hem de subministrar a la unitat de massa d’un sòlid que es trobi a la temperatura de fusió, per convertir-lo en líquid a la mateixa temperatura.

Ciències de la naturalesa Q U Í M I C A

4

9

b) Canvi d’estat líquid-gas

El pas de líquid a gas s’anomena vaporització i el procés invers, condensació.

La vaporització d’un líquid pot produir-se de dues maneres molt diferents: per ebullició i per evaporació.

Substància

Punt d’ebullició* (ºC)

— Ebullició. Té lloc en tota la massa del líquid i es produeix a una temperatura determinada, que es manté constant mentre dura el procés.

Heli

– 269

Oxigen

–183

De fet, la temperatura d’ebullició d’una substància augmenta sensiblement amb la pressió. Per això, definim el punt d’ebullició normal d’un líquid com la temperatura a la qual bull quan es troba sotmès a la pressió atmosfèrica normal.

Èter

35

Alcohol

78

Aigua

100

Mercuri

357

— Evaporació. Es produeix lentament, a qualsevol temperatura i només en la superfície lliure del líquid. La velocitat d’evaporació depèn de diversos factors: — Del tipus de substància. Alguns líquids, com l’oli, gairebé no s’evaporen mentre que n’hi ha d’altres, com l’alcohol o l’èter, que s’evaporen amb gran rapidesa. Diem que aquestes darreres substàncies són volàtils.

Plom

1 740

Ferro

2 740

* A la pressió d’1atm.

Diagrama dels canvis d’estat Estat gasós

— De la temperatura. Per una determinada substància, la velocitat d’evaporació augmenta amb la temperatura.

sublimació progressiva

— De la ventilació. Si hi ha corrent d’aire, la velocitat d’evaporació és més gran ja que l’aire s’emporta els vapors, de manera que evita que s’acumulin sobre la superfície del líquid.

condensació o liqüefacció sublimació regressiva

— De la superfície lliure. Com més gran és la superfície lliure del líquid, més de pressa s’evapora.

vaporització

Estat líquid

solidificació

fusió

Tant en l’ebullició com en l’evaporació, cal energia perquè el líquid es transformi en gas. S’anomena calor latent de vaporització l’energia que hem de subministrar a la unitat de massa d’un líquid per convertir-lo totalment en gas (a pressió constant) sense variar-ne la temperatura. Aquesta energia és la mateixa que es desprèn quan el gas es condensa.

Estat sòlid

temperatura

líquid + vapor

temperatura d'ebullició sòlid + líquid

uid

líq

lid

temperatura de fusió

sò

Algunes substàncies, com el iode, poden passar directament de l’estat sòlid al gasós i viceversa. Aquest procés rep el nom de sublimació. El canvi d’estat de sòlid a gas s’anomena sublimació progressiva i el procés invers, sublimació regressiva.

ga s

c) Canvi d’estat sòlid-gas

temps d'escalfament

5 Temperatura en funció del temps d’escalfament.

Quines propietats tenen en comú els sòlids amb els líquids? I els líquids amb els gasos?

Per què la roba humida s’eixuga abans estesa que plegada?, a l’estiu que a l’hivern?, quan fa vent?

3 Per què les boles de naftalina que col·lo-

quem als armaris de la roba fan una olor molt intensa i «es gasten» amb el temps?

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 10

24 El model cinètic Per estudiar el món que ens envolta, la ciència es basa en models, que són simplificacions dels fenòmens reals que ajuden a entendre’ls. Un dels models que millor explica el comportament de la matèria és l’anomenat model cinètic, que es basa en les consideracions següents: — La matèria es compon de partícules molt petites. Cada substància està formada per un tipus diferent de partícules.

— Entre les partícules de la matèria actuen forces d’atracció. La intensitat d’aquestes forces depèn de la naturalesa de les partícules i és més gran com més pròximes es troben.

— Les partícules que componen la matèria estan en moviment constant.

Com més alta és la temperatura, més de pressa es mouen.

— Les partícules col·lisionen entre elles i amb les parets del recipient que les conté. Aquests xocs són elàstics i no s’hi perd energia. > Model cinètic d’un sòlid 5 La gota de pintura es dissol en l’aigua calenta sense necessitat d’agitar.

— En un sòlid les partícules es troben molt juntes. Per això els sòlids pràcticament no es poden comprimir.

— Les forces d’atracció entre cada partícula i les seves veïnes són intenses, de manera que les partícules queden atrapades en unes posicions fixes formant una disposició ordenada. Per tant, els sòlids tenen forma i volum propis i, en general, presenten una estructura cristal·lina.

— Les partícules del sòlid no estan immòbils sinó que vibren al voltant de les seves posicions d’equilibri. Les oscil·lacions augmenten amb la temperatura. Aquest fet explica que es dilatin una mica quan s’escalfen.

— Si refredem el sòlid les oscil·lacions es fan més petites, de manera que és lògic pensar que pot arribar un moment en què les partícules quedin immòbils. Això suiceeix a la temperatura de – 273 ºC. Aquesta és la temperatura més baixa possible i es pren com a zero de l’anomenada escala absoluta de temperatures o escala Kelvin.

Escalfant prou el sòlid l’oscil·lació de les partícules es fa tan gran que poden alliberar-se de les forces d’atracció que les mantenien en posicions fixes.

La substància passa a l’estat líquid. > Model cinètic d’un líquid

5 Les partícules d’un sòlid vibren al voltant de les seves posicions d’equilibri.

— Les partícules segueixen estant molt pròximes. En conseqüència, els líquids són molt poc compressibles.

Per què els sòlids es dilaten en augmentar la temperatura?

Per què els líquids s’evaporen més com més alta és la temperatura?

Ciències de la naturalesa 4

Q U Í M I C A

11

— El moviment de les partícules és desordenat. Tanmateix, la força amb què cada partícula és atreta pel conjunt manté les partícules unides i fa que es moguin molt pròximes les unes a les altres. És per això que els líquids tenen volum propi malgrat no tenir forma pròpia. Aquest volum creix amb la temperatura, ja que augmenta el moviment de les partícules i ocupen més espai.

— Les partícules es mouen a velocitats diferents, que van canviant a conseqüència dels xocs que experimenten. Pot passar que algunes partícules siguin prou ràpides per escapar-se de l’atracció de la resta quan passen prop de la superfície del líquid, de manera que es produeix així el fenomen de l’evaporació.

