· Web view2016-10-04 · SUBSTÀNCIA PURA COMPOSTA. és una substància pura que encara es pot separar en substàncies pures més simples per mitjà de reaccions químiques,

U.1 TEORIA ATOMICOMOLECULAR DE LA MATÈRIA

1. Lleis dels gasos2. Lleis ponderals de les reaccions químiques3. Hipòtesis atòmiques de Dalton4. Lleis volumètriques i hipòtesis d'Avogadro5. Concepte de quantitat de substància. Constant d'Avogadro6. Fórmules empíriques i moleculars7. La matèria en el món natural: tècniques de separació 8. Dissolucions. Formes d'expressar la concentració9. Activitats complementàries

BIBLIOGRAFIA BÀSICAASIMOV, I. Breve historia de la químicaAlianza Editorial. Núm. 580. Madrid. 1975

ASIMOV, I. Moments estel·lars de la ciènciaL'Esparver/Ciència 1. Edicions de la Magrana. Barcelona. 1992

PETRUCCI. Cap. 1.

Presentacions José Ángel Hernàndez (IES Badalona VII):http://www.slideshare.net/joseangelb7/reaccions-quimiques-1-presentation

1.1

http://www.slideshare.net/joseangelb7/reaccions-quimiques-1-presentation


1. LLEIS DELS GASOSEl principal problema que tracten els químics en el seu estudi és la

interpretació de les propietats de la matèria. Avui sabem que aquestes propietats només les podem explicar si ens endinsem en l'estudi de l'estructura íntima de les substàncies.

Aquesta qüestió ja preocupava els filòsofs grecs de l'escola d'Abdera, com ara Demòcrit o Leucip, i fins el mateix Aristòtil. El punt on centraven la seua discussió era la continuïtat o discontinuïtat de la matèria. Si la matèria és contínua significa que la podem dividir indefinidament. Un granet de pols de sofre o de carboni, per menuts que foren, els podríem dividir en d'altres més menuts encara, sense cap límit, i aquestes partícules conservarien sempre les mateixes propietats que l'original. D'aquesta manera no tindrien explicació fàcil les propietats diferents de les substàncies sofre i carboni, com ara el seu color.

Demòcrit Leucip Aristòtil

Tanmateix, si admetem la discontinuïtat de la matèria, en dividir finament el sofre tard o d'hora aplegarem a unes partícules últimes, ja indivisibles, que hauran d'explicar la diferència entre el sofre i el carboni. Així, doncs, aquestes últimes partícules podrien tenir diferent grandària, massa i forma, per exemple. Aquesta idea ja va ser suggerida per DEMÒCRIT D'ABDERA (460-370 aC) qui anomenà aquestes partícules àtoms (en grec, = indivisible).

En la forma moderna la teoria atòmica fou formulada pel químic anglès John DALTON (1766-1844), a començament del segle XIX. Tanmateix la fonamentació d'aquesta teoria la devem a nombrosos treballs previs que els podríem resumir en dues grans línies d'investigació:

1) L'estudi de les propietats dels gasos (Boyle, Van Helmont, Black, Gay-Lussac), que es formalitzen en les respectives lleis.

2) L'estudi de la formació de compostos químics (Lavoisier, Proust, Dalton, Gay-Lussac, Avogadro), resumit en els enunciats de les lleis ponderals i les lleis de reacció entre gasos.

A.1 Resumiu els aspectes més sorprenents del comportament d'un gas.A.2 Dissenyeu un muntatge senzill que permeta comprovar fàcilment les

propietats dels gasos. El muntatge ha de tenir en compte quines magnituds característiques caldria mesurar.

1.2


A.3 Emeteu una hipòtesi sobre la forma com haurien d'estar constituïts els gasos que permeta una interpretació senzilla de totes les propietats revisades.

A.4 Doneu-li forma operativa a les hipòtesis sobre la relació entre les magnituds que caracteritzen l'estat d'un gas: pressió, volum i temperatura, bàsicament.

A.5 Establiment i comentari de l'equació d'estat dels gasos ideals i interpretació del significat de la constant PV/T = k, tot considerant com pot influir-hi el nombre de partícules i la grandària que tinguen aquestes partícules.

A.6 Una quantitat qualsevol de gas sofreix, a temperatura constant, variacions de pressió i volum:a) completeu aquesta taula, que correspon al gas esmentat:

P (atm)

15 5 126 1

V (L) 42 14 3 1b) representeu els valors de la taula en un gràfic P-V;c) representeu els valors de la taula en el gràfic que siga adient per a

obtenir una línia recta.A.7 S'ha mesurat el volum que ocupa una massa determinada de gas a

pressió constant a diferents temperatures i s'ha obtingut aquesta taula de valors:

T (0C) 0 10 20 30 40 50 60V

(cm3)9100 9430 9770 10100 10400 10800 11100

a) representeu els valors de la taula en un gràfic V-T;b) si s'extrapola la recta obtinguda ¿a quina temperatura s'anul·larà el volum?

A.8 Completeu la taula següent que correspon a un calfament a volum constant d'una massa determinada de gas:

T (0C) 30 40 70P

(atm)1,01 1,11 1,21

Després representeu els valors de la taula en el gràfic P-T i en el gràfic que siga adient per a obtenir una recta que passe per l'origen.

A.9 Una bombona d'acer de 10 L té una clau de pas que permet posar-la en comunicació amb l'atmosfera. La pressió exterior és 760 mm Hg i suposem que la bombona no es dilata en calfar-la. La densitat de l'aire en condicions normals (1 atm, 273 K) val 1,293 g/L. Contesteu les qüestions que corresponen als diferents passos següents:a) La bombona està tancada. La seua temperatura és 0 0C i la pressió

al seu interior 114 cm Hg. Quina massa d'aire conté?1.3


b) Sense obrir la clau de pas, calfem la bombona fins a 100 0C. Quina serà ara la pressió interior?

c) Mantenim la temperatura a 100 0C i obrim la clau de pas. Quin volum d'aire ix a l'exterior?

d) Finalment, tanquem la clau de pas i refredem la bombona a 0 0C. Quina serà llavors la pressió de l'aire interior?

2. LLEIS PONDERALS DE LES REACCIONS QUÍMIQUESUna línia de treball que es mostrà molt fructífera per a l'establiment

de la teoria atòmica fou la investigació de les quantitats de matèria que participen en les transformacions o reaccions químiques. D'antuvi fou necessari reconèixer el paper de la balança com a instrument eficaç en la mesura de la massa, idea que atribuïm al químic francès Antoine Laurent LAVOISIER (1743-1794), que fou el primer a destacar la importància de mesurar la massa gràcies als treballs que dugué a terme en col·laboració amb la seua esposa Marie-Anne Pierrette PAULZE (1758-1836).

Llei de conservació de la massa En tota transformació química passem d'unes substàncies

anomenades reactius a d'altres del tot diferents, les anomenades productes de la reacció:

REACTIUS PRODUCTES

La mesura acurada de la massa de les substàncies que intervenien en nombroses reaccions químiques, incloent-hi els gasos, dugué als esposos Lavoisier a inventar aparells com el gasòmetre (mostrat a la figura tal com el dibuixà Marie-Anne) i, finalment, a enunciar la llei de conservació de la massa en el text que es proposa a l'activitat següent.

A.10 Llegiu, comenteu i feu un esquema amb les principals idees que conté el següent text d'Antoine Lavoisier, tret de la seua obra Traité élémen-taire de chimie, que hom sol considerar el primer llibre de química moderna, divulgat gràcies a la intervenció decisiva de Marie després de l'execució d'Antoine.

1.4


CAPÍTOL XIIIDe la descomposició dels òxids vegetals per la fermentació

vinosaTothom sap com es fan el vi, la sidra, l'aiguamel i, en general,

totes les begudes fermentades espirituoses. S'esprem el suc de raïm i de poma i s'aigualeix aquest darrer; es posa el licor en grans bótes i en un lloc on la temperatura siga, com a mínim, de 10 graus del termòmetre de Réaumur. Al poc de temps apareix un moviment ràpid de fermentació, en la superfície esclaten nombroses bombolles d'aire, i quan la fermentació ateny el punt màxim, la quantitat de bombolles és tan gran i és tan abundosa la quantitat de gas que s'allibera, que sembla com si el licor estigués damunt d'una foguera encesa que li provoqués una ebullició violenta. El gas que s'allibera és l'àcid carbònic i, si el recollim acuradament, està perfectament pur i exempt de mescla de qualsevol altra espècie d'aire o de gas.

El suc de raïm, que era dolç i ensucrat, esdevé per aquesta operació un licor vinós que, en completar-se la fermentació, no conté gens de sucre i d'on es pot traure per destil·lació un licor inflamable que es coneix al comerç i les arts amb el nom d'esperit de vi. És evident que, si aquest licor és un resultat de la fermentació d'una matèria ensucrada qualsevol i suficientment diluïda en aigua, seria anar en contra dels principis de la nostra nomenclatura anomenar-lo tant esperit de vi com esperit de sidra o esperit de sucre fermentat. Per tant, ens hem vist obligats a adoptar un nom més general, i el d'alcohol, que procedeix dels àrabs, ens ha semblat el més adient.

