TRANSFORMACIONS DE LA MATÈRIA - edebe.com€¦ · Estequiometria de les reaccions químiques w 4.1. Càlculs amb relació massa-massa w 4.2. ... — Les reaccions químiques formen

3 #

q

q

q

q

q

q

q

#3BLOC 2. TRANSFORMACIONS DE LA MATÈRIA

Reaccions químiques

1. El concepte de reacció química

2. Equacions químiquesw 2.1. Significat qualitatiu d’una equació

químicaw 2.2. Mètodes d’ajust de les equacions

químiquesw 2.3. Significat quantitatiu d’una

equació química

3. Tipus de reaccions químiquesw 3.1. Reaccions de combustió

4. Estequiometria de les reaccions químiquesw 4.1. Càlculs amb relació massa-massaw 4.2. Càlculs amb relació

volum-volumw 4.3. Càlculs amb relació

massa-volumw 4.4. Càlculs amb reactiu limitantw 4.5. Càlculs amb reactius en dissolució

5. Rendiment d’una reacció química

6. Reactius impurs i puresa d’una mostra

7. La indústria química i el medi ambientw 7.1. Tipus d’indústria químicaw 7.2. Processos industrialsw 7.3. Desenvolupament sostenible

Problemes interactiusSimulador Pràctiques

de laboratoriPresentació

112876_UN_03_CAT.indd 82 13/01/15 11:08

8383

a > Una vegada hagis visionat la pel·lícula Química: está en todo lo que te rodea, respon: 3

— Què aporta la química a la salut, al transport i a les comunicacions?

— Les reaccions químiques formen part de la nostra vida diària. Raona com seria un dia sense reaccions químiques. Podem sobre-viure sense elles?

b > Fixa’t en les imatges d’aquestes dues pàgines:

— Què hi observes?

— Quines reaccions químiques et suggereixen les imatges?

— Què en penses?

c > T’has parat mai a pensar:

— Per què es rovella el ferro? Què es neces-sita per a fer foc? Per què els aliments canvien de color quan són cuinats? Com funciona el coixí de seguretat d’un cotxe? Per què les patates s’enfosqueixen un cop pelades?

— Poseu en comú les vostres opinions a clas-se, elaboreu una llista i guardeu-la. En fina-litzar la unitat, repreneu-la i comproveu si continueu pensant de la mateixa manera.

Pel·lículesVídeo sobre les aportacions de la química.Química: está en todo lo que te rodea. Producció: EPCA, UNESCO i IUPAC. http://www.youtube.com/watch?v=y6Zl7MsXbag

Llocs webEn les adreces d’internet següents pots apreciar la importància de la química en la societat i la relació que té amb la tecnologia i amb el medi ambient.

— Química i societathttp://links.edebe.com/j4ahttp://links.edebe.com/63x

— Any Internacional de la Química, 2011 (CSIC)http://links.edebe.com/k8fq

LlibresA continuació ressenyem dos llibres interessants per a completar la teva formació:

— Bernardo Herradón García, ¿Qué sabemos de? Los avances de la química. Editorial CSIC i Catarata, 2011.

— Robert L. Wolke, Lo que Einstein le contó a su cocinero. Ma non troppo, 2011.

EN CONTEXT

112876_UN_03_CAT.indd 83 13/01/15 11:08

84

1

q q

bloc 2. transformacions de la materia


Diàriament observem que es produeixen canvis en l’entorn. L’aigua es congela, les plantes i els animals creixen, la fusta crema i el vidre es trenca. La matèria es transforma constantment i hi ha dos tipus de canvis:

— Canvis físics. Són canvis en què no es modifica la natura de les substàncies que hi intervenen. Per exemple, l’aigua es congela; és a dir, passa a l’estat sòlid (gel), però continua sent aigua, i podem tornar-la a l’estat líquid si varia la temperatura.

— Canvis químics. Són canvis en què unes substàncies es transformen en unes altres de diferents, amb una natura i unes propietats distintes. Per exemple, quan la fusta crema, observem que queda un residu negre i que es desprenen gasos. Els canvis químics es descriuen per mitjà de reaccions químiques.

Una reacció química és un procés mitjançant el qual una o diverses substàncies inicials, anomenades reactius, es transformen en unes altres substàncies finals, anomenades productes.

En alguns casos, detectem que es produeix una reacció química perquè obser vem canvis a simple vista; per exemple, canvis bruscs de temperatura, canvis d’aspecte, centelleigs lluminosos, despreniments de gas, etc. En d’altres hem d’analitzar les substàncies per a saber que s’ha produït una reacció quí-mica.

— Vegem què succeeix si s’escalfa una mescla de sofre amb llimadures de ferro: s’obser-va que desapareix el color groc del sofre i es forma un sòlid negre. S’ha produït un canvi químic. La reacció química que ho descriu és la següent:

S + FeReactius → FeS

Productes

— Vegem què succeeix si s’escalfa un tros de carbó en contacte amb l’oxigen de l’aire: totes dues substàncies reaccionen i es transformen en diòxid de carboni, una altra substància de composició i propietats químiques diferents de les inicials. La reacció química que descriu aquest canvi químic és aquesta:

C + O2

Reactius → CO2

Productes

En tota reacció química les molècules dels reactius xoquen entre si i els àtoms es reorganitzen. Els enllaços entre els àtoms dels reactius es destrueixen i es formen enllaços nous, que donen lloc als productes. És a dir, els àtoms canvien l’organit-zació que tenien; per això les propietats dels reactius i dels productes són dife-rents.

— Vegem què succeeix en la reacció entre el clor i l’hidrogen: es trenquen els enllaços covalents entre els àtoms d’hidrogen (H–H) i entre els àtoms de clor (Cl–Cl), i es formen nous enllaços covalents entre l’hidrogen i el clor (H–Cl).

EXEMPLE


Oxidació d’una poma.L’enfosquiment de la poma es deu a l’oxidació, una reacció química que es produeix entre els compostos químics de la fruita i l’oxigen de l’aire.

En l’adreça d’internet següent pots trobar més exemples de canvis físics i químics:

http://links.edebe.com/pmvrw4

INTERNET

En l’enllaç següent pots explorar reaccions químiques que es produ-eixen en la natura i en el nostre entorn , com la digestió, la fotosínte-si, l’oxidació de metalls, la combus-tió, etc.:

http://links.edebe.com/9jbqi

INTERNET

Exercicis i problemes 5 a 10

+

Reactius Productes

H2Cl2 2HCl

+ClCl

Cl

ClH H

H

H

112876_UN_03_CAT.indd 84 13/01/15 11:08

85

AMPLíAq q

unitat 3. reaccions químiques

2. Equacions químiques

Hem descrit les reaccions químiques anteriors mitjançant una expressió abreuja-da que relaciona les fórmules de les substàncies que intervenen en el procés. Aquesta representació s’anomena equació química.

Una equació química és la representació escrita i abreujada d’una reacció química, que la descriu de manera qualitativa i quantita-tiva.

Zn(s)+H2SO4(aq)→ ZnSO4(aq)+H2(g)

Aquest llenguatge és universal, ja que, independentment de l’idioma que parlem, podem interpretar el significat de la reacció química.

2.1. Significat qualitatiu d’una equació química

Per a escriure i interpretar una equació química, cal seguir uns passos i unes normes d’escriptura. Vegem en què consisteix aquest procediment, aplicat a la reacció química següent:

CaCO3(s)Reactius

Δ⎯ →⎯⎯ CaO(s) + CO2(g) ↑Productes

— Escrivim les fórmules dels reactius a l’esquerra i les dels productes, a la dreta. Si hi ha diversos reactius o productes, hi afegim el signe + entre ells.

— Separem els dos membres de l’equació mitjançant una fletxa que indica el sentit en què avança la reacció.

— Tan sols escrivim les fórmules de les substàncies que intervenen en la reacció; així, no escrivim la fórmula de l’aigua, per exemple, si aquesta només és el mitjà de dissolució.

— S’ha d’indicar l’estat d’agregació de les substàncies; darrere de cada fór-mula, hi posem les lletres dels estats entre parèntesis: estat sòlid (s); estat líquid (l) o estat gasós (g). Si la substància està en solució aquosa, s’hi afegeix (aq).

— De vegades, s’hi inclouen altres símbols per a indicar altres característiques del procés:

•El símbol D col·locat sobre la fletxa que mostra el sentit de la transformació significa escalfament.

•La fletxa ↑ al costat d’un producte significa despreniment d’un gas.

•La fletxa ↓ al costat d’un producte significa precipitat sòlid.

— En altres casos, apareixen també variables com la temperatura i la pressió de la reacció, la presència de catalitzadors o l’energia de reacció.

Així, el significat qualitatiu de la reacció química representada com a exemple s’expressa de la manera següent: el carbonat de calci sòlid, CaCO3(s), es descom-pon per acció de la calor i produeix òxid de calci sòlid, CaO(s), i el despreniment de diòxid de carboni gasós, CO2(g).


2.1. Significat qualitatiu d’una equació química

2.2. Mètodes d’ajust de les equacions químiques

2.3. Significat quantitatiu d’una equació química

Catalitzador. Substància que incre-menta la velocitat d’una reacció química sense consumir-se ni trans-formar-se en la reacció. No varien ni la composició ni les propietats de la reacció.

VOCABULARI

La fletxa d’una reacció química indi-ca si una reacció és irreversible o reversible.

Irreversible: s’esdevé en un sol sen-tit.

C(s) + O2(g) → CO2(g)

Reversible: pot evolucionar en tots dos sentits. Es representa amb una fletxa doble.

2 H2O(l) H3O+(aq) + OH−(aq)

En l’aigua que bevem hi ha en una proporció petita oxoni i hidròxid, a causa de l’equilibri químic que hi ha entre les tres espècies.

Reacció reversible de l’aigua.Representació de l’equilibri químic de l’aigua a nivell molecular.

AMPLIA

Exercicis i problemes 11

Aigua (H2O) (H2O) Hidròxid(OH−)

Oxoni(H3O+)

+ +

112876_UN_03_CAT.indd 85 13/01/15 11:08

86

2

q q


2.2. Mètodes d’ajust de les equacions químiques

En una reacció química canvien els enllaços entre els àtoms, però la quantitat to-tal d’àtoms de cada element es conserva. Per tant, el nombre d’àtoms de cada element ha de ser igual en tots dos membres de l’equació.

Comptem el nombre d’àtoms d’hidrogen i d’oxigen en els dos membres de l’equa-ció següent:

H2(g) + O2(g) → H2O(g)

Veiem que hi ha dos àtoms d’hidrogen, tant en els reactius com en els produc-tes. En canvi, hi ha dos àtoms d’oxigen en els reactius i només un en els pro-ductes. Per solucionar aquest problema col·loquem el nombre fraccionari ½ davant la fórmula de l’oxigen:

H2(g) +1

2O2(g) → H2O(g)

Ara tenim un àtom d’oxigen a cada banda de l’equació. Aquest procediment s’anomena ajust d’una equació química.