5 L’evaporació d’un líquid augmenta amb la temperatura.

Si anem escalfant el líquid, arriba un moment en què el pas a l’estat gasós no es redueix solament a la superfície, sinó que es produeixen bombolles de gas en qualsevol punt de la seva massa. El líquid està bullint. > Model cinètic d’un gas

— Les partícules no estan en contacte les unes amb les altres, es troben molt separades. En conseqüència, les forces d’atracció entre elles són molt febles o bé inexistents, com en el cas dels gasos ideals. També per això els gasos es poden comprimir amb facilitat.

— Les partícules es mouen aleatòriament en totes direccions. Així s’entén que els gasos no tinguin forma pròpia i que tendeixin a ocupar tot el volum del recipient que els conté.

— La velocitat de les partícules augmenta amb la temperatura. És per això que quan s’escalfa un gas, n’augmenta el volum.

— Si s’escalfa un gas que es troba tancat en un recipient rígid, de manera que no pot dilatar-se, l’augment de la velocitat de les partícules farà que els xocs d’aquestes contra les parets del recipient siguin més violents i, en conseqüència, farà augmentar la pressió del gas.

5 En un gas, en augmentar la temperatura augmenta la velocitat de les seves partícules.

> Altres aplicacions del model cinètic: les dispersions

El model cinètic també ens pot ajudar a entendre el comportament d’altres presentacions de la matèria, com ara les dispersions().

Quan el medi dispersant és un líquid o un gas, les partícules disperses efectuen un curiós moviment en ziga-zaga, anomenat moviment brownià, que pot ser explicat pel model cinètic a conseqüència dels xocs que experimenten amb les partícules del medi.

A què és deguda, segons el model cinètic, la pressió que els gasos exerceixen sobre el recipient que els conté?

Dispersió: és una mescla en què un component es disgrega en partícules de mida variable que s’escampen en el si de l’altre component. El fum, la boira o les emulsions, com la llet o la maionesa, són exemples de dispersions.

Pot explicar el model cinètic per què el gel és menys dens que l’aigua?

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 12

34 Una visió històrica de l’àtom El model cinètic té limitacions. A més d’altres fenòmens, no ens permet explicar els canvis químics, que són processos en què les substàncies es transformen, ja que no té en compte la possibilitat que les partícules puguin canviar. Tanmateix, el model cinètic ens mostra que el camí per entendre les propietats de la matèria és conèixer la seva constitució a petita escala. Cal, però, un model que estudiï amb més profunditat la naturalesa de les partícules que la componen: el model atòmic. > L’àtom com a partícula indivisible

Des de molt antic, la humanitat ha tingut curiositat per saber fins a quin punt la matèria es podia dividir. Demòcrit, un filòsof de l’antiga Grècia, va suposar que la matèria estava formada per unes partícules molt petites que va anomenar àtoms (mot que prové de la paraula grega que significa «indivisible»).

Com ja hem vist, aquest concepte de partícula immutable no és capaç d’explicar les reaccions químiques. Per això es va proposar posteriorment la idea d’un altre tipus de partícules, les molècules, formades per la unió d’àtoms.

Així, el químic anglès John Dalton va publicar l’any 1808 la seva teoria atòmica, basada en les idees següents: — La matèria està formada per partícules molt petites, els àtoms, que no es creen ni es destrueixen i conserven la pròpia identitat en els canvis químics.

5 J. Dalton (1766 - 1844).

— Els elements químics són substàncies formades per un únic tipus d’àtom.

Tots els àtoms d’un mateix element són idèntics, tant en massa com en propietats. Elements químics diferents tenen àtoms diferents en massa i en propietats.

— Els compostos són formats per molècules, que estan constituïdes per la unió d’àtoms dels elements corresponents en unes proporcions determinades.

Amb la seva teoria atòmica, Dalton va fer una aportació notable a la ciència, ja que va donar una explicació satisfactòria dels resultats experimentals obtinguts en l’estudi de les reaccions químiques. Tanmateix, descobriments posteriors van constatar que algunes de les idees de Dalton no eren correctes:

Llei de conservació de la massa de Lavoisier: «En una reacció química, la massa total de reactius i productes es conserva.»

Llei de les proporcions definides de Proust: «En reaccionar dos elements per donar un compost, sempre ho fan amb la mateixa proporció en massa.»

— Els àtoms no són indivisibles, fet que es va demostrar quan es va veure que contenien partícules més petites: electrons, protons i neutrons.

— No tots els àtoms d’un mateix element són iguals; prova d’això és l’existència dels isòtops, que estudiarem més endavant.

— Els compostos no sempre formen molècules, ja que també poden constituir estructures gegants iòniques o atòmiques. D’altra banda, les molècules no són exclusives dels compostos: també hi ha elements que es troben a la natura en forma de molècules; per exemple, l’oxigen, el nitrogen i altres gasos.

Ciències de la naturalesa 4

Q U Í M I C A

13

> El descobriment de l’electró. Partícules subatòmiques

Com ja hem dit, el model d’àtom indivisible proposat per Dalton va haver de ser rebutjat després que diversos fets experimentals van demostrar l’existència de partícules més petites en el seu interior.

El primer d’aquests descobriments va ser fet pel físic britànic J. J. Thomson l’any 1897. Estudiant les descàrregues elèctriques provocades en tubs amb gas a baixa pressió, Thomson va descobrir que els raigs que s’hi produïen, anomenats raigs catòdics, eren constituïts per unes partícules molt petites i lleugeres, dotades de càrrega elèctrica negativa. Més tard es va demostrar que aquestes partícules, que es van anomenar electrons, procedien de l’interior dels àtoms i intervenien també en altres fenòmens, com ara l’electròlisi o determinats processos radioactius.

Uns anys més tard es va veure que, a més de l’electró, hi havia altres partícules subatòmiques: L’any 1906, es va descobrir el protó, una partícula molt més massiva que l’electró i de càrrega positiva, oposada a la d’aquest.

L’any 1932, es va detectar una nova partícula de massa molt similar a la del protó i sense càrrega elèctrica que, per aquest motiu, es va anomenar neutró.

D’ençà del descobriment dels neutrons i amb l’ajut dels acceleradors de partícules(), els físics n’han descobert moltes més. Tanmateix, la majoria d’aquestes partícules són inestables i tenen una vida molt curta, de manera que podem afirmar que aquestes tres (protons, neutrons i electrons) són els ingredients bàsics de què estan fets els àtoms que, al seu torn, són les peces més petites que componen la matèria.

