LES SUBSTÀNCIES PURESspain-s3-mhe-prod.s3-website-eu-west-1.amazonaws.com/bcv/...Mescles Quan les substàncies pures (elements o compostos) es troben en estat sòlid poden formar

01CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES

En aquesta unitat aprendràs a:

j Identifi car els elements que formen els compostos.

j Representar gràfi cament els diferents estats en què es

pot trobar qualsevol substància pura segons la pres-

sió i la temperatura, mitjançant diagrames de fases.

j Aplicar la liofi lització a alguns processos.

j Eliminar productes industrials nocius.

j Calcular l’energia necessària per canviar d’estat una

substància pura.

j Deduir l’equació dels gasos ideals a partir de consi-

deracions teòriques.

j Esbrinar com varia la difusió dels gasos en funció de

la seva massa atòmica.

10 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01

El carbonat de calci natural també té dues formes de cristal.lització: la calcita (sistema romboèdric) i l’ara-gonita (sistema ròmbic). Tant la calcita com l’aragonita són CaCO3. Aquest fenomen s’anomena di-morfisme.

Les substàncies pures també s’ano-menen espècies químiques.

j 1.1 Les substàncies pures dins la classifi cació de la matèria

Les substàncies pures només poden ser elements químics (per exemple, sofre o hidrogen) o compostos formats per elements (per exemple: aigua, H2O, o carbonat de calci, CaCO3).

Si barregem dos o més elements o compostos obtenim una mescla, que no és una substància pura.

Matèria

Heterogènia Mescles heterogènies (sang)

Homogènia

Substàncies pures

Dissolucions (sal en aigua)

Elements (coure)

Compostos (sacarosa)

Mescles

Quan les substàncies pures (elements o compostos) es troben en estat sòlid poden formar cristalls. Un mateix compost pot cristal.litzar de maneres diferents. Aquest fenomen s’anome-na polimorfi sme. Per exemple, el carboni es pot trobar en forma de grafi t, cristal.litzat en sistema hexagonal, o en forma de diamant, cristal.litzat en sistema cúbic.

Un sol element pot formar substàncies diferents, perquè els seus àtoms s’enllacen de manera diferent. Aquest fenomen rep el nom d’al.lotropia. Per exemple, l’oxigen, O2, i l’ozó, O3, són varietats al.lotròpiques d’un mateix element (l’oxigen), de la mateixa manera que el grafi t i el diamant ho són del carboni.

Mescles Compostos

Tenen les propietats dels seus components. Si es barregen llima-dures de sofre i ferro, la mescla té les propietats del sofre i del ferro.

Tenen propietats específi ques pròpies i no les dels elements consti-tuents. Així, l’àcid nítric, HNO3, no té absolutament cap semblança amb el nitrogen, l’oxigen i l’hidrogen que el constitueixen.

La formació d’una mescla no comporta cap bescanvi energètic amb l’entorn o, en tot cas, és negligible.

La formació d’un compost comporta un bescanvi energètic impor-tant amb l’entorn (reacció endotèrmica o exotèrmica).

Els components de les mescles es poden separar per mitjans físics, com ara la fi ltració, la decantació, la sedimentació, la centrifugació, l’evaporació, la destil.lació, les extraccions sòlid-líquid i líquid-líquid, la cristal.lització i la cromatografi a.

Els constituents dels compostos no es poden separar per procedi-ments físics, sinó que cal emprar mitjans que modifi quin química-ment la combinació, com ara l’electròlisi.

Les mescles, en general, poden existir en qualsevol proporció dels seus components. El sofre i el ferro, per exemple, els podem barrejar en qualsevol proporció.

Els compostos es formen a partir dels elements en una proporció invariable. Per exemple, cada àtom d’oxigen de l’aigua, H2O, va acom-panyat forçosament de dos àtoms d’hidrogen.

1> Esbrina quines diferències hi ha en les varietats al.lo-tròpiques del fòsfor blanc i del fòsfor roig.

2> El sofre té al.lotropia. Cerca’n les varietats.

ACTIVITATS

Taula 1.1. Diferències principals entre els compostos i les mescles.

11CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01

j 1.2 Elements i compostos. Obtenció dels elements dels compostos

Els elements es troben combinats químicament entre ells formant compostos que tenen unes propietats absolutament diferents de les dels elements constituents. Per exemple, els òxids de nitrogen, NxOy, són compostos de nitrogen i oxigen que no recorden gens les propietats dels dos elements constituents.

Per contra, en l’aire, que es defi neix com una mescla bàsicament de molècules de nitrogen i d’oxigen, els elements constituents es poden separar mitjançant diferents procediments, com ara la refrigeració, fi ns a arribar a la liquació i la destil.lació posterior de l’aire líquid obtingut. Els dos constituents tenen diferent volatilitat, ja que les molècules de nitrogen són més peti-tes i destil.len a una temperatura més baixa que les d’oxigen, més grans. Per tant, si es con-trola la temperatura de destil.lació, es poden separar els dos elements.

Molts compostos es poden separar en els seus elements per diferents mètodes, alguns dels quals s’esmenten tot seguit:

j Descomposició. Aquest mètode només es pot emprar en alguns casos. Per exemple, l’òxid de mercuri(II), HgO, si l’escalfem, es descompon en oxigen gasós i mercuri metàl.lic:

2 HgO(s) � 2 Hg(l) 1 O2(g) �

j Reducció. Un procediment molt utilitzat en metal.lúrgia és l’aïllament dels metalls mitjan-çant la reducció amb carbó o un altre reductor potent. D’aquesta manera, es pot aïllar el ferro dels seus òxids, FeO, Fe2O3 i Fe3O4. L’estany també es pot aïllar del SnO2; i el zinc, del ZnO:

2 FeO(s) 1 C(s) � 2 Fe(s) 1 CO2(g) �

j L’electròlisi. Una manera usual de separar els elements d’un compost és mitjançant l’elec-tròlisi, un procés electroquímic que provoca el canvi químic gràcies a l’electricitat.

L’electròlisi es produeix sempre en fase líquida. Aquest líquid, anomenat electròlit, ha de ser conductor elèctric, i perquè ho sigui cal que contingui ions, positius i negatius. Com que té càrrega elèctrica, pot conduir l’electricitat si hi apliquem una diferència de potencial elèctric. Els ions poden provenir d’un mineral en estat fos o d’una solució líquida:

j Si es tracta d’un mineral fos, per exemple bauxita, Al2O3 hidratat, el líquid fos conté ions Al31 i ions O22. En aquest cas, el Al2O3 és un electròlit de primera espècie.

j En canvi, si es tracta d’una solució, per exemple de clorur de sodi en aigua, l’aigua gairebé no està ionitzada en H1 i OH2, però conté ions Cl2 i ions Na1, que són els responsables de la conductivitat elèctrica. En aquest cas, el NaCl(aq) és un electròlit de segona espècie.

Algunes de les aplicacions indus-trials més importants de l’electrò-lisi són l’obtenció de l’alumini i del coure pur. El paper d’alumini, per exemple, permet conservar millor els aliments i coure a la pa-pillota. En aquest tipus de cocció s’embolica amb un full de paper d’alumini un aliment, generalment carns i peixos, per coure’l al forn.

Fig. 1.1. L’electricitat provoca el trencament de la molècula d’aigua en hidrogen i oxigen (gasos).


La conductivitat elèctrica és deguda als ions positius o cations, i als negatius o anions. Sem-pre s’esdevé un canvi químic prop dels elèctrodes o borns de contacte amb l’electròlit.

Els elèctrodes són dues barres, de metall o de grafi t, connectades als borns d’un generador de corrent continu de baix voltatge. Un elèctrode és positiu i l’altre negatiu:

j Ànode, és l’elèctrode positiu.

j Càtode, és l’elèctrode negatiu.

Els elèctrodes han de ser d’un material adient que no reaccioni amb el compost que volem separar en els elements constituents, és a dir, han de ser inerts per a la reacció electroquímica en qüestió.