Ajustar una equació química consisteix a assignar a cada fórmula un coeficient perquè el nombre d’àtoms de cada element sigui igual en tots dos membres.

Aquests nombres s’anomenen coeficients estequiomètrics, i és convenient que siguin els nombres enters més petits possibles.

Per tant, en la reacció anterior multipliquem per dos tots els coeficients de l’equa-ció per evitar els nombres fraccionaris:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g)

Una equació química sempre ha d’estar ajustada. Per a això, hem d’utilitzar un dels mètodes següents: el mètode de tempteig o el mètode algèbric (o del siste-ma d’equacions).

— Mètode de tempteig. Consisteix a provar amb diferents valors fins que l’equació quedi ajustada. Es comença pels àtoms que no són hidrogen, oxi-gen o substàncies elementals, i es deixa aquests darrers per al final. Es fa servir en equacions senzilles.

Vegem com s’ajusta l’equació següent per mitjà del mètode de tempteig: C3H8(g)+O2(g)→ CO2(g)+H2O(l)

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Identifiquem els tipus d’àtoms que hi ha: car-boni, hidrogen i oxigen.

Comptem el nombre de cadascun d’ells en els dos membres de l’equació.

RESOLUCIÓ. En primer lloc ens fixem en el carboni, després en l’hidrogen i, finalment, en l’oxigen.

— Carboni: hi ha tres àtoms a l’esquerra i un a la dreta. Escri-vim un 3 davant del diòxid de carboni i assumim un 1 da-vant de C3H8(g):

C3H8(g) + O2(g) → 3 CO2(g) +H2O(l)

— Hidrogen: hi ha vuit àtoms a l’esquerra i dos a la dreta. Escri vim un 4 davant de l’aigua:

C3H8(g) + O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(l)

— Oxigen: hi ha dos àtoms a l’esquerra i deu a la dreta. Escri-vim un 5 davant de l’oxigen molecular:

C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(l)

COMPROVACIÓ. Comptem novament el nombre d’àtoms de cada element per assegurar-nos que l’equació està ajustada correctament.

Solució

En les pàgines web següents, pots practicar l’ajust d’equacions quími-ques:

http://links.edebe.com/bn

http://links.edebe.com/45vstm

INTERNET

RECORDA

— La llei de Lavoisier de conserva-ció de la massa enuncia el se-güent: «En tota reacció química, la massa total dels reactius que reaccionen és igual a la massa total dels productes formats».

— J. Dalton va formular una teoria que podia justificar la llei de La-voisier. El químic britànic va indi-car que «en una reacció, el nombre d’àtoms de cada ele-ment és el mateix en els reactius i en els productes, encara que l’organització dels seus enllaços sigui diferent».

Aquesta teoria està estretament rela-cionada amb l’ajust de les equacions químiques.

112876_UN_03_CAT.indd 86 13/01/15 11:08

87

3


— Mètode algèbric o sistema d’equacions. S’empra en els casos més compli-cats, en què no podem determinar els coeficients per tempteig. Els passos que cal seguir són aquests:

•Cadascun dels coeficients es considera una incògnita i es representa amb una lletra.

•Es construeix una equació per a cada element químic, i s’iguala el nombre d’àtoms d’aquest element en tots dos membres.

•Es resol el sistema d’equacions. Com que hi ha més incògnites que equa-cions, s’assigna un valor arbitrari a una d’elles i obtenim una de les solucions possibles.

•Si s’obtenen coeficients fraccionaris, és habitual multiplicar-los pel nombre adequat per a obtenir un conjunt de valors enters.

Vegem com s’ajusta l’equació següent per mitjà del mètode del sistema d’equacions: HBr(aq)+Fe(s)→ FeBr3(aq)+H2(g).

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Identifiquem els tipus d’àtoms que hi ha: hidro-gen, brom i ferro. Comptem el nombre de cadascun d’ells en tots dos membres de l’equació. No està ajustada.

RESOLUCIÓ.

— Assignem coeficients provisionals (a, b, c, d) a cada reactiu i producte:

a HBr(aq) + b Fe(s) → c FeBr3(aq) + d H2(g)

— Establim una equació per a cada element. L’equació indica que el nombre d’àtoms de l’element és igual en tots dos membres:

Hidrogen: a = 2d Brom: a = 3c Ferro: b = c

— Assignem un valor arbitrari a una d’elles. Per exemple: d = 1. Resolem el sistema i obtenim el següent:

De la 1a equació: a = 2 · 1 = 2

De la 2a equació: c =2

3

De la 3a equació: b =2

3

— Per evitar els coeficients fraccionaris, els multipliquem tots per tres:

a = 6 b = 2 c = 2 d = 3

6 HBr(aq) + 2 Fe(s) → 2 FeBr3(aq) + 3 H2(g)

COMPROVACIÓ. Comptem novament el nombre d’àtoms de cada element per assegurar-nos que el resultat és correcte.

Solució

2.3. Significat quantitatiu d’una equació química

Les equacions químiques ajustades ens proporcionen informació sobre les pro-porcions de les substàncies que hi intervenen.

Així, podem interpretar una equació química en termes atomicomoleculars i en termes molars.

Vegem el significat quantitatiu de l’equació de l’exemple anterior:

6 HBr(aq) + 2 Fe(s) → 2 FeBr3(aq) + 3 H2(g)

— Relació atomicomolecular. Sis entitats moleculars de bromur d’hidrogen reaccionen amb dues entitats moleculars de ferro i produeixen dues enti-tats moleculars de bromur de ferro(III) i tres entitats moleculars d’hidro-gen.

— Relació molar. Sis mols de bromur d’hidrogen reaccionen amb dos mols de ferro i produeixen dos mols de bromur de ferro(III) i tres mols d’hidro-gen.

Exercicis i problemes 12 y 13


RECORDA

La llei d’Avogadro explica la relació entre coeficients estequiomètrics d’una reacció química: «Volums iguals de qualsevol gas, mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura, contenen el mateix nombre de molècules».

La relació entre la constant d’Avoga-dro i la quantitat de substància és:

— Un mol de molècules conté 6,022 · 1023 molècules.

— Un mol d’àtoms conté 6,022 · · 1023 àtoms.

112876_UN_03_CAT.indd 87 13/01/15 11:08

88


3. Tipus de reaccions químiques

Hi ha una gran varietat de reaccions químiques. Algunes s’esdevenen en la natura i d’altres es duen a terme als laboratoris o en la indústria. A continuació aprendrem com es classifiquen i, en concret, estudiarem les reaccions de combustió, les quals són molt importants per les diverses aplicacions que tenen.

Les reaccions químiques es poden classificar tenint en compte diversos criteris.

— Segons el mecanisme d’intercanvi, es distingeixen els tipus de reaccions se-güents:

•Reaccions de síntesi. Dos o més reactius senzills es combinen i formen un producte més complex. L’amoníac és el producte de la combinació de dues substàncies: el nitrogen i l’hidrogen.

N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)

•Reaccions de descomposició. Una substància es descompon en d’altres més senzilles. L’aigua es descompon en hidrogen i oxigen gasós.

2 H2O(l)→ 2 H2(g)↑+ O2(g)↑

•Reaccions de desplaçament o substitució. Un element és substituït per un altre en un compost. El zinc desplaça l’hidrogen de l’àcid clorhídric i ocupa el seu lloc.

Zn(s) + 2 HCl(aq) → ZnCl2(aq) +H2(g) ↑

•Reaccions de desplaçament doble. Dos àtoms intercanvien les posicions respectives i formen dos compostos nous. En la reacció entre l’àcid sulfúric i l’hidròxid de calci, l’hidrogen i el calci intercanvien les posicions de manera que es forma sulfat de calci i aigua.

H2SO4(aq) + Ca(OH)2(aq) → CaSO4(aq) + 2 H2O(l)

— Segons les partícules intercanviades, distingim tres tipus de reaccions:

•Reaccions àcid-base, o de neutralització. Consisteixen en la transferència d’hidrons d’un àcid a una base. Una solució d’àcid clorhídric reacciona amb una altra d’hidròxid de sodi, de manera que l’àcid cedeix un hidró a l’hidròxid i es forma una sal i aigua.

HCl(aq) +NaOH(aq) → NaCl(aq) +H2O(l) àcid + base → sal + aigua

•Reaccions d’oxidació-reducció (redox). Són les reaccions en què hi ha una transferència d’electrons des d’una substància que els perd (s’oxida) fins a una altra que guanya aquests electrons (es redueix). En la reacció entre el sulfat de coure i el ferro, el coure es redueix (disminueix el seu nombre d’oxidació) i el ferro s’oxida (augmenta el seu nombre d’oxidació).

Cu+2 SO4(aq) + Fe

0 (s) → Cu

0 (s) + Fe

+2 SO4(aq)

•Reaccions de precipitació. Consistei-xen en la transferència d’ions en disso-lució entre dos compostos iònics solu-bles, per formar una sal insoluble anomenada precipitat. En mesclar una solució de nitrat de plata amb una altra de clorur de potassi, la plata(1+), Ag+, s’uneix amb el clorur, Cl−, i s’origina un precipitat de clorur de plata.

AgNO3(aq) + KCl(aq) → KNO3(aq) + AgCl(s) ↓ Precipitat de clorur de plata.


3.1. Reaccions de combustió

El foc va ser adorat com un déu fins que l’ésser humà va aprendre a con-trolar les reaccions químiques que el produeixen.

Es rendia culte al foc pel caràcter de misteri inescrutable que tenia. Apa-reixia d’una manera explosiva de l’inte rior de la Terra amb un bram intens o queia del cel amb unes con-seqüències espectaculars. Podia ser ferotge i devastador o protegir els cossos del fred. Feia llum, espantava els depredadors i cuinava els ali-ments, o de sobte s’extingia.

CURIOSITATS

En el vídeo següent es mostren exemples dels diversos tipus de reac cions químiques:

http://links.edebe.com/pua5zm

Fixa’t que les reaccions de síntesi també es poden anomenar reaccions de combinació directa.

INTERNET

— Àcid. Substància que en una solució aquosa cedeix hidrons, mentre que una base és una substància capaç d’acceptar-los.

— Reductor. Espècie química que cedeix electrons; és a dir, s’oxi-da, mentre que un oxidant és una espècie química capaç de guanyar electrons; és a dir, es redueix.

FIXA-T’HI

Exercicis i problemes 15 a 18, 20 i 22

112876_UN_03_CAT.indd 88 13/01/15 11:08

89

AMPLíAq q


3.1. Reaccions de combustió

Aquesta denominació inclou un ampli grup de processos químics en què l’oxigen, també anomenat comburent, reacciona amb una altra substància anomenada combustible, i l’oxida. Per tant, es tracta d’una reacció redox. A conseqüència d’això, es desprèn una gran quantitat d’energia en forma de llum i calor.

Les reaccions de combustió no es produeixen d’una manera espontània, sinó que re-quereixen una aportació de calor o una espurna. Després, continuen per si mateixes.