En la taula següent es troben resumides les principals propietats de protons, electrons i neutrons: Característiques de les partícules subatòmiques Partícula Protó Electró Neutró

Càrrega (C)

Massa (kg)

Càrrega relativa al protó

Massa relativa al protó

1,6 · 10 – 19

1,67 · 10 – 27

1

1

– 19

9,11 · 10

– 31

–1

1/1 840

1,67 · 10

– 27

0

1

–1,6 · 10 0

Quina és, segons Dalton, la part més petita d’un element? I d’un compost?

Quants anys van passar des del descobriment del protó fins al del neutró? Per què creus que va costar tant detectar els neutrons?

Accelerador de partícules: és un aparell que, mitjançant camps elèctrics intensos, permet comunicar velocitats molt elevades a partícules amb càrrega elèctrica.Aquestes partícules es fan xocar després amb un determinat material o amb altres partícules.

Els acceleradors de baixes energies tenen finalitats pràctiques per a la medicina o la indústria i són usats com a font de radiació.

Els acceleradors d’altes energies,instal·lats en túnels d’uns quants quilòmetres de longitud, s’han construït amb l’objectiu d’aprofundir en el coneixement de l’estructura de la matèria i de la composició, l’origen i l’evolució de l’univers, i han estat la base experimental dels darrers avenços aconseguits en el camp de la física nuclear.

L’àtom més senzill (el d’hidrogen) consta d’un protó i un electró.

Quant val aproximadament la massa d’aquest àtom? Cometríem un error gaire gran si prescindíssim de la massa de l’electró?

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 14

> Els primers models atòmics

electrons

A mesura que s’anaven produint aquests i altres descobriments, els científics anaven proposant diverses possibilitats per a l’estructura de l’àtom. Així es van succeir diversos models atòmics, cadascun dels quals millorava l’anterior per fer-lo compatible amb els nous coneixements. a) Model de Thomson

Arran del descobriment de l’existència d’electrons dins els àtoms i tenint en compte que aquests últims són elèctricament neutres, Thomson va proposar un model atòmic constituït per una esfera positiva amb electrons repartits en el seu interior, de manera que les càrregues estiguessin compensades. càrrega positiva

5 Model atòmic de Thomson.

Aquest model va ser vigent molt poc temps. L’experiència realitzada pel físic neozelandès Ernest Rutherford va demostrar que l’estructura de l’àtom havia de ser diferent. b) Model de Rutherford

Partícules α: Radiació que emeten els àtoms de radi, entre d’altres. Són nuclis d’heli amb dos protons i dos neutrons.

L’any 1911 Rutherford va idear un experiment per obtenir informació sobre l’estructura atòmica. Va bombardejar una làmina molt fina d’or amb un feix de partícules α() emeses per una substància radioactiva. En aquella època no es coneixia la constitució exacta d’aquestes partícules, però se sabia que tenien càrrega positiva. Mitjançant una pantalla fluorescent que envoltava la làmina d’or, podia visualitzar el punt d’impacte de les partícules i saber, per tant, la desviació que havien patit en tralàmina d'or vessar la làmina.

Els resultats de l’experiència de Rutherford van ser sorprenents: la immensa majoria de les partícules travessava la làmina sense experimentar cap desviació, unes quantes es desviaven i algunes pràcticament rebotaven.

Rutherford va concloure que l’àtom estava format per dues zones molt diferenciades separades per un gran espai buit: àtom d'or partícules α

— El nucli, on es concentraria la càrrega positiva i gairebé tota la massa.

— L’escorça, on els electrons girarien en òrbites circulars.

Imagina que vols dibuixar un àtom a escala. Si fessis el nucli amb un radi d’un mil·límetre, quin radi aproximat hauria de tenir l’àtom? T’hi cabria, en un full de paper?

Quants electrons caben en els nivells n = 1, n = 2 i n = 3?

Ciències de la naturalesa 4

Q U Í M I C A

15

c) Model de Bohr

Els àtoms absorbeixen o emeten llum de forma selectiva. Només ho fan per determinades freqüències (en el cas de la llum visible, determinats colors).

Això vol dir que un àtom només és capaç d’absorbir o emetre radiacions d’uns determinats valors de l’energia. El conjunt de ratlles de diferents freqüències que s’obtenen dispersant la radiació emesa per un àtom s’anomena espectre d’emissió i és característic de cada element.

3 Esquema del funcionament d’un espectroscopi i l’espectre d’emissió de l’hidrogen.

Per tal de poder explicar l’espectre de l’àtom d’hidrogen, el físic danès Niels Bohr va proposar l’any 1913 un model que completava el de Rutherford i que es basava en els postulats següents: — L’àtom consta d’un nucli positiu, de massa gairebé igual a la de l’àtom, i d’una escorça on els electrons giren al voltant del nucli en òrbites circulars.

— Cada electró només pot descriure certes òrbites, definides per una determinada energia. Cada nivell d’energia ve caracteritzat per un nombre n que pot prendre els valors: n = 1, 2, 3, ... El nombre màxim d’electrons que hi pot haver en un nivell depèn de n i ve donat per 2 n2.

— Mentre es mou en una determinada òrbita, l’electró sempre té la mateixa energia, però si es trasllada a una altra òrbita d’energia més gran o més petita, absorbeix o desprèn la diferència d’energia entre els dos nivells.

El model de Bohr va ser immediatament acceptat perquè va explicar alguns fets experimentals, com ara l’espectre de l’àtom d’hidrogen. Així i tot, també es va mostrar insuficient quan es va voler utilitzar en àtoms més complexos.

Has observat alguna vegada que quan cau sal de cuina (clorur de sodi) al foc, la flama adquireix un color groc ataronjat? A què creus que és degut?

n2

nucli

n1

electrons nucli

5 Model atòmic de Bohr.

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 16

44 Idees actuals sobre l’àtom. El model quàntic Actualment s’admet que l’àtom està format per un nucli i un embolcall. El radi del nucli (uns 10 – 14 m) és unes 10 000 vegades més petit que el de l’àtom (uns 10 – 10 m). Aquesta desproporció fa impossible fer-ne un dibuix a escala.

Orbital: regió imaginària al voltant del nucli de l’àtom on hi ha una probabilitat molt elevada de trobar els electrons.

El nucli està format per protons i neutrons; per tant, té una càrrega global positiva i concentra gairebé tota la massa de l’àtom, ja que tant els protons com els neutrons tenen aproximadament una massa 2 000 vegades més gran que la dels electrons.

