1

Annex del llibre QUMICA 2 Batxillerat

Presentaci

En aquest annex trobareu tots aquells continguts de Qumica de 2n de Batxillerat que no es recullen en el llibre de lalumne i que sn necessaris per afrontar les PAU.

Lannex compta tamb amb dos apartats finals: una bateria dactivitats per treballar la teoria i una llista de webs interessants per si es volen ampliar encara ms els punts que sexposen.

2

ndex

1. Caracteritzaci del model ondulatori de ltom i de la quantificaci de lenergia 3

2. Descripci de la interacci de les radiacions electromagntiques amb algunes molcules de latmosfera 10

3. Relaci entre labsorci de radiaci IR i lefecte dhivernacle 11

4. Relaci entre labsorci de radiaci UV i la concentraci doz a lestratosfera 15

5. Descripci dalguns mtodes actuals emprats per a lanlisi de substncies 19

6. Interpretaci de les velocitats de difusi dels gasos a partir de la seva massa molecular. Llei de Graham 25

7. Elaboraci del model de gas real per explicar les desviacions respecte del comportament ideal 27

8. Caracteritzaci del procs de liquaci dun gas 28

Activitats 29

Webs recomanats 31

3

1. Caracteritzaci del model ondulatori de ltom i de la quantificaci de lenergia

1.1. Hiptesi de Planck

Al tombant del segle, el cientfic alemany dorigen jueu Max Planck va proposar una funci matemtica que descrivia el comportament de la radiaci de lanomenat cos negre, s a dir, lexplicaci matematicocientfica del comportament duna radiaci atrapada en un recipient escalfat que t la mateixa temperatura que les seves parets, una mena de forn.

Era un model teric que Planck va introduir pensant ms en una elucubraci matemtica que no pas com una descripci duna realitat cientfica.

En principi, podia semblar que lespeculaci matemtica de les radiacions del cos negre no tenia cap importncia, per les conclusions que es derivaven daquest plantejament teric van marcar lesdevenidor de la cincia. Aix, per poder explicar el comportament de la radiaci electromagntica en un cos negre, calia introduir el terme de discontinutat en lenergia. Lenergia electromagntica havia de tenir una naturalesa discontnua, contrriament al que es pensava fins llavors. Lenergia no semet o sabsorbeix de manera contnua, sin en paquets intermitents anomenats quantes.

Segons Planck, lenergia E dun quanta es pot calcular amb lexpressi:

E h=

on h s una constant universal, anomenada constant de Planck, el valor de la qual s de 6,626 1034 J s i s la freqncia de la radiaci.

Lemissi denergia es comportaria com si fos una fbrica de moneda que noms emets monedes o bitllets de determinades quantitats de diners. Aix, podem disposar de monedes d1 euro, 2 euros, 20 cntims... i de bitllets de 5, 10, 20... euros, per mai no podrem tenir monedes de 3 o 22 euros, ni bitllets de 12 o 34 euros. s el que anomenarem una emissi discontnua deuros per part de la fbrica. Doncs b, lemissi discontnua denergia i la seva absorci funcionen de manera semblant.

1.2. Nocions bsiques dondulatria

Les ones electromagntiques sn la forma que adopta, en la seva propagaci, lenergia electromagntica. La propagaci es duu a terme mitjanant la vibraci dun camp elctric i dun camp magntic perpendiculars entre ells i perpendiculars, alhora, a la direcci de propagaci. Les magnituds que caracteritzen una ona sn:

Longitud dona ( ). s la distncia mnima entre dos punts en concordana de fase, s a dir, amb el mateix estat de vibraci (fig. 1).

4

En el cas de la llum, aquestes distncies sn molt petites i shan dexpressar en les unitats adequades. Les ms utilitzades sn:

1 m = 106 m 1 nm = 109 m 1 = 1010 m 1 pm = 1012 m

Perode (T). s el temps que triga una ona a recrrer una distncia igual a la de la longitud dona. Es mesura en s. Freqncia ( ). s el nombre de longituds dona que passen per un punt determinat en un segon. Sexpressa en s1 o, s el mateix, en Hz.

El perode i la freqncia sn magnituds inverses. Per tant, es verifica:

1 11 iT TT

= = =

Fig. 1

La velocitat de propagaci duna ona, v, s constant per a cada medi i, tenint en compte les definicions de longitud dona i de perode, podem escriure:

v vv vT v

T

= = = = =

Per tant, per a un fenomen ondulatori concret i fixat el medi, la freqncia i la longitud dona sn magnituds inversament proporcionals.

A ms de la llum, entre les ones electromagntiques cal incloure, per exemple, les ones de rdio, els raigs X, la radiaci de microones...

Els diferents tipus de radiacions electromagntiques es diferencien entre elles per la seva i la seva , relacionades mitjanant lexpressi:

c =

on c, velocitat de propagaci de lona electromagntica, s constant i igual a 3 108 m s1 en el buit.

Cal tenir present que, a diferncia de les ones mecniques, les ones electromagntiques no necessiten cap medi material per propagar-se.

5

1.3. Efecte fotoelctric

El 1887, Heinrich Hertz observ que, en fer incidir llum sobre la superfcie dun metall sen desprenien electrons. En principi, el fenomen no es podia qualificar destrany, perqu s lgic suposar que la llum, font denergia, pot interaccionar amb la matria arrencant-ne els electrons.

De tota manera, la mecnica clssica no podia explicar algunes caracterstiques experimentals daquest fenomen. Per exemple: Noms sobservava emissi delectrons a partir duna freqncia mnima de la llum incident, anomenada freqncia llindar. La velocitat amb qu aquests electrons es desprenien del metall no variava en augmentar la intensitat de la radiaci incident.

Fig. 2. Efecte fotoelctric.