La combustió és una reacció d’oxidació ràpida en què es desprèn calor i llum.

La combustió completa d’hidrocarburs i derivats oxigenats genera com a produc-tes de reacció diòxid de carboni i vapor d’aigua:

2 C4H10

butà (g) + 13 O2(g) → 8 CO2(g) + 10 H2O(g)

Tanmateix, la combustió del carbó només produeix diòxid de carboni:

+ → ↑C(s) O (g) CO (g)2 2

Si no hi ha prou oxigen, la combustió és incompleta i també es genera monòxid de carboni (CO). Aquest gas, que és tòxic, incolor, sense gust ni olor, s’uneix a l’hemoglobina de la sang i la blocja, de manera que aquesta no pot transportar l’oxigen. En concentracions baixes, produeix somnolència i mal de cap, però en concentracions elevades és letal.

Les reaccions de combustió s’utilitzen per a obtenir energia, tant en l’àmbit indus-trial com en el domèstic. Són aplicables als motors de combustió, als sistemes de calefacció o a la il·luminació.

Els combustibles poden ser sòlids, líquids o gasosos. Els més emprats són els següents:

— Sòlids: carbó, carbó de coc, torba, fusta, paper, etc.

— Líquids: gasolina, fuel, gasoil, querosè, alcohol, etc.

— Gasosos: gas natural, metà, propà, butà, etc.

Actualment tenen una importància especial els biocombustibles, que són combus-tibles d’origen biològic obtinguts a partir de residus orgànics. A diferència dels combus tibles fòssils, com el petroli, són una font d’energia renovable. L’ús dels biocombustibles respecta el medi ambient i prevé l’esgotament de recursos .

Biomassa

Bioetanol

Biodièsel

Biogàs

Agrícola

Forestal

Agroindustrial

Residus urbans

Sòlids

Gasosos

Líquids

BIO

COM

BU

STIB

LES

També s’estan investigant noves tècniques per a aprofitar al màxim l’energia dels combustibles, i per a tractar i eliminar les substàncies contaminants que es pro-dueixen en les combustions.

CURIOSITATS

Sabies que les companyies petrolie-res canvien la composició de la ga-solina quatre vegades a l’any?

La gasolina és una mescla d’hidro-carburs amb diferents graus de vola-tilitat. A l’hivern és més difí cil vapo- ritzar la gasolina, a causa de les tem-peratures baixes, per això afegeixen més components volàtils a la mescla. En canvi, a l’estiu disminueixen la proporció de components volàtils, ja que aquests es perdrien per evapo-ració.

INTERNET

Observa el següent experiment so-bre les reaccions de combustió:

http://links.edebe.com/je

RECORDA

Els aparells domèstics que cremen combustible (com les calderes i les estufes) poden produir CO si no fun-cionen correctament.

AMPLIA

La respiració cel·lular es pot inter-pretar com una combustió de la glucosa. L’energia despresa és utilit-zada per l’ésser viu per a mantenir les seves funcions vitals.

C6H12O6

glucosa + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

— Investiga quines etapes consti-tueixen el procés de respiració cel·lular.

Exercicis i problemes 19, 21 i 23

112876_UN_03_CAT.indd 89 13/01/15 11:08

90

4

q q


4. Estequiometria de les reaccions químiques

Quan treballem amb reaccions químiques, hem de saber quina quantitat de pro-ducte s’obté a partir d’una determinada quantitat de reactiu, o quina quantitat de reactiu es necessita per a obtenir una certa quantitat de producte.

L’estequiometria és l’estudi de la relació quantitativa entre reactius i productes en una reacció química.

Els càlculs que s’efectuen per a obtenir aquesta informació quantitativa d’una equació química ajustada s’anomenen càlculs estequiomètrics.

4.1. Càlculs amb relació massa-massa

Per a conèixer la massa d’un reactiu o producte, a partir de la massa d’un altre, hem de tenir en compte la relació molar entre totes dues substàncies. Aquesta relació s’obté de l’equació química ajustada.

Per als càlculs estequiomètrics, utilitzem factors de conversió. En general, els passos que cal seguir són aquests:

— Escriure i ajustar l’equació química corresponent.

— Convertir a mols la dada de partida.

— Aplicar la relació molar entre la substància coneguda i la que volem conèixer, segons els coeficients de l’equació química ajustada.

— Calcular la massa o el volum de la substància en qüestió.


4.1. Càlculs amb relació massa-massa

4.2. Càlculs amb relació volum-volum

4.3. Càlculs amb relació massa-volum

4.4. Càlculs amb reactiu limitant

4.5. Càlculs amb reactius en dissolució

Quan el zinc metàl·lic reacciona amb una solució de sulfat de coure(II), es forma una solució de sulfat de zinc i es diposita coure metàl·lic. Si partim de 20 g de sulfat de coure(II), calcula la massa de coure que es pot obtenir com a màxim.

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Hem de calcular la massa d’un dels productes de la reacció i, com a dada, la massa d’un reactiu.

DADES. m (CuSO4) = 20 g; incògnites: m (Cu).

RESOLUCIÓ. Escrivim i ajustem l’equació química correspo-nent:

Zn(s) + CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s)

— Calculem la massa molar de la substància coneguda i, des-prés, el nombre de mols:

Mr (CuSO4): 1 · 63,55 + 1 · 32,07 + 3 · 16 = 143,62

M (CuSO4): 143,62 g ·mol−1

20 g CuSO4 ·1 mol CuSO4

143,62 g CuSO4

= 0,14 mol CuSO4

— Determinem el nombre de mols de Cu que s’obtenen a par-tir de la relació molar entre el CuSO4 i el Cu, descrita en l’equació:

0,14 mol CuSO4 ·1 mol Cu

1 mol CuSO4

= 0,14 mol Cu

— Multipliquem els mols de coure per la seva massa molar i obtenim la massa de coure que s’ha format:

Ar (Cu): 63,55 M(Cu): 63,55 g ·mol−1

0,14 mol Cu ·63,55 g Cu

1 mol Cu= 8,9 g Cu

Observa que podem col·locar els factors de conversió de mane-ra consecutiva:

20 g CuSO4 ·1 mol CuSO4

143,62 g CuSO4

·1 mol Cu

1 mol CuSO4

·

·63,55 g Cu1 mol Cu

= 8,9 g Cu

COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és rao-nable i si les unitats són adequades. En cas contrari, revisem els càlculs.

Solució

RECORDA

La massa molar, M, de qualsevol substància expressada en grams coincideix numèricament amb la seva massa atòmica o molecular.

Per exemple, en el cas de l’oxigen:

Mr (O2) = 2 · 16,00 = 32,00

M (O2) = 32,00 g ·mol−1


112876_UN_03_CAT.indd 90 13/01/15 11:08

91

5

6


4.2. Càlculs amb relació volum-volum

Si tenim un reactiu o producte gasós i en volem esbrinar el volum a partir del vo-lum de l’altre, es procedeix d’una manera semblant a la que hem vist. Utilitzem la relació molar entre totes dues substàncies, que es deriva de l’equació química ajustada.

Segons la definició actual de la IUPAC, en els gasos 105 Pa i 273 K es consideren condicions estàndard de pressió i temperatura. En aquest cas, un mol de qualse-vol gas ocupa 22,7 L. És a dir, el volum molar és: Vm = 22,7 L · mol−1. Si el gas que hi intervé no està mesurat en aquestes condicions, per a la conversió a mols hem de tenir en compte l’equació d’estat dels gasos ideals.

p V = n R T

p = pressió (Pa)V = volum (m3)n = quantitat de substància (mol)R = constant dels gasos ideals en l’SI = 8,31 Pa ·m3 ·K−1 ·mol−1

T = temperatura (K)

Troba el volum d’oxigen necessari per a cremar completament 4,0 L de butà, C4H10, a 105 Pa i 273 K.

L’oxidació del diòxid de sofre produeix triòxid de sofre, SO3. Calcula el volum d’oxigen, mesurat a 740 mmHg i 300 K, que es requereix per a obtenir 100 L de triòxid de sofre a la mateixa pressió i a 320 K.

EXEMPLE

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Tenim com a dada de partida el volum d’un dels reactius.

DADES. V (C4H10) = 4,0 L. Incògnites: V (O2); p = 105 Pa; T = 273 K.

RESOLUCIÓ. Escrivim i ajustem l’equació química correspo-nent:

2 C4H10(g) + 13 O2(g) → 8 CO2(g) + 10 H2O(l)

— Calculem la quantitat de butà, tenint en compte que estan a 105 Pa i 273 K:

4,0 L C4H10 ·1 mol C4H10

22,7 L C4H10

= 0,18 mol C4H10

— Determinem la quantitat d’O2 que es necessita a partir de la relació molar entre el C4H10 i l’O2:

0,18 mol C4H10 ·13 mol O2

2 mol C4H10

= 1,2 mol O2

— Passem a litres els mols d’oxigen obtinguts:

1,2 mol O2 ·22,7 L O2

1 mol O2

= 27 L O2

Observa que també podem col·locar de manera consecutiva els factors de conversió que hem utilitzat:

4,0 L C4H10 ·1 mol C4H10

22,7 L C4H10

·13 mol O2

2 mol C4H10

·22,7 L O2

1 mol O2

COMPROVACIÓ. Comprovem que la quantitat i les unitats són correctes. En cas contrari, revisem els càlculs.

COMPRENSIÓ. Sabem que el volum del producte és SO3.

DADES. V (SO3) = 100 L = 0,100 m3, mesurat a 320 K i 740 mmHg; incògnites: V (O2) a 740 mmHg i 300 K.

p = 740 mmHg ·1 atm

760 mmHg·

1,013 · 105 Pa

1 atm= 9,86 · 104 Pa

RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació química ajustada:

2 SO2(g) + O2(g) → 2 SO3(g)

— Calculem la quantitat d’SO3 a partir de l’equació d’estat dels gasos ideals:

n (SO3) =p VR T

=9,86 · 104 Pa · 0,100 m3

8,31 Pa · m3 · K−1 ·mol−1 · 320 K=

= 3,71 mol SO3

— Calculem la quantitat d’O2 que es necessita a partir de la relació estequiomètrica de la reacció:

3,71 mol SO3 ·1 mol O2

2 mol SO3

= 1,86 mol O2

— Passem a litres els mols d’O2 necessaris:

V (O2) =n R T

p=

=1,86 mol · 8,31 Pa · m3 · K−1 · mol−1 · 300 K

9,86 ⋅ 104 Pa

V (O2) = 0,0470 m3 O2 ·1000 L O2

1 m3 O2

= 47,0 L O2


Solució

Solució

RECORDA

La unitat de pressió en l’SI és el pas-cal, Pa. 1 atm = 760 mmHg = 1,013 · 105 Pa 1 bar = 105 Pa

També pots veure el valor de R com:

R = 0,082 atm · L · K−1 · mol−1


112876_UN_03_CAT.indd 91 13/01/15 11:08

92

7


4.3. Càlculs amb relació massa-volum

Quan en una reacció química volem calcular el volum d’un producte gasós, cone-guda la massa d’un reactiu o producte, emprem la relació molar entre les subs-tàncies i l’equació dels gasos ideals, si escau.