En l’embolcall hi trobem els electrons. Aquests es distribueixen en nivells d’energia, tal com suposava Bohr, però no en òrbites fixes, sinó formant una mena de núvols de càrrega negativa en els anomenats orbitals(). Cada nivell està constituït per diferents subnivells d’energia que es designen amb les lletres s, p, d i f, de formes diferents i orientacions diverses en l’espai. Cada subnivell té un nombre variable d’orbitals: l’s té 1 orbital; el p, 2; el d, 5 i l’f ,7.

Cada orbital admet un màxim de dos electrons.

Nivell (n)

Subnivell

Nombre d’orbitals

Nombre màxim d’electrons en el subnivell

Nombre màxim d’electrons en el nivell (2n 2)

1

s

1

2

2

s

1

2

p

3

6

s

1

2

p

3

6

d

5

10

s

1

2

p

3

6

d

5

10

f

7

14

2 orbital s

3 orbital p

5 Formes dels orbitals s i p.

4

8

18

32

5 Distribució dels electrons segons el model quàntic.

54 Elements. Nombre atòmic i símbol d’un element Tots els àtoms estan constituïts pel mateix tipus de partícules: protons, neutrons i electrons. Com es distingeixen, doncs, els àtoms dels diferents elements?

Un element químic es caracteritza per tenir tots els seus àtoms amb el mateix nombre de protons. Aquest nombre rep el nom de nombre atòmic.

El nombre atòmic es defineix com el nombre de protons que té un àtom i es representa amb la lletra Z.

Ciències de la naturalesa 4

Q U Í M I C A

17

Així, tots els àtoms que tenen un protó en el nucli (Z = 1) corresponen al mateix element, l’hidrogen; els que en tenen dos (Z = 2), són àtoms d’heli i així successivament. El nombre atòmic pot ser considerat com el codi que identifica l’element. No solament indica el nombre de protons sinó també el d’electrons ja que, pel fet de ser neutre l’àtom, aquest nombre ha de coincidir.

E X E M P L E

1

Quants protons i electrons té un àtom de ferro si sabem que aquest element té un nombre atòmic Z = 26?

Segons la definció de nombre atòmic, un àtom de ferro ha de tenir 26 protons.

Si l’àtom és neutre, haurà de tenir el mateix nombre d’electrons, és a dir, 26.

Els elements presents a la natura arriben fins al nombre atòmic 92 (urani), però si hi afegim els que s’han obtingut artificialment, el nombre total supera el centenar. Cada element es representa per un símbol, que normalment consisteix en una lletra majúscula o bé una majúscula seguida d’una minúscula.

Els noms de catió i anió deriven de càtode i ànode, que és com es designen, respectivament,l’elèctrode connectat al pol negatiu i el connectat al pol positiu d’una pila.

Quan s’introdueixen dos elèctrodes units a una pila en una dissolució d’una substància que conté ions, els ions positius (cations) són atrets per l’elèctrode negatiu (càtode) mentre que els negatius (anions) són atrets per l’elèctrode positiu (ànode).

Per tant, a cada nombre atòmic li podem associar un símbol i viceversa. Podem consultar els símbols i els nombres atòmics dels elements en la taula periòdica.

64 Ions. Càrrega i símbol d’un ió Tot i ser normalment neutra, sabem que la matèria es pot electritzar. Per tant, l’equilibri entre les càrregues positives i les negatives d’un àtom es pot trencar.

Un ió és un àtom que ha adquirit càrrega elèctrica perquè ha perdut o ha guanyat electrons (recordem que els electrons es troben en la part més externa de l’àtom). Anomenem cations els ions positius i anions, els negatius.

E X E M P L E

2

Què vol dir Na+ i O2–? Quants protons i electrons tenen aquests ions?

Na+ és el catió en què es converteix un àtom de Na (sodi) quan perd un electró.

Com que el sodi té Z = 11, el seu àtom conté 11 protons i 11 electrons; per tant, l’ió Na+ té 11 protons i 10 electrons (n’ha perdut un, d’electró).

O2– és l’anió en què es transforma un àtom de O (oxigen) quan guanya dos electrons. Com que l’oxigen té Z = 8, l’ió O2– té 8 protons i 10 electrons.

Per què en els subnivells p hi caben 6 electrons mentre que en els subnivells s només n’hi caben 2?

Un element té un nombre atòmic igual a 5. Quants protons té? I quants electrons?

Un àtom té 20 protons. Quant val el seu nombre atòmic? De quin element es tracta? Quin és el seu símbol? (Consulta la taula periòdica.)

La càrrega d’un ió correspon al nombre d’electrons que han guanyat o han perdut. Per exemple, si un àtom guanya dos electrons es convertirà en un ió amb dues càrregues negatives; si en perd tres, en un ió amb tres càrregues positives.

Per simbolitzar un ió s’escriu el símbol de l’element i en la part superior dreta es col·loca un nombre que indiqui la càrrega de l’ió seguit d’un signe (+) o (–), segons correspongui.

Si la càrrega és igual a 1, només s’escriurà el signe.

Quants protons i electrons tenen els anions O2- i F–? I els cations Al3+ i Li+?

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 18

74 Isòtops. Nombre màssic i símbol d’un isòtop Els isòtops són àtoms que tenen el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons. Com que el seu nombre atòmic coincideix, són àtoms del mateix element i tenen les mateixes propietats químiques. Es diferencien, però, en algunes propietats físiques com ara la massa. Això contradiu una de les hipòtesis de Dalton, que afirmava que tots els àtoms d’un mateix element eren idèntics.

Els diferents isòtops d’un element es distingeixen mitjançant l’anomenat nombre màssic.

El nombre màssic es defineix com el nombre total de partícules del nucli (protons i neutrons) i es representa per la lletra A. No és corrent sentir parlar d’isòtops a la vida quotidiana, però en el cas del carboni hi ha un isòtop que és força conegut per les seves aplicacions: el carboni-14.

Aquest isòtop, que és radioactiu i es desintegra lentament, es troba en una proporció constant en el diòxid de carboni present a l’atmosfera, on la seva desaparició és compensada per la seva creació gràcies a l’acció dels raigs còsmics. Els éssers vius incorporen contínuament carboni procedent de l’atmosfera i mantenen, per tant, una proporció constant d’aquest isòtop durant tota la seva vida. Quan moren, però, la proporció de carboni-14 present a les seves restes va disminuint lentament.

Com que el ritme de desintegració d’aquest isòtop és conegut, mesurant la proporció de carboni-14 es pot deduir el temps transcorregut des de la mort de l’organisme. Aquest és, doncs, un mètode molt útil per a la datació de restes orgàniques.