Lexplicaci del fenomen, conegut amb el nom defecte fotoelctric, va venir de la m dAlbert Einstein, un cientfic jueu alemany, que el 1905 hi va aplicar la hiptesi de Planck. La llum es propaga de manera discontnua en paquets que va anomenar quantes de llum o fotons.

Quan una radiaci lluminosa, fotons, duna freqncia determinada, impacta sobre un metall, transfereix tota la seva energia al metall. Una part de lenergia sutilitza per separar els electrons dels nuclis positius, s lenergia llindar o funci de treball

0h i la resta els proporciona lenergia cintica, 212

mv , necessria per abandonar el

metall i produir lefecte fotoelctric (fig. 2).

La naturalesa corpuscular de la llum que explica, entre altres fenmens, lefecte fotoelctric, tanmateix s incapa de justificar altres fenmens que, com la refracci, la reflexi i la difracci, presenten una naturalesa clarament ondulatria.

Per tal de fer compatible aquesta contradicci aparent, actualment saccepta que la llum t una naturalesa dual: de vegades, es comporta com una ona, i daltres, com una partcula.

6

Un balan denergia senzill ens duu a la igualtat:

Energia Energia Energia dimpacte = llindar + cintica

20

1 +

2h h mv =

20

12

h h mv = +

on s la freqncia de la radiaci incident; 0 s la freqncia llindar o freqncia mnima que produeix lextracci delectrons, que depn del metall; h s la constant de Planck, m s la massa de lelectr i v s la velocitat de sortida de lelectr.

A partir daquesta expressi anomenada equaci dEinstein de lefecte fotoelctric, es poden explicar les propietats observades en lefecte fotoelctric: Existeix una freqncia mnima, anomenada freqncia llindar, per sota de la qual no es produeix lemissi delectrons, sigui quina sigui la intensitat de la llum incident. Lemissi delectrons s prcticament instantnia si la freqncia s suficient. Lenergia cintica dels electrons no depn de la intensitat de la llum incident, sin nicament de la seva freqncia.

Fig. 3. Detector fotoelctric.

Lefecte fotoelctric t moltes aplicacions en la indstria i en la societat: ascensors, alarmes, portes dobertura automtica, etc.

Una de les aplicacions ms recents s en el camp dels detectors de fum. Hi ha dos tipus de detectors de fum: Els detectors dionitzaci, que sn els ms corrents, disparen una alarma quan les partcules de fum sajunten amb partcules daire ionitzades. Els detectors fotoelctrics, als quals un dode emissor de llum envia un feix ininterrompudament a laltre costat de la cmera. En penetrar-hi fum, la llum es dispersa en totes direccions i una cllula fotoelctrica muntada formant un angle amb el dode dispara lalarma (fig. 3).

7

Els detectors dionitzaci reaccionen ms rpidament als incendis amb flama. En canvi, els fotoelctrics sn rapidssims en incendis sense flama. Avui ja hi ha detectors equipats amb tots dos sistemes. Evidentment, en cuines o llocs on hi pot haver fum shan dutilitzar uns altres tipus de detectors, com ara el trmic, que sactiven quan hi ha variacions de temperatura.

1.4. Espectres atmics

Segurament moltes vegades ens hem meravellat davant larc de Sant Mart (fig. 4). Aquest fenomen es produeix quan la llum del Sol incideix sobre les gotes daigua suspeses en latmosfera mentre plou o en acabar de ploure. Quan la llum travessa aquestes gotes, es descompon en les radiacions que la formen.

La descomposici de qualsevol radiaci electromagntica en les radiacions de diferents longituds dona que la constitueixen s el que anomenem espectre, i laparell que fa possible la descomposici s lespectroscopi. En el cas de larc de Sant Mart, sn les gotes daigua que hi ha a latmosfera les que fan la funci despectroscopi.

Fig. 4. Arc de Sant Mart.

Els espectres, segons les radiacions que continguin, es classifiquen en: Espectres continus. Sn els que abasten totes les radiacions compreses entre dos extrems, passant de les unes a les altres gradualment. Espectres discontinus. Sn els que noms contenen certes radiacions de determinades longituds dona.

Els espectres, per, tamb es poden classificar segons el tipus de causa que els origina. Aix, tenim: Espectres demissi. Sn els enregistrats directament de la font emissora.

8

Espectres dabsorci. Sn els enregistrats procedents de la font emissora, per que ha passat per una determinada matria. Aquesta matria absorbeix unes radiacions determinades, que desapareixen de lespectre.

Lespectre de la llum blanca s demissi continu (fig. 5).

Lespectre global de les radiacions electromagntiques (fig. 5.) va des de les ones de rdio, que tenen valors de longitud dona de lordre de metres, fins a les radiacions gamma, amb valors de longituds dona de lordre de 1015 m. Lull hum noms s sensible a la radiaci electromagntica amb longitud dona compresa entre 4 107 m i 7,5 107 m. s el que anomenem llum visible.

Quan tenim un recipient amb lquid, per exemple brou, escalfant-se als fogons de casa i es vessa i cau al foc, les flames adquireixen coloracions taronges, grogues i, fins i tot, vermelloses. Aix s degut a les substncies que han caigut sobre la flama. Per, per qu apareixen diferents colors?

Fig. 5

Lexplicaci s que els electrons dels toms de les substncies adquireixen energia en caure sobre la flama: diem que sexciten.

Una vegada excitats, perden aquest excs denergia per tornar al seu estat inicial i lalliberen en forma de radiaci duna determinada longitud dona que, materialment, correspon a una zona concreta de lespectre. Si aquesta zona s la visible, observarem la coloraci de la flama.

Si la combinaci de lnies espectrals que cauen a la part visible s de color taronja, el que veurem ser aquest color.