Aquesta operació és una de les més extraordinàries i dignes d'atenció de totes les que la química ens presenta, i hem d'examinar d'on ve l'esperit inflamable que es forma i de quina manera un cos dolç, un òxid vegetal, es pot transformar així en dues substàncies tan distintes, una de combustible i una altra d'eminentment incombustible. Per arribar a la solució d'aquests problemes, caldria conèixer de bell antuvi l'anàlisi i la naturalesa dels cossos susceptibles de fermentar i els productes de la fermentació; perquè res no es crea, ni en les operacions de l'art, ni en les de la natura, i es pot fixar com a principi que, en tota operació, hi ha una quantitat igual de matèria abans i després de l'operació, que la qualitat i la quantitat dels principis és la mateixa i que només hi ha canvis i modificacions. Tot l'art de fer experiències en química està fonamentat sobre aquest principi: cal suposar en tots els experiments una vertadera igualtat o equació entre els principis del cos que s'examina i els que s'obtenen per l'anàlisi. Així, doncs, ja que el most del raïm dóna gas carbònic i alcohol, puc afirmar que el most de raïm = àcid carbònic + alcohol.

Actualment enunciem la llei de conservació de la massa d'aquesta forma:

1.5


La massa total de les substàncies que reaccionen ha de ser igual a la massa total dels productes de la reacció, és a dir, durant un canvi químic ordinari no hi cap augment ni pèrdua de massa.

A.11 Expliqueu per què sembla que no es compleix la llei de conservació de la massa en les reaccions on es formen gasos i indiqueu quines condicions ha de complir un sistema químic per tal de poder constatar-la.

A.12 Com a conseqüència de no tenir en compte les condicions explicitades a l'activitat anterior hi havia a l'època de Lavoisier una hipòtesi errònia per a explicar la combustió. Era l'anomenada hipòtesi del flogist. Busqueu informació referida a aquesta curiosa hipòtesi i feu-ne un informe d'un full al vostre quadern de classe. Caldria respondre sobretot aquestes qüestions: 1) Què és el flogist? 2) Quines substàncies haurien de ser riques en flogist i quines pobres? 3) Què és l'aire flogisticat i l'aire desflogisticat? 4) Com es pot demostrar que es tracta d'una hipòtesi errònia?

Llei de les proporcions constants o definidesFou enunciada per Joseph Louis PROUST (1754-1826), també cap a

la fi del segle XVIII, i es pot expressar amb aquestes paraules:

Quan dos o més substàncies simples s'uneixen per a formar un mateix compost sempre es combinen en una proporció en massa constant, sense que importe l'origen o la forma de preparació del compost.

Joseph Louis Proust

Com a exemple, en la reacció del sofre amb el ferro, obtenim els resultats següents per a les masses que reaccionen en distintes experiències:

m(Fe) (g) 56 28 14 7m(S) (g) 32 16 8 4

Si dividim la massa de ferro entre la massa de sofre corresponent, ¿a quina conclusió arribem?

1.6


A.13 Què passaria si en una de les experiències anteriors fèiem reaccionar 20 g de ferro i 20 g de sofre?

A.14 El clorur de magnesi es pot obtenir al laboratori si fem reaccionar en una càpsula un tros de cinta de magnesi i àcid clorhídric concentrat (HCl) i dessequem el producte de la reacció. S'ha fet aquesta experiència a partir de quantitats variables de magnesi tractades amb excés de HCl s'han obtingut els resultats de la taula adjunta. a) Completeu els valors de la taula. b) Demostreu que les quantitats de clorur de magnesi que s'obtenen s'ajusten a la llei de les proporcions definides. c) ¿Seria possible deduir la fórmula de l'esmentat compost a partir d'aquestes experiències? En cas contrari, què caldria conèixer abans?

m(Mg) (g) 2,00 4,00 6,00 8,00m(MgClx)

(g)7,75 15,54 23,29 31,10

m(Cl) (g)

3. HIPÒTESIS ATÒMIQUES DE DALTONA partir de la informació recollida a començament del segle XIX, John

Dalton elaborà les seues primeres hipòtesis per a explicar el comportament de les substàncies i encetà un ric debat sobre la naturalesa i propietats de les partícules últimes de matèria que ell anomenà àtoms. Un altre científic que també participà en els debats fou l'italià Amedeo Avogadro, a qui devem l'altra contribució bàsica a la teoria atòmica: el concepte modern de molècula. Veurem per separat els seus treballs i la manera com s'arribaren a establir uns conceptes gens trivials, ja que la discussió sobre la validesa d'aquestes idees tan revolucionàries s'allargà tot el segle XIX i s'inserí en un dels processos de crisi més fructífers de la història de la ciència.

Com a síntesi dels treballs sobre les lleis ponderals Dalton va publicar, entre 1808 i 1810, un tractat anomenat A New System of Chemical Philosophy, on explicitava les hipòtesis referides a la seua concepció sobre la constitució de la matèria. Aqueixes hipòtesis, que consti-tueixen el fonament de la química moderna, són essencialment les següents:

1)Els elements estan constituïts per partícules indivisibles i indestructibles que anomenem àtoms.

2)Els àtoms són invariables, no es poden transformar uns en altres. Hi ha tantes classes d'àtoms com d'elements. Els àtoms d'un mateix element són iguals en massa i altres propietats.

3)Els compostos estan constituïts per "àtoms compostos" que estan formats per àtoms dels corresponents elements en relació numèrica senzilla.

4)Tots els àtoms d'una substància pura són idèntics. En una substància composta els "àtoms compostos" són tots idèntics però contenen diferents elements en la mateixa proporció.

1.7


5)En les reaccions químiques, els àtoms ni es creen ni es destrueixen, només canvia la seua distribució, és a dir, canvien les proporcions i les combinacions entre determinats elements, però els elements en conjunt no canvien.

John Dalton

Llei de les proporcions múltiples La va deduir John Dalton a començament del segle XIX a partir de les

seues hipòtesis atòmiques, però també es basa en fets experimentals observats acuradament:

Les quantitats d'un mateix element que es combinen amb una quantitat fixa d'un altre per a formar compostos diferents, estan en una relació de nombres enters senzills, 1:2, 1:3, 2:3,...

A.15 En l'època de Dalton es coneixia l'existència de dos gasos diferents formats pels mateixos elements (C i O). D'ambdós gasos, el més ric en oxigen contenia un 72,7 % d'aquest element i l'altre un 57,1 % d'oxigen. Quina relació hi ha entre les masses d'oxigen que es combinen amb la mateixa massa de carboni?

A.16 El nitrogen i l'oxigen formen, entre d'altres, els òxids A, B i C. Dels tres gasos, el més ric en oxigen contenia un 69,95 % d'aquest element, el segon un 53,32 % i el més pobre en oxigen un 36,35 %. Quina relació hi ha entre les masses d'oxigen que es combinen amb la mateixa massa de nitrogen? Quina llei es verifica?

A.17 El brom reacciona amb el metall níquel i produeix dues sals diferents. El bromur de níquel A conté un 26,86 % de níquel, mentre que el bromur de níquel B conté un 80,33 % de brom. Verifiqueu que aquestes dues sals compleixen la llei de Dalton de les proporcions múltiples.

A.18 A la vista de les hipòtesis de Dalton ¿com s'expliquen les lleis ponderals de les reaccions químiques: la conservació de la massa, les proporcions constants i les proporcions múltiples?

1.8


4. LLEIS VOLUMÈTRIQUES I HIPÒTESIS D'AVOGADRO

Lleis volumètriques de les reaccions entre gasos En el cas que en una reacció química les substàncies que reaccionen i

els productes de la reacció siguen gasos també es compliran les lleis ponderals ja estudiades, però a més en aquest cas es compleixen d'altres lleis, anomenades lleis volumètriques, ja que es refereixen als volums dels gasos que reaccionen sempre que es mesuren en les mateixes condicions de pressió i temperatura.

L'any 1801 el químic llemosí Louis-Joseph GAY-LUSSAC (1778-1850) va estudiar de forma experimental les relacions entre volums de gasos en reacció i va arribar a la conclusió següent:

Els volums dels gasos que es formen o es consumeixen en una reacció química, mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, es troben en una relació de nombres enters senzills.

Louis-Joseph Gay-Lussac

1.9


Vegem-ne alguns exemples:

Quan reaccionen, a la mateixa pressió i temperatura, els gasos hidrogen i oxigen ho fan en la proporció de 2 L d'hidrogen per cada L d'oxigen i s'obtenen 2 L de vapor d'aigua, és a dir, les proporcions volumètriques són molt senzilles.

Quan reaccionen, a la mateixa pressió i temperatura, els gasos nitrogen i hidrogen ho fan en la proporció d'1 L de nitrogen per cada 3 L d'hidrogen i s'obtenen 2 L d'amoníac, és a dir, les proporcions volumètriques també són molt senzilles.

Quan reaccionen, a la mateixa pressió i temperatura, els gasos clor i hidrogen ho fan en la proporció d'1 L de clor per cada L d'hidrogen i s'obtenen 2 L de clorur d'hidrogen, és a dir, les proporcions volumètriques són molt senzilles.

Es tracta, tal com hem vist, de lleis experimentals que requereixen unes condicions molt precises per a verificar-les amb exactitud, per la qual cosa foren rebutjades a l'època de Gay-Lussac per alguns contemporanis seus, entre els quals el mateix John Dalton.