L’àcid clorhídric, HCl(aq), reacciona amb l’alumini, Al(s), i es produeix clorur d’alumini, AlCl3(aq), i hidrogen gasós, H2(g). Si volem obtenir 140 L d’hidrogen, mesurats a 20 °C i 740 mmHg, calcula:

a) Quina massa d’alumini es necessita?

b) Quina massa de clorur d’alumini, AlCl3(aq), s’obtindrà?

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Sabem quin és el volum d’un dels productes i ens demanen la massa d’un reactiu (alumini) en l’apartat a); i la massa de l’altre producte (clorur d’alumini) en l’apartat b).

DADES. V (H2) = 140 L = 0,140 m3, mesurats a 20 ºC i 740 mmHg.

p = 740 mmHg1 atm

760 mmHg·

1,013 · 105 Pa

1 atm= 9,86 · 104 Pa

T = (20 + 273) K = 293 K

Incògnites: m (Al); m (AlCl3).

RESOLUCIÓ.

— Escrivim i ajustem l’equació química corresponent:

6 HCl(aq) + 2 Al(s) → 2 AlCl3(aq) + 3 H2(g) ↑

a) Per a determinar la massa d’alumini necessària, seguim aquests passos:

— Calculem a quants mols d’hidrogen equival el volum d’hidrogen que volem obtenir (0,140 m3). Per a això, fem servir l’equació d’estat dels gasos ideals:

n (H2) =p VR T

=9,86 · 104 Pa · 0,140 m3

8,31 Pa · m3 · K−1 ·mol−1 · 293 K= 5,67 mol H2

— Trobem la massa d’alumini necessària a partir de la relació estequiomètrica de la reacció. Per a això, utilitzem una seqüència de factors de conversió:

Ar (Al): 26,98 M (Al): 26,98 g ·mol−1

5,67 mol H2 ·2 mol Al

3 mol H2

·26,98 g Al

1 mol Al= 102 g Al

Es necessiten 102 g d’alumini.

b) Per calcular la massa de clorur d’alumini que es formarà, procedim de la mateixa manera:

Mr (AlCl3) = 1 · 26,98 + 3 · 35,45 = 133,4 M (AlCl3) = 133,4 g ·mol−1

5,67 mol H2 ·2 mol AlCl33 mol H2

·133,4 g AlCl31 mol AlCl3

= 504 g AlCl3

Es formen 504 g de clorur d’alumini, AlCl3(aq).

COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és raonable i si les unitats són ade-quades. En cas contrari, revisem els càlculs.

Solució

Reacció química entre l’alumini i l’àcid clorhídric.Es forma clorur d’alumini, AlCl3(s), i es desprèn hidrogen gasós, H2(g).

En les pàgines d’internet següents, pots practicar els càlculs estequio-mètrics i veure la solució pas a pas de cada exercici:

http://links.edebe.com/sd36

http://links.edebe.com/6yzzbi

INTERNET

Exercicis i problemes 26 i 33

HCl(aq)

AI(s)

H2(g)

Aigua

112876_UN_03_CAT.indd 92 13/01/15 11:08

93

8

q q


4.4. Càlculs amb reactiu limitant

Quan es duu a terme una reacció química en la indústria o en els laboratoris, els reactius no hi solen ser presents en quantitats estequiomètriques; és a dir, en les proporcions exactes que indiquen els coeficients de l’equació, per la qual cosa la reacció s’acaba quan un d’ells s’esgota, i una part de l’altre queda sense reaccionar.

El reactiu limitant és el que es consumeix íntegrament i determina la quantitat màxima de producte que es pot obtenir.

Els reactius que només es consumeixen parcialment, i en sobra una part, s’ano-menen reactius en excés. Quan tenim dades de dos reactius, hem d’identificar el reactiu limitant i prendre’l com a referència en els càlculs.

La combustió del sulfur d’hidrogen, H2S, en presència d’oxigen, O2, produeix diòxid de sofre, SO2, i aigua, H2O. Si es cremen 18,32 g de sulfur d’hidrogen en presència de 40 L d’oxigen, mesurat a 1,00 · 105 Pa i 273 K, determina quina massa de diòxid de sofre es formarà.

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Tenim les dades dels dos reactius.

H2S(g) + O2(g) → SO2(g) +H2O(g)

DADES. m (H2S) = 18,32 g, V (O2) = 40 L = 0,040 m3, a 1,00 · 105 Pa i 273 K.

Incògnites: m (SO2).

RESOLUCIÓ.

— Escrivim i ajustem l’equació química corresponent:

2 H2S(g) + 3 O2(g) → 2 SO2(g) + 2 H2O(g)

— Hem de conèixer quin dels dos reactius és el limitant. Per a això, calculem quants mols hi ha de cadascun dels dos reactius:

Mr (H2S): 2 · 1,01 + 1 · 32,07 = 34,09 M (H2S): 34,09 g ·mol−1

18,32 g H2S ·1 mol H2S

34,09 g H2S= 0,5374 mol H2S

n (O2) =p VR T

=1,00 · 105 Pa · 0,040 m3

8,31 Pa · m3 · K−1 ·mol−1 · 273 K= 1,8 mol O2

— Determinem els mols d’oxigen necessaris perquè reaccionin totalment amb 0,537 4 mol de sulfur d’hidrogen, tenint en compte la relació estequiomètrica (dos mols de sulfur d’hidrogen consumeixen tres mols d’oxigen):

0,5374 mol H2S ·3 mol O2

2 mol H2S= 0,8061 mol O2

Es necessiten 0,806 1 mol d’oxigen perquè reaccioni tot el sulfur d’hidrogen. Com que tenim 1,8 mol d’oxigen, significa que l’oxigen hi és en excés i el reactiu limitant és el sul-fur d’hidrogen. Podem calcular l’excés d’oxigen: excés (O2) = (1,8 – 0,806 1) mol O2 = 0,993 9 mol O2.

— Aleshores prenem com a dada de referència els 0,537 4 mol d’H2S i procedim de la manera habitual per calcular la massa d’SO2 que s’obtindrà:

Mr (SO2): 1 · 32,07 + 2 · 16,00 = 64,07 M (SO2): 64,07 g ·mol−1

0,5374 mol H2S ·2 mol SO2

2 mol H2S·

64,07 g SO2

1 mol SO2

= 34,43 g SO2

Es formen 34,43 g de diòxid de sofre.


Solució

FIXA-T’HI

Per identificar el reactiu limitant, co-negudes les quantitats dels dos reac-tius, procedim de la manera següent:

— Calculem la quantitat de totes dues substàncies.

— Triem un dels reactius i calculem la quantitat necessària del segon reactiu mitjançant la relació este-quiomètrica.

— Si la quantitat necessària del se-gon reactiu és més petita que la quantitat disponible, hi haurà un excés d’aquest reactiu, i el pri-mer serà el reactiu limitant. Si la quantitat necessària del segon reactiu és més gran que la dis-ponible, aquest reactiu serà el limitant i n’hi haurà un excés del primer.

INTERNET

En els enllaços següents, pots ob-servar simulacions de reaccions quí-miques que t’ajudaran a comprendre el concepte de reactiu limitant:

http://links.edebe.com/3gr

http://links.edebe.com/28bk

http://links.edebe.com/tzfn

Exercicis i problemes 27, 30, 31 i 34

112876_UN_03_CAT.indd 93 13/01/15 11:08

94

9

10


4.5. Càlculs amb reactius en dissolució

Sovint, les reaccions químiques es produeixen en dissolució. En aquests casos, hem de conèixer les concentracions de les solucions que hi intervenen per a cal-cular la quantitat de reactiu present.

El carbonat de calci, CaCO3, reacciona amb àcid clorhídric, HCl(aq), i forma clorur de calci, CaCl2; diòxid de carboni, CO2, i aigua, H2O. Es fan reaccionar 6,5 g de carbonat de calci amb àcid clorhídric 1,5 mol · L−1. Calcula el volum d’àcid clorhídric 1,5 M necessari perquè la reac ció sigui completa.

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Tenim la massa d’un reactiu i la concentració del reactiu del qual ens de-manen la quantitat en volum perquè la reacció sigui completa.

CaCO3(s) +HCl(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) +H2O(l)

DADES. m (CaCO3) = 6,5 g c(HCl) = 1,5 mol · L−1; incògnites: V (HCl).

RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació ajustada:

CaCO3(s) + 2 HCl(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) ↑ + H2O(l)

— Convertim la massa de CaCO3 en quantitat de substància. Calculem la quantitat d’HCl necessària, segons la relació estequiomètrica, i ho convertim a volum de solució te-nint-ne en compte la concentració:

Mr (CaCO3): 1 · 40,08 + 1 · 12,01 + 3 · 16,00 = 100,09 M (CaCO3): 100,09 g ·mol−1

6,5 g CaCO3 ·1 mol CaCO3

100,09 g CaCO3

·2 mol HCl

1 mol CaCO3

·1 L HCl(aq)

1,5 mol HCl= 0,090 L HCl(aq)

Es necessiten 90 mL d’HCl(aq) 1,5 mol · L−1 perquè reaccionin completament 6,5 g de CaCO3.


Solució

Es fan reaccionar 5,0 g de zinc amb una solució d’àcid clorhídric 35 % en massa i 1,18 g · cm−3 de densitat. Calcula el volum d’àcid necessari perquè la reacció sigui completa.

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Ens proporcionen la massa d’un reactiu i la concentració i la densitat de l’altre, del qual hem de calcular el volum necessari perquè la reacció sigui completa.

Zn(s) +HCl(aq) → ZnCl2(aq) +H2(g) ↑

DADES. m (Zn) = 5,0 g % massa (HCl) = 35 % d (HCl) = 1,18 g · cm−3

Incògnites: V (HCl).


Zn(s) + 2 HCl(aq) → ZnCl2(aq) +H2(g)

— Determinem la massa d’HCl necessària, procedint de la manera habitual:

Mr (Zn): 65,41 M (Zn): 65,41 g ·mol−1

Mr (HCl): 1 · 1,01 + 1 · 35,45 M (Cl): 36,46 g ·mol−1

— Calculem el volum de solució d’HCl, tenint en compte el percentatge en massa i la densitat de la solució:

5,0 g Zn ·1 mol Zn

65,41 g Zn·

2 mol HCl

1 mol Zn·

36,46 g HCl

1 mol HCl=

= 5,6 g HCl

5,6 g HCl ·100 g solució

35 g HCl·

1 cm3 solució

1,18 g solució=

= 14 cm3

Es necessiten 14 cm3 de solució d’àcid clorhídric 35 % en massa perquè la reacció sigui completa.