Quan Balmer estudiava lespectre de lhidrogen, hi va observar una srie de lnies amb longituds dona caracterstiques, les sries de Balmer, i va trobar que verificaven una relaci matemtica senzilla:

2 21 1 1 2H

Rn

=

on n > 2, n N i RH s la constant de Rydberg, que val 1,0968 107 m1.

Ms endavant, es van obtenir altres sries espectrals: la de Lyman, a la zona ultraviolada, i les de Paschen, Brackett i Pfund, a la regi infraroja.

9

Totes les sries obeeixen a la frmula general: 2 21 2

1 1 1

HR n n

=

n1 = 1 Srie de Lyman n2 = 1 Srie de Balmer

n3 = 1 Srie de Paschen n4 = 1 Srie de Brackett n5 = 1 Srie de Pfund

i n2 sempre pren valors ms grans que n1.

10

2. Descripci de la interacci de les radiacions electromagntiques amb algunes molcules de latmosfera

Segons lenergia del fot que interacciona amb la matria, la radiaci pot provocar ionitzaci, s a dir, pot arrencar electrons dels toms o de les molcules, o no. Si lenergia del fot freqncia de la radiaci s molt alta, es produeix ionitzaci.

Dacord amb lefecte que causen sobre la matria, podem dividir lespectre en ones electromagntiques ionitzants i ones electromagntiques no ionitzants.

Fig. 6

Tot seguit esmentem els diferents efectes que cada tipus de radiaci electromagntica pot provocar en la matria, comenant per les radiacions de freqncia ms alta i acabant per les de freqncia ms baixa. Raigs gamma: provoquen ionitzaci (radioactivitat). Raigs X: causen ionitzaci. UV: originen ionitzaci en el cas de lUV lluny i salts electrnics en lUV proper. Visible: indueixen salts electrnics. IR: produeixen moviments de vibraci en les molcules. Aquest fet sutilitza en lanlisi qumica per determinar grups funcionals de les molcules. Microones: causen moviments de rotaci i torsi de les molcules. Ones de rdio: provoquen transicions despn nuclear.

A continuaci ens centrarem en la radiaci IR i en la relaci que pot tenir amb lefecte dhivernacle.

Radiaci ionitzant

Radiaci no ionitzant

11

3. Relaci entre labsorci de radiaci IR i lefecte dhivernacle

Qualsevol cos, pel sol fet destar a una temperatura superior al zero absolut, emet una radiaci electromagntica. Aix, un cos que rep una radiaci electromagntica, per exemple llum, en reflecteix una part, mentre que una altra part labsorbeix, cosa que produeix lescalfament del cos, que emetr una radiaci electromagntica en una longitud dona ms gran, s a dir, de freqncia ms baixa. Aquest fenomen sexplica amb la llei de Stefan-Boltzmann.

La radiaci electromagntica que procedeix del Sol inclou totes les longituds dona. Quan aquesta radiaci arriba a latmosfera, una part s reflectida en direcci a lespai, una petita part s absorbida, mentre que la resta arriba fins a la superfcie terrestre. Aleshores, la Terra sescalfa i emet radiaci de longituds dona ms grans que la inicial.

Es calcula que el 43% de lenergia que arriba a la superfcie de la Terra pertany a lespectre visible, el 48% a linfraroig i el 9% a lultraviolat. Daquesta radiaci que arriba, el 70% s reflectida.

Fig. 7. Radiaci que ens arriba del Sol i radiaci emesa per la Terra.

La radiaci infraroja emesa des de la Terra pot ser absorbida per alguns gasos atmosfrics, que la tornen a enviar cap a la superfcie. Aix causa un escalfament, que sanomena efecte dhivernacle, i que provoca que la temperatura de la superfcie de la Terra sigui uns 33 C ms alta que la que tindria sense atmosfera. Aquest fenomen s comparable al que passa en un hivernacle, on la temperatura interior s superior a la del medi perqu la coberta de vidre o plstic absorbeix una part de la radiaci emesa per la Terra i evita que sescapi cap a lexterior.

12

La temperatura mitjana a la superfcie del planeta s de 15 C. Es calcula que sense atmosfera la Terra estaria aproximadament a 18 C, i aix la convertiria en un planeta no apte per a la vida tal com la coneixem.

Lefecte dhivernacle sha produt des de la formaci de latmosfera terrestre i, tal com acabem de veure, ha contribut al desenvolupament de la vida a la Terra. Per tant, es tracta dun fenomen natural que no s prejudicial.

Per laugment de lemissi i la concentraci posterior de gasos causants daquest efecte ha provocat un increment considerable del fenomen en les darreres dcades. Aix ha comportat laparici de canvis molt bruscos que no es produirien de manera natural.

Aix, doncs, lactivitat humana ha fet augmentar lefecte dhivernacle. Els gasos que provoquen efecte dhivernacle sn el vapor daigua, el CO2, el met, els xids de nitrogen i els clorofluorocarburs (CFC).

En la taula segent es resumeix la contribuci de cada gas a lefecte dhivernacle, la manera com soriginen aquests gasos i el temps mitj que romanen a latmosfera.

Fonts antropogniques Temps de vida Contribuci a lefecte

dhivernacle

CO2

Combusti de combustibles fssils Desforestaci Crema de biomassa

200 anys 60%

CH4 Ramaderia Descomposici anaerbia de les escombraries

12 anys 15%

N2O

Combusti en els vehicles de motor Fertilitzants nitrogenats

115 anys 4-5%

CFC Refrigerants Propellents Fabricaci de plstics

45 anys 12%

Oz i altres Reaccions fotoqumiques Algunes hores 8-9% Taula 1. Dades extretes de http://www.consumer.es

Cadascun daquests gasos absorbeix la radiaci infraroja emesa per la Terra en longituds dona caracterstiques, tal com ja hem vist, i en conjunt provoquen lefecte dhivernacle.