D'altres científics, però, veieren a través de les proporcions senzilles, una confirmació de les hipòtesis atòmiques de la matèria, ara bé, fent-hi algunes modificacions que no afectaven l'essència del model corpuscular.

Per tal de poder incorporar la llei de Gay-Lussac a la teoria atòmica calgué afegir algunes noves hipòtesis que Dalton no havia tingut en compte. El físic italià Amedeo AVOGADRO di Quaregna (1776-1856) fou qui encetà una nova interpretació del comportament dels gasos, tot i que les seues idees no van ser tingudes en compte fins alguns anys després de la seua mort.

A.19 Emeteu una hipòtesi que explique per què els gasos es combinen segons relacions volumètriques senzilles, quan es mesura el volum en

1.10


les mateixes condicions de pressió i temperatura, si es té en compte el nombre de partícules que formen el gas.

A.20 Interpreteu, fent servir la hipòtesi anterior, les reaccions entre gasos dels exemples anteriors. Tal com Avogadro va fer, cal introduir una nova hipòtesi sobre la constitució de les molècules dels gasos simples. Convé seguir els passos següents: 1) convertir la relació volumètrica a relació del nombre de partícules; 2) representar el cas particular amb el mínim de partícules; 3) suposar que les partícules són àtoms de Dalton i verificar si això és possible; 4) suposar que les partícules poden ser diferents als àtoms, tal com proposa Avogadro.Les dues hipòtesis que hem utilitzat s'anomenen hipòtesis

d'Avogadro i són fonamentals per a completar les idees de Dalton. Tot i això, com ja hem dit, a causa de la poca precisió dels resultats experimentals de Gay-Lussac, Dalton i els seus seguidors mai no van admetre com a vàlides les hipòtesis d'Avogadro, ja que semblaven significar un enfrontament insuperable amb alguns dels seus postulats bàsics.

Determinació de masses atòmiquesA la fi del segle XIX, fou Stanislao CANNIZZARO (1826-1910), un

altre químic italià, qui féu ressorgir cap al 1858 les hipòtesis d'Avogadro. La superació de les confusions entre el concepte d'àtom i el de molècules i l'establiment definitiu d'aquest darrer, arran del Congrés de Karlsruhe (1860), va permetre d'assignar fórmules correctes a les substàncies, basades en criteris experimentals i no en hipòtesis supèrflues, com la regla de la màxima simplicitat de Dalton. D'aquesta manera es pogué començar a calcular correctament la massa atòmica relativa dels elements.

Amedeo Avogadro Stanislao Cannizzaro

La massa atòmica entesa com a massa absoluta dels àtoms, mesurada en les unitats habituals de massa, era impossible de determinar a l'època de Dalton, per qüestions tècniques. Ara, des del punt de vista químic el que ens interessa és poder comparar la massa d'uns àtoms amb d'altres, és a dir, la massa atòmica relativa. Això és possible si reunim tota la informació que proporcionen els treballs de Lavoisier, Proust, Dalton, Avogadro i Canizzaro.

Imaginem un compost format per dos elements (A i B). Si interpretem correctament la llei de Proust, amb les hipòtesis de Dalton, i coneixem la

1.11


proporció exacta amb què es combinen els àtoms en el compost (AaBb), la massa atòmica relativa d'A respecte a B, que representarem com a Ar, seria:

Ar(A)/Ar(B) = m*A/m*B = (mA/a)/(mB/b)Tal com veiem, la massa atòmica relativa s'obté de dividir les masses

dels elements A i B sempre que continguen el mateix nombre d'àtoms, cosa que hem expressat mitjançant un asterisc. Ara bé, això equival a dividir dues masses que reaccionen exactament (Proust) però dividides cadascuna pels subíndexs que apareixen a la fórmula (a i b). D'aquesta manera, només queda decidir quin element farem servir com a patró de referència.

Al principi s'utilitzà l'hidrogen com a referència perquè era el més lleuger: Ar(H) = 1, després s'adoptà un altre patró, tal com veurem més endavant. Proposem ara algunes activitats per aplicar aquests mètodes al càlcul de masses atòmiques i moleculars.

A.21 Hem mesurat la densitat de l'hidrogen, del nitrogen i de l'amoníac en idèntiques condicions de pressió i temperatura, i hem trobat els valors: 0,081 g/L, 1,138 g/L i 0,691 g/L, respectivament. Calculeu:a) La massa atòmica del nitrogen relativa a l'hidrogen.b) La massa molecular de l'amoníac relativa a l'hidrogen.

A.22 El fòsfor reacciona amb l'oxigen i forma un compost de fórmula P4O10. Si 0,248 g de fòsfor reaccionen i donen 0,568 g de producte, determineu la massa atòmica relativa del fòsfor, si sabem que la massa atòmica relativa de l'oxigen és 16.Per a la mesura de masses atòmiques relatives cal un patró. Per raons

diverses el patró utilitzat ha canviat algunes vegades, fins que el 1961 es va establir l'escala atòmica definitiva, segons la qual tenim:

PATRÓ DE MASSES ATÒMIQUES (1961) : 1 uma = 1/12 de la massa de l'isòtop 12

6C

A.23 Calculeu la massa atòmica del brom si sabem que 6,23696 g de plata reaccionen amb brom i formen 10,85722 g de bromur de plata. Cal su-posar que només coneixem la massa atòmica de la plata.(R: Ar(Br) = 79,9072)

5. CONCEPTE DE QUANTITAT DE SUBSTÀNCIA. CONSTANT D'AVOGADRO

Encara que la major part de les hipòtesis de Dalton han estat rebutjades per l'actual teoria atòmica, podem dir que va aconseguir dos objectius fonamentals:

1) L'assignació d'una propietat numèrica a cada àtom de cada element químic: la MASSA ATÒMICA RELATIVA.

2) L'explicació de les reaccions químiques com a intercanvi d'àtoms en nombre discret.

1.12


Ara bé, el desenvolupament de la teoria atomicomolecular de la matèria, a partir de les hipòtesis de Dalton i d'Avogadro, culminà en la introducció per primera vegada del concepte de quantitat de substància, necessari per a fer els càlculs químics.

Però, perquè els químics necessiten una magnitud “especial” ?Un dels problemes bàsics de la Química és poder determinar la

fórmula empírica i la fórmula molecular d’una substància pura.D’altra banda, els càlculs de les quantitats de reactius que intervenen

en una reacció o dels productes que s’obtenen requereixen poder comptar àtoms i/o molècules per tal que ni en sobren ni en falten. Efectivament, ja que les reaccions químiques són combinacions entre partícules (àtoms, molècules, ions...) es fa necessari comptabilitzar el nombre d'elles present en qualsevol mostra de substància.

Com que aquestes partícules són extremadament petites, el nombre que resulta de comptar-les és excessivament gran i per això s'ha triat una quantitat on les partícules es puguen comptar fàcilment, per pesada directa o per mesura d'un volum.

El problema es pot resoldre si definim la QUANTITAT DE SUBSTÀNCIA, magnitud fonamental del Sistema Internacional, la unitat de la qual és el MOL

Vegem-ne un exemple:

A.24 Un compost està format per un 92,31 % de C en massa i per un 7,69 % d’H en massa, quina és la seua fórmula química? A més de la composició centesimal donada, per altra banda sabem

que les masses atòmiques relatives dels elements que el formen són: Ar(C) = 12 i Ar(H) = 1.

Podríem saber amb això la seua fórmula? Com que ignorem la seua massa molecular relativa, només

podríem trobar la fórmula empírica però no la molecular.Què caldria fer per a trobar la fórmula empírica?

La solució raonada seria: Sabem la contribució de cada tipus d’àtom (C i H) a la

massa total del compost i sabem la massa relativa de cada àtom, si dividim la massa de C en el compost entre el que “pesen” els seus àtoms trobarem un nombre que guarda relació amb la “quantitat d’àtoms” de C i si fem el mateix amb l’H trobarem un nombre que guarda relació amb la “quantitat d’àtoms” d’hidrogen.

Si dividim els dos nombres entre el menor d’ells tindrem la relació mínima entre ells i si fem que siga una relació de nombres enters ja tindrem la fórmula empírica.

1.13


Càlculs:

Per al carboni C : 92,31/12 = 7,69Per a l’hidrogen H : 7,69/1 = 7,69

Mínima proporció: 7,69/7,69 = 1

La relació entre quantitats d’àtoms és 1:1, és a dir, hi ha el mateix nombre d’àtoms de cada element en el compost, per tant la seua fórmula empírica serà: CH

Concepte de quantitat de substància: Per a poder comptar amb facilitat quants àtoms intervenen

en una reacció i en quina proporció es combinen s'ha definit la quantitat de substància com la quantitat d’entitats químiques (àtoms, molècules, ions, electrons, etc.) que intervenen en una reacció química, però comptades de forma col·lectiva mitjançant la mesura de masses i volums, principalment (símbol: n).

Per això la unitat que emprem s’anomena mol i és una unitat fonamental del Sistema Internacional d’unitats.