Com a exemple, estudiarem una electròlisi senzilla: la de la sal comuna fosa. Introduïm el NaCl en un recipient o cubeta anomenada cel.la electrolítica (fi g. 1.2) i l’escalfem fi ns a fon-dre’l. Fem passar un corrent elèctric de pocs volts entre els dos elèctrodes que estan en con-tacte amb la sal fosa.

Observem que de l’ànode es desprenen bombolles de clor, Cl2, mentre que al càtode, es dipo-sita el sodi, Na, que sura damunt la sal fosa. L’equació corresponent és:

2 NaCl(l) � 2 Na(s) 1 Cl2(g) �

Fig. 1.2. Esquema de l’electròlisi del NaCl fos.

Els primers experiments sobre l’electròlisi daten de l’any 1800. W. Nicholson i A. Carlisle van fer passar el corrent d’una pila de Volta a través d’una dissolució d’aigua acidulada, de manera que es van obtenir hidrogen i oxigen gasosos.

2 H2O(l) � 2 H2(g) � 1 O2(g) �

El PVC o policlorur de vinil es pro-dueix a partir d’etilè o etè i de clor obtingut de l’electròlisi de la sal comuna (clorur de sodi).

3> Cerca informació d’altres aplicacions industrials de l’electròlisi.

4> Esbrina per què van acidular l’aigua Nicholson i Carlisle.

5> Informa’t sobre què són els cromats i niquelats de l’acer.

ACTIVITATS


j 1.3 Diagrama de fases d’una substància pura

Hi ha diferents maneres de saber si una substància és pura o no. La més senzilla consisteix a obtenir-ne la corba d’escalfament. Si una substància és pura, durant el canvi d’estat (per exemple, de sòlid a líquid o a l’inrevés) la temperatura de la substància és constant.

La temperatura d’un canvi d’estat té un valor concret per a una pressió ambiental determina-da. Per exemple, a una pressió atmosfèrica normal (101,3 kPa), quan fem bullir aigua pura líquida i passa a gas, la temperatura d’ebullició es manté a 100 °C. Mentre hi hagi una mica d’aigua líquida, el conjunt aigua líquida-gas es mantindrà a 100 °C. Just en el moment en què s’hagi evaporat la darrera gota líquida, l’aigua en estat gasós pujarà de temperatura si la con-tinuem escalfant (fi g. 1.3). L’aigua en estat gasós se sol anomenar vapor d’aigua.

En canvi, en vaporitzar-se aigua salada, el punt d’ebullició va pujant i no és constant. La fase líquida es va concentrant en sal a mesura que es vaporitza aigua. L’aigua salada, per tant, no és una substància pura, és una mescla.

Tota substància pura, element o compost, sòlida o líquida, desprèn una certa quantitat de vapor, per petita que sigui. La pressió a què està aquest vapor en un recipient en el qual no-més hi ha la substància i el seu vapor s’anomena pressió de vapor, i és un valor defi nit per a cada substància i per a una temperatura determinada. Per exemple, l’aigua pura a 30 °C té una pressió de vapor de 0,0418 atm, i a 93 °C, de 0,840 atm. Si l’aigua conté sals o altres produc-tes dissolts, és a dir, si no és pura, la pressió de vapor és inferior, i varia segons la quantitat de producte dissolt que conté (llei de Raoult).

En el punt triple poden coexistir les tres fases: sòlida, líquida i gasosa. S’esdevé a una pressió i temperatura úniques (punt invariable) (fi g. 1.4).

La sublimació s’utilitza en la liofi lització de substàncies. La liofi lització és una operació que consisteix en una congelació seguida d’una deshidratació posterior per sublimació. S’efectua en un recipient en el qual s’ha fet el buit. Cal evitar que el glaç format es fongui durant l’ope-ració, per la qual cosa es treballa a una temperatura inferior al punt triple.

760

4,58

B

O

sòlid

líquid

punt triple

gas

AC

0,01º 100º T (ºC)

fusió

solidificació

vaporització

condensació

sublimació

Fig. 1.3. Diagrama dels canvis d’estat d’una subs-tància pura en funció de la temperatura.

Fig. 1.4. Diagrama d’equilibri de fases de l’aigua. A una pressió inferior a la del punt triple, l’aigua pot passar d’estat sòlid a estat gasós sense passar per estat líquid, és a dir, pot sublimar.

La relació entre la pressió de va-por d’una dissolució i la pressió de vapor del dissolvent pur ve dona-da per la llei de Raoult, que esta-bleix que en una dissolució en què el solut no és volàtil, el des-cens relatiu de la pressió de vapor és igual a la fracció molar del so-lut, segons l’expressió següent:

Dp—— 5 xs, o bé Dp 5 xs ? p0

p0

En què Dp és la disminució de la pressió de vapor, és a dir, la dife-rència entre la pressió de vapor del dissolvent pur i la pressió de vapor de la dissolució, xs és la fracció molar del solut i p0 és la pressió de vapor del dissolvent.

Si fem el mateix procés a una pressió atmosfèrica diferent, per exemple creant un buit parcial, l’aigua bullirà a una temperatura inferior. Una olla de pressió a la cuina treballa a pressió superior a l’atmosfèrica i, per tant, els lí-quids aquosos del seu interior po-dran estar a més de 100 °C. Així, doncs, els aliments es couran amb més rapidesa.

Les baixes temperatures en la lio-filització eviten alteracions quí-miques i pèrdues de components volàtils. Les baixes temperatures i la manca d’aigua eviten el desen-volupament de microorganismes que podrien fer malbé els produc-tes alimentaris i ocasionar proble-mes sanitaris.

ACTIVITATS

6> Esmenta un parell d’exemples d’aliments liofilitzats. 7> Com obtindries llet concentrada (amb menys aigua) al laboratori sense que es malmetés?


j 1.4 Canvis d’estat

j A. Sòlid-líquid

En els sòlids, les partícules —molècules, àtoms o ions, segons el tipus de sòlid— no es poden moure, només vibren al voltant d’una posició fi xa. Això és així perquè la seva energia tèrmica no pot vèncer les forces d’atracció entre elles (fi g. 1.5).

Quan escalfem un sòlid es transmet energia a les seves partícules, la qual les fa vibrar més ràpidament, de manera que se separen una mica més les unes de les altres i augmenta una mica el volum del sòlid. Quasi tots els cossos sòlids es dilaten en escalfar-los.

Quan s’arriba a la temperatura de fusió, Tf, l’agitació de les partícules és prou gran perquè s’allunyin de les posicions fi xes al voltant de les quals vibren, i el cos fon.

L’ordre cristal.lí del sòlid es trenca i les partícules es mouen i xoquen les unes amb les altres. Si el sòlid és amorf, o no és una substància pura, la temperatura de fusió, Tf, no es manté constant; és a dir, no hi ha un únic punt de fusió, sinó que es mou en un marge de valors.

La quantitat de calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa passi de l’estat sòlid a l’estat líquid s’anomena calor latent de fusió, lf.

La calor latent de fusió, lf, té el mateix valor que la calor latent de solidifi cació, ls, que correspon al procés de solidifi cació o pas d’estat líquid a estat sòlid.

j B. Líquid-gas

En els líquids, les partícules es poden moure perquè tenen una energia cinètica més gran que en el sòlid. Quan els líquids s’evaporen, algunes de les partícules amb energia més alta acon-segueixen separar-se de les del seu voltant i passar a vapor. Per fer-ho han d’agafar energia de l’entorn, i per això la temperatura del líquid baixa. Aquest fenomen el podem observar fàcil-ment si ens posem acetona al palmell de la mà i deixem que s’evapori: la mà es refreda perquè la calor corporal ha servit per evaporar l’acetona.

El trànsit de líquid a gas es pot realitzar per evaporació o per ebullició. En tots dos casos s’esdevé una vaporització.

j L’evaporació és un fenomen superfi cial que es produeix a qualsevol temperatura. Només unes quantes partícules properes a la interfase líquid-gas es poden escapar.

j En l’ebullició tot el líquid assoleix una temperatura sufi cient perquè les partícules puguin passar a fase gas o vapor. Si la substància és pura, la temperatura d’ebullició, Te, es manté constant.

La calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa d’una substància es vaporitzi, s’anomena calor latent de vaporització, lv.