El vapor daigua, per exemple, absorbeix radiaci en les longituds dona de menys de 3,5 m; tamb entre 5 m i 8 m, i per sobre de 12 m.

13

El CO2, per la seva banda, absorbeix entre els 2,5 m i els 4 m, exactament en els 4,26 m. Labsorci correspon a una vibraci de tensi asimtrica. Als 15 m, labsorci correspon a la vibraci de la molcula en flexi.

Tanmateix, hi ha una regi de lespectre infraroig compresa entre els 8 m i els 12 m en qu els gasos de latmosfera no absorbeixen la radiaci infraroja. En aquesta zona de lespectre, anomenada finestra atmosfrica dinfraroig, la radiaci IR pot escapar cap a lespai.

Per la presncia de gasos contaminats, com loz troposfric que absorbeix a una longitud dona de 9,7 m i els CFC que tamb absorbeixen en aquesta zona provoca que la radiaci corresponent a la finestra atmosfrica dinfraroig no pugui escapar.

Cal tenir en compte, a ms, que petites quantitats daquests gasos incrementen molt lefecte dhivernacle. Aix, un gram de CFC produeix un efecte dhivernacle 15000 vegades ms gran que un gram de CO2. A latmosfera, per, la quantitat de CO2 present s molt superior a la dels CFC.

Daltra banda, no hi ha cap gas a latmosfera que absorbeixi les radiacions entre les longituds dona de 0,3 m i 0,7 m, zona de lespectre electromagntic que correspon a la llum visible. Per aix la radiaci emesa pel Sol en la zona del visible arriba fins a la Terra.

Fig. 8. La finestra atmosfrica dinfraroig s la zona de lespectre en la qual no hi ha solapament entre les diferents absorcions de la radiaci IR pels gasos causants de lefecte dhivernacle.

Des de la revoluci industrial, lemissi de CO2 i daltres gasos contaminats ha anat augmentant a causa de lactivitat humana. Com a conseqncia, en els darrers 100 anys la temperatura mitjana de la Terra ha experimentar un augment de 0,6 C.

Per intentar establir mesures per palliar el canvi climtic derivat daquest augment de temperatura, lany 1997 una trentena de pasos van signar el protocol de Kyoto, un conveni internacional que pretenia reduir un 5% en el perode de 2008 a 2012 les emissions de CO2 i daltres gasos causants de lefecte dhivernacle respecte a les

14

emissions de 1990. La finalitat daquest acord era evitar laparici de les conseqncies que es preveu que provocar el canvi climtic, entre les quals cal destacar: Alteracions climtiques Desertitzaci i sequeres Inundacions Desgel de les glaceres i de parts dels pols, amb laugment consegent del nivell del mar

Destrucci dels ecosistemes

15

4. Relaci entre labsorci de radiaci UV i la concentraci doz a lestratosfera

Les radiacions electromagntiques en la zona de lespectre que correspon a lultraviolat tamb interaccionen amb algunes molcules de latmosfera, com loz estratosfric. Per poder entendre com es produeix aquesta interacci i quins efectes t, en primer lloc cal que sapiguem qu sentn per radical en el llenguatge qumic.

4.1. Concepte de radical lliure

Tota transformaci qumica implica la formaci de substncies noves. Des del punt de vista atmic, aix es justifica mitjanant la reordenaci dtoms.

Sabem que els enllaos de moltes molcules sn covalents, i que en aquest tipus denlla els toms que formen el compost comparteixen un o ms parells delectrons. En aquest cas, una reacci qumica implica una ruptura dels enllaos covalents entre els toms que conformen els reactius, que es combinen amb altres toms mitjanant enllaos nous que donen lloc a altres compostos, que sn els productes de la reacci.

La ruptura de lenlla inicial i, en definitiva, el repartiment dels electrons compartits, determina el tipus de producte que es forma.

Per a un hipottic reactiu RH2CA , la ruptura de lenlla entre ltom de carboni i ltom de lelement A (enlla senzill, un parell delectrons compartits) es pot produir mitjanant una escissi de manera simtrica, s a dir, la uni es parteix per la meitat i cada tom conserva un electr de lenlla. Cada electr es representa amb un punt al costat de ltom corresponent. En el cas que plantegem, un punt al costat del carboni i un altre al costat de ltom A. Aix, es formen dues espcies anomenades radicals lliures.

H H H

R-C-A o RCA R-C + A

H H H

La formaci dun radical implica la ruptura homoltica de lenlla (cada tom ret un dels electrons) i requereix laportaci de molta energia. Aquesta energia, moltes vegades, prov de radiaci ultraviolada.

Els radicals sn espcies generalment neutres que es caracteritzen pel fet de posseir un electr no aparellat. Per tant, no tenen lestabilitat que els conferiria la configuraci de gas noble (dacord amb la regla de loctet). Aix explica que la seva reactivitat sigui molt alta i que tendeixin a reaccionar rpidament.

16

En les reaccions en qu intervenen radicals se solen succeir les etapes segents: Iniciaci. Formaci dels radicals mitjanant el trencament de lenlla, com a resultat de laplicaci de calor, o de llum duna freqncia determinada, com per exemple ultraviolada. Propagaci. El radical format inicialment interacciona amb una altra molcula per produir un altre radical, que continua la reacci. Es tracta, doncs, de reaccions en cadena. Finalitzaci. Es produeix quan dos radicals interaccionen entre ells i donen lloc a una molcula no radicalria.

4.2. Loz a lestratosfera

Loz, O3, s una forma allotrpica de loxigen. Es tracta dun gas de color blau, dolor picant i metllica, que es pot detectar en les tempestes i a prop de xarxes dalt voltatge on es produeixin guspires.

A la troposfera, loz s inestable i t una vida mitjana daproximadament quinze minuts. A causa del seu poder oxidant, s perjudicial per a la salut que sacumuli en aquesta capa de latmosfera.