Definició de mol: Un mol és la quantitat de substància que conté tantes

entitats químiques com àtoms hi ha en 0,012 kg de l’isòtop 12 de C (12

6C). S’ha definit així perquè coneguda la massa atòmica o molecular

relativa d’una substància resulta senzill calcular quina massa de cada substància conté 1 mol1.

A.25 Les masses atòmiques relatives de l'hidrogen, del carboni i de l'oxigen són 1, 12 i 16, respectivament. Digueu tres valors diferents de masses per a cadascun d'ells, de manera que tinguen el mateix nombre d'àtoms dels diferents elements.

Massa molarDe la resolució de l'activitat anterior podem establir un concepte bàsic

per a mesurar quantitats de substància, la massa molar (M), que no és altra cosa que la massa d’un mol de qualsevol substància. En l'activitat resolta: M(H) = 1 g/mol d'àtoms d'hidrogen, M(C) = 12 g/mol d'àtoms de C i M(O) = 16 g/mol d'àtoms d'oxigen. Cal especificar quin tipus de partícules mesurem (àtom, molècules, ions...), ja que el valor de M pot ser diferent.

Tal com s'ha definit, a partir de la massa atòmica del patró, automàticament tots els altres elements també contindran el mateix nombre

1 La importància del mol en els càlculs químics ha fet que s'incorpore al Sistema Internacional d'unitats com la setena unitat fonamental, al costat del metre, el segon, el quilogram, l'amper, el kelvin i la candela.

1.14


de partícules en una quantitat de grams igual a les respectives masses atòmiques, per això podem resumir que:

De la definició de mol es deriva una manera directa de calcular la massa molar a partir de la massa molecular relativa, si entenem que:

Massa d’una molècula: Mr (no té unitats) Massa d’un mol de molècules: M (g/mol) Exemple: l’aigua té una Mr = 18 i la seua massa molar val M

= 18 g/molRelacions bàsiques:

M = m/n ; n = m/M ; m = n· M M massa molar en g/mol ; m massa en g ; n quantitat de substància en mol

En resum:

UN MOL D'ÀTOMS DE QUALSEVOL SUBSTÀNCIA SIMPLE = A g

UN MOL DE MOLÈCULES DE QUALSEVOL SUBSTÀNCIA COMPOSTA = M g

Constant d'AvogadroEl pas següent és determinar de forma experimental el nombre

d'àtoms presents en la quantitat escollida per definir el mol: 12 g de 126C .

Ja hem vist a l'activitat anterior com en triar masses proporcionals a la massa atòmica tenim un mateix nombre de partícules de qualsevol element. La determinació experimental d'aquest és una altra constant universal, anomenada constant d'Avogadro (NA). És a dir, el mol només és un múltiple, com la dotzena o el miler. Si una dotzena són 12 coses, un miler són 1000 coses i un mol són NA coses.

Hi ha diferents mètodes experimentals per a determinar quantes entitats químiques conté 1 mol (radioactivitat, cristal·lografia, electròlisi, pel·lícules monomoleculars...)

Les mesures actuals donen aproximadament: NA = 6,022· 1023

mol-1

1.15


Un mètode molt exacte per determinar NA a partir de mesura molt exacta de la massa molar d'un cristall esfèric quasi perfecte de l'isòtop de silici 28Si. Combina la mesura de densitats amb tècniques de cristal·lografia. Forma part del projecte de nova definició del quilogram patró internacional.

El valor obtingut és:

NA = 6,02214084(18)·1023

Incertesa: 30 parts en 109

Encara que Amedeo Avogadro mai no es va proposar el càlcul d’aquesta constant, si que va suggerir en la seua llei sobre la constitució dels gasos que mesurant els volums de diferents gasos a la mateixa P i T per a una mateix quantitat de gas, volums iguals contenen el mateix nombre de partícules

Relacions bàsiques: NA = N/n ; n = N/NA ; N = n· NA

on N representa el nombre de partícules.

Càlculs amb la quantitat de substànciaA.26 Completeu aquesta taula:

Àtom / Molècula Ar / Mr n (mol) N (partícules) A / M (g/mol)

massa (g)

H 1H 2H 18·1023 àtomsH2 1H2 2H2 3·1023

molèculesO 16O 1,5O 9·1023 àtomsO2 1O2 64O2 3,5

1.16


H2O 6·1023

molèculesH2O 2H2O 54NH3 17 44

A.27 Determineu la massa molecular relativa i la massa molar d'aquestes substàncies: KMnO4, H2SO4, CaCO3, Ar, C6H6, SiO2, Fe3O4, P4.

A.28 En una mostra de sofre hi ha 1,0·1023 àtoms. Quants mols d'àtoms hi ha? Si els àtoms de sofre estan en forma de molècules diatòmiques, quants mols de molècules S2 hi haurà? El sofre pot cristal·litzar en forma de molècules anulars octaatòmiques (octasofre), en aquest cas, quants mols de molècules S8 hi haurà?

A.29 Tenim 0,15 mol de tetrafòsfor P4. Quantes molècules de P4 hi ha? Quants àtoms de P hi ha? Quants mols d'àtoms de P hi ha?

A.30 Realitzeu els càlculs adequats i contesteu les preguntes següents referides a la substància nitrat de bari, Ba(NO3)2 :a) Quants mols d'àtoms d'oxigen, bari i nitrogen hi ha en 0,1 mol?b) Quants àtoms d'oxigen hi ha en 5,22 g?c) Quants grams d'oxigen hi ha en 0,15 mol?

Càlculs amb gasos. Volum molarQuan la substància que manipulem és un gas, resulta més fàcil

mesurar el seu volum a una temperatura i pressió determinades que no pesar-lo. En aquest cas la quantitat de mols es determina de forma diferent. Vegem- ho.

Volum molar d'un gas Si tenim en compte la Llei d’Avogadro segons la qual volums

iguals de gasos diferents a les mateixes P i T contenen el mateix nombre de molècules...

...deduïm que un mol de tots els gasos ideals ocupa el mateix volum, en les mateixes condicions de P i T, ja que un mol sempre conté el mateix nombre de partícules

Aquest volum s’anomena volum molar VM

En condicions normals (1 atm, 273 K), val 22,4 L/mol

La taula següent mostra la massa molar i el volum molar de diferents substàncies segons l'estat físic que presenten en condicions normals:

1.17


SUBSTÀNCIA

MASSA MOLAR (g/mol)

VOLUM MOLAR (L)

ESTAT FÍSIC (C.N.)

NaCl 58,5 0,027 sòlidFe 55,8 0,0071 sòlid

H2O 18,0 0,018 líquidO2 32,0 22,39 gasN2 28,0 22,40 gas

NH3 17,0 22,09 gas

Com podem observar, mentre que el volum molar dels sòlids i líquids és característic de cadascun d'ells, el volum molar dels gasos presenta una coincidència que crida l'atenció.

Segons la definició donada, un mol de qualsevol substància, tant s'hi val que estiga en forma sòlida, com líquid o gas, tindrà el mateix nombre de molècules, però ¿per quina raó el volum molar de TOTS els gasos, en condicions normals, és pròxim a 22,4 L?

L'explicació la trobarem en la Llei d'Avogadro, expressada de forma esquemàtica:

1 mol de qualsevol gas mateix nombre de molècules

mateixes condicions mateix volum (mesurat en c.n. 22,4 L)

A.31 Com calcularem la quantitat de substància d'un gas si coneixem el seu volum en condicions normals? Si tenim 5 g de dioxigen, O2, quin volum ocuparà en condicions normals?

A.32 Quan les condicions d'un gas no són les normals ¿com calcularem la quantitat de substància? A partir del volum molar d'un gas ideal, establiu el valor de la constant que apareix a l'equació general dels gasos ideals (P·V/T = k) en les unitats habituals en els càlculs químics (P en atm, V en L) i en les unitats del S.I.

Equació dels gasos ideals Per als gasos ideals es compleix: P· V/T = k, per a una quantitat

constant de gas Si triem un mol de gas, en c.n., tindrem:

1 atm· 22,4 L/mol / 273 K = 0,082 atm· L/mol· K = R Per a “n” mol de gas: P· V/T = n· R La forma habitual de l’equació dels gasos ideals en funció de la

quantitat de substància és: PV = nRT

1.18


A.33 Determineu la quantitat de substància d'O2 que hi ha en una bombona de 50 L, a 200 atm de pressió i 27 0C.

A.34 Calculeu la massa que conté un matràs de 500 cm3 ple de vapor d'aigua a 100 0C i 745 mm Hg de pressió.

A.35 Ordeneu les quantitats d'aquests gasos de menor a major volum, en les mateixes condicions de P i T: 1 g de diòxid de carboni, 1 g de dihidrogen i 1 g de diclor.

A.36 Quina massa de metà farà falta per a omplir un dipòsit de 12 L que a 80 0C tinga una pressió de 3 atm?

A.37 Quina serà la densitat del dioxigen a -15 0C i 740 mm Hg?

A.38 En 0,5 mol de nitrobenzè, C6H5NO2 :a) Quants mols d'àtoms de carboni hi ha?b) Quantes molècules hi ha?c) Quants àtoms d'hidrogen, nitrogen i oxigen hi ha?d) Quants àtoms hi ha?