La calor latent de vaporització és igual a la calor latent de condensació, lc, que correspon al procés de condensació o pas d’estat gasós o vapor a estat líquid.

La calor de vaporització ens dóna un valor aproximat de les forces d’enllaç entre les partícules d’un líquid. En passar de sòlid a líquid la substància només es desordena una mica, i es man-tenen en bona part els enllaços entre partícules. En canvi, en passar de líquid a gas aquests enllaços s’han de trencar tots. Per això la calor de vaporització és molt més gran que la calor de fusió.

Fig. 1.5. Partícules d’un sòlid vibrant a l’entorn de posicions fi xes.

Fig. 1.6. Diagrama dels canvis d’estat.


j C. Sòlid-gas

Els líquids purs a una temperatura determinada tenen una pressió de vapor característica. En els sòlids també existeix la pressió de vapor, si bé en una magnitud que sol ser molt inferior. Si les partícules del cristall vibren prou enèrgicament, poden vèncer les forces cristal.lines de cohesió que les enllacen i les partícules perifèriques poden arribar a passar a l’estat gasós. En aquest cas, diem que el sòlid sublima.

Cada sòlid té una pressió de vapor característica a una temperatura determinada. Per exem-ple, l’aigua sòlida a 0 °C té una pressió de vapor de 0,00605 atm. Si escalfem aigua sòlida que estigui a una temperatura una mica inferior als 0 °C en un recipient que estigui a una pressió per sota de 0,00605 atm —creada mitjançant el buit—, l’aigua passa directament d’estat sòlid a estat gasós. Passa el mateix si el gel està en contacte amb un aire molt sec, sempre que el vapor d’aigua sigui el que tindria si estigués sol en el mateix volum, a la pressió de 0,00605 atm o menys.

La pressió de vapor dels sòlids, com la dels líquids, creix amb la temperatura.

Un altre exemple característic de sublimació és el del gel sec, que és CO2 sòlid que es fa servir per refrigerar aliments, el qual sublima sense fondre a pressió atmosfèrica, perquè la pressió del CO2 a l’atmosfera és més baixa que la pressió de vapor del sòlid (fi g. 1.7).

La quantitat de calor necessària per sublimar la unitat de massa en estat sòlid fi ns a l’estat gasós a pressió atmosfèrica s’anomena calor latent de su blimació.

Observeu la fi gura 1.4. Les corbes representen els valors simultanis de p i T en els quals dues fases d’aigua poden coexistir en equilibri. Per exemple, l’aigua sòlida coexisteix amb l’aigua en estat gasós (vapor) en tots els valors de p i T corresponents a la línia OB. Anàlogament, en els valors de p i T de la corba OC coexisteixen el glaç i l’aigua líquida. En les condicions de p i T corresponents a la línia OA coexisteixen l’aigua líquida i l’aigua gasosa.

En el punt O, anomenat punt triple, poden coexistir les tres fases en equilibri. El punt triple de l’aigua correspon a una pressió de 0,00603 atm i a una temperatura de 0,01 °C.

Les zones entre corbes corresponen a condicions de p i T en què només pot existir aigua en una sola fase.

Fig. 1.7. El diòxid de carboni en un ex-tintor es troba en estat líquid i a pressió elevada. A pressió atmosfèrica només pot estar en fase sòlida, i sublima.

ACTIVITATS

8> Investiga per què:

a) S’eixuga la roba mullada tant si fa vent com si fa calor.

b) L’aigua dels càntirs i sellons de material porós es manté fresca si es col.lo-quen en un lloc on hi hagi corrent d’aire, sempre que es tracti d’aire sec.

c) Les samarretes de cotó a l’estiu donen sensació de frescor si fa corrent d’aire.

9> Sabent que el cotó té moltíssims grups OH en les seves molècules i que el niló no en té cap, esbrina per què costa molt més eixugar el cotó mullat que el niló.

10> Si tenim gel a 20,5 ºC i hi apliquem un buit inferior a 0,0367 atm, què penses que passarà?

11> És possible teòricament tenir aigua líquida a una pressió inferior a 0,0306 atm?

12> Agafa un vidre de rellotge, posa-hi una mica de iode sòlid i tapa-ho amb un altre vidre de rellotge invertit. Escalfa-ho amb un llumí per sota. Fes una des-cripció del que passa i dóna’n una explicació.


j 1.5 Teoria cineticomolecular dels gasos

La matèria sòlida es compon de partícules que vibren i no es traslladen.

En els líquids, en canvi, les partícules ja es mouen una mica i canvien de posició.

En els gasos, les partícules tenen llibertat total de moviment. El moviment que anima aques-tes partícules depèn de la temperatura. Com més elevada és la temperatura, més energia tenen les partícules i més ràpidament vibren i es mouen. L’energia cinètica de les partícules depèn, doncs, de la temperatura. Sabem que l’energia cinètica és:

1Ec 5 — m v2

2

en què m és la massa de la partícula i v és la velocitat.

Ara bé, no totes les partícules es mouen a la mateixa velocitat. Parlem, aleshores, d’una ener-gia cinètica mitjana a una temperatura determinada. Per a totes les partícules d’un gas es compleix que l’energia cinètica mitjana de cada molècula a la temperatura T és:

32Ec 5 — ? k ? T

2

en què k és la constant de Boltzmann, que val 1,38 ? 10223 J/K, i T la temperatura absoluta en kelvin.

Aquesta equació ens indica que:

j Dos gasos diferents, a la mateixa temperatura absoluta, tenen la mateixa energia cinètica mitjana.

j L’energia interna d’un gas depèn del moviment de les seves molècules; per tant, només de-pèn de la seva temperatura absoluta.

Si relacionem les dues equacions anteriors ens adonem que, en augmentar la temperatura, també augmenta la velocitat de les partícules i la seva velocitat mitjana. Si la temperatura és 0 K, l’energia cinètica mitjana també és zero. Això vol dir que, a mesura que la temperatura baixa, les partícules es mouen menys. Prop dels 0 K, les partícules de sòlid pràcticament no vibren.

També podem comprendre per què la pressió d’un gas augmenta en pujar la temperatura. En pujar la temperatura, l’energia cinètica de les partícules augmenta i, per tant, la seva velocitat creix; a més velocitat, hi haurà més xocs de les partícules amb les parets per unitat de temps, cosa que provoca una pressió més gran.

j A. Deducció de la llei dels gasos ideals a partir de la mecànica

L’equació d’estat:

p ? V 5 n ? R ? T

es pot deduir a partir de l’aplicació de la mecànica clàssica a les partícules d’un gas qual-sevol.

Com que les partícules dels gasos es mouen anàrquicament en totes direccions, l’estudi detallat i rigo-rós de la seva energia es fa des del punt de vista estadístic.


La teoria cineticomolecular parteix del desenvolupament d’uns postulats o principis ideals. Aquests postulats són:

j Un gas està format per partícules en moviment constant, que topen constantment entre elles. Les col.lisions són perfectament elàstiques.

j No hi ha atracció ni repulsió entre les partícules (ja sabem que això no és del tot cert; tan sols és una aproximació).

El fenomen de la pressió és degut a les col.lisions de les partícules amb les parets del recipient.

Suposem N partícules, cadascuna de massa m, contingudes en un volum V de forma cúbica (fi g. 1.8).

Les partícules, en moure’s, tenen associada una quantitat de moviment, que segons la mecà-nica és el producte de la massa per la velocitat:

L 5 m ? v(cap a la dreta)

Tanmateix, la velocitat és una magnitud vectorial i, per tant, cal tenir en compte el sentit del moviment. Així, quan la partícula en qüestió es dirigeix cap a la paret de l’esquerra (A), la quantitat de moviment que té és:

L 5 m ? (2v)(cap a l’esquerra)

En què el signe (2) indica que va en sentit contrari al positiu de l’eix de les abscisses (cap a la dreta). En col.lidir amb la paret A, es produeix un rebot completament elàstic; ara la partícula s’allunya de la paret A i té una quantitat de moviment:

L 5 m ? v

Per tant, la variació de la quantitat de moviment en aquesta col.lisió és la diferència entre les quantitats de moviment fi nal i inicial; és a dir:

DL 5 m ? v 2 m ? (2v) 5 2 m ? v

El temps que hi ha entre dues col.lisions consecutives amb la paret A és:

desplaçament 2 lDt 5 ——————— 5 ——

velocitat v

en què l és el costat del cub elemental (desplaçament 5 2 l, ja que la partícula va i torna).