Solució

Problemes resolts A


Consulta les normes de seguretat per a l’emmagatzematge i la mani-pulació dels productes químics:

http://www.insht.es

INTERNET

112876_UN_03_CAT.indd 94 13/01/15 11:08

95

11

q q



En la realitat, quan es duu a terme una reacció química, s’obté menys quantitat de producte de la que teòricament caldria esperar a partir dels càlculs estequio-mètrics. Quan succeeix això, diem que la reacció té un rendiment inferior al 100 %.

El rendiment d’una reacció química és el quocient entre la quantitat de producte obtingut realment i la quantitat de producte que esperàvem obtenir teòricament.

Rendiment (%) =Quantitat de producte obtingut

Quantitat de producte teòric· 100

Com que el volum, si són gasos, i la massa són proporcionals a la quantitat de subs-tància, és habitual relacionar el rendiment d’una reacció amb aquestes magnituds, ja que són més fàcils de determinar en la pràctica que la quantitat química.

Un rendiment inferior al teòric en una reacció química es pot deure a les causes següents:

— El desenvolupament de la reacció s’ha produït en condicions inadequades.

— L’existència de reaccions secundàries paral·leles, que han donat lloc a pro-ductes no volguts.

— La pèrdua de material durant la manipulació o la purificació d’aquest.

— S’ha utilitzat menys temps de reacció que el requerit.

Vegem en l’exemple següent que, a partir del valor del rendiment d’una reacció química, podem determinar la quantitat de producte real obtinguda.

Per a això n’hi ha prou de calcular la quantitat teòrica mitjançant l’estequiometria de la reacció i multiplicar-ho pel rendiment donat.

Es descomponen 160 g de clorat de potassi, KClO3, i es produeixen clorur de potassi i oxigen. Calcula la quantitat de clorur de potassi obtin guda, en grams, si el rendiment de la reacció és del 85 %.

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Coneixem la massa del reactiu i el rendiment de la reacció.

KClO3(s) → KCl(s) + O2(g)

DADES. m (KClO3) = 160 g; Rendiment = 85 %

Incògnites: m (KCl).


2 KClO3(s) → 2 KCl(s) + 3 O2(g)

— Calculem la massa teòrica de KCl a partir de l’estequiome-tria de la reacció:

Mr (KClO3): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 + 3 · 16,00 = 122,55

M (KClO3): 122,55 g ·mol−1

Mr (KCl): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 = 74,55

M (KCl):74,55 g ·mol−1

160 g KClO3 ·1 mol KClO3

122,55 g KClO3

·2 mol KCl

2 mol KClO3

·

·74,55 g KCl

1 mol KCl= 97,3 g KCl (teóricos)

Mr (KClO3): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 + 3 · 16,00 = 122,55

M (KClO3): 122,55 g ·mol−1

Mr (KCl): 1 · 39,10 + 1 · 35,45 = 74,55

M (KCl):74,55 g ·mol−1

160 g KClO3 ·1 mol KClO3

122,55 g KClO3

·2 mol KCl

2 mol KClO3

·

·74,55 g KCl

1 mol KCl= 97,3 g KCl (teòrics)

— Hi apliquem el rendiment de la reacció per conèixer la quantitat obtinguda realment de KCl:

97,3 g KCl teòrics ·85 g KCl obtinguts

100 g KCl teòrics= 83 g KCl

S’obtenen 83 g de clorur de potassi.


Solució


Indústria química.El rendiment d’una reacció química és un factor fonamental en la indústria química.

FIXA-T’HI

Com que el rendiment real d’una reac ció química sempre és inferior al 100 %, es produeix menys quantitat de producte que el teòric. Per tant, necessitem més quantitat de reactiu que el teòric per a obtenir una quan-titat de producte determinada.


112876_UN_03_CAT.indd 95 13/01/15 11:08

96

12

Minimum assay (Perm.) 98 %MAXIMUM LIMIT OF IMPURITIESInsoluble matter in H2O 0,003 %Chloride (Cl) 0,002 %Sulphate (S4O) 0,005 %Heavy metals (as Pb) 0,001 %As 0,00004 % Metals by ICP [mg/Kg (ppm)]Al 5 K 50Au 5 Li 5B 5 Mg 25

Ba 5 Mn 5Be 5 Mo 5Bi 5 Ni 10Ca 25 Pb 10Cd 5 Sb 5Co 5 Si 5Cr 5 Sn 5Cu 10 Sr 5Fe 10 Ti 5Ga 5 Tl 5Ge 5 V 5Hg 5 Zn 10

q q



Els reactius que s’utilitzen en la indústria química i en els laboratoris normalment no tenen una puresa del 100 %. És a dir, contenen impureses que hem de tenir en compte en els càlculs, ja que només reaccionarà la part de la mostra lliure d’impureses, i no la quantitat de mostra inicial. Per a això considerem el concepte de riquesa o puresa.

La riquesa o puresa d’una mostra és el percentatge de substància pura que conté.

Es pot expressar de les maneres següents:

Riquesa (% m/m) =m (substància pura)

m (mostra)· 100

Riquesa (% v/v) =V (substància pura)

V (mostra)· 100

El carbonat de calci, CaCO3(s), de les roques calcàries es descompon, quan s’escalfa, en òxid de calci, CaO2(s), i diòxid de carboni, CO2(g). Si es calcinen 500 g de calcària al 70,0 % m/m de riquesa en carbonat de calci, calcula la quantitat d’òxid de calci que es produirà. Quin vo-lum de diòxid de carboni s’obtindrà a 20 °C i 700 mmHg?

EXEMPLE

COMPRENSIÓ. Coneixem la massa i la riquesa de la mostra.

CaCO3(s) Δ⎯ →⎯⎯ CaO(s) + CO2(g)

DADES. m (calcària) = 500 g; Riquesa (CaCO3) = 70 % m/mIncògnites: m (CaO); V (CO2) a 20 ºC i 700 mmHg.

RESOLUCIÓ. Escrivim l’equació ajustada: CaCO3(s) Δ⎯ →⎯⎯ CaO(s) + CO2(g) ↑

— Calculem la massa de CaCO3 que reacciona, tenint en compte la riquesa de la calcària:

500 g calcària ·70,0 g CaCO3

100 g calcària= 350 g CaCO3

— Determinem la massa de CaO que es produeix en la reacció:

Mr (CaCO3): 1 · 40,08 + 1 · 12,01 + 3 · 16,00 = 100,09 M (CaCO3): 100,09 g ·mol−1

Mr (CaO): 1 · 40,08 + 1 · 16,00 = 56,08 M (CaO): 56,08 g ·mol−1

350 g CaCO3 ·1 mol CaCO3

100,09 g CaCO3

·1 mol CaO

1 mol CaCO3

·56,08 g CaO

1 mol CaO= 196 g CaO

— Determinem la quantitat de CO2 que es produeix:

350 g CaCO3 ·1 mol CaCO3

100,09 g CaCO3

·1mol CO2

1 mol CaCO3

= 3,50 mol CO2

— Calculem el volum de CO2 obtingut amb l’equació d’estat dels gasos ideals, tenint en compte les condicions de pressió i temperatura:

T = (20 + 273) K = 293 K;

p = 700 mmHg ·1 atm

760 mmHg·

1,013 · 105 Pa

1 atm= 9,33 · 104 Pa

V (CO2) =n R T

p=

3,50 mol · 8,31 Pa ·m3 · K−1 · mol−1 · 293 K

9,33 · 104 Pa= 0,0913 m3 CO2


Solució


Reactius de laboratori.En les etiquetes de les substàncies co-mercials s’indica el percentatge de pu-resa o riquesa del reactiu corresponent.


Problemes resolts B

Calcària. Roca sedimentària c o m p o s t a m a jor i tà r ia -ment per cal-cita (CaCO3).

Reacciona amb àcid clorhídric.

Textura cristal·lina. Color blanc, inco lor, marró, rosa, groc o gris. S’utilitza sobretot en la fabricació de ciments, ceràmiques i pintures, però també s’usa com a component de medicaments i cosmètics.

112876_UN_03_CAT.indd 96 13/01/15 11:08

97


7. Indústria química i medi ambient

La química té un paper fonamental en la nostra societat actual. D’una banda, gràcies a la investigació, contribueix al desenvolupament científic i tecnològic. De l’altra, l’aplicació d’aquests coneixements a la indústria ha permès el desen-volupament de processos i l’obtenció de nous productes, els quals satisfan les necessitats diàries que tenim i milloren la nostra qualitat de vida.

La indústria química s’ocupa de l’extracció i el processament de les primeres matèries, tant naturals com sintètiques, i de la transformació corresponent en altres substàncies diferents mitjançant reaccions químiques.

7.1. Tipus d’indústria química

La indústria química s’aplica en sectors molt diversos, i així parlem de les indús-tries alimentària, metal·lúrgica, farmacèutica, petroquímica, paperera, etc. Si considerem el tipus de primera matèria que s’utilitza i el producte final que es fabrica, distingim aquests tipus d’indústria química:

— La indústria química de base utilitza primera matèria bàsiques i elabora pro-ductes intermedis que, al seu torn, serveixen de primera matèria per a altres indústries. Són exemples d’aquests productes intermedis l’amoníac, l’àcid sulfúric, l’hidròxid de sodi, l’etanol, el toluè, etc.

— La indústria química de transformació empra com a primera matèria els pro-ductes intermedis elaborats per la indústria química de base, i fabrica produc-tes finals destinats al consum directe. Entre aquests productes finals trobem els productes d’alimentació, el paper, els fàrmacs, la roba, els combustibles per als vehicles, etc.

7.2. Processos industrials

En els processos industrials s’utilitzen reaccions químiques que prèviament s’han estudiat al laboratori, amb l’objectiu de fabricar un producte de qualitat al mínim cost possible. A continuació, estudiarem els processos d’obtenció d’algunes subs-tàncies i materials de gran interès per a la indústria i l’ésser humà.

Obtenció de l’amoníac

L’amoníac és un gas incolor, amb una olor aguda i molt penetrant. S’obté a partir dels seus elements, hidrogen i nitrogen, mitjançant el mètode descobert per Fritz Haber, anomenat síntesi d’Haber. La reacció de producció industrial de l’amoníac és la següent:

N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g)

El procés d’Haber (o procés d’Haber-Bosch) té aquestes tres etapes:

— Preparació dels gasos de síntesi. Es preparen l’hidrogen i el nitrogen.

— Síntesi catalítica. Els gasos es posen en contacte amb un catalitzador per acce-lerar la reacció en el reactor, que funciona a 200 atm de pressió i 400 °C de tem-peratura. Aquestes condicions optimitzen el rendiment i el temps de la reacció.

— Separació de l’amoníac. Es refreda la mescla que surt del reactor i se separen els gasos de l'amoníac en un condensador (els gasos són reutilitzats).

7. Indústria química i medi ambient

7.1. Tipus d’indústria química

7.2. Processos industrials

7.3. Desenvolupament sostenible

La planta experimental que va utilitzar Fritz Haber.El reactor catalític és el cilindre de l’esquerra.