A.39 Tenim 17 g de peròxid d'hidrogen, H2O2, i n'eliminem 7,5·1022

molècules. a) Calculeu la quantitat de substància de peròxid d'hidrogen que hi

resta.b) Quantes molècules de peròxid en resten?c) Quina massa de peròxid en resta?d) Quina quantitat de substància en àtoms d'hidrogen i d'oxigen en

resten?

6. FÓRMULES EMPÍRIQUES I MOLECULARSLa fórmula química proporciona una abreviatura adequada que informa

qualitativament i quantitativa sobre la composició d'una substància química. Hi ha diferents tipus de fórmules que convé distingir clarament:

Fórmulaempírica:

Indica només els elements que formen un compost i la relació numèrica més simple entre els àtoms presents. Les substàncies no moleculars només tenen aquesta

Fórmulamolecular:

Expressa quin és el vertader nombre d'àtoms de cada element que formen una molècula de la substància, sempre que siga una substància molecular

Fórmulaestructural:

Informa sobre com es troben enllaçats els àtoms en una molècula i quina distribució geomètrica presenten. En les substàncies no moleculars (iòniques, metàl·liques i covalents atòmiques) cal substituir-la per l'estructura tridimensional

1.19


A tall d'exemple, la fórmula empírica de l'hidrocarbur età seria CH3, la fórmula molecular és C2H6, i l'estructural es mostra a la primera figura:

La fórmula estructural (esquerra) s'acompanya de models tridimensionals que ajuden a entendre millor com és la molècula. La fórmula estructural només és un esquema de les posicions relatives dels àtoms, però els angles entre els enllaços no són correctes. Per a representar-ho millor cal visualitzar els angles d'enllaç mitjançant boles (àtoms) i varetes (enllaços) o bé mitjançant calotes (esferes) que s'entrecreuen, oculten els enllaços i mostren un aspecte més pròxim a la imatge "real" de la molècula

Convé saber que totes les substàncies tenen fórmula empírica, però només les substàncies moleculars tenen fórmula molecular, és a dir, aquelles substàncies on realment existeixen molècules. Aquestes també tenen, lògicament, fórmula estructural. A més, podem afegir que hi ha molts tipus de fórmules estructurals, segons el nivell d'informació que pro-porcionen sobre com és la molècula que volem representar. La fórmula donada per a l'età és només la fórmula estructural plana, però podríem dibuixar-ne una de més completa on aparegueren exactament representats els angles de 109,50 que formen els enllaços C-H entre si, en aquest cas estaríem dibuixant la fórmula espacial o estèrica, tal com hem vist en els dos models tridimensionals.

Concepte d'element químicAbans d'explicar com es poden determinar algunes d'aquestes

fórmules, concretament les empíriques i les moleculars, convé aclarir què entenem per element, ja que aquest concepte ha anat canviant al llarg de la història de la química fins establir-se definitivament a començaments del segle XX.

A.40 Evolució del concepte d'element: Aristòtil, Boyle, Lavoisier, Dalton i actual.De bon començament la idea d'element procedeix de la filosofia grega

i es concreta en la visió de la matèria que tenien diferents pensadors de l'època clàssica. Els elements serien unes poques formes bàsiques de matèria presents en totes les substàncies. Per no allargar-nos, comencem per la proposta dels quatre elements aristotèlics: la terra, l'aigua, l'aire i el foc, que formaven la matèria terrestre, a més de la quintaessència que formava la matèria celeste. Aquests elements explicaven qualitats de la matèria com la humitat, la sequedat, el fred i la calor. Segons això, tota la matèria terrestre estava formada per aquests quatre elements combinats en

1.20


diferents proporcions. Ara, si ens fixem bé, els quatre elements aristotèlics ens "recorden" els quatre estats de la matèria: sòlid, líquid, gas i, aproximant un poc, plasma fred. Durant segles la teoria aristotèlica no va ser modificada substancialment, només els alquimistes, en la seua recerca infructuosa de la transmutació dels metalls en or, ampliaren un poc els elements incorporant substàncies com la sal marina, el sofre i el mercuri, que integraven les propietats de les substàncies salines, els no-metalls i els metalls.

Elements aristotèlics Elements alquimistes

L'existència d'elements pròpiament químics fou qüestionada per Robert Boyle, el segle XVII, ja que no entenia que tota la matèria es poguera reduir a uns pocs components. La filosofia dels elements es ficava en un carreró sense eixida. Fins als treballs d'Antoine Lavoisier, un segle més tard, no s'arriba per primera volta a una definició pràctica d'element que, cal advertir, en realitat és una definició de substància simple: l'element és el darrer terme de l'anàlisi química. És a dir, Lavoisier considera que si una substància ja no es pot separar més pels mitjans coneguts és, provisionalment, un element, millor dit una substància simple. Per això al seu tractat de química publica una interessant llista del que llavors es consideren substàncies simples o elementals on inclou els fluids mecanicistes aleshores considerats com la llum o la calor i substàncies que encara no se sabia com descompondre, com la calç i altres òxids metàl·lics.

La hipòtesi dels quatre elements aristotèlics es mantingué vigent durant segles, tot i que amb algunes modificacions

Robert Boyle, en la seua obra "El químic escèptic", critica el treball dels alquimistes i dubta de l'existència dels elements

El concepte d'element pren cos i s'acosta a la idea actual gràcies a les hipòtesis atòmiques de Dalton, per a qui els elements són les diferents classes d'àtoms que es coneixen, caracteritzats per distintes propietats com ara la massa atòmica. Per a Dalton cada element té un tipus d'àtom amb

1.21


una massa, i altres propietats, diferents a les dels altres àtoms i inventa un primer sistema gràfic per representar els àtoms de cada element, tot i que no prosperarà, ja que actualment preferim el sistema de Berzelius amb lletres procedents del nom acceptat per la comunitat científica per a cada element.

Finalment arriben als autors de la taula periòdica, entre ells

Mendelejev, que reconeix com cal diferenciar el concepte d'element, associat als àtoms, tal com proposava Dalton, del concepte experimental de substància química, simple o no, que cal associar a les agrupacions d'àtoms, per exemple les molècules i d'altres. Mendelejev ordena els tipus d'àtoms seguint la massa atòmica i, encara que detecta errors o anomalies, no troba la solució. La solució final ens la donarà Moseley en caracteritzar cada element com un tipus d'àtom que té un nombre atòmic, o nombre de protons nuclears, particular i intransferible, tal com veurem més endavant en estudiar l'estructura dels àtoms.

Podem acabar amb un exemple molt conegut: el cas de l'oxigen i de l'ozó. Es tracta de dos gasos que, impròpiament s'anomenen "elementals", però que són dues substàncies químiques amb propietats diferents, ja que estan formades per molècules distintes (oxigen O2, ozó O3). L'ozó i l'oxigen, però, tenen una cosa en comú: estan formats per àtoms del mateix element (O) que té Z = 8, és a dir té 8 protons en el nucli, però quan dos àtoms d'oxigen s'uneixen de forma estable produeixen la substància química anomenada oxigen o dioxigen, mentre que si s'uneixen tres àtoms, que també és possible, el resultat és la substància ozó o trioxigen, amb propietats físiques i químiques diferents de l'oxigen habitual.

A.41 Actualment es coneixen diverses substàncies formades exclusivament per àtoms de carboni. Entre elles destaquen el diamant, el grafit, el ful·lerè i el grafè. Busqueu informació sobre la composició, l'estructura i les propietats més significatives d'aquestes quatre substàncies i

1.22


comenteu si és raonable afirmar que un element és una substància simple. ¿El carboni és una substància?

Composició centesimal o percentatge en massa de cada element

A.42 Tenim dos minerals que tenen com a fórmules més simples: Cu5FeS4 i Cu2S. Esbrineu quin d'ells és més ric en coure.

A.43 En un compost hi ha 1,2·1023 àtoms d'oxigen, 3,01·1023 àtoms de car-boni i 6,02·1023 àtoms d'hidrogen. Esbrineu quina és la seua fórmula empírica.

A.44 Elaboreu un algoritme per a obtenir la fórmula empírica d'un compost del qual coneixem la composició centesimal i les masses atòmiques relatives dels elements que el formen. Apliqueu-lo al cas d'un compost orgànic que té la composició següent: 52,17 % de carboni, 13,00 % d'hidrogen i 34,80 % d'oxigen.

A.45 Un mol d'un gas pesa 52 g. L'anàlisi demostra que el 46,15 % de la seua massa és carboni i la resta nitrogen. Determineu-ne les fórmules empírica i molecular.

A.46 Un compost determinat conté 62,0 % de carboni, 10,4 % d'hidrogen i 27,5 % d'oxigen. A la temperatura de 100 0C i 1 atm de pressió es troba en estat gasós i la seua densitat val 1,90 g/L. Determineu-ne la fórmula empírica i la fórmula molecular.

A.47 Determinada substància conté el 35,29 % de carboni, el 8,82 % d'hidrogen i el 55,88 % de fluor. Si sabem que 12 g d'aquesta substància contenen 2,13·1023 molècules, trobeu la seua fórmula molecular.