També sabem que la força, F, és la variació de la quantitat de moviment per unitat de temps; és a dir: Dp 2 m ? v 2 m ? v m ? v2

F 5 —— 5 ——— 5 ——— 5 ——— Dt Dt 2 l/v l

Si la superfície de la cara elemental A del cub és S, obtindrem que en el xoc la pressió exer cida per la partícula sobre aquesta cara és:

F (m ? v2)/l m ? v2 m ? v2

p 5 — 5 ———— 5 ——— 5 ——— S l2 l3 V

en què V és el volum del cub elemental de l’estudi.

Del conjunt de totes les partícules, podem suposar, des del punt de vista estadístic, que 1/3 de les partícules es mou en direcció de l’eix de les X, un altre terç es mou en la de l’eix de les Y i, fi nalment, l’altre terç, en la de l’eix de les Z. Per tant, de tot el conjunt de les N partí-cules del cub elemental, només N/3 toparà amb la paret A. Com que hi ha partícules més ràpi-des que altres, la quantitat de moviment mitjana es correspondrà amb el que es coneix com a velocitat quadràtica mitjana de les partícules o 2v 2.

Fig. 1.8. Trajectòria d’una partícula que es dirigeix contra una paret.


Per tant, podem escriure que la pressió general sobre la cara A val:

m ? 2v 2 Np 5 ——— 5 —

V 3

Si NA és el nombre d’Avogadro, podem escriure qualsevol nombre N en funció de NA. És a dir:

N 5 n ? NA

en què n és la quantitat de matèria (en mols).

Si considerem que les N partícules en qüestió tenen una energia cinètica mitjana de:

1Ec 5 — m 2v 2

2

podem escriure l’equació de la pressió de la manera següent:

2p ? V 5 — ? n ? NA ? Ec

3

en què p és la pressió de totes les partícules.

L’energia cinètica de qualsevol gas és directament proporcional a la temperatura absoluta; és a dir:

Ec 5 K ? T

en què K és una constant.

Podem escriure, per tant:

2p ? V 5 — ? n ? NA ? K ? T

3

en què NA és el nombre d’Avogadro.

2El producte — ? NA ? K és una constant i correspon a la dels gasos ideals (R): 3 2

R 5 — ? NA ? K 3

I, en conseqüència, l’equació dels gasos es pot escriure d’aquesta manera:

p ? V 5 n ? R ? T

Aquesta fórmula s’aplica en la resolució d’exercicis pràctics sobre gasos i cal treballar en les unitats adients. En el SI, la pressió s’expressa en Pa, el volum en m3, la constant dels gasos és R 5 8,31 J/(K?mol) i la temperatura s’expressa en K. També és molt freqüent utilitzar les uni-tats següents: la pressió en atm, el volum en L, la constant dels gasos R 5 0,082 atm?L/(K?mol) i la temperatura en K.

1Segons l’equació Ec 5 — m v2, en 2una barreja de gasos, a la mateixa energia cinètica les molècules del gas més lleuger tindran una velo-citat mitjana més alta. A més, no totes les molècules del mateix gas van a igual velocitat; per tant, cal parlar d’una velocitat i una ener-gia cinètica mitjanes.

3 113> A partir de les dues equacions

2Ec 5 — ? k ? T i Ec 5 — m v2

2 2 dedueix si les molècules de dos gasos de masses di-

ferents tindran igual velocitat mitjana a la mateixa temperatura absoluta. Considera, per exemple, el N2 i el CO2.

Dades: massa del nitrogen 5 28 uma; massa del diòxid de carboni 5 44 uma.

14> Si la velocitat quadràtica mitjana es pot avaluar a partir

3 R T de l’equació 2v 5 fvvvvvvv ———, on R 5 8,314 J?mol21?K21, M T és la temperatura absoluta en kelvin i M és la massa

molar en kg?mol21, calcula la velocitat quadràtica mitjana de les molècules d’heli, de massa molecular 4 g?mol21 a 273 K de temperatura.

R: 2v < 1 305 m?s21

ACTIVITATS


j 1.6 Calor intercanviada en els canvis d’estat

Perquè una substància en estat sòlid passi a estat líquid, cal aplicar-hi una certa quantitat de calor, que depèn de la massa i de la calor latent de fusió, lf. Cal recordar que no tots els cossos sòlids, en ser escalfats, es fonen. Alguns, com la fusta o el paper, es descomponen o es cremen. D’altres, com ara els cautxús, les gomes, els polímers orgànics, els betums i els asfalts, no tenen un canvi d’estat defi nit.

A la taula 1.2 podem observar els valors d’algunes calors latents de fusió o solidifi cació. Cal destacar la gran quantitat de calor necessària per fondre l’aigua glaçada, sobretot si es com-para amb alguns metalls.

Perquè una substància en estat líquid passi a estat gasós, cal aplicar-hi una certa quantitat de calor, que també depèn de la massa i de la calor latent de vaporització, lv.

A la taula 1.3, podem observar els valors d’algunes calors latents de vaporització o condensa-ció. Cal destacar la gran quantitat de calor que necessita l’aigua per vaporitzar-se per compa-ració a les altres substàncies. Aquest fet té una importància cabdal en el transport de calor, ja que l’aigua-vapor permet traslladar grans quantitats d’energia, cosa que amb un altre fl uid no seria tan rendible econòmicament.

Substància lv (kJ/kg) Te (K)

Aigua 2 252,1 373

Èter 380,9 308

Mercuri 284,6 633

Etanol 870,7 351,5

La calor de canvi d’estat d’una massa m de substància, es calcula, evidentment, amb les ex-pressions següents:

Qv 5 m lv Qf 5 m lf

en què m és la massa en kg, i lv i lf són les calors latents de canvi d’estat en kJ/kg.

Només les substàncies pures tenen un valor de calor latent fix du-rant un canvi d’estat. A més, si aquestes substàncies són sòlides, cal que estiguin en estat cristal.lí. Per exemple, els polímers orgànics encara que siguin purs no acostu-men a ser cristal.lins, sinó sòlids amorfs o semicristal.lins. No tenen un punt de fusió definit, sinó que està inclòs dins un marge de va-lors.

Subs

tànc

ia

lf (

kJ/k

g)

T f (

K)

Aigua 330,7 273

Coure 175,8 1 356

Plom 23,0 600

Ferro 200,9 1 813

Taula 1.2. Calors latents de fusió o solidificació d’algunes substàncies a la pressió d’1 atm.

EXEMPLE 1

Calcula la quantitat de calor que cal aplicar a 5 kg d’aigua glaçada a 210 °C per dur-la a l’estat líquid i a una tempera-tura de 60 ºC.

Dades: Ce (gel) 5 2,09 kJ?kg21?K21; Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21;lf (glaç) 5 330,7 kJ?kg21

Resolució

La calor necessària per dur l’aigua glaçada de 210 °C a 0 °C es calcula per mitjà de l’expressió:

Q1 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 2,09 kJ?kg21?K21 ? 10 K 5 104,5 kJ

La calor necessària per fondre el gel a 0 °C es calcula així:

Qf 5 m ? lf 5 5 kg ? 330,7 kJ?kg21 5 1 653,5 kJ

La calor necessària per dur l’aigua líquida de 0 °C a 60 °C es calcula amb aquesta expressió:

Q2 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 4,18 kJ?kg21?K21 ? 60 K 55 1 254 kJ

Per tant, la calor total necessària és:

Q1 1 Qf 1 Q2 5 104,5 1 1 653,5 1 1 254 5 3 012 kJ

Taula 1.3. Calors latents de vapo-rització o condensació d’algunes substàncies a la pressió d’1 atm.

ACTIVITATS

15> a) Calcula la calor que cal aplicar, a pressió atmosfèri-ca, a 3 kg de plom a 327 °C per fondre’l completa-ment.

b) Calcula la calor que cal aplicar a 2 L de mercuri a 360 °C, per vaporitzar-lo.