En canvi, la seva presncia a lestratosfera permet que hi hagi vida a la Terra, perqu actua com a filtre de les radiacions ultraviolades dalta freqncia absorbint entre el 97% i el 99% daquestes radiacions. En lestratosfera, loz es troba majoritriament en la zona situada entre 20 km i 40 km de la superfcie terrestre, en lanomenada capa doz.

En aquesta capa, loz es forma i es destrueix contnuament, de manera que sestableix un equilibri entre la reacci de formaci de loz i la reacci de destrucci corresponent. Tal com veurem tot seguit, en les dues reaccions el paper de la radiaci ultraviolada s determinant.

Pel que fa a la reacci de formaci del O3, sinicia amb una ruptura homoltica de la molcula doxigen, que es produeix quan hi incideix radiaci ultraviolada. Les dues etapes de la formaci de loz sn aquestes:

O2 + h (< 240 nm) O + O O2 + O O3

Per tant, la formaci de loz a lestratosfera implica labsorci de llum de lUV lluny. La destrucci del O3, per contra, requereix labsorci de radiaci en lUV mitj:

O3 + h (< 320 nm) O2 + O O3 + O 2 O2

Aquesta ltima reacci s molt lenta i est catalitzada per substncies com ara els xids de nitrogen, els xids de clor i els seus precursors respectius.

Els gasos contaminants responsables de la destrucci de la capa doz sn compostos estables a la troposfera, per a lestratosfera es fotodissocien i donen espcies radicalries, que catalitzaran la reacci de destrucci de loz per produir oxigen.

17

Daquesta manera, els responsables principals de la destrucci de la capa doz, els clorofluorocarburs, CFC, com ara el diclorofluorocarbur, presents en esprais i en circuits de refrigeraci, experimenten la reacci segent:

Cl2CF2 + h Cl + ClCF2 Cl + O3 ClO + O2 ClO + O Cl + O2

Reacci global : O3 + O 2 O2

Malauradament, els clorofluorocarburs no sn els nics compostos que produeixen halgens radicalaris que catalitzen la reacci de descomposici de loz: els dissolvents orgnics, com el tetraclorur de carboni (CCl4) i el dicloroet (CH3CHCl2), i els fumigants emprats en lagricultura, com el bromomet (BrCH3), tamb contribueixen a la desaparici contnua doz.

El mecanisme de destrucci de loz necessita llum i temperatures molt baixes. s per aquesta ra que els mxims descensos en els nivells doz es donen a lAntrtida durant la primavera.

Cal tenir en compte que a lestratosfera la quantitat de vapor daigua s molt limitada, de manera que noms es poden formar nvols si les temperatures sn molt baixes. Com que en la destrucci de la capa doz s determinat que es formin uns tipus determinats de nvols, els nvols estratosfrics polars (polar statospheric clouds, PSC), les temperatures de fins a 78 C que es poden assolir a lhivern a lAntrtida tenen un paper fonamental en la destrucci de la capa doz, ja que fan possible la presncia dels PSC.

En els PSC, els components halogenats que a la troposfera serien inerts es poden transformar en clorines i bromines, ClO i BrO, compostos que reaccionen amb loz en presncia de llum i provoquen el descens de la seva concentraci. Les clorines i bromines deixen de ser actives quan reaccionen amb xids de nitrogen.

Els riscos per a la salut derivats de la disminuci de la capa doz que sha produt en les darreres dcades sn conseqncia del fet que loz actua com a filtre de la radiaci ultraviolada, de manera que la seva disminuci fa augmentar la radiaci UV que arriba a la Terra.

Lespectre UV comprn longituds dona des dels 400 nm radiacions menys energtiques, UVA fins als 10 nm lultraviolat lluny, molt energtic, UVC, passant pels UVB, al voltant dels 320 nm.

Els fotons ultraviolats de freqncia ms elevada (per tant, de longitud dona ms petita), els UVC, com que tenen ms energia poden provocar ionitzaci de la matria, mentre que els fotons ultraviolats de freqncia ms baixa provoquen salts electrnics.

La major part de la radiaci solar en forma dUVC s absorbida per la capa doz, situada a lestratosfera, de manera que noms arriba a la terra radiaci UVA menys energtica i una part de radiaci UVB que no han estat absorbida.

Si ens exposem al Sol sense protecci, permetem que la radiaci UV interaccioni amb el nostre organisme, la qual cosa fa augmentar el risc de patir cncers de pell o cataractes, i facilita la supressi del sistema immunitari. La radiaci ultraviolada

18

tamb t efectes nocius sobre altres organismes vius i s especialment perjudicial per a la vida marina i per als conreus.

Per protegir-nos dels raigs solars que arriben a la Terra, les cremes solars contenen substncies orgniques amb dobles enllaos que absorbeixen intensament la radiaci ultraviolada, per exemple lcid p-aminobenzoic (PABA).

Per intentar palliar la destrucci de la capa doz, lany 1987 es va signar el protocol de Mont-real, en qu es prohibien els CFC, fins llavors usats com a refrigerants o propellents. Tanmateix, alguns pasos encara els utilitzen. A ms, com ja hem vist, hi ha altres compostos qumics procedents de lactivitat humana que tamb afavoreixen la destrucci de la capa doz.

19

5. Descripci dalguns mtodes actuals emprats per a lanlisi de substncies

5.1. Introducci a la radiaci infraroja

La zona de lespectre que comprn linfraroig (IR) sn les longituds dona superiors a les del visible (aproximadament, des de 750 nm) i inferiors a les longituds dona de les microones (fins al voltant dels 400 000 nm). Tal com hem vist anteriorment, per a qualsevol ona es compleix:

E h=

c =

Aix, doncs, podem escriure: 1

cE h hc= =

on %1

= sanomena nombre dona i sexpressa generalment en m1. En el cas de

lIR, per, sol ser ms prctic fer servir els cm1.