Anàlisi per combustió

A.48 Cremem una mostra de 2,00 g d'un compost que conté carboni, hidro-gen i oxigen i en la combustió es formen 3,81 g de diòxid de carboni i 2,36 g d'aigua. Calculeu la composició centesimal del compost i deter-mineu la seua fórmula empírica.(R: 52 % C , 13 % H , 35 % O ; C2H6O)

A.49 L'insecticida DDT només conté els elements carboni, hidrogen i clor. Quan cremem completament una mostra de 3,00 mg de DDT amb oxi-gen pur obtenim 5,22 mg de diòxid de carboni i 0,687 mg d'aigua. a) Determineu la fórmula empírica del DDT. b) Busqueu informació sobre la seua fórmula estructural i tracteu d'esbrinar per què s'anomena dicloro-difenil-tricloroetà.(R: C14H9Cl5)

1.23


A.50 Una substància orgànica només conté carboni, hidrogen i oxigen. Si en cremem 0,1 g en corrent d'aire, obtenim 86,9 mg de vapor d'aigua i 80 cm3 de diòxid de carboni mesurats a 22 0C i 740 mm Hg. Calculeu: a) la composició centesimal de la substància; b) la seua fórmula empírica.(R: a) 38,6 % C , 9,7 % H , 51,7 % O ; b) CH3O)

7. LA MATÈRIA EN EL MÓN NATURAL: TÈCNIQUES DE SEPARACIÓ

A.51 Comenteu aquest esquema on apareixen les distintes formes en què sol presentar-se la matèria en la natura: mescles, dissolucions, substàncies pures, substàncies simples, compostes, etc.

LA MATÈRIA EN ESTAT NATURALComposici

óconstant

SUBSTÀNCIES

PURES

Separació física MESCLES

Composicióvariable

COMPOSTES

SIMPLES

MESCLESHOMOGÈNIE

S

MESCLESHETEROGÈNI

ESReaccionsquímiques

Propietatsidèntiques

en tota la mostra(una sola fase)

Dues o més fasescadascuna amb lesseues propietats

SUSPENSIONS (r > 10-7 m)COL· LOIDES (10-7 > r > 10-9

m)DISSOLUCIONS (r < 10-9 m)

Fins ací havíem considerat les substàncies químiques sense tenir en compte la forma en què habitualment es presenten a la natura. Hem donat per coneguts conceptes com substància pura, simple o composta. Emperò, al món natural les substàncies pures són més aviat escasses. Com hem vist a l'esquema, la matèria sol presentar-se amb formes complexes, per la qual cosa el fet d'haver arribat a fixar les característiques inequívoques que defineixen una substància com a pura ha costat molts esforços, sobretot de tipus experimental.

A.52 Llegiu les següents definicions de substància pura, substància pura simple i substància pura composta i comenteu-les.

1.24


SUBSTÀNCIA PURAés un sistema material homogeni de composició uniforme i propietats idèntiques en tota la seua massa. Una substància pura es defineix a partir d'una sèrie de propietats físiques i químiques característiques que són constants: densitat, punts de fusió i ebullició, sistema de cristal·lització, conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica, etc.

SUBSTÀNCIA PURA SIMPLEés una substància pura que no podem separar en parts més senzilles pels mètodes químics convencionals coneguts, per tant, és l'últim terme de l'anàlisi química. A nivell estructural està formada per àtoms d'un sol element.

SUBSTÀNCIA PURA COMPOSTAés una substància pura que encara es pot separar en substàncies pures més simples per mitjà de reaccions químiques, perquè a nivell estructural està formada per més d'un element que poden arribar a separar-se.

Antoine Lavoisier (s. XVIII) va publicar al seu llibre "Tractat elemental de química" una llista amb els noms nous i els tradicionals de les substàncies considerades simples a la seua època. Inclou "fenòmens" que avui dia no considerem "substàncies", com la llum o el calòric. En casos com l'oxigen mostra la varietat de noms de l'època que ell proposa substituir per un nom nou inventat. També apareixen substàncies que llavors no es podien separar per manca de tècniques adequades, com la calç o la magnèsia, al final de la llista. Es tracta d'òxids de metalls alcalinoterris que foren aïllats dècades després, gràcies a l'electròlisi.

En el camí experimental fins a l'establiment d'aquests conceptes han estat fonamentals els mètodes de separació físics i químics dels ingredients que composen les mescles naturals. Pel seu interès operatiu assenyalarem algunes formes de separació dels components d'una dissolució, ja que moltes substàncies naturals són dissolucions, com ara l'aigua potable, i pot resultar útil de conèixer.

1.25


A.53 Proposeu un mètode senzill per a obtenir els components sòlids d'una dissolució, com ara l'extracció de sals de l'aigua del mar.

A.54 La majoria de substàncies químiques poden presentar-se en estat cris-tal·litzat. Si la vaporització del dissolvent es realitza de forma brusca els cristalls obtinguts són tan petits que ni es poden veure. ¿En quines condicions podem afavorir la cristal·lització per a obtenir cristalls més grans?

A.55 En alguns casos interessa més recollir el dissolvent. Quines modificacions caldria introduir en la tècnica de vaporització?

A.56 Existeixen moltes altres tècniques per a separar els ingredients d'una dissolució. Una d'elles, utilitzada molt sovint, és la cromatografia, que té multitud de variants. Busqueu informació sobre aquesta important tècnica analítica i feu-ne un resum al quadern de treball.

Cromatografia de la clorofil·la

8. DISSOLUCIONS. FORMES D'EXPRESSAR LA CONCENTRACIÓFins ara no hem tingut en compte l'estat natural de les substàncies

químiques, només hem considerat els elements o compostos com a substàncies pures. Però la realitat és que les substàncies pures són més aviat escasses. En la natura la matèria es presenta en forma de mescles de diferents tipus: heterogènies, com algunes roques, i homogènies, com les dissolucions. Habitualment al laboratori emprem els reactius en dissolució, per a fer-los reaccionar més ràpidament o per manipular-los amb més facilitat.

A.57 Comenteu les següents definicions de dissolució, solut i dissolvent.

DISSOLUCIÓés un sistema material homogeni format per més d'una substància pura, les partícules del qual tenen una grandària de

1.26


l'ordre de 10-9 m aproximadament (àtoms, ions, molècules) i per això travessen els filtres convencionals, de manera que per a se-parar-ne els components cal recórrer a mètodes específics com la cristal·lització, la destil·lació o la cromatografia, però no la filtració mecànica.

SOLUTés la fase dispersada en una dissolució, que habitualment és aquella que es troba en menor proporció.

DISSOLVENTés la fase dispersant en una dissolució enmig de la qual es troba dispers el solut i que habitualment sol ser la que es troba en major proporció. En els medis aquosos el dissolvent és l'aigua.

A.58 En el llenguatge de les dissolucions és important entendre què és la concentració i què significa que una dissolució siga diluïda, concentrada o saturada. Comenteu-ne les següents definicions.

CONCENTRACIÓés la magnitud que expressa la relació entre la quantitat de solut i la quantitat total de dissolució, encara que de vegades expressa la relació entre la quantitat de solut i la quantitat de dissolvent.

DISSOLUCIÓ DILUÏDAés aquella on la concentració és tan petita que la presència del solut no afecta pràcticament a les propietats del dissolvent.

DISSOLUCIÓ CONCENTRADAés aquella on la concentració és suficientment elevada per a notar una alteració important de les propietats mútues del solut i el dissolvent.

DISSOLUCIÓ SATURADAés aquella que ja no admet més quantitat de solut de manera que si n'afegim més, el solut precipita al fons del recipient i apareix una fase sòlida, amb la qual cosa deixa de ser un sistema homogeni. No sempre s'arriba a la saturació. La concentració de la dissolució saturada és una propietat del solut que anomenem solubilitat i per a cert solut varia segons el dissolvent i la temperatura.

Expressions per al càlcul de la concentració de les dissolucions Tal com hem vist, les dissolucions són mescles homogènies i

uniformes la composició de les quals s’expressa mitjançant la magnitud concentració.

1.27


En algunes formes d’expressar la concentració intervé la quantitat

de substància:La MOLARITAT : [solut] = nsolut/V (mol de solut/L dissolució)La MOLALITAT : msolut = nsolut/mdissolvent (mol de solut/kg dissolvent)La FRACCIÓ MOLAR : Xsolut = nsolut/ntotal (mol de solut/mol total)

Altres formes d'expressar la concentració PERCENTATGE EN MASSA (m) (%) O RIQUESA :

(%)massa/100 = msolut/mdissolució

PERCENTATGE EN VOLUM (V) (%) O GRADUACIÓ (°) : (%)volum/100 = Vsolut/Vdissolució

CONCENTRACIÓ MÀSSICA (g/L) : c = msolut/Vdissolució

No confondre amb la densitat de la dissolució (g/mL) : ρ = mdissolució/Vdissolució

Càlcul de la molaritat a partir de la densitat de la dissolució (ρ, en g/mL) i la riquesa:

Agafem una mostra de referència: 1 L de dissolució, que conté una massa total que equival a la densitat multiplicada per 1000. Multipliquem per la riquesa (%) i dividim per 100 i tenim la massa de solut en 1 L de dissolució.Passem a mol, dividint per M, i ja tenim la resposta:

[A] = ρ· (%)· 1000/M· 100 = ρ· (%)· 10/MDilucions

Diluir és disminuir la concentració d’una dissolució tot afegint-hi més quantitat de dissolvent, però sense alterar la quantitat de solut

Conseqüentment l’equació per a calcular la nova concentració de la dissolució diluïda serà:

nSOLUT = constant = [S]· V = [S]’· V’

1.28


amb “prima” la diluïda, sense, la concentrada.