Dades: densitat del mercuri: 13,6 kg/L.

R: a) Qf 5 69 kJ; Qv 5 7 741,12 kJ


j 1.7 Les activitats industrials i el medi ambient

La indústria consumeix una gran quantitat de matèries primeres i energia per obtenir produc-tes molt elaborats i de molta utilitat. En aquest procés, també s’obtenen subproductes de menys valor econòmic, que sovint es llencen, ja que no se’ls troba una aplicació prou rendible econòmicament. Aquests subproductes s’han de neutralitzar químicament abans de llençar-los i posteriorment s’han de portar a abocadors controlats. La tecnologia química permet elaborar productes reciclables nous.

La inquietud ecològica ha obligat a revisar alguns aspectes de la producció química. Tota empresa química moderna ha de tenir en compte l’impacte ambiental de les seves activi-tats productives i ha de saber com avaluar aquest impacte. Actualment, totes les empreses químiques haurien de disposar d’instruments de gestió ambiental i saber com minimitzar, gestionar i regular la producció de residus. Finalment, l’Administració governamental hauria d’impulsar la promoció de l’ecodisseny i la fabricació d’ecoproductes. Alguns criteris molt importants que cal tenir en compte són:

j Que els reactius no pol.lueixin.

j Que els productes obtinguts siguin reciclables.

j Que es minimitzin els productes de poc valor.

j Que s’optimitzi el balanç energètic del procés. El gran consum energètic exigeix en l’aspec-te ecològic:

— Limitar i optimitzar el consum dels combustibles fòssils.

— Limitar l’abocament d’efl uents líquids calents als rius: la contaminació tèrmica fa min-var el contingut d’oxigen de les aigües fl uvials.

Tot seguit analitzarem els principals components contaminants segons que siguin gasos, líquids o sòlids.

j A. Contaminants gasosos i de l’aire

Cal controlar les emissions gasoses nocives, especialment els gasos nitrosos, NxOy, el monòxid de carboni, CO, els òxids de sofre, SO2 i SO3, i les macropartícules en suspensió —aglome-rats de sòlids i líquids que contenen Al, Ca, Fe, Pb, Mg, Na, Be, Hg i asbest combinats amb nitrats, NO3

2, sulfats, SO422, i clorurs, Cl2.

La corrosió i el tractament de me-talls pesants perillosos, especial-ment del mercuri, el plom, el cad-mi i l’arsènic, són un altre camp en què la química intervé per mi-llorar el medi ambient.

La química pot ajudar a reduir els aspectes negatius que acompa-nyen tota activitat industrial.

Fig. 1.9. Els tubs d’escapament dels automòbils tenen catalitzadors de platí-rodi (Pt-Rh) que eliminen els gasos nitrosos i els transformen en N2 i O2, inno-cus. La reacció és: NxOy � x/2 N2 1 y/2 O2


La taula 1.4 mostra alguns exemples de contaminants gasosos i del seu origen o ús.

Producte contaminant Origen/Ús

Alcans Refi neries de petroli

Hidrocarburs del benzè (aromàtics) Evaporació de dissolvents industrials

Diòxids de sofre (SO2 i SO3) Combustió de certs combustibles fòssilsFosa i obtenció de metallsRefi neries de petroli

Sulfur d’hidrogen (H2S) Refi neries, indústria paperera i adobera

Halometans: clorometà i bromometà Incineració de plàstics halogenats (PVC)Fumigacions

Monòxid de carboni (CO) Elaboració d’acerRefi natge del petroliEliminació de residus sòlids

Hidrocarburs clorats Evaporació de dissolvents clorats

Freons (CF2Cl2 i CFCl3) (ja prohibits)

Macropartícules Benzina amb plom

Òxids de nitrogen (NxOy) CombustionsObtenció d’àcid nítric

Taula 1.4. Contaminants gasosos i el seu origen o ús.

Els freons són un exemple d’estabilitat: la poca reactivitat que tenen amb els agents atmos-fèrics els permet migrar fi ns a les capes altes de l’estratosfera, on es difonen lentament i es descomponen donant clor atòmic, Cl•, a causa de les radiacions solars. El clor atòmic reac-ciona immediatament amb l’ozó, O3, i el destrueix. L’ozó estratosfèric ens és imprescindible perquè és el fi ltre natural dels raigs ultraviolats solars. Per això fa anys que els freons estan prohibits.

Els productes gasosos tenen una mobilitat elevada. Imaginem-nos una barreja de gasos. Per saber quines molècules es mouen més de pressa en la barreja, si les de N2 o les de CO2, cal recórrer a la teoria cineticomolecular que, com hem vist, explica les desviacions respecte del comportament ideal dels gasos reals a baixes temperatures i altes pressions.

Les macropartícules més petites són molt nocives: travessen les narius, es dipositen als al-vèols pulmonars i provoquen malalties respiratòries serioses. Els òxids de sofre i de nitrogen són letals per a les plantes, i en presència d’humitat ataquen els revestiments dels edifi cis.

j B. Contaminants de l’aigua

Els abocaments industrials més nocius (fi g. 1.10) són els que contenen ions de metalls pe-sants com ara el plom, el zinc, el cadmi, el mercuri, el crom, el níquel o el coure. La matèria orgànica dissolta, l’alcalinitat o l’acidesa fortes, o l’alta temperatura també són pol.luents. La depuració de les aigües es pot fer de diverses maneres:

j Separació dels sòlids en suspensió col.loïdal: decantació, fl otació, fi ltració i fl oculació per obtenir grups de coàguls de partícules que precipiten o suren més ràpidament.

j Biodegradació de restes orgàniques. Les restes orgàniques acostumen a ser biodegrada-bles i es poden descompondre biològicament. Es fan reaccionar aeròbicament (amb aire) o anaeròbicament (sense aire). En el primer cas es produeix CO2 com a subproducte, i en el segon cas, metà, CH4. Certa matèria orgànica és difícilment biodegradable i cal eliminar-la per altres mitjans. Si després de depurar l’aigua, encara té color, olor o gust, cal fer una adsorció amb carbó actiu, que reté moltes de les molècules contaminants. El carbó es pot

Les emissions de gasos àcids com el SO2 de les centrals tèrmiques es poden minimitzar amb tractaments alcalins.


regenerar posteriorment per reutilitzar-lo, mitjançant l’escalfament a alta temperatura sense oxigen.

j Eliminació de substàncies inorgàniques. Les substàncies inorgàniques es poden eliminar de diferents maneres: precipitació, bescanvi iònic, electrodiàlisi, etc. La precipitació —que és el sistema més usual i econòmic— implica l’ús d’un reactiu que formi un compost inso-luble en el medi (que generalment és aquós). Un exemple de precipitació senzill és l’elimi-nació del crom(III) procedent de l’adobament de la pell. Els efl uents líquids amb crom es tracten amb calç apagada (hidròxid de calci, Ca(OH)2) i es forma hidròxid de crom(III), Cr(OH)3, força insoluble i que precipita. Posteriorment, aquest precipitat s’asseca parcial-ment i, fi nalment, es du a un abocador controlat. En aquestes condicions, el crom de l’hidròxid de crom(III) és innocu si no se’l modifi ca a un estat superior d’oxidació.

j Els bacteris, els protozous i altres microorganismes patògens s’eliminen generalment per oxidació amb clor gasós.

j Compostatge. En tot procés de depuració d’aigües s’obtenen fangs de productes sedimen-tats o fl otants, que, de vegades, estan carregats de productes nocius. Si aquests llots són de matèria orgànica biodegradable i no contenen metalls pesants (Pb, Hg, Cd, Cr, etc.) o elements i compostos nocius (As, productes clorats orgànics, etc.) en quantitat apreciable, se’n pot obtenir fertilitzant mitjançant el compostatge.

Les aigües residuals que es depuren solen ser col.loïdals.