La taula segent recull els nombres dona, expressats en cm1, i les longituds dona, expressades en nm, que corresponen a les radiacions de la zona de lIR.

Nombre dona (cm-1) IR

Longitud dona (nm)

12.500-9090 IR proper 800-1.100 9090-666,6 IR mitj 1.100-15.000 666,6-100 IR lluny 15.000-100.000

Tal com hem vist anteriorment, la radiaci electromagntica en la zona de linfraroig provoca la vibraci de les molcules, i aix sutilitza en lanlisi qumica per caracteritzar substncies.

Els modes de vibraci que pot causar la radiaci IR sobre una molcula es poden classificar en dues formes bsiques: de tensi i de flexi.

De tensi. Les vibracions de tensi sn canvis en la distncia interatmica en leix de lenlla entre dos toms. Les vibracions de tensi poden ser simtriques o asimtriques.

Tensi simtrica Tensi asimtrica

Fig. 9. Esquema dels modes de vibraci de tensi.

20

De flexi. Les vibracions de flexi sn canvis en els angles que formen els enllaos. Com a efecte de la radiaci IR podem tenir les flexions segents.

Tisores (en el pla) Balanceig (en el pla)

Aleteig (fora del pla, Deformaci (fora del pla) perpendicular al paper)

Fig. 10. Esquema dels modes de vibraci de flexi.

- Tisores. Els moviments sn en el mateix pla, primer amunt i desprs avall, com en el tall dunes tisores.

- Balanceig. Els moviments tamb sn en el mateix pla, per primer cap a un costat i desprs cap a laltre.

- Aleteig. Els moviments sn fora del pla dels enllaos, per en el mateix pla de moviment. Si ens fixem en la imatge, els moviments seran perpendiculars al pla del paper.

- Deformaci. Els moviments sn fora del pla dels enllaos: un va cap a dins el pla i laltre cap a fora el pla.

A cada tipus denlla hi corresponen unes formes de vibraci especfiques, cadascuna de les quals sorigina quan la molcula absorbeix radiaci IR duna freqncia determinada.

Aix, cada molcula presenta un espectre IR determinat, que mostra les freqncies de vibraci dels enllaos presents en aquella molcula. Per aix es poden determinar els grups funcionals que formen una molcula analitzant en quines longituds dona (o en quins nombres dona) sha produt labsorci de radiaci. La interacci de la radiaci IR amb la matria permet, doncs, fer lanlisi de substncies.

21

5.2. Lespectroscpia IR

Lespectroscpia s la branca de la qumica que se centra en lanlisi de les propietats de la matria mitjanant lestudi dels espectres. En el cas de lespectroscpia IR, el que sanalitzen sn els espectres dinfraroig, que mostren la vibraci dels enllaos de la molcula examinada i que sobtenen mitjanant un aparell anomenat espectrmetre infraroig.

Lespectrmetre infraroig consta duna font productora de raigs infrarojos que emet aquesta radiaci i la fa impactar en la mostra que volem analitzar. Un detector processa la informaci sobre la variaci que es produeix en cada freqncia.

Aix, si coneixem en quines freqncies de lespectre apareixen bandes dabsorci per a un grup funcional determinat (fig. 11), comparant lespectre duna substncia desconeguda amb lespectre de mostra, podrem identificar de quina substncia es tracta.

La figura 12 mostra lespectre del benz. Si no sabssim que es tracta daquest compost, ho podrem deduir per comparaci amb lespectre de la figura 11, ja que:

- En lespectre del benz hi ha un senyal 800-1000 cm1, que correspon a lanell aromtic.

- Un altre senyal cap a 1000 cm1, que tamb correspon a lanell aromtic.

- Un senyal cap als 1600 cm1, del doble enlla C=C.

- Un senyal al voltant de 3000 cm1, del HC=C.

Fig. 11. Bandes dabsorci caracterstiques dalguns grups funcionals.

22

Fig. 12 Espectre IR del benz.

Lespectroscpia infraroja s mpliament utilitzada en recerca i en la indstria com una tcnica senzilla i fiable per dur a terme mesures i controls de qualitat.

Tamb s un mtode emprat en la prevenci dimpactes ambientals. Permet detectar concentracions molt baixes, que no sn perilloses per a la salut, dalguns contaminants ambientals (formaldehid, cid ntric, cid frmic, nitrat de peroxiacetil, oz, etc.). La presncia daquestes substncies ens indica que cal prendre precaucions per evitar que les seves concentracions augmentin i que es produeixin conseqncies negatives per a la salut pblica. Aix, mitjanant lespectroscpia IR shan detectat molcules de formaldehid i cid ntric a la boirina de Los Angeles.

5.3. La ressonncia magntica nuclear

El fonament de la ressonncia magntica nuclear s lorientaci dels nuclis dalguns toms en un camp magntic, en la mateixa direcci del camp, i en el mateix sentit que el camp o en sentit contrari. Aix dna lloc a dos possibles estats dels nuclis, amb energies diferents.

Entre aquests dos estats denergia hi pot haver transicions, que es produeixen amb absorci denergia i que es poden detectar amb els aparells de ressonncia magntica nuclear (RMN). Les freqncies de les radiacions que intervenen en aquestes transicions corresponen a les ones de rdio.

Com que la freqncia exacta de cada transici depn no noms de la naturalesa del nucli orientat pel camp magntic, sin tamb dels toms propers, examinant la freqncia a la qual hi ha les transicions, es pot conixer lestructura que envolta aquell nucli.

Perqu aquesta anlisi sigui possible, els aparells de RMN disposen dun generador de camp magntic duna intensitat determinada, que indueix els diferents estats denergia corresponents a les diverses orientacions en el camp magntic. Un

23

ppm

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

emissor i un receptor dones de rdio fan possible la detecci de les variacions produdes en les radiacions.