A.59 Si tenim en compte que la majoria de les reaccions químiques habituals al laboratori tenen lloc en dissolució aquosa, raoneu quina serà la forma operativa més pràctica, entre les diferents proposades, per a expressar la concentració d'una dissolució.

A.60 Indiqueu què caldria fer al laboratori per a preparar 250 cm3 de dissolució aquosa de NaCl de concentració 0,3 mol/L. Assenyaleu raonadament quin dels següents recipients: proveta de 250 mL, got de precipitats de 250 mL o matràs aforat de 250 mL, convindria utilitzar i detalleu les operacions que caldria realitzar.

A.61 Quants grams de clorur de sodi, NaCl, caldran per a preparar dos litres de dissolució 0,5 mol/L ?

A.62 Tenim una dissolució d'àcid nítric, HNO3, que té una concentració de 3 mol/L. Quina massa d'àcid nítric hi ha en un litre d'aquesta dissolució? Quina massa hi ha en 1 cm3? Quin volum de dissolució cal agafar per tal que continga 6,3 g d'àcid nítric?

9. ACTIVITATS COMPLEMENTÀRIES

LLEIS DELS GASOS I LLEIS DE LES REACCIONS QUÍMIQUESA.63 Una habitació té aquestes mesures: 10 m de llarg, 5 m d'ample i 3 m

d'alt. La temperatura hi passa de 10 °C a 25 °C quan s'engega la calefacció. a) Calculeu quin volum d'aire, mesurat a 25 °C entrarà o eixirà de l'habitació pels badalls de les portes i finestres. b) Si

1.29


inicialment la pressió mesurada en un baròmetre val 750 mm Hg, què valdria la pressió a la nova temperatura si l'habitació fóra completament hermètica?(R: a) V = 7,95 m3; b) 790 mm Hg)

A.64 Un bussejador conté 1 L d’aire en els seus pulmons, a la pressió atmosfèrica de 760 mm Hg i a una temperatura ambient de 25 °C. a) Si es submergeix a certa profunditat on la pressió val 960 mm Hg i la temperatura de l’aigua es redueix a 15 °C, calculeu el volum que ocuparà l’aire dels seus pulmons. b) Calculeu quina pressió suportarà el bussejador si a la mateixa temperatura del cas “a”, el volum dels pulmons se li redueix a 500 mL. c) Indiqueu en tots els casos quines lleis utilitzeu per als càlculs que feu.(R: a) V = 0,77 L; b) 1469 mm Hg)

A.65 Un venedor de globus té un recipient de 30 L ple d’heli a la temperatura de 20 °C i sotmès a una pressió de 6080 mm Hg. a) Calculeu el nombre de globus de 2 L que podrà omplir a la pressió d’1 atm i a la temperatura de 30 °C. b) Si el globus rebenta quan la pressió són 3 atm, a quina temperatura l’hem d’escalfar per a què rebente?(R: a) 124 globus; b) 909 K = 636 °C)

A.66 Si escalfem aire en un recipient tancat ¿canvia la seua densitat? ¿I si escalfem aire en un recipient obert?

A.67 Ens diuen que un recipient conté oxigen i un altre de volum igual hidrogen, ambdós a la mateixa pressió i temperatura. Compareu:a) la massa que conté cada recipient;b) les molècules que hi ha en cada recipient;c) la quantitat de mols de gas que conté cada recipient.

A.68 Una quantitat de gas donada ocupa un volum de 25 L a 27 °C i 2 atm de pressió. Determineu el volum que ocuparà la mateixa quantitat de gas a la temperatura -23 °C i la pressió de 2660 mm Hg.(R: 11,9 L)

A.69 Dos òxids de coure compleixen aquesta relació:ÒXID massa de coure (g) massa d'oxigen (g)

Òxid negre 198 50Òxid vermell 254 32

¿Amb quina llei estan d'acord aquests resultats? Raoneu la resposta.(R: Per a la mateixa massa d'oxigen: massa(Cu)vermell / massa(Cu)negre = 2)

A.70 Si fem reaccionar en distints recipients 4 g i 6 g de sofre amb oxigen, s'obtenen respectivament 10 g i 15 g de triòxid de sofre. a) Comproveu que es compleix la llei de les proporcions definides i determineu la quantitat de sofre que cal per a combinar-se amb 36 g d'oxigen sense que sobre cap reactiu. b) Determineu també la massa de triòxid de sofre que s'obté.(R: a) 4/6=6/9; 24 g S; b) 60 g triòxid de sofre)

1.30


A.71 Quan escalfem un tros de cinta de magnesi en presència d’aire s’obtenen 1,519 g d’òxid de magnesi per cada gram de magnesi cremat. Quina massa d’oxigen cal per a cremar 3,223 g de magnesi i quina massa d’òxid s’obté?(R: 1,673 g O; 4,896 g òxid de magnesi)

A.72 Quan mesclem pols d’alumini amb iode i afegim unes gotes d’aigua, la mescla crema virulentament i es forma iodur d’alumini. Si mesclem 2,345 g d’alumini amb suficient iode es formen 35,434 g de producte. Quina massa d’alumini cal per a reaccionar completament amb 10,223 g de iode i quina massa de producte s’obté? Digueu en quines lleis us baseu per a fer els càlculs.(R: 0,724 g Al; 10,947 g iodur d'alumini)

A.73 Dos òxids de clor, que anomenarem A i B, tenen la següent composició centesimal:

% Cl % OÒxid A 81,61 18,39Òxid B 59,66 40,34

a) Comproveu que s'hi compleix la llei de les proporcions múltiples de Dalton.

b) D’un altre experiment sabem que per a obtenir l’òxid A, cal que reaccionen 20 L de clor amb 10 L d’oxigen i s’obtenen 20 L de l’òxid A, tots els volums mesurats a la mateixa pressió i temperatura. D’aquesta informació deduïu raonadament la fórmula de l’òxid A i, a partir dels càlculs de l’apartat “a”, la fórmula de l’òxid B.

(R: b) òxid A: Cl2O; òxid B: Cl2O3)A.74 L'hidrogen (H2) reacciona amb l'oxigen (O2) per a formar vapor d'aigua

(H2O). a) Indiqueu la relació entre els volums de tots els gasos que participen en la reacció per tal que es complesquen les hipòtesis d’Avogadro. b) Omplim tres tubs amb una mescla d’hidrogen i oxigen amb la composició següent:

Tub V(H2) cm3 V(O2) cm3 V(H2O) cm3 V (excés) cm3

1 85 25

2 60 50

3 30 50

Indiqueu quin és el volum d’aigua formada i del gas que queda sense reaccionar en cada tub després de produir-se la reacció.(R: b) V en cm3 : tub 1: 50 H2O + 35 H2 ; tub 2: 60 H2O + 20 O2 ; tub 3: 30 H2O + 35 O2)

A.75 El nitrogen (N2) reacciona amb l'hidrogen (H2) per a formar el gas amoníac (NH3). a) Indiqueu la relació entre els volums dels diferents

1.31


gasos que participen en la reacció per tal que es complesquen les hipòtesis d’Avogadro. b) Omplim tres tubs amb una mescla d’hidrogen i nitrogen amb la composició següent:

Tub V(N2) cm3 V(H2) cm3 V(NH3) cm3 V (excés) cm3

1 25 85

2 40 60

3 50 30

Indiqueu quin és el volum d’amoníac format i del gas que queda sense reaccionar en cada tub després de produir-se la reacció. (R: b) V en cm3 : tub 1: 50 NH3 + 10 H2 ; tub 2: 40 NH3 + 20 N2 ; tub 3: 20 NH3 + 40 N2)

CÀLCULS AMB MOLS EN GASOSA.76 Determineu la densitat de l'hidrogen molecular en condicions normals.

(R: 0,089 g/L)A.77 Una mostra de 625 mg d'un gas desconegut ocupa un volum de

175 mL en condicions normals. Determineu la seua massa molar.(R: 80,0 g/mol)

A.78 Determineu la massa de 5 L d'aire mesurats a 20 °C i 740 mm Hg si la densitat de l'aire en condicions normals val 1,293 g/L?(R: 5,87 g)

A.79 Determineu la massa molar d'un gas si sabem que 10,2 L d'aquest gas, mesurats en a 25 °C i 1140 mm Hg, tenen una massa de 20 g.(R: 32 g/mol)

A.80 Quaranta mols d'un gas A ocupen 1600 L a una certa pressió i temperatura. A la mateixa pressió però a una temperatura cinc vegades menor, ¿quin volum ocuparan 31 mol d'un altre gas B, la massa molar del qual és cinc vegades superior a la d'A?(R: 248 L)

A.81 Un recipient conté 67,2 L d'aire en condicions normals. Coneguda la composició en volum de l'aire (79 % N2, 21 % O2), determineu la massa de cada element (nitrogen i oxigen) que hi ha al recipient.(R: 20,2 g d'oxigen i 66,4 g de nitrogen)

CÀLCULS AMB QUANTITATS DE SUBSTÀNCIAA.82 Aquests esquemes representen mostres de diferents substàncies.