Les concentracions dels contaminants químics generalment són molt petites i es poden ex-pressar de diverses maneres. Per exemple:

j En parts per milió o ppm: parts de contaminant per milió de parts de dissolució, que equi-val a mil.ligrams de contaminant per quilogram de solució.

j En parts per bilió o ppb: una ppb és la milionèsima part d’una ppm. En els països anglo-saxons, una ppb és la mil.lèsima part d’una ppm.

j Unitats de terbolesa: mesuren la transparència de la solució col.loïdal.

j Unitats de pH: mesuren el comportament àcid o bàsic de la solució.

j DBO5, DBO7 (demanda biològica d’oxigen) i DQO (demanda química d’oxigen): s’utilitzen quan els contaminants són productes orgànics degradables bioquímicament o químicament. DBO i DQO estan relacionades amb la quantitat d’oxigen necessària per oxidar la matèria orgànica mitjançant bacteris o oxidants químics.

L’anàlisi de les aigües exigeix la preparació al laboratori de solucions de diferents reactius.

Fig. 1.10. Abocament industrial nociu.

Per analitzar la sílice, SiO2, d’una aigua destinada a turbines de vapor, cal preparar una dissolució aquosa de molibdat d’amoni de concentració 0,4 mg/L. Expressa la concentració d’aquesta dissolució en mol/L (M) i parts per milió (ppm).

Resolució

La fórmula del molibdat d’amoni és (NH4)2MoO4, i la seva massa molecular, 196 g/mol. Calculem la molaritat de la dissolució:

0,4 ? 1023 g (NH4)2MoO4 1 mol (NH4)2MoO4——————————— ? ———————— 5 2,04 ? 1026 mol/L 5 2,04 ? 1026 M 1 L (NH4)2MoO4 196 g (NH4)2MoO4

En una dissolució tan diluïda com aquesta, podem considerar que la densitat és pràcticament la de l’aigua, és a dir, 1 g/mL. En aquestes condicions, els mg/L coin-cideixen numèricament amb les ppm:

0,4 mg/L 5 0,4 ppm

EXEMPLE 2


j C. Contaminants sòlids

Els residus sòlids, des del punt de vista químic, els podem classifi car segons el seu origen, urbà o industrial, o segons el que contenen:

j Radioactius.

j Explosius.

j Miners: poden ser inerts, com ara terres (generalment amb un fort impacte visual), o peri-llosos, si contenen un percentatge elevat de metalls nocius (recordeu la catàstrofe del parc nacional de Doñana a causa de l’arsènic).

j Provinents de laboratoris químics i de recerca.

j Llots de residus de pintures, de colorants, de rentats i buidats industrials, brossa domèstica i industrial.

j Embalatges difícils de biodegradar, plàstics, elastòmers (cautxú), pells, ferralla, encenalls, runes i fangs de tractament d’aigües.

EXEMPLE 3

En un laboratori tenim una dissolució aquosa d’àcid sulfúric de densitat 1,813 kg/L i del 91,3 % en massa. Calcula’n la molaritat.

Resolució

Les dades que coneixem de la dissolució ens informen que:

La massa d’1 L de dissolució és 1,813 kg 5 1 813 g.

100 g de dissolució estan formats per 91,3 g d’àcid sulfúric i 8,7 g d’aigua.

91,3 g H2SO4(aq) 1 813 g H2SO4(aq) 1 mol H2SO4———————— ? ———————— ? —————— 5 16,89 mol/L

100 g H2SO4(aq) 1 L H2SO4(aq) 98 g H2SO4

La dissolució d’àcid sulfúric és 16,89 M.

Es tracta, per tant, d’una dissolució força concentrada.

ACTIVITATS

16> Les calderes són generadors de vapor industrials que poden tenir aigua a tem-peratures de 200 ºC en estat líquid. Com és possible?

17> L’ozó és un contaminant important de l’aire que respirem. Quantitats molt petites són suficients perquè sigui el responsable de molts processos de degra-dació per oxidació de biopolímers. Què volem dir quan parlem de parts per bilió d’ozó en una atmosfera contaminada? Explica-ho amb detall.

18> Els mol.luscs, entre altra fauna marina, són especialment sensibles a la presèn-cia del mercuri. Les cloïsses, escopinyes, navalles, musclos i ostres no es de-senvolupen ni quan hi ha només 1 mg de mercuri per 100 Tn d’aigua. Com expressaries adequadament aquesta concentració de mercuri?

R: [Hg] 5 10 ppb

L’eliminació dels residus sòlids so-vint és complicada i segueix una classificació de perillositat. Hi ha abocadors de diferents tipus se-gons el residu. Per exemple, els productes radioactius s’han d’abo-car en llocs especials extremament protegits i controlats, mentre que els residus hospitalaris perillosos cal eliminar-los per cremació a alta temperatura. Tots els aboca-dors oficials estan molt controlats.

Si els residus són molt perillosos, de vegades se’ls inertitza per vitri-ficació introduint-los en vidre fos, que posteriorment és solidificat en refredar-se. Aquest és un procedi-ment car. El vidre és un material extremament inert i els productes perillosos que conté hi resten blo-quejats.


1> Classifica els materials següents com a elements, mescles, substàncies pures o compostos:

argent calç guix

alcohol tinta cautxú natural

llautó benzina estany

bronze cristall de quars sucre

sabó aspirina sal

pintura detergent diamant

2> Quin procés fa possible que el fet de ventar-se refres-qui la cara?

3> Tant la condensació com la solidificació alliberen ca-lor. Quin procés allibera més calor? Per què?

4> Observa la figura del punt triple de l’aigua.

a) Et sembla que és possible que es mantingui en es-tat líquid a una pressió de 2,5 mmHg?

b) I a una pressió de 6 mmHg?

5> En quines condicions ha d’estar l’aigua perquè es mantingui en estat líquid a una temperatura inferior a 0 °C?

6> Com es pot aconseguir que un filferro ben prim, del qual pengen uns pesos grans, travessi una barra de glaç industrial gruixuda sense que la barra es trenqui? Explica per què. (Vegeu la figura 1.11.)

Fig. 1.11

7> Com extrauries l’aigua del suc d’una taronja sense ha-ver-la d’esprémer ni trinxar?

8> Per què el butà que hi ha a l’interior de les bombones es troba principalment en estat líquid i quan crema està en estat gasós?

9> Si connectem a una bombona de butà un bufador pis-tola apte per escalfar industrialment i l’encenem, ob-servarem que l’envàs taronja de la bombona es glaça per la part de fora. A què és degut aquest efecte?

10> El CO2 sublima a temperatura ambient. Quan el CO2 sò-lid sublima a 760 mmHg (pressió atmosfèrica), manté una temperatura de 195 K (278 °C). El seu punt triple es troba a 5,11 atm i a 256,4 °C.

a) Si volem fondre el CO2 sòlid, quina és la pressió mínima necessària perquè passi a l’estat líquid?

b) A quina temperatura mínima ho farà? (El diagrama de fases del CO2 té una forma anàloga al de l’aigua; vegeu la figura 1.12.)

p (mmHg)

3880

sòlid

punt triple

760

195

líquid

gas

216,4 T (K)

Fig. 1.12. Diagrama de fases del CO2.

11> És possible que les substàncies es trobin en estat sò-lid, líquid i gasós alhora?

12> En les condicions de vida habitual, quina és aproxi-madament la pressió de vapor del gel quan fon? (Ob-serva detingudament el gràfic de la figura 1.4 del punt triple de l’aigua.)

13> Un procediment per refrigerar l’aigua calenta en els processos industrials és mitjançant les torres de re-frigeració. Aquestes torres consisteixen en uns recin-tes per on baixa aigua i es fa circular sobre materials sòlids apilats, de manera que formi una pel.lícula fina. En sentit ascendent s’impulsa un corrent d’aire. A la part inferior es recull l’aigua que s’ha refre-dat. L’aire que surt per dalt té un alt contingut d’aigua en forma de gas. Explica per què es refreda l’aigua líquida.

14> Calcula la quantitat de calor necessària per dur 3 kg d’aigua líquida a 80 °C fins a vapor d’aigua sobrees-calfat a 110 °C a pressió atmosfèrica.