A=Z+N Amb el nombre atòmic Z i el nombre màssic A d’un àtom podem saber el nombre de partícules que el componen: Nombre de protons = Z Nombre d’electrons = nombre de protons = Z Nombre de neutrons = A – Z Quan parlem d’un determinat isòtop d’un element, l’anomenem citant el nom de l’element i, separat per un guió, el nombre màssic. Per simbolitzar-lo, s’escriu a dalt a l’esquerra del símbol de l’element (X) el nombre màssic (A) i a baix a l’esquerra, el nombre atòmic (Z): A Z

X

E X E M P L E

3

37 Clor-35 o 35 17 Cl és l’isòtop del clor que té A = 35, mentre que clor 37 o 17 Cl seria l’isòtop del clor que té A = 37. Tots dos tenen Z = 17, ja que són àtoms del mateix element: el clor.

El

35 17

Cl té 17 protons, 17 electrons i 35 – 17 = 18 neutrons.

El

37 17

Cl té 17 protons, 17 electrons i 37 – 17 = 20 neutrons.

La majoria d’elements tenen dos o més isòtops i es presenten en forma de mescles isotòpiques, tot i que sovint un dels isòtops és molt més abundant que els altres. La composició d’aquestes mescles s’acostuma a donar indicant el percentatge de cadascun dels isòtops.

E X E M P L E

4

El nitrogen, de nombre atòmic 7, es troba a la natura en forma de mescla de dos isòtops: nitrogen-14, en un 98 % i nitrogen-15, en el 2 % restant.

Ciències de la naturalesa 4

Q U Í M I C A

19

84 Massa atòmica relativa La massa dels àtoms és extremadament petita. No hi ha cap submúltiple del gram, per petit que sigui, que resulti adequat per mesurar-la. Per això, resulta convenient definir una nova unitat de massa que sigui prou petita perquè les masses atòmiques, expressades amb aquesta unitat, siguin nombres senzills.

Definim la unitat, u, anomenada unitat de massa atòmica, com la dotzena part de la massa d’un àtom de carboni-12. Equival a 1,66 · 10 – 27 kg, valor molt semblant a la massa del protó i el neutró (1,67 · 10 – 27 kg).

S’anomena massa atòmica relativa d’un isòtop la massa d’un àtom d’aquest isòtop expressada en u.

Hem vist que els elements estan formats generalment per mescles de diferents isòtops, cadascun dels quals té una massa diferent, ja que conté diferent nombre de neutrons. Per això, si volem definir la massa atòmica relativa d’un element, hem de tenir en compte tots els isòtops d’aquest element i calcular el valor mitjà de les seves masses.

S’anomena massa atòmica relativa d’un element o també pes atòmic, la mitjana ponderada de les masses dels seus isòtops.

E X E M P L E

5

El magnesi es troba a la natura com a mescla de tres isòtops:

— Magnesi-24, de massa atòmica relativa 23,985, en un 78,99 %

Si expressem la massa de les partícules subatòmiques en u, obtenim:

— Magnesi-25, de massa atòmica relativa 24,986, en un 10,00 %

mp = 1,0073 u

— Magnesi-26, de massa atòmica relativa 25,983, en un 11,01 %

mn = 1,0087 u

Això vol dir que de cada 100 àtoms de magnesi que agafem, n’hi haurà aproximadament 79 de magnesi-24, 10 de magnesi-25 i 11 de magnesi-26.

me = 5,486 · 10– 4 u = 0,0005486 u

La massa atòmica relativa de l’element magnesi vindrà donada per:

23,985 · 78,99 + 24,986 · 10,00 + 25,983 · 11,01 = 24,305 100 Encara que no hi hagi cap àtom de magnesi que tingui una massa atòmica relativa de 24,305, aquest serà el valor que prendrem sempre com a valor mitjà de la massa d’un àtom d’aquest element.

Així doncs, tant la massa del protó com la del neutró són aproximadament iguals a 1 u. Per tant, la massa atòmica relativa serà molt aproximadament igual a la suma del nombre de protons i neutrons (nombre màssic). D’aquí ve el nom de nombre màssic.

Per què a la taula periòdica hi figura el nombre atòmic de cada element però no el nombre màssic?

Quants neutrons té l’isòtop de l’estronci de nombre màssic 90?

Escriu-ne el símbol.

28 Donat l’isòtop del silici 14 Si, digues el nombre de protons, electrons i neutrons que té.

L’hidrogen de la natura està format bàsicament per hidrogen-1 (98,8 %) però existeixen també l’hidrogen-2 (anomenat deuteri) i l’hidrogen-3 (anomenat triti). Escriu els símbols dels tres isòtops i indica el nombre de protons, neutrons i electrons que té cadascun d’ells.

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 20

94 Configuració electrònica i energia Com hem vist, els electrons se situen en unes regions, anomenades orbitals, que corresponen a diferents nivells i subnivells d’energia.

En condicions ordinàries els àtoms es troben en estat fonamental, és a dir, els seus electrons tenen el valor energètic més baix possible. Això vol dir que els electrons no s’hi distribueixen a l’atzar sinó que van omplint els orbitals per ordre creixent d’energia. Aquest ordre ens l’indiquen les fletxes de la figura següent, en la qual els números indiquen el nivell i les lletres, el subnivell.

7s

7p

6s

6p

6d

6f

5s

5p

5d

5f

4s

4p

4d

4f

3s

3p

3d

2s

2p

1s

Veiem que el primer d’omplir-se és l’orbital s de nivell 1. El segueixen l’orbital s del nivell 2, els orbitals p del nivell 2, l’orbital s del nivell 3, etc.

Si tenim en compte que els subnivells s tenen un únic orbital, els p, tres; els d, cinc i els f, set i que cada orbital admet un màxim de dos electrons, el nombre màxim d’electrons que es podran col·locar en cada subnivell serà el següent: Subnivell

s

p

d

f

Nombre màxim d’electrons

2

6

10

14

Així doncs, l’ordre de col·locació dels electrons en un àtom serà el següent: els dos primers en l’orbital 1s; els dos següents, en el 2s; els sis següents, en els 2p, i així successivament.

Anomenem configuració electrònica d’un àtom la forma com es distribueixen els seus electrons en els diferents orbitals.

Ciències de la naturalesa 4

Q U Í M I C A

21

Per indicar la configuració electrònica s’escriuen tots els orbitals que l’àtom té ocupats per un o més electrons. Com a superíndex de la lletra s, p, d o f s’escriu el nombre d’electrons que hi ha en el subnivell corresponent. Per exemple, la configuració 1s2 2s2 2p3 ens indica que hi ha 2 electrons en el subnivell 1s; 2, en el 2s i 3, en el 2p. En aquest cas es tractaria d’un àtom amb 7 electrons.