Químic alemany que fou guardonat amb el Premi Nobel de Química l’any 1918, per la síntesi de l’amoníac.

El 1913, Haber va desenvolupar un mètode per a obtenir amoníac a partir del nitrogen i l’hidrogen de l’aire, i va establir les bases per a produir-lo a gran escala. Més enda-vant, Carl Bosch va adaptar el mèto-de per fer-ne un ús comercial i es va anomenar procés Haber-Bosch. L’amoníac s’utilitza en la fabricació d’explosius i en la producció de ferti-litzants.

Fritz Haber (1868-1934)


112876_UN_03_CAT.indd 97 13/01/15 11:08

98


Obtenció d’acer

La siderúrgia s’encarrega de tractar el mineral del ferro per a elaborar aliatges, principalment, acer. L’acer és un aliatge amb dos components fonamentals, ferro (Fe) i carboni (C).

El procés siderúrgic comprèn les etapes següents, en què, a partir del mineral de ferro (ric en òxids de ferro), el carbó de coc i la calcària com a primeres matèries, s’obté acer com a producte final:

— Preparació de les primeres matèries. Es condicionen i emmagatzemen les pri-meres matèries. Cal moldre el mineral de ferro en petits aglomerats.

— Reducció del mineral de ferro per obtenir ferro colat. La transformació del mineral de ferro en ferro metàl·lic es duu a terme en els alts forns.

Per la bocana (part superior del forn) es car-reguen els minerals de ferro, la calcària i el coc. Per la tovera s’injecta aire preescalfat a 1 000 ºC que facilita la combustió del coc. Durant aquesta combustió s’allibera monòxid de carboni (CO), que es combina amb els òxids de ferro del mineral i els redueix a ferro metàl·lic. Aquestes reaccions són les se-güents:

2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)

Fe2O3(s) + 3 CO(g) → 3 CO2(g) + 2 Fe(l)

El ferro líquid format s’anomena ferro colat i flueix cap al fons del forn. La calcària reacciona amb les impureses del mineral, la qual cosa evita que contaminin el ferro colat, i originen l’escòria (subproducte usat en la fabricació de ciments i aïllants tèrmics).

L’escòria fosa i el ferro colat s’acumulen en el gresol (part inferior del forn) i se separen; l’escòria, menys densa, flota sobre el ferro colat, més dens, que ocupa el fons del gresol. Cada cert temps s’extreu el ferro colat en una operació anomena-da colada, i es drena l’escòria a una cisterna.

— Fabricació de l’acer. Per a obtenir acer a partir del ferro colat, cal eliminar una part del carboni i les impureses que conté en un procés anomenat afinament.

En un convertidor d’oxigen s’introdueix de primer ferralla d’acer (20-40 %) i, a continuació, el ferro colat (60-80 %) procedent dels alts forns, que té a la vora d’un 6 % de carboni.

S’injecta oxigen pur que oxida el carboni del ferro colat, de manera que es produ-eix diòxid de carboni gasós (CO2), i es redueix el percentatge en carboni del ferro colat, segons la reacció següent: 2 C(s) + O2(g) → 2 CO2(g).

Al final d’aquest procés, s’analitza la composició de l’acer afinat (tindrà prop d’un 2 % de carboni) i s’hi agreguen els ferroaliatges (aliatges amb un alt con-tingut en elements, com ara crom, tungstè, molibdè, coure, níquel, etc.), que aporten característiques especials als diversos tipus d’acer, i es rectifica el contingut en carboni. Les propietats mecàniques dels acers (ductilitat, dure-sa, etc.) depenen de la composició de l’aliatge.

— Laminació de l’acer en productes finals. L’acer se sotmet a diferents tracta-ments mecànics per a obtenir-ne barres, planxes, tubs, etc.


TIPUS D’ACER

COMPOSICIÓ

Al c

arbo

ni

De baix carboni

% C < 0,25

De mitjà carboni

0,25 < % C < 0,55

D’alt carboni

0,55 < % C < 2

Alia

tges

De baix aliatge

< 5 % elements d’aliatges (Mn, Cr, Ni, V, Ti)

D’alt aliatge

> 5 % elements d’aliatges (Mn, Cr, Ni, V, Ti)

Inox

idab

les

< 1,2 % C

> 10,5 % Cr

Esquema del procés siderúrgic.El ferro colat que surt de l’alt forn pot seguir dos processos diferents, segons si s’utilitza

per a fabricar acero (0,03 - 1,76 % en C) o ferro de fosa (1,76 - 6,67 % en C).

Ferralla Oxigen

Acer

Lingotsd’acer refinat

Pans o lingotsde ferro colat

Coc

FerroCocCalcària

Fosa de ferro

Cullerade colada

Carbóde coc

Convertidor

Forn elèctricd’afinament

Calcària

Mineralde ferro

Calcària(fundent)

Torpede

Gasosd’escapament

Munta-càrregues

Tolva

Bocana

Revestimentrefredat

per aigua

Conducteprincipald’aire Aire

calent

Gresol

Tovera

«Colada»Cisternad’escòria

EscòriaFerro colat fos

Cubilot

800°

1 900°

112876_UN_03_CAT.indd 98 13/01/15 11:08

99


Obtenció de l’alumini

En la indústria metal·lúrgica destaca, per les nombroses aplicacions que té, la fa-bricació d’alumini. L’alumini s’obté a partir de la bauxita, una roca sedimentària composta per òxids d’alumini hidratats.

El procés de fabricació de l’alumini consta de les dues fases següents:

— Extracció de l’alúmina (Al2O3), per mitjà del procés Bayer.

De primer es tritura la bauxita i es renta amb una solució calenta d’hidròxid de sodi (NaOH) per a dissoldre-hi els minerals d’alumini. Aquesta etapa s’ano-mena digestió, i es duu a terme a una temperatura de 140 ºC.

A continuació, es procedeix a la decantació i filtració per a retirar els sòlids no dissolts, i a la precipitació de la dissolució per a formar hidròxid d’alumini pur Al(OH)3.

Finalment, l’hidròxid d’alumini s’escalfa a 1 050 °C, en una operació anome-nada calcinació, per a convertir-lo en alúmina (Al2O3). En la calcinació s'esde-vé la reacció química següent:

2 Al(OH)3(s) → Al2O3(s) + 3 H2O(g)

— Obtenció de l’alumini mitjançant electròlisi, segons la reacció següent:

2 Al2O3(l) → 4 Al(l) + 3 O2(g) ↑

Desenvolupament de nous materials i les seves aplicacions

Els metalls i els seus aliatges tenen propietats molt interessants per a l’enginyeria i la tecnologia. L’acer és el més utilitzat, ja que, a més de ser molt versàtil, combi-na bones propietats físiques i mecàniques i té un preu baix.

Tanmateix, els darrers anys han aparegut nous materials millorats fruit de la in-vestigació i del desenvolupament en els camps de la química i la física. Entre aquests materials, destaquem els següents, que s’apliquen àmpliament en camps com la nanotecnologia o la biomedicina:

— Semiconductors: materials la resistència dels quals al pas del corrent depèn de factors com la temperatura, la tensió mecànica o el grau d’il·luminació aplicada. El silici, el gal·li o el seleni en són exemples. Amb aquests materials es fabriquen microxips per a dispositius electrònics.

— Superconductors: materials com els nanotubs de carboni, els aliatges de niobi i titani, les ceràmiques d’òxids d’itri, bari i coure, etc., que no oposen resistència al pas del corrent i permeten el transport d’energia sense pèrdu-es. El seu funcionament es basa en la creació de camps magnètics molt inten sos, que s’utilitzen actualment en ressonàncies magnètiques, en frens i en acceleradors. Tanmateix, se n’està investigant el comportament a tempe-ratures altes per a aplicar-los en computació, motors i mitjans de transport que leviten en l’aire.

— Silicones: consisteixen en polímers formats per cadenes de silici en comp-tes de carboni. Són molt flexibles, lleugers i emmotllables, per la qual cosa s’usen com a biomaterials en pròtesis i implants, com, per exemple, en lents intraoculars.

— Cristalls líquids: materials que presenten una fase intermèdia entre la líquida i la sòlida, i que tenen propietats de totes dues. S’apliquen en pantalles de dispositius electrònics, com ara televisors, ordinadors, telèfons mòbils, etc.

Esquema del procés Bayer.Principal mètode industrial per a pro-duir alúmina a partir de la bauxita. Aquest procés el va patentar l’austríac Karl Bayer el 1889.

VOCABULARI

— Nanotecnologia. Camp de la cièn cia que estudia i manipula la matèria a escala nanomètrica (0,1 nm-100 nm).

— Biomedicina. Disciplina que aplica els principis de les cièn-cies naturals (biologia, química i física) a la pràctica clínica.

— Biomaterial. Compost dissenyat per a ser implantat o incorporat en un sistema viu a fi de reempla-çar o restaurar alguna funció.

INTERNET

La fibra òptica és un mitjà de trans-port de dades molt utilitzat actual-ment en telecomunicacions, perquè permet enviar una gran quantitat de dades a molta distància. Està forma-da per fils de vidre transparent. En l’enllaç següent, en pots veure el procés de fabricació:

http://links.edebe.com/f3xf


Bauxitade mina

Mòlta

Digestor

PrecipitadorFornrotatiu

Alúmina

Filtre

Residus de bauxita

112876_UN_03_CAT.indd 99 13/01/15 11:08

100

q q


7.3. Desenvolupament sostenible

La química ha proporcionat grans progressos a la humanitat, però també ha con-tribuït a l’agreujament de problemes ambientals com la contaminació de l’aire, l’aigua i el sòl. Té una importància especial l’anomenat canvi climàtic, que està estretament relacionat amb els fenòmens següents:

— Efecte d'hivernacle. Consisteix en l’augment de la temperatura mitjana del planeta, a conseqüència de l’acumulació de gasos en l’atmosfera, emesos quan es cremen combustibles fòssils. Aquests gasos són diòxid de carboni (principalment), metà, òxids de nitrogen, vapor d’aigua, ozó i els clorofluoro-carbonis (CFC), que impedeixen que el planeta emeti radiació infraroja a l’espai exterior. En conseqüència, com que hi ha menys pèrdues d'energia, l’energia total augmenta, per la qual cosa la temperatura general també s'incre menta. Un efecte directe d’això és la pujada del nivell del mar, a causa del desglaç dels casquets polars.

— Pluja àcida. El diòxid de sofre i, en una proporció més petita, els òxids de nitrogen procedents de les emissions de la indústria i del transport reac-cionen amb el vapor d’aigua dels núvols i originen àcids que la pluja arros-sega. Aquesta pluja provoca danys importants a la fauna i la flora, i fins i tot als edificis i els monuments, ja que reacciona amb els materials de construcció.