Activitats fi nals


Dades: Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21; Ce (vapor aigua) 5 1,92 kJ?kg21?K21; lv 5 2 252,1 kJ?kg21

R: 7 064,7 kJ

15> Un pot d’aram té 0,300 kg de massa. Hi aboquem 0,400 kg d’aigua. El pot i l’aigua estan a una tempe-ratura ambient de 288 K. Posteriorment hi afegim 0,200 kg d’un altre líquid que està a 333 K. La tempe-ratura del conjunt finalment és de 293 K. Les calors específiques del coure i de l’aigua són, respectiva-ment, 389 i 4 186 en J/(kg?K). Quina és la calor espe-cífica del segon líquid?

R: Ce 5 1 119,4 J?kg21?K21

16> Una de les innovacions culinàries dels darrers temps és la introducció de la gelatina calenta en l’elabora-ció de plats. La gelatina calenta s’obté fent bullir filaments d’agar-agar fins que es dissolen.

Si per dissoldre l’agar-agar cal escalfar 1 200 g d’aigua des dels 18 °C fins a la temperatura d’ebullició, res-pon les qüestions següents:

a) Calcula la quantitat de calor que necessita l’aigua per assolir el punt d’ebullició.

b) Si en acabar el procés queden 1 050 g d’aigua, cal-cula la quantitat d’energia que ha necessitat l’ai-gua que s’ha evaporat.

c) Podem considerar la gelatina calenta com a matè-ria homogènia? I com a substància pura? Raona la resposta.

R: a) 411,312 kJ; b) 337,815 kJ

17> Per reciclar els metalls cal seleccionar-los i fondre’ls després per poder reutilitzar-los.

Si tenim 2,13 tones de ferro a 1 813 K, que és la tem-peratura de fusió del metall, quina quantitat d’ener-gia cal aplicar per fondre’l totalment?

Dades: lf (ferro) 5 200,9 kJ/kg

R: 427 917 kJ

18> L’alcohol etílic té una temperatura d’ebullició de 78,5 °C. Tenim 1,8 L d’aquest producte, de puresa del 96 % i densitat de 0,807 g/mL, a aquesta tempe-ratura.

a) Quin pictograma porten els recipients d’alcohol etílic?

b) Què podries fer si volguessis eliminar aquesta quantitat d’alcohol etílic?

c) Calcula l’energia que es necessitaria per vaporitzar aquesta quantitat d’etanol.

d) Calcula l’energia que es necessitaria per escalfar i vaporitzar la quantitat d’aigua que hi ha en els 1,8 L d’etanol del 96 % de puresa.

Dades: lv (etanol) 5 870,7 kJ/kg; lv (aigua) 5 2 252,1 kJ/kg; Ce (aigua) 5 4,18 kJ/kg?K

R: c) 1 214,19 kJ; d) 139,59 kJ

19> Segons la teoria cineticomolecular dels gasos, és pos-sible que dos gasos a la mateixa temperatura puguin tenir diferent energia cinètica mitjana segons la seva fórmula molecular?

20> Entre els diferents contaminants gasosos podem in-cloure-hi els freons.

a) Què són aquests compostos?

b) Quina problemàtica mediambiental creaven?

21> Antigament, alguns rius de zones adoberes estaven contaminats per ió crom(VI) procedent de la curtició de la pell. Indica algun mètode que permeti eliminar aquest ió de l’aigua.

22> L’anàlisi de l’aigua d’un riu ens indica la presència de 2 mg de Hg per cada tona analitzada. Si la normativa internacional permet una presència, com a màxim, de 0,05 ppm de mercuri, estem dins la normativa me-diambiental internacional?

23> Per fer una anàlisi d’aigües, cal preparar 500 mL d’una dissolució d’àcid clorhídric 0,3 M. L’ampolla d’àcid clor-hídric que tenim al laboratori ens indica que és del 36 % i de densitat 1 180 kg/m3. Calcula:

a) Quants mL de HCl calen per fer la preparació?

b) Com ho faries al laboratori?

R: 12,89 mL

24> En l’aigua de mar hi ha una proporció de 0,003 g d’àcid ortosilícic (H4SiO4) per cada litre d’aigua. Sa-bries expressar aquesta concentració en molaritat?

R: 3,12 ? 1025 M

25> L’alumini és un element tòxic en determinades aigües. La quantitat d’alumini permesa és de 5 ? 1026 g/L. Ex-pressa aquesta concentració en molaritat, tenint en compte que la molècula present en l’aigua és Al(OH)3.

R: 1,85 ? 1027 M


Quimitest

1> La nostra suor és:

a) Matèria homogènia. b) Solució.

c) Mescla homogènia. d) Totes són veritat.

2> L’aigua embotellada comercial:

a) És de bona qualitat. b) És una substància pura.

c) Bull a 100,0 ºC. d) És una solució.

3> L’aire és una mescla de nitrogen, N2; oxigen, O2; diòxid de carboni, CO2, i quantitats molt petites de gasos nobles com ara neó, Ne; argó, Ar; criptó, Kr, i xenó, Xe. Quan tenim aire a una temperatura determinada, les molècules amb una velocitat mitjana més ràpida són:

a) Les d’oxigen. b) Les de nitrogen.

c) Les de xenó. d) Les d’argó.

4> Tenim 1 kg de plom a 600 K i 1 kg d’aigua a 273 K. Els hem de fondre. Quin absorbirà més calor?

a) El plom, ja que és un metall.

b) A priori no ho podem saber.

c) La mateixa quantitat.

d) L’aigua.

5> L’oli del motor dels cotxes és un producte contaminant?

a) Sí. b) No.

c) No ho podem saber. d) Depèn de si s’ha utilitzat.

6> Una concentració de 3 mg per litre de solució aquosa equival a:

a) 3 ppm. b) 3 ppb.

c) 3 %. d) Cap de les anteriors.

7> Si comprimim el CO2 gasós a temperatura ambient fins a 61 bar passa a estat líquid. Si es descomprimeix sobtadament fins a la pressió atmosfèrica, la temperatura del CO2 baixa considerablement. Què et sembla que passaria si obríssim completament l’aixeta d’una bombona plena de CO2 líquid a 65 bar de manera que pogués sortir tot sobtadament?

a) Sortiria CO2 gas.

b) Sortiria CO2 líquid.

c) Sortiria CO2 sòlid.

d) Sortiria una mescla de tots tres.

8> A quina temperatura bull, a nivell del mar, l’aigua ensucrada de l’almívar?

a) A 100 °C. b) A menys de 100 °C.

c) A més de 100 °C. d) No ho podem saber a priori.


Pràctiques de laboratori

Obtenció i cristal.lització d’una sal

Objectiu

Obtenir cristalls de sulfat de sodi decahidratat, Na2SO4 ? 10 H2O (cristal.litza en el sistema monoclínic) a partir de la solució obtinguda per reacció entre l’àcid sulfúric i l’hidròxid de sodi.

Material

— Bureta

— Vas de precipitats i vareta de vidre

— Papers indicadors universals o, preferiblement, pH-metre

— Solució d’hidròxid de sodi 5 M

— Solució d’àcid sulfúric 2,5 M

— Font de calor

— Recipient de porexpan o draps i paper de diari vell, etc.

— Embut, paper de fi ltre, suport i vas de precipitats per poder fi ltrar.

Procediment

j Ompliu una bureta amb àcid sulfúric 2,5 M.

j Poseu en un vas de precipitats 25 mL d’hidròxid de sodi 5 M. Afegiu-hi gota a gota l’àcid fi ns que el pH sigui 7 (comproveu-ho amb el pH-metre).

j Escalfeu la barreja fi ns a saturar-la. Mantingueu l’escalfament uns 15 minuts.

j Tapeu el vas de la solució sobresaturada i cobriu-lo completament amb porexpan o amb molts draps i papers. És fonamental que la solució es refredi tan lentament com es pugui.

j L’endemà destapeu-lo i observareu uns cristalls de Na2SO4 ? 10 H2O.

j Filtreu la solució i separeu els cristalls per dessecar-los a l’aire.

j Observeu els cristalls secs al microscopi o amb la lupa.