E X E M P L E

6

1. Escriu la configuració electrònica del fòsfor (Z = 15).

El nombre atòmic (Z) ens indica el nombre total d’electrons que hem de col·locar: 15. Segons el diagrama que ens dóna l’ordre en què es van ocupant els nivells, en primer lloc omplim el nivell 1s amb dos electrons: 1s2. El següent és 2s2, després 2p6 i així successivament fins a completar els 15 electrons: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. Observeu com l’últim subnivell ha quedat incomplet, perquè ja hem col·locat els 15 electrons.

2. Digues el tipus d’orbital que s’omple en últim lloc en el ferro (Z = 26).

Per fer l’exercici hem d’escriure la configuració electrònica del ferro: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 L’orbital que s’omple en darrer lloc és de tipus d.

Les configuracions electròniques que hem vist fins ara corresponen a àtoms en estat fonamental (amb l’energia més baixa possible). Tanmateix, els àtoms poden adquirir una configuració diferent i passar a un estat excitat si es comunica als seus electrons l’energia necessària per anar a un nivell superior. Aquesta energia és retornada en forma de radiació o llum quan l’àtom recupera la configuració electrònica fonamental.

La hipòtesi de Planck La radiació emesa (o absorbida) en una transició electrònica té una freqüència (ν), que depèn del salt energètic corresponent (∆E) mitjançant l’expressió: ∆E = h · ν en què h és la constant de Planck, de valor 6,63 · 10 – 34 J · s.

Digues a quins elements corresponen els àtoms que, en estat neutre, tenen les configuracions electròniques següents:

a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d 10 4p4

Escriu la configuració electrònica del fluor (Z= 9) i la del platí (Z = 78).

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 22

104 La radioactivitat L’any 1896 el científic francès Henri Becquerel va descobrir de manera casual la radioactivitat. Va observar que unes plaques fotogràfiques embolicades en paper negre, que havia guardat prop d’uns compostos d’urani amb què estava investigant, havien quedat impressionades sense necessitat d’exposar-les a la llum solar. Becquerel va concloure que els compostos d’urani emetien una radiació desconeguda que podia travessar el paper i velar les plaques. Altres científics, entre els quals cal destacar el matrimoni Curie, van investigar aquest fenomen i van descobrir altres elements radioactius.

La radioactivitat consisteix en l’emissió espontània de radiacions des del nucli d’alguns elements. Hi ha tres tipus de radiació: alfa (α), beta (β) i gamma (γ).

— Els raigs alfa estan formats per nuclis d’heli, és a dir, per dos protons i dos neutrons. Aquests raigs tenen una gran velocitat (20 000 m/s) però són poc penetrants.

5 Marie Curie (1867-1934) va néixer a Varsòvia (Polònia) i es va traslladar a París per estudiar física i matemàtiques. Coneix el químic francès Pierre Curie (1859-1906) i es casen. Treballant junts descobreixen el poloni i el radi, dos elements que tenen una activitat més gran que l’urani. El 1903, Marie i Pierre Curie comparteixen amb Becquerel el premi Nobel de física pel descobriment de la radioactivitat.

— Els raigs beta estan constituïts per electrons emesos a gran velocitat des del nucli a conseqüència de la desintegració d’un neutró. Tenen més poder de penetració que els alfa.

— Els raigs gamma són ones electromagnètiques, similars als raigs X o a la llum, però amb molta més energia. No tenen càrrega elèctrica i són els més penetrants de tots.

alumini

plom

raigs α

raigs β

raigs γ

5 Penetració de les radiacions alfa, beta i gamma sobre el cos humà.

5 Separació de les radiacions alfa, beta i gamma mitjaçant un camp elèctric.

Els radiòlegs es protegeixen amb vestimenta feta de plom.A què creus que és degut?

Una propietat de les radiacions radioactives és que són ionitzants, és a dir, en passar a través d’una substància, tenen la capacitat d’extreure electrons dels àtoms neutres que la formen i convertir-los en ions. En el cas de les cèl·lules vives, la ionització dels àtoms que la formen pot fer que la cèl·lula mori o causar-li greus alteracions. Per aquest motiu, cal evitar l’exposició a les radiacions, especialment a les més penetrants.

Tenim una mostra de 1 000 àtoms d’un isòtop radioactiu que té un període de semidesintegració de 2 dies. Calcula quants àtoms en queden al cap de 2, 4, 6, 8 i 10 dies.

Ciències de la naturalesa 4

Els isòtops que emeten radiacions són inestables i es desintegren, és a dir, es transformen en isòtops d’altres elements ja que, en emetre radiacions, el nucli queda modificat. S’anomena activitat d’una mostra radioactiva el nombre de desintegracions per segon que experimenta. L’activitat decreix amb el temps, ja que el nombre de desintegracions és proporcional al nombre de nuclis inestables, que cada vegada és més petit. El temps necessari perquè es desintegrin la meitat dels nuclis radioactius d’una mostra és característic de cada isòtop i s’anomena període de semidesintegració.

Radioisòtops Període de semidesintegració

Radó-220 Radi-224 52 s

3,6 dies

Iode-131 8 dies

Radi-226 Carboni-14 Plutoni-242 Urani-238 1 620 anys 5 760 anys 4 . 105 anys

4,51 . 109 anys

> Aplicacions de la radioactivitat

La radioactivitat és molt útil en medicina, tant per a la detecció com per al tractament dels tumors. S’aprofita l’efecte destructiu de la radiació sobre les cèl·lules malignes per eliminar-les. L’isòtop més utilitzat és el cobalt-60 ja que en la seva desintegració emet raigs gamma, que destrueixen preferentment les cèl·lules que estan en mitosi, cosa que frena el creixement del tumor.

Q U Í M I C A

23

L’emissió d’electrons per part del nucli (radiació β) es pot explicar suposant que un neutró es transforma en un protó, un electró i una altra partícula sense càrrega i sense massa, anomenada neutrí ( ). Escrivim la corresponent reacció especificant la càrrega i la massa de cada partícula com si es tractés del nombre atòmic i del nombre màssic d’un isòtop:

n → – 01e + 11p + 00

1 0

Observem que la suma de les masses i la de les càrregues té el mateix valor abans i després de la reacció.

En enginyeria s’aprofita el poder de penetració dels raigs gamma per fer radiografies d’estructures i així detectar-hi possibles defectes.