Lespectroscpia RMN s molt efica en la determinaci de lestructura de compostos orgnics, ja que en aquestes molcules els nuclis de carboni 13 i, sobretot, els dhidrogen protons tenen les caracterstiques idnies per aplicar-hi aquesta tcnica.

a)

b)

Fig. 13. Espectres RMN de 13C del pent (a) i de lacetat detil (b).

24

5.4. Fonament de lespectrometria de masses

Un altre dels mtodes emprats actualment en lanlisi qumica s lespectrometria de masses. Aquesta tcnica consisteix a detectar fragments de la molcula que es pretn analitzar i per mitj de la identificaci daquests fragments, i si cal ajudant-se dalguna altra tcnica complementria, deduir de quina substncia es tracta.

Per obtenir els fragments, sha de vaporitzar la substncia que volem estudiar, i un cop vaporitzada, cal bombardejar-la amb un feix delectrons. Els fragments que resulten del trencament de les molcules sn desviats ms o menys per un electroimant dacord amb la seva relaci massa/crrega, i sn caracterstics de cada molcula inicial.

Aix, segons els fragments que mostra lespectre de masses, podem deduir quin s el compost que estvem analitzant. Sovint cal corroborar-ho mitjanant algun altre mtode danlisi.

a)

b)

Fig. 14. Espectres de masses del dec (a) i del fenilmetanol (b).

25

6. Interpretaci de les velocitats de difusi dels gasos a partir de la seva massa molecular. Llei de Graham

La llei de Graham estableix que el quocient entre les velocitats de difusi de dos gasos s inversament proporcional al quocient entre les arrels quadrades de les densitats respectives.

21

2 1

v

v=

Si expressem la densitat com la massa molar dividida entre el volum molar, resulta:

2 21

2 1 1

M / VM / V

v

v=

I tenint en compte que el volum molar de dos gasos sotmesos a les mateixes condicions de pressi i temperatura s el mateix, podem escriure:

21

2 1

MM

v

v=

Aix, doncs, podem afirmar que el quocient entre les velocitats de difusi de dos gasos sotmesos a les mateixes condicions de pressi i temperatura s inversament proporcional al quocient entre les arrels quadrades de les seves masses molars.

Comparem, per exemple, les velocitats de difusi del dixid de carboni i loxigen. Les masses molars respectives sn 44 g/mol i 32 g/mol.

Per tant:

22

2 2

COO

CO O

M 44 1,17M 32

v

v= = =

Loxigen, doncs, es difon a una velocitat 1,17 vegades la del CO2.

Per si en lloc de comparar la velocitat de difusi de loxigen amb la del dixid de carboni, la comparem amb la del monxid de carboni (que t una massa molar de 28 g/mol), el resultat s un altre. Vegem-ho:

2

2

O CO

CO O

M 28 0,94M 32

v

v= = =

La velocitat de difusi de loxigen s 0,94 vegades la del monxid de carboni.

Aquest resultat t una aplicaci prctica en la diagnosi de malalties respiratries. Com que mesurar la difusi de loxigen en una persona o en un animal s difcil, per determinar el grau deficcia amb qu loxigen es transfereix dels pulmons al corrent sanguini, sempra el test de difusi del monxid de carboni.

26

El procediment que es duu a terme per efectuar aquesta prova s el segent: el pacient inhala una petita quantitat de monxid de carboni amb aire durant 10 segons (cal anar amb cura, perqu el monxid de carboni s txic). Tot seguit, deixa anar aquest gas en un detector. Si els pulmons estan en bones condicions, el monxid de carboni de laire inspirat sabsorbeix b. Aix significa que lintercanvi doxigen entre els pulmons i la sang s normal.

Evidentment, cal evitar el contacte massiu amb el monxid de carboni, que podria tenir conseqncies mortals.

27

7. Elaboraci del model de gas real per explicar les desviacions respecte del comportament ideal

En condicions de pressi i temperatura baixes, els gasos es comporten dacord amb el model dun gas ideal, per quan la pressi o la temperatura augmenten, sallunyen del model ideal.

Per tal dexplicar perqu es produeix aquesta desviaci, cal revisar els principis en qu es fonamenta la teoria cintica dels gasos ideals: Els gasos estan formats per moltes partcules (toms o molcules), que es mouen constantment.

La grandria de les partcules s negligible comparada amb el volum del recipient. Les forces datracci i repulsi entre les partcules sn molt petites i es poden considerar negligibles. Els xocs de les partcules sn elstics. Lenergia cintica de les partcules s directament proporcional a la temperatura absoluta. A la mateixa temperatura, lenergia cintica mitjana de les partcules es mant constant al llarg del temps.

Per els gasos com el H2, el N2, el CO2, el CH4 i molts altres es desvien del comportament ideal, per exemple a altes pressions. Ho podem entendre a partir dels principis que acabem desmentar: A altes pressions, la grandria de les molcules daquests gasos ja no es pot considerar negligible respecte a la del recipient. Les forces datracci tampoc no es poden negligir.

Aquestes diferncies es recullen en la frmula dels gasos reals o de Van der Waals:

( )2

2anp V nb nRTV

+ =

En aquesta equaci, a i b sn constants determinades experimentalment. a est relacionada amb les forces intermoleculars. b est relacionada amb el volum de les partcules de gas.