— Destrucció de la capa d’ozó. L’ozó és a l’estratosfera, on forma una capa de gas (ozonosfera) que fa de filtre contra la radiació solar. Hi ha una zona en aquesta capa on la concentració d'ozó és inferior; es coneix com a «forat d’ozó» i és provocat pels clorofluorocarbonis (CFC) que abans s’utilitzaven en els aerosols i que avui dia estan prohibits.

Actualment s’estan desenvolupant productes i processos que redueixen o elimi-nen aquests efectes negatius sobre el medi ambient i la salut de les persones. És el que es coneix com a química verda o química sostenible, i que té l’objectiu de contribuir a la sostenibilitat del planeta mitjançant la creació de tècniques alter natives que previnguin la contaminació.

La indústria química està canviant, i ja no pot tenir en compte solament la ren-dibilitat econòmica sinó que també ha de considerar la rendibilitat mediambien-tal. És a dir, la química pot i ha de contribuir a un futur sostenible.

El desenvolupament sostenible consisteix a satisfer les necessitats de les generacions presents sense comprometre les necessitats de les generacions futures.

Per a aconseguir un desenvolupament sostenible, cal que hi hagi un equilibri en les dimensions mediambiental, econòmica i social. La societat cada dia és més conscient de la problemàtica mediambiental i s’adopten mesures orientades a la sostenibilitat, tant des del punt de vista urbà com industrial.

Són mesures destinades a evitar la contaminació que genera la indústria química:

— L’aprofitament de les emissions gasoses.

— El tractament i la purificació de les aigües residuals.

— El reciclatge de residus sòlids.

— El desenvolupament i la utilització de productes biodegradables.

— L’ús d’energies renovables.

Analitza els signes de l’efecte d’hiver-nacle i com afecta la nostra vida dià ria, mitjançant el recurs interac-tiu següent: http://links.edebe.com/nuq

INTERNET

Exercicis i problemes 48, 53 a 57, 60 i 61

Podem contribuir al desenvolupa-ment sostenible si apliquem les me-sures següents:

— Reduir la generació de residus sòlids; consumir només el que necessitem i reutilitzar tots els envasos que puguem.

— Contribuir al reciclatge de resi-dus separant els metalls, els plàstics i el vidre dels residus orgà nics.

— Comprar electrodomèstics de baix consum o d’alta eficiència energètica.

— Utilitzar el transport públic en comptes del cotxe.

— No tenir aixetes obertes ni llums encesos que no utilitzem.

— Vestir-se de manera adequada a l’estació de l’any i no abusar de la calefacció ni de l’aire condi-cionat.

FIXA-T’HI

Síntesis 62 a 67

112876_UN_03_CAT.indd 100 13/01/15 11:08

101

A

Problemes RESOLTSunitat 3. reaccions químiques

S’esdevé la reacció de 250 mL d’una solució de 0,50 mol · L−1 d’hidròxid de sodi amb 50 mL d’una altra d’1,5 mol · L−1 d’àcid sulfúric. Es-brina la massa de sulfat de sodi que s’origina en la reacció i les quantitats d’altres substàncies que hi haurà al final d’aquesta reacció.

ESTEQUIOMETRIA I REACTIUS EN DISSOLUCIÓ

COMPRENSIÓ. Coneixem les quantitats dels dos reactius (volum i molaritat). Hem d’esbrinar quin és el reactiu limitant, ja que aquest és el que es consumirà totalment.

Per tant, hem de partir de la quantitat de reactiu limitant per a efectuar els càlculs estequiomètrics pertinents i trobar les quantitats que es demanen en el problema.

H2SO4(aq) +NaOH(aq) → Na2SO4(aq) +H2O(l)

DADES.

V (NaOH) = 250 mL c (NaOH) = 0,50 mol·L−1

V (H2SO4) = 50 mL c (H2SO4) = 1,5 mol·L−1

Incògnites: m (Na2SO4); m (H2O).

RESOLUCIÓ. Intenta resoldre el problema tot sol; per fer-ho, tapa la resposta i segueix aquests passos:

Passos

— Escrivim i ajustem l’equació química corresponent.

— Calculem la quantitat de mols de cada reactiu continguts en el volum de solució que ens donen, tenint en compte la concentració de cada solució.

— Determinem quin reactiu és el limitant i quin hi és en excés, aplicant la relació molar entre tots dos.

— Calculem la massa de sulfat de sodi formada a partir de la quantitat de reactiu limitant, tenint en compte l’estequio-metria de la reacció.

— Al final de la reacció, quedaran també la massa d’aigua que s’ha format i la part del reactiu en excés.

— Indiquem la quantitat de reactiu que sobra; restem la quantitat de partida menys la que reacciona.

Resposta

— Escrivim l’equació química ajustada:

H2SO4(aq) + 2 NaOH(aq) → Na2SO4(aq) + 2 H2O(l)

— Trobem els mols de cada reactiu aplicant la molaritat de cada solució.

250 mL NaOH (aq) ·1 L NaOH (aq)

1000 mL NaOH (aq)·

·0,50 mol NaOH

1 L NaOH (aq)= 0,13 mol NaOH

50 mL H2SO4 (aq) ·1 L H2SO4 (aq)

1000 mL H2SO4 (aq)·

·1,5 mol H2SO4

1 L H2SO4 (aq)= 0,080 mol H2SO4

250 mL NaOH (aq) ·1 L NaOH (aq)

1000 mL NaOH (aq)·

·0,50 mol NaOH

1 L NaOH (aq)= 0,13 mol NaOH

50 mL H2SO4 (aq) ·1 L H2SO4 (aq)

1000 mL H2SO4 (aq)·

·1,5 mol H2SO4

1 L H2SO4 (aq)= 0,080 mol H2SO4

— Calculem els mols d’H2SO4 necessaris perquè reaccioni tot l’NaOH present:

0,13 mol NaOH ·1 mol H2SO4

2 mol NaOH= 0,070 mol H2SO4

Fan falta 0,070 mol d’H2SO4 perquè reaccioni tot l’NaOH . Com que tenim més quantitat d’H2SO4, 0,080 mol, l’H2SO4 hi és en excés, i el reactiu limitant és l’NaOH.

— Calculem la massa d’Na2SO4 que s’ha format:

Mr (Na2SO4): 2 · 22,99 + 1 · 32,07 + 4 · 16,00 = 142,05

M (Na2SO4): 142,05 g ·mol−1

0,13 mol NaOH ·1 mol Na2SO4

2 mol NaOH·

142,05 g Na2SO4

1 mol Na2SO4

=

= 9,2 g Na2SO4

— Calculem la massa d’H2O que s’origina en la reacció:

Mr (H2O): 2 · 1,01 + 1 · 16,00 = 18,02

M (H2O): 18,02 g ·mol−1

0,13 mol NaOH ·2 mol H2O

2 mol NaOH·

18,02 g H2O

1mol H2O=

= 2,3 g H2O

— Determinem l’excés d’H2SO4 que quedarà al final de la reacció:

Excés (H2SO4) = (0,080 − 0,070) mol = 0,010 mol

Al final de la reacció s’han format 9,2 g d’Na2SO4, 2,3 g d’H2O, i han sobrat 0,010 mL d’H2SO4.

COMPROVACIÓ. Comprovem si la quantitat obtinguda és rao-nable i si les unitats són adequades.

Solució

1. s El KI reacciona amb Pb(NO3)2 i dóna lloc a un precipitat groc, PbI2, a més d’una altra substància. Si mesclem 25 mL d’una solució de 3,0 mol · L–1 de KI amb 15 mL de solució de (PbNO3)2 0,40 mol · L–1 quina quantitat de precipitat obtindrem?

Sol.: 1,7 g de Pbl2

2. s En escalfar Ca(ClO)2 i HCl es forma gas Cl2, CaCl2 i H2O. Si es fan reaccionar 50 g de Ca(ClO)2 i 275 mL d’HCl, 6,0 M, determina els grams de Cl2 que es produeixen en la reacció i la quantitat de reactius que hi ha en excés.

Sol.: 50 g Cl2(g); 1 · 10 g d’HCl en excés

112876_UN_03_CAT.indd 101 13/01/15 11:08

102

B


La galena és un mineral que conté sulfur de plom(II). La torrefacció completa de la galena es representa mitjançant l’equació química següent (sense ajustar): PbS(s) + O2(g) → PbO(s) + SO2(g). Calcula el volum de diòxid de sofre que s’obtindrà després de torrar 1,00 kg de mineral amb un 75,0 % de riquesa en PbS, si es recull a 1,00 · 105 Pa i 400 °C. Esbrina el volum d’aire, mesurat en condi cions estàndard, que ha reaccionat. Considera que l’aire té un 21 % en volum d’oxigen.

ESTEQUIOMETRIA I RIQUESA D’UNA MOSTRA

COMPRENSIÓ. Hem de calcular la quantitat de reactiu, sulfur de plom, que hi ha en 1 kg de galena. Després, hem d’efectuar els càlculs estequiomètrics corresponents per a trobar les quantitats que es demanen en el problema.

DADES. m (galena) = 1,00 kg; Riquesa (PbS) = 75,0 % m/m

p = 1,00 · 105 Pa; T = 400 °C = 673 K

Incògnites: V (SO2); V (O2).

RESOLUCIÓ. Intenta resoldre el problema tot sol; per fer-ho, tapa la resposta i segueix aquests passos:

Passos

— Ajustem l’equació química corresponent.

— Calculem la quantitat de sulfur de plom(II) que hi ha en 1 kg de mineral. El sulfur de plom(II) serà, òbviament, el reac tiu limitant.

— Determinem la quantitat de diòxid de sofre que s’origina en la reacció, tenint en compte l’estequiometria de la reac ció.

— Passem els mols de diòxid de sofre a unitats de volum mit-jançant l’equació d’estat dels gasos ideals, amb les condi-cions de pressió i temperatura donades.

— Calculem el volum d’oxigen que ha reaccionat a partir de l’estequiometria de la reacció i el volum molar, ja que se’ns demana en condicions estàndard (105 Pa i 273 K).

— Finalment, indiquem el volum d’aire tenint present el per-centatge d’oxigen en l’aire.