També s’usen les radiacions en processos de desinfecció o esterilització de productes alimentaris i farmacèutics.

114 Fissió i fusió nuclear A més de la radioactivitat hi ha altres processos que poden afectar el nucli dels àtoms: la fissió i la fusió nuclear.

— La fissió consisteix en la divisió d’un nucli pesant, com el d’urani, en dos nuclis més lleugers. Es tracta d’un procés artificial, ja que per iniciar-lo cal bombardejar el nucli d’urani amb un neutró. Aquesta reacció va acompanyada de despreniment de gran quantitat d’energia i de l’emissió de més neutrons. El fet que es desprenguin neutrons fa que la reacció es pugui produir en cadena.

— La fusió nuclear consisteix en la formació d’un nucli més pesant a partir de la unió de dos nuclis lleugers. Aquest procés es produeix de manera natural a les estrelles i se’n desprèn una enorme quantitat d’energia. Tanmateix és molt difícil de realitzar de manera controlada a la Terra, ja que cal molta energia per vèncer les forces de repulsió dels nuclis i aconseguir que s’apropin.

Fissió i fusió són fenòmens oposats però que tenen una causa comuna: els nuclis de massa atòmica mitjana són els més estables.

Exemple de reacció de fissió: 235 92

92 1 U + 10n → 142 56Ba + 36Kr + 2 0n

El nucli d’urani es trenca en dos nuclis més lleugers.

Exemple de reacció de fusió:

H + 13H → 42He + 10n

2 1

Dos nuclis d’hidrogen s’uneixen per formar un nucli d’heli.

1

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 24

PRÀCTICA

DE

LABORATORI

>>>PRÀCTICA

DE

LABORATORI

Assaig a la flama OBJECTIU

> > > > > >

Œ

M AT E R I A L

> > > > >

Œ

Reconèixer la presència d’un element pel color de la flama en cremar sals d’aquest element.

— Fil de nicrom de 10 cm — Pinça de fusta — Bec de Bunsen — Càpsules de porcellana — Àcid clorhídric 1M — Dissolucions concentrades de sals de Li, Na, Ca, Sr, Ba i K

PROCEDIMENT

> > > > >

Œ

D I S C U S S I Ó D E L S R E S U LT A T S

> > > > >

Œ

1. Neteja del fil. Aboca una mica d’àcid clorhídric a la càpsula de porcellana. Prepara el bec Bunsen de manera que la flama sigui el més incolora possible.

2. Escalfa el fil de nicrom agafant-lo amb les pinces i, tot esperant que no estigui roent, submergeix-lo en àcid clorhídric.

L’objectiu d’aquest procés és netejar el fil de tota mena de restes d’observacions anteriors que podrien interferir.

1. Fes una taula de doble entrada en què hi hagi la sal utilitzada i el color observat.

2. Dóna una possible explicació dels fets observats.

3. Compara els resultats amb els teus companys i companyes.

4. Veus cap relació entre els colors observats en els focs d’artifici i els d’aquesta experiència?

3. Caldrà fer el mateix després de cada observació.

4. Impregna el fil en una de les dissolucions de sals i tot seguit atansa’l a la flama. Anota el color observat.

5. Neteja el fil i fes-ho de la mateixa manera amb les altres solucions de sals.

P R À C T I C A

D E

L A B O R A T O R I > > > P R À C T I C A

D E

L A B O R A T O R I > > > P R À C T I C A

Ciències de la naturalesa

P E R

AC A BA R

> > > P E R

A C A B A R > > > P E R

A C A B A R > > >

1

25

MATÈRIA s’explica mitjançant

MODELS

millorat per

CINÈTIC

millorat per

DALTON

millorat per

explica

ATÒMIC

RUTHERFORD

millorat per

millorat per

REACCIONS QUÍMIQUES

MODEL ACTUAL

proposa

proposa

proposa

hi afegeix

s’anomena

ÀTOMS INDIVISIBLES

ÀTOMS

ÀTOMS

NIVELLS ENERGÈTICS

MODEL QUÀNTIC

que s’agrupen en

constituïts per

constituïts per

Esfera positiva amb electrons incrustats proposa

explica

PARTÍCULES INALTERABLES

ESTATS DE LA MATÈRIA

proposa

ÀTOMS

Escorça amb electrons

Nucli positiu

constituïts per

EMBOLCALL

depenen de

PRESSIÓ

format per

que conté

ORBITALS

poden canviar a la Terra poden ser

que contenen

NEUTRONS CANVIS D’ESTAT

el seu nombre és

el seu nombre és el seu nombre és

impliquen

Z (nombre atòmic )

N CALOR LATENT

la suma és

E

determina

si E = Z

ELEMENT

ÀTOM NEUTRE

si E ≠ Z

constituït per

A=Z+N (nombre màssic )

tenen diferent

ISÒTOPS

si E < Z

si E > Z

Catió (+)

Anió (–)

poden ser determina la

Massa atòmica

Estables amb

Nuclis lleugers

que emeten radiacions que poden ser

Nuclis pesants α

es poden fusionar en

Nuclis de massa mitjana

β

γ

es poden fissionar en

Omple els espais buits del mapa.

> M A P A

C O N C E P T U A L > > > M A P A

C O N C E P T U A L > > > M A P A

C O N C E P T U A L >

1 L’ e s t r u c t u r a d e l a m a t è r i a 26

REFORÇ<<<AMPLIACIÓ

> > > R E F O R Ç < < < A M P L I A C I Ó

R E F O R Ç < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < <

Fes un esquema de les propietats de sòlids, líquids i gasos.

Tres àtoms tenen el mateix nombre d’electrons: 10. El primer té 9 protons; el segon, 10 i el tercer, 12. Pertanyen al mateix element? Són àtoms neutres o ions? Escriu el símbol de cadascun d’ells.

Què és l’evaporació? Explica per què quan et mulles la pell amb alcohol notes una sensació de fredor.

Per què en països molt freds utilitzen preferentment termòmetres d’alcohol en lloc de termòmetres de mercuri?

El nitrogen té dos isòtops estables, el nitrogen-14 i el nitrogen-15, i quatre isòtops radioactius, de nombres màssics 12, 13, 16 i 17. Indica el nombre de protons, neutrons i electrons de cadascun d’ells.

És possible que escalfem una substància i la seva temperatura no augmenti? Posa’n algun exemple.

Omple els buits de la taula següent:

En escalfar una substància líquida a la pressió atmosfèrica normal obtenim la gràfica següent:

Símbol Nombre Nombre Nom de Nombre Nombre Nombre de de de l’element atòmic màssic d’electrons l’isòtop protons neutrons

temperatura

23

Na

16 8

100 ºC

26

56 138

56 35

58

temps d'escalfament

82

a) Dóna una interpretació del que li passa a la substància.