Anàlisi de resultats

j Compareu els cristalls de Na2SO4 ? 10 H2O amb cristalls de NaCl. Observeu que les dues substàncies cristal.litzen en siste-mes diferents.

j Escriviu l’equació que s’ha produït per obtenir el sulfat de sodi decahidratat.

j Cerqueu informació sobre els sistemes cristal.lins cúbic i monoclínic.

La solució i els cristalls de sulfat de sodi es poden abocar a la brossa o per la pica amb aigua abundant, ja que no són perillosos per al medi ambient. Si cal, neutralitzeu els àcids o àl-calis abans d’abocar-los per la pica.

Gestió de residus

Tingueu molta cura amb l’àcid sulfúric 2,5 M i la sosa càustica 5 M, que són fortament càustics. Utilit-zeu ulleres, guants i pi-petes mecàniques (no les manuals). Treballeu a la vitrina de gasos. És reco-manable que la pràctica la faci el professor.

Normes de seguretat

Fig. 1.13. Cristalls de sulfat de sodi.


L’electròlisi de l’aigua

Objectiu

Separar els elements d’un compost mitjançant l’electròlisi. L’aigua es compon d’hidrogen i oxigen. L’electricitat subministra l’energia sufi cient per separar aquests dos components.

Material

— Vas de precipitats de 500 mL

— Una pila de 4,5 V o una font d’alimentació

— Una mica de sal de cuina

— Dos elèctrodes de carbó

— Pinces de cocodril

— Cable conductor

— Aigua destil.lada

Procediment

j Aboqueu una mica d’aigua destil.lada al vas de precipitats.

j Dissoleu-hi una mica de sal i remeneu-ho.

j Connecteu un conductor a cada born de la pila.

j Introduïu els altres dos extrems dels conductors a la solució aquosa.

j Si treballeu amb font d’alimentació, apliqueu-hi uns quatre volts i mig de tensió en cor-rent continu. Podeu graduar la intensitat segons la resistència que la solució ofereix a la conducció elèctrica.


j Observeu que es formen petites bombolles al voltant de cada elèctrode, que es van acu-mulant dins dels tubs d’assaig. A l’elèctrode negatiu, càtode, es desprèn hidrogen gasós, i al born positiu, ànode, es forma oxigen. Com comprovaries si realment s’acumulen aquests gasos en els borns que s’han especifi cat?

j Per què el volum d’hidrogen és el doble que el d’oxigen?

j Per què s’afegeix sal a l’aigua destil.lada del vas de precipitats?

Els residus d’aquesta pràc-tica es poden abocar per la pica amb aigua abundant, perquè no són tòxics.

Gestió de residus

Cal anar amb molt de comp-te, ja que l’hidrogen és ex-plosiu. Per tant, cal vetllar perquè no se’n produeixi gaire quantitat i perquè no hi hagi cap flama a prop.

Normes de seguretat

càtodeànode

dissolucióde NaCl

e–

e–

O2H2

Fig. 1.14. Electròlisi de l’aigua.


Descens crioscòpic

Objectiu

Comprovar que les mescles tenen un punt de congelació diferent de les substàncies pures. En aquesta pràctica el dissolvent és l’aigua i el solut és la sal.

Material

— Dos vasos de precipitats petits

— Glaçons del congelador

— Sal de cuina

— Dos trossos de cordill d’un parell de pams de llargada

Procediment

j Remulleu completament els dos cordills amb aigua.

j Unteu un dels cordills amb sal de cuina.

j Poseu glaçons a cada vas de precipitats.

j Poseu un cordill damunt dels glaçons de cada vas i espereu uns 10 minuts.


j Compareu els dos vasos de precipitats. Quins glaçons s’han fos abans?

j Què ha passat als cordills?

j A què és deguda la diferència de comportament entre els dos vasos?

Varietats al.lotròpiques del sofre

Objectiu

j Ampliar els coneixements sobre al.lotropia. El sofre és molt emprat a la indústria química en totes les seves vessants. El seu derivat principal és l’àcid sulfúric.

j Distingir les varietats del sofre: les cristal.lines (a i b) i les amorfes (l i m).

Material

— Agitador de vidre

— Càpsula de porcellana

— Pinces de tubs d’assaig o d’estendre roba que siguin de fusta

— Tub d’assaig mitjà o gran i taps

— Vas de precipitats de 250 mL

— Sofre en pols

— Sulfur de carboni (CS2)

— Lupa binocular i vidre portaobjectes

— Assecador de cabells

Els residus d’aquesta pràc-tica no són tòxics. Es po-den abocar per la pica.

Gestió de residus

El sulfur de carboni i el so-fre s’han de tractar com a residus especials. No es po-den abocar a la pica.

Gestió de residus

Cal treballar a la vitrina d’aspiració de gasos, ja que no és bo respirar una at-mosfera carregada de CS2 ni els vapors de sofre fos. S’ha de tenir cura que no hi hagi cap focus de calor a prop del CS2, perquè és molt inflamable. Per exem-ple, quan feu servir l’asse-cador de cabells, no ho feu amb aire calent.

Normes de seguretat

No hi ha cap norma de se-guretat específica per rea-litzar aquesta pràctica ja que el risc és mínim.

Normes de seguretat


Procediment

a) Sofre-a (ròmbic) i sofre amorf

j Poseu 1 g de sofre en pols en un tub d’assaig ben sec i afegiu-hi 5 mL de CS2. Tapeu el tub i agiteu-ho fortament fi ns a la dissolució parcial del solut.

j Aboqueu-ho en un vas de precipitats i deixeu que sedimenti el sofre no dissolt.

j Decanteu el líquid en una càpsula i feu que s’evapori utilitzant l’assecador de ca-bells amb aire fred (mai calent, ja que el sulfur de carboni s’encén amb molta faci-litat!).

j Observeu el residu de l’evaporació amb la lupa. Apareix sofre cristal.lí ròmbic, anome-nat Sa:

— Les seves molècules tenen 8 àtoms.

— És groc i té una massa molar de 256,48 g, una densitat de 2,1 g/mL i fon a 113 ºC.

— És lleugerament soluble en etanol.

— És estable a temperatura ambient. La varietat b passa lentament a a en aquestes condicions.

j Amb l’ajut d’un paper, aparteu de la càpsula el Sa.

j Al tub d’assaig hi ha el sofre amorf. Aboqueu-lo amb cura a l’altre costat de la càp-sula de porcellana i compareu-lo amb el Sa.

j Cerqueu informació sobre els sistemes cristal.lins ròmbic i monoclínic.

b) Sofre-b o sofre monoclínic

j Agafeu 5 g de sofre i foneu-lo en una càpsula de porcellana tot agitant amb una va-reta de vidre.

j Deixeu-lo refredar. Quan comenci a solidifi car, agiteu la càpsula i observeu les agu-lles que s’hi han format. Es tracta de sofre-b. És soluble en etanol, té una densitat d’1,96 g/mL i fon a 119 ºC.

c) Sofres l i m amorfs

j Se’ls anomena plàstics per la seva consistència. Observeu-ho.

j Agafeu la càpsula de l’apartat b) i torneu-la a escalfar fi ns que el sofre s’ennegreixi i comenci a cremar per la superfície. Preneu nota de l’olor que fan els gasos despresos. Procureu no respirar-los, perquè són tòxics i irritants.

j Aboqueu aquest sofre ennegrit i cremat damunt una mica d’aigua d’aixeta que heu d’haver posat en un vas de precipitats.

j Podreu observar dues varietats de sofre: una de fosca, el sofre-m, i una altra de gro-ga, el sofre-l. El primer, en ser fosc, emmascara el segon. La diferència entre aquests dos és que el sofre-l és soluble en CS2. En canvi, el sofre-l no ho és.

Anàlisi dels resultats

j Observeu la lleugera diferència de color entre les dues varietats al.lotròpiques cristal-lines.

j El sofre (llevat de l’amorf m) és soluble en CS2, però no ho és en aigua. Per què?

j Busqueu informació sobre el sofre.

En estat gasós, les molè-cules de sofre poden tenir menys de vuit àtoms.

Documents

LES SUBSTÀNCIES PURESspain-s3-mhe-prod.s3-website-eu-west-1.amazonaws.com/bcv/...Mescles Quan les substàncies pures (elements o compostos) es troben en estat sòlid poden formar