Tot seguit presentem els valors de a i b per a alguns gasos. Les unitats amb qu sexpressen aquestes dues constants sn el L2 atm/mol2 per a a i el L/mol per a b. Hidrogen (H2): a = 0,24; b = 0,0266 Nitrogen (N2): a = 1,39; b = 0,0391 Oxigen (O2): a = 1,36; b = 0,0318 Met (CH4): a = 2,25; b = 0,0428 Dixid de carboni (CO2): a = 3,59; b = 0,0427

28

8. Caracteritzaci del procs de liquaci dun gas

Les condicions que es donen en la liquaci dun gas sn les que corresponen a un gas real: en comprimir-lo, la pressi augmenta, i es produeix latansament entre les molcules, disminueix la seva energia cintica i les forces de Van der Waals es donen amb una certa intensitat, s a dir, no es poden negligir les forces datracci entre partcules. Aix, s possible que el gas es condensi, s a dir, que passi de lestat gass a lestat lquid.

Per la liquaci dun gas requereix que estigui per sota duna temperatura determinada, que sanomena temperatura crtica i que s caracterstica de cada compost. La pressi crtica s la mnima necessria per liquar un gas a la temperatura crtica. Encara que exercim una pressi superior a la crtica, si la temperatura s superior a la crtica, no s possible liquar el gas.

29

Activitats

1. Calculeu la freqncia de les radiacions de longitud dona: a) 500 nm b) 1,8 108 m c) 65

2. Una llum blava t una longitud dona de 455 nm. Quina s la seva energia?

3. Comenteu si s certa o falsa lafirmaci segent: Si una radiaci t la longitud dona ms gran que una altra s que s ms energtica.

4. Les longituds dona corresponents a lespectre visible de la llum van, aproximadament, des de 400 nm fins a 750 nm. a) Calculeu les freqncies associades a aquestes longituds dona. b) Quines sn les energies que corresponen a aquestes freqncies.

5. En escalfar el bari a la flama, dna una llum de coloraci verda lenergia de la qual s de 2,247 eV. a) Quina s la freqncia daquesta emissi? b) Quina s la seva longitud dona en m i en ?

6. A una empresa li interessa conixer una srie de dades sobre laplicaci de lefecte fotoelctric en el coure en illuminar una lmina daquest metall amb llum de freqncia 1,4 1015 s1.

Sabreu contestar les qestions segents: a) Es produeix efecte fotoelctric? b) Quina s lenergia cintica dels electrons que surten per efecte fotoelctric? c) Quina s la velocitat amb qu surten? Dades: 15 10 1,1 10 s= ; melectr = 9,1 1028 g.

7. La longitud dona llindar de lefecte fotoelctric en el wolframi o tungst s de 2 600 . a) Es produeix efecte fotoelctric amb llum visible? b) Quant val lenergia llindar o funci treball corresponent al tungst? c) A quina velocitat sortiran els electrons si els impacta una radiaci de 2 200 .

8. Explica lefecte de la radiaci infraroja sobre la matria. Descriu com sutilitza aquest efecte en lanlisi qumica.

9. Descriu la relaci entre ls de combustibles fssils i laugment de lefecte dhivernacle.

10. Per qu els clorofluorocarburs (CFC) sn perjudicials per a la capa doz?

11. Compara les velocitats de difusi de lamonac i del clorur dhidrogen, en idntiques condicions de pressi i temperatura.

30

12. La taula segent recull algunes temperatures i pressions crtiques de liquaci:

Tcrtica Pcrtica Dixid de carboni

31 C 73 atm

Oxigen 119 C 50 atm Nitrogen 147 C 34 atm Hidrogen 240 C 13 atm

Algun dels gasos que apareixen a la taula es podria liquar a temperatura ambient, 20 C?

13. Cada dia es liqen gran quantitats daire. Quina es podria considerar la temperatura crtica daquest procs?

31

Webs recomanats

Aquest web descriu mpliament la interacci de les radiacions electromagntiques amb la matria. http://www.slideshare.net/joseangelb7/interaccioradiacionsamblamateria

El web segent s una explicaci molt sinttica de lefecte dhivernacle. http://almez.pntic.mec.es/jrem0000/dpbg/2bch-ctma/tema5/14_GlobalWarm.swf

En aquest web hi ha una infografia sobre lefecte dhivernacle. http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/naturaleza/2004/08/26/140161.php

Aquest enlla inclou grfiques de la National Oceanic and Atmospheric Administration que relacionen lemissi de CO2 amb laugment de temperatura i que mostren limpacte de lactivitat humana en el canvi climtic. http://www.ncdc.noaa.gov/indicators/

Aquest enlla mostra una infografia molt senzilla sobre la destrucci de la capa doz. http://www.iesmariazambrano.org/Departamentos/flash-educativos/capa_ozono.swf

En aquest enlla podem veure la simulaci de diversos tipus de vibracions. http://wwwchem.uwimona.edu.jm/spectra/JSpecView/iranim/IRmodes/IRmodes.html

En aquest web podem veure la simulaci de la vibraci del formaldehid i tamb lespectre IR daquest producte, en qu sindica en quines longituds dona absorbeix cada tipus denlla. Tamb inclou un espectre amb les freqncies de vibraci dels diversos grups funcionals. http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/InfraRed/infrared.htm#ir1

Aquest enlla s una simulaci de la llei de Graham. http://www.educaplus.org/gases/lab_graham.html

En aquest document sobre gasos i dissolucions es tracta la llei de Graham i lequaci de Van der Waals. http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:kMqwQgKCvXcJ:www.illuisvives.cat/departaments/ciencies-de-la-naturalesa-i-de-la-salut/materies/batxillerat/quimica/2n-batxillerat/gasos-i-dissolucions+difusi%C3%B3+gasos&hl=ca&gl=es&pid=bl&srcid=ADGEESiJ588e8GitIrs5EG1KCkYSu3IE0JtXVEyXaRs4gGlpE6h1Dnk0DORc001vLX1UPo6jUX5E2GFw5B9i_A5zKQgkve_qoBRARHny2T3OpAX8-uwYLm2hh1rd1j6FKom4s_vq1eXB&sig=AHIEtbRpDW7O0TR94Xku3dAHk95Fk85CKQ