Resposta

— Escrivim l’equació química ajustada:

2 PbS(s) + 3 O2(g) → 2 PbO(s) + 2 SO2(g)

— Calculem la massa de PbS present en un 1 kg de galena, tenint en compte la riquesa en sulfur de plom:

1,00 kg galena ·1000 g galena

1 kg galena·

75,0 g PbS

100 g galena=

= 750 g PbS

— Calculem els mols d’SO2 que es produeixen en la reacció, tenint en compte la relació molar entre el PbS i l’SO2:

Mr (PbS): 1 · 207,19 + 1 · 32,07 = 239,26

M (PbS): 239,26 g ·mol−1

750 g PbS ·1 mol PbS

239,26 g PbS·

2 mol SO2

2 mol PbS=

= 3,13 mol SO2

— Trobem el volum d’SO2 mitjançant l’equació d’estat dels gasos ideals, considerant les condicions de pressió i tem-peratura en què es recull:

V (SO2) =n R T

p

V (SO2) =3,13 mol · 8,31 Pa ·m3 · K−1 · mol−1 · 673 K

1,00 · 105 Pa=

= 0,175 m3 SO2 = 175 L SO2

— Determinem el volum d’O2 necessari perquè es produeixi la reacció. Com que se’ns demana en condicions estàn-dard, podem utilitzar el volum molar per a la conversió a litres:

750 g PbS ·1 mol PbS

239,3 g PbS·

3 mol O2

2 mol PbS·

22,7 L O2

1 mol O2

=

= 107 L O2

— Trobem el volum d’aire equivalent, sabent que el 21 % de l’aire és oxigen:

107 L O2 ·100 L aire

21 L O2

= 510 L aire

En la reacció s’han produït 175 L d’SO2, mesurats a 1,00 · 105 Pa i 400 °C i, per a això, hi han intervingut 510 L d’aire, mesurats en condicions estàndard.


Solució

3. a L’esfalerita és un mineral que té com a component principal el sulfur de zinc. Per torrefacció completa de l’esfa-lerita s’obtenen òxid de zinc i diòxid de sofre. Calcula la pu-resa en sulfur de zinc d’una esfalerita, si sabem que la torre-facció completa de 13,0 g de mineral produeix 2,50 L de diòxid de sofre gasós, mesurat en condicions estàndard.

Sol.: 82,3 %

4. s La reacció del carbonat de calci amb àcid clorhídric pro-dueix diòxid de carboni, clorur de calci i aigua. Calcula la quantitat de calcària, del 92,00 % m/m de riquesa en carbo-nat de calci, que es necessita per a obtenir 2,500 kg de clorur de calci. Quin volum ocupa el diòxid de carboni obtingut mesurat a 25 °C i 770 mmHg de pressió? 2

Sol.: 2,451 kg; 542 L d’SO2

112876_UN_03_CAT.indd 102 13/01/15 11:08

103

unitat 3. reaccions químiques EXERCICIS I PROBLEMES

1 EL CONCEPTE DE REACCIÓ QUÍMICA

5. a Observa les reaccions químiques que s’esdevenen en la natura. Explica-les a partir de les preguntes se-güents: a) Què hi observes? b) Què et fa dir això?

6. a Classifica en canvis físics o químics els processos següents. Justifica les respostes.

a) Afegir sal a una olla amb aigua calenta. b) Fermentar el most del raïm. c) Desfer glaçons. d) Encendre un llumí.

7. a Indica els reactius i els productes d’aquestes reaccions químiques:

a) L’òxid de calci reacciona amb l’aigua i genera hidròxid de calci.

b) Per a obtenir òxid de nitrogen(II) fem reaccionar amo-níac i oxigen, i també es forma vapor d’aigua.

c) La descomposició de l’òxid de mercuri(II) origina mer-curi elemental i oxigen molecular.

— Indica quins enllaços es trenquen i quins es formen en cada reacció.

8. s La combustió del metà (CH4) en presència d’oxigen origina diòxid de carboni i vapor d’aigua. Indica’n els reac tius i els productes, i explica quins enllaços es tren-quen i quins es formen. Fes un esquema de la reacció a nivell molecular.

9. s Busca informació sobre la reacció de corrosió dels metalls. Assenyala’n els reactius i els productes, i explica per què saps que es tracta d’un canvi químic. 1

10. d Realitza l’experiment següent amb un company o com-panya:

1. Porteu de casa vinagre, hidrogencarbonat de sodi (co-munament conegut per «bicarbonat de sodi»), una ampolla de plàstic, una cullera i un globus.

2. Poseu unes cullerades de bicarbonat de sodi dins l’ampolla.

3. Aboqueu vinagre en el globus i poseu el globus a l’ampolla de manera que en cobreixi l’obertura.

a) Què succeeix? b) Per què penseu que passa això? c) Debateu-ho entre tots dos i escriviu-ne una hipòtesi conjunta.

2 EQUACIONS QUÍMIQUES

11. a Ajusta l’equació química següent i indica la informa-ció qualitativa que en pots extreure:

N2(g) + O2(g) → NO(g)

12. a Ajusta les equacions químiques següents per mitjà del mètode de tempteig o bé del sistema d’equacions:

a) HCl(aq) + Fe(s) → FeCl3(aq) + H2(g)

b) C4H10(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g)

c) Ag(s) + O2(g) → Ag2O(s)

d) Na2CO3(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + CO2(g) + H2O(l)

e) C2H5OH(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g)

13. s Ajusta les equacions químiques següents mitjan-çant el mètode que consideris més adequat:

a) PCl3(l) + H2O(l) → H3PO3(aq) + HCl(aq)

b) PdCl2(aq) + HNO3(aq) → Pd(NO3)2(s) + HCl(aq)

c) SO2(g) + O2(g) → SO3(g)

d) Al4C3(s) + H2O(l) → Al(OH)3(s) + CH4(g)

e) Na(s) + Cl2(g) → NaCl(s)

f) Cr2O3(s) + Si(s) → Cr(s) + SiO2(s)

— Interpreta-les en termes atomicomoleculars i en termes molars.

14. d Escriu les equacions químiques ajustades que repre-senten les reaccions químiques següents, i interpreta-les en termes atomicomoleculars i molars:

a) En escalfar carbonat d’amoni s’allibera amoníac, diòxid de carboni i aigua.

b) El zinc reacciona amb el vapor d’aigua i s’obté òxid de zinc i hidrogen.

c) La descomposició de l’àcid carbònic origina diòxid de carboni i aigua.

d) En cremar propà (C3H8) en presència d’oxigen, s’obté diòxid de carboni i aigua.

3 TIPUS DE REACCIONS QUÍMIQUES

15. a Classifica les reaccions químiques següents segons el mecanisme d’intercanvi que es produeix. Escriu les equacions i ajusta-les. 2

a) Iodur de sodi + clor → clorur de sodi + iode

b) Òxid de plata → plata + oxigen

c) Sodi + clor → clorur de sodi

16. a Classifica les reaccions químiques següents depe-nent de les partícules intercanviades. Ajusta les equa-cions. 2

a) Mg(s) + Cl2 → MgCl2(aq)

b) AgNO3(aq) + K2CrO4(aq) → Ag2CrO4(s) + KNO3(aq)

c) HNO3(aq) + KOH(aq) → KNO3(aq) + H2O(l)

17. a Escriu la reacció de neutralització de l’àcid sulfúric amb l’hidròxid d’alumini. És de desplaçament doble? Justifica la resposta. 2

18. a Escriu l’equació química que representa la reacció entre l’alumini i el clor per a formar clorur d’alumini. Indi-ca quin és l’oxidant i quin és el reductor. Es tracta d’una reacció de síntesi o de descomposició?

112876_UN_03_CAT.indd 103 13/01/15 11:08

104


19. a Escriu la reacció de combustió d’una gasolina, si considerem que està completament formada d’octà (C8H18). Identifica’n el combustible i el comburent.

20. s S’introdueix un clau de ferro en una solució de sulfat de coure(II). S’observa que la solució es descoloreix i es forma un precipitat de coure. Escriu la reacció ajustada i classifica-la en funció del mecanisme d’intercanvi i de les partícules intercanviades.

21. s La cel·lulosa és el component principal del paper.

— Escriu l’equació química que descriu la combustió completa del paper i proposa’n una altra per a la seva combustió incompleta.

22. d Analitza l’experiment següent a partir del vídeo: 1http://links.edebe.com/2zq

a) Què has observat durant l’experiència?

b) Què penses que succeeix?

c) Quines preguntes et fas després d’observar aquesta experiència?

d) Per què una meitat de la poma s’oxida i l’altra no?

e) Discutiu en parelles i després compartiu les respostes amb els altres companys.

23. d Investiga les aplicacions dels biocombustibles en la vida diària. Tria un procés en què s’utilitzin biocom-bustibles i descriu la reacció química que el represen-ta. 1

4 ESTEQUIOMETRIA DE LES REACCIONS QUÍMIQUES

24. a A 400 °C el nitrat d’amoni es descompon en monòxid de dinitrogen, N2O i vapor d’aigua. Calcula els grams d’aigua que es formen en la descomposició de 8,00 g de nitrat d’amoni.

Sol.: 3,60 g d’H2O

25. a El monòxid de nitrogen, NO, és un dels contaminants emesos pels vehicles i està implicat en la formació de la pluja àcida. Una manera d’eliminar l’NO de les emissions gasoses és fer-lo reaccionar amb amoníac. Els productes que es formen en la reacció són nitrogen gasós i aigua. Escriu i ajusta l’equació química corresponent a aquesta reacció.

— Quina massa d’amoníac es necessita perquè reaccio-nin 16,5 mol de monòxid de nitrogen?

Sol.: 187 g d’NH3

26. a Calcula el volum de diòxid de carboni, CO2, que es des-prèn, a 105 Pa i 273 K, en cremar 30 g d’etanol (C2H5OH).

Sol.: 30 L de CO2

27. a Es fan reaccionar 0,92 mol d’àcid sulfúric i 1,49 mol de clorur de sodi. Calcula la massa de sulfat de sodi obtin guda; indica quin és el reactiu limitant i quin és l’excés de l’altre reactiu.

Sol.: 106 g de NaSO4; 18 g d’H2SO4 en excés

28. s La hidrazina, N2H4, i el peròxid d’hidrogen o aigua oxi-genada, H2O2, mesclats s’usen com a combustibles per a coets. Els productes de reacció són nitrogen i aigua. Calcula la massa de peròxid d’hidrogen que es requereix per cada 1,0 g d’hidrazina en el coet.

Sol.: 2,1 g d’H2O

29. s Un cotxe fa 9,5 km per cada 1,0 L de gasolina consumit. Calcula el volum d’oxigen, en litres, mesurat a 105 Pa i 273 K, que es requereix per a un viatge de 850 km. Conside-ra que la composició de la gasolina és octà (C8H18) i que té una densitat de 0,69 g · mL−1.

Sol.: 1,5 · 105 L d’O2

30. s En un recipient s’introdueixen 100 g de nitrogen i 100 g d’hidrogen. Totes dues substàncies reaccionen entre si i s’origina amoníac. Si els reactius i els productes es troben en estat gasós, indica quin és el reactiu limitant i la quantitat de reactiu en excés. Quin volum d’amoníac s’obté, mesurat a 720 mmHg i 22 °C?

Sol.: 78,0 g d’H2 en excés; 182 L

31. s Una solució de nitrat de plata es mescla amb una altra de clorur de sodi. Si cadascuna conté 20,0 g de subs-tància, troba la massa de clorur de plata que es forma.

Sol.: 16,9 g d’AgCl

32. s Una solució que conté 0,50 g d’hidròxid de calci es neutralitza amb àcid clorhídric 0,10 mol · L−1.

— Calcula el volum d’àcid necessari.

Sol.: 0,13 L d’HCl

33