Magnesi

b) Podria tractar-se d’aigua?

Digues el nombre d’electrons que hi pot haver en el nivell 4.

Com es troben distribuïts els electrons d’aquest nivell en els subnivells s, p, d i f?

Pot haver-hi àtoms del mateix element amb diferent massa?

Com en diem?

Com es diu l’element que té per símbol Hg? Quin nombre atòmic té? Quants protons tindrà un àtom d’aquest element? I quants electrons?

Omple els buits de la taula següent: Símbol de l’ió I–

Nombre atòmic

Nombre de protons

26

Nombre d’electrons 23

25

23 28

Zn 3–

7

Escriu el símbol de l’ió en què es transforma un àtom de nombre atòmic 56 quan perd dos electrons.

126 12

107

Ag

Sabent que la calor latent de fusió del gel és 334 kJ/kg, quina energia farà falta per fondre 250 g de gel?

44 28

4

2

El ferro es presenta a la natura en forma de quatre isòtops: Ferro-54, de massa atòmica relativa 53,940 i abundància 5,8 % Ferro-56, de massa atòmica relativa 55,935 i abundància 91,7 % Ferro-57, de massa atòmica relativa 56,935 i abundància 2,2 % Ferro-58, de massa atòmica relativa 57,933 i abundància 0,3 % Calcula la massa atòmica relativa del ferro.

204 El 208 84Po es transforma en 82Pb. Quin tipus de radiació emet en aquest procés?

Escriu la configuració electrònica dels elements següents: potassi, oxigen, níquel, urani i xenó.

Quin temps és necessari per tal que la quantitat de carboni-14 d’una mostra es redueixi a la meitat? I a una quarta part?

Indica quines de les reaccions nuclears següents corresponen a fusions i quines a fissions:

a) 21H + 11H → 32He b)

140 1 U + 10n → 94 38Sr + 54Xe + 2 0n

235 92

1 148 85 1 c) 235 92U + 0n → 57La + 35Br + 3 0n

R E F O R Ç < < < A M P L I A C I Ó > > > R E F O R Ç < < < A M P L I A C I Ó > > > R E F O R

Ciències de la naturalesa

REFORÇ<<<AMPLIACIÓ

> > > R E F O R Ç < < < A M P L I A C I Ó

1

27

A M P L I A C I Ó > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > > >

Per què bufem la sopa quan volem que es refredi de pressa?

c) si hi llances dards a l’atzar, quina proporció creus que anirà a parar al nucli? A quina experiència científica podries comparar aquest experiment imaginari?

L’alcohol i l’èter són força volàtils a temperatura ambient. Té això alguna relació amb el seu punt d’ebullició?

El radi del nucli de l’àtom d’hidrogen val aproximadament 1,2 · 10 – 15 m.

Busca informació sobre l’estat de plasma.

Quin és el fonament de l’olla de pressió?

a) Quin volum té l’àtom d’hidrogen?

La temperatura d’una substància desconeguda varia tal com indica la gràfica següent quan és escalfada, a pressió atmosfèrica normal, a un ritme constant.

b) Tenint en compte que està constituït únicament per un protó (massa 1,67 · 10-27 kg), calcula la seva densitat.

Espressa-la en kg/m3 i en tones/mm3.

temperatura

Un anió X2– té 18 electrons. Digues el nombre atòmic i el símbol de l’element.

1500 ºC 1000 ºC

El clor natural conté un 75,4 % de clor-35 i un 24,6 % de clor-37. Calcula la massa atòmica relativa del clor (aproxima la massa atòmica relativa de cada isòtop pel valor del nombre màssic).

500 ºC temps d'escalfament

a) Quins són els punts de fusió i d’ebullició d’aquesta substància?

La massa atòmica relativa d’un àtom no coincideix exactament amb la suma de les masses de les partícules que conté.

Aquesta diferència, anomenada defecte de massa, correspon a l’energia d’enllaç.

b) De les dues calors latents (fusió i vaporització), quina té un valor més gran?

Sabent que els punts de fusió i d’ebullició de l’aigua són més elevats que els de l’alcohol i que les calors latents de fusió i de vaporització de l’aigua són més grans que les de l’alcohol, dedueix quines partícules, les d’aigua o les d’alcohol, s’atreuen més intensament.

a) Calcula el defecte de massa de l’àtom de carboni-12 (massa = 12 u) sabent que mp = 1,0073 u, mn = 1,0087 u i me = 0,0005486 u.

Explica, basant-te en el model cinètic, per què quan barregem aigua calenta amb aigua freda aconseguim aigua tèbia.

Escriu per ordre creixent d’energia els orbitals: 3s, 2p, 5s, 3d, 4f, 1s, 6s i 4p.

Justifica, a partir del model cinètic, per què l’aigua calenta dissol millor les substàncies que l’aigua freda.

Escriu la configuració electrònica dels ions Ca2+ i Cl- i compara-les amb la de l’argó.

Poden existir dos àtoms amb el mateix nombre màssic i que siguin d’elements diferents?

En què es converteix un àtom quan perd un electró de l’embolcall? I quan emet un electró procedent del nucli?

Per tenir una massa de 0,000001 milionèsimes de microgram, quants protons o neutrons necessitaríem? I quants electrons?

En quin isòtop es transforma el 226 88Ra quan emet radiació alfa? I el 238 93Np quan emet radiació beta?

El radi atòmic de l’alumini és aproximadament 1,3 · 10 – 10 m.

Quants àtoms constitueixen els 0,015 mm de gruix d’un full de paper d’alumini?

b) Expressa aquesta massa en kg (1 u = 1,66 · 10 –27 kg).

41

Si tenim una mostra de 1000 àtoms de iode-131, quants àtoms contenia aquesta mostra fa 8 dies? I fa 16 dies?

42

Digues quin tipus de procés nuclear té lloc amb la reacció següent:

Imagina que vols pintar àtoms a escala en una paret molt gran i decideixes fer-los de 2 m de radi,

a) de quin radi has de fer el nucli? b) quina superfície ocuparà un àtom? I un nucli?

Be + 42He → 126C + 10n

9 4

43

Es manté la identitat dels elements en una reacció química?

I en una reacció nuclear?

F O R Ç < < < A M P L I A C I Ó > > > R E F O R Ç < < < A M P L I A C I Ó > > > R E F O R Ç <