Indiqueu si es tracta d'una substància simple, una composta o una mescla. Quants elements diferents hi apareixen?¢¢

¢¢ ¢¢® ¤ ¤ ¨ ¢¢

l l l l l l

£¢ £¢ £¢

1.32


A.83 En el balançó d'una balança col·loquem 3 mol de carbonat de calci, CaCO3. Quants mols d'hidròxid de sodi, NaOH, cal col·locar en l'altre balançó per tal d'equilibrar la balança?(R: 7,5 mol)

A.84 Quina massa d'hidrogen conté 1 kg d'àcid oxàlic de fórmula C2O4H2?(R: 22,2 g)

A.85 La fórmula del sulfat de quinina és (C20H24N2O2)2·H2SO4·nH2O i, segons una anàlisi, el contingut en aigua és del 16 %. Calculeu el valor que té n.(R: n = 8)

A.86 Tenim 10 g de N2O4 i n'eliminem 3,11·1022 molècules. Calculeu:a) grams i mols de N2O4 que queden;b) grams i àtoms de N i O que queden.(R: a) 5,28 g i 0,057 mol N2O4; b) 1,60 g N i 3,65 g O, 6,87·1022 àtoms N i 1,37·1023

àtoms O)A.87 Indiqueu en quin cas hi ha major nombre d'àtoms:

a) en 3,27 g de SO3 ;b) en 0,111 mol de SO3 ;c) en 1,012·1023 molècules de NH3 ;d) en 0,375 L de N2 mesurats en condicions normals;e) en 1 L de NO2 mesurat a 17 °C i 700 mm Hg.(R: Només cal calcular els mols d'àtoms: a) 0,164 mol d'àtoms; b) 0,444 mol d'àtoms; c) 0,672 mol d'àtoms; d) 0,033 mol d'àtoms; e) 0,116 mol d'àtoms. Per tant en "c" hi ha més àtoms)

A.88 Una mescla conté només la substància X pura i la substància Y pura. La massa total de la mescla és 3,72 g i el nombre de mols total és 0,06 mol. Si la massa molar de la substància Y és 48 g/mol i en mescla hi ha 0,02 mol de la substància X, determineu la massa molar de la substància X.(R: 90 g/mol)

COMPOSICIÓ CENTESIMAL I FÓRMULES QUÍMIQUESA.89 En l'anàlisi de 0,567 g d'un silicat s'han trobat 0,484 g de SiO2. Quin

percentatge de l'element silici conté el mineral?(R: 39,9 % Si)

A.90 Un compost desconegut conté fòsfor. Per a conèixer el percentatge en massa d'aquest element es prenen 0,797 g del compost i, després d'una sèrie de transformacions, s'obtenen 1,086 g de pirofosfat de magnesi (Mg2P2O7). Es demana: a) calculeu el nombre total d'àtoms que hi ha en el producte obtingut; b) calculeu el percentatge en massa de fòsfor que conté el compost original.(R: a) 3,23·1022 àtoms ; b) 37,9 % de P)

A.91 Calculeu la composició centesimal dels compostos:a) mini, òxid doble de plom(II) i plom(IV), Pb3O4 (2PbO·PbO2);b) dicromat de potassi, K2Cr2O7.(R: a) 90,7 % Pb; 9,3 % O. b) 26,5 % K; 35,4 % Cr; 38,1 % O)

1.33


A.92 El sulfat de zinc es pot utilitzar com a suplement diari en els casos en què hi ha insuficiència de zinc. Aquest compost cristal·litza com a sal hidratada i es dissol fàcilment en aigua. Per a conèixer la quantitat d'aigua de cristal·lització s’escalfaren 3,72 g de sulfat de zinc hidratat fins a obtenir una massa constant. La mostra de la sal anhidra tenia una massa de 2,09 g de sulfat de zinc pur. Determineu:a) Mols de sulfat de zinc en els 2,09 g.b) Mols d'aigua eliminades en escalfar.c) Quin és el valor d’X en la fórmula ZnSO4·XH2O?d) Quants mols de sulfat de zinc hidratat són necessaris per a ingerir

15 mg de zinc pur al dia?e) Si prenguérem el sulfat de zinc amb una dosi beguda de 5 cm3,

calculeu la concentració en mol/L de la sal hidratada per tal de subministrar-nos la quantitat de zinc recomanada.

(R: a) 0,0129 mol; b) 0,091 mol; c) 7; d) 2,3·10-4 mol; e) 0,046 mol/L)

A.93 Hem obtingut un fluorur d'oxigen que conté el 32,1 % de fluor i el 67,9 % d'oxigen. Determineu la seua fórmula empírica.(R: O5F2)

A.94 Determineu la fórmula més senzilla d'un compost que conté el 49,7 % de niobi i el 50,3 % de fluor.(R: NbF5)

CÀLCULS AMB DISSOLUCIONSA.95 La sal comuna s'obté en les salines de Torrevella i Santa Pola per

evaporació de l'aigua de mar. Si suposem, en primera aproximació, que l'aigua de mar és una dissolució aquosa al 3,5 % en massa de NaCl i la seua densitat és 1,015 g/mL, quin volum d'aigua de mar caldria evaporar per a obtenir 1 kg de sal?(R: 28,15 L)

A.96 El goll és una malaltia de la glàndula tiroides causada per una falta de iode en la dieta. Per evitar-la s'utilitza sal iodada, que conté un 99,98 % de NaCl i un 0,02 % de KI. Quants mols d’ió clorur hi ha per cada mol de ió iodur en la sal iodada?(R: 14250 mol)

A.97 Quina massa d'àcid sulfúric del 96 % cal agafar per a preparar 150 g d'àcid al 15 %?(R: 23,4 g)

A.98 Determineu el volum que cal per tal de dissoldre 3,27 g de clorat de potassi, KClO3, per a obtenir una dissolució de concentració 0,125 mol/L.(R: 213,6 mL)

A.99 Calculeu la massa de carbonat de sodi, Na2CO3, que hi ha en 300 mL de dissolució 0,053 mol/L.(R: 1,685 g)

1.34


A.100 Agafem 25 mL de HCl 0,2 mol/L i els diluïm fins a obtenir 500 mL de dissolució. Calculeu la molaritat de la dissolució que resulta.(R: 0,01 mol/L)

A.101 Calculeu la molaritat d'un àcid clorhídric, HCl, de densitat 1,165 g/mL i una riquesa en massa de 33,16 %.(R: 10,58 mol/L)

A.102 Determineu quin volum en mL d'àcid nítric, HNO3, concentrat de densitat 1,485 g/mL i riquesa en massa de 91,13 % cal diluir per a obtenir 750 mL de dissolució 0,2 mol/L.(R: 7,0 mL)

A.103 Determineu quants mL d'amoníac aquós (dissolució de NH3) del 25 % i densitat 0,91 g/mL calen per a preparar les següents dissolucions:a) 2 litres de concentració 0,1 mol/L;b) 250 g al 5 %?(R: a) 15,0 mL ; b) 54,9 mL)

A.104 Tenim 25 mL d'una dissolució de clorur de bari que contenen 2,51 g de BaCl2·2H2O i la seua densitat és 1,07 g/mL. Calculeu la concentració de la dissolució en percentatge i en molaritat.(R: 9,38 % ; 0,4 mol/L)

1.35


A.105 Comenteu aquest text i expliqueu quin era l'objectiu principal de l'alquimista:

El canvi químic produït per l'home apareix en els primers temps de la seua aparició amb la descoberta del foc. Les primeres transformacions químiques tenien com a objectiu fonamental la subsistència.

Molt més tard es cercaren transformacions amb d'altres finalitats, especialment a l'Edat Mitjana quan apareixen uns personatges dedicats a la transformació de materials que se'ls va anomenar alquimistes i van estar envoltats de grans polèmiques, fins al punt que arribaren a estar prohibits. El Papa Joan XXII (1316-1334) digué contra els alquimistes: "Quan no troben la veritat la inventen, s'atribueixen un poder que no tenen, amaguen la seua mentida mitjançant discursos i, finalment, gràcies a acords enganyosos, fan passar per or o argent allò que no ho és."

La defensa de la professió de l’alquimista apareix en el tractat intitulat "De Alchymia" escrit sota el nom fals d’Albert el Gran, i deia: "L’alquimista haurà de ser discret i silenciós; no revelarà a ningú el resultat de les seues operacions. Ocuparà, allunyat de les persones, una casa particular on tindrà dues o tres habitacions destinades exclusivament a les seues operacions. Serà pacient, constant i perseverant; bastant ric per a realitzar la despesa que exigeixen les seues operacions. Al capdavall, evitarà especialment tota relació amb els prínceps i senyors".... "Si tens la desgràcia d’estar entre prínceps i reis et preguntaran sense descans: Mestre ¿com va l’obra? ¿quan veurem cosa bona? Plens d’impaciència et diran estafador i brivall. Si no aplegues a un resultat positiu sentiràs l’efecte de tota la seua còlera. I si tens èxit, et mantindran captiu i et faran treballar per al seu profit."

¤

1.36

Documents

· Web view2016-10-04 · SUBSTÀNCIA PURA COMPOSTA. és una substància pura que encara es pot separar en substàncies pures més simples per mitjà de reaccions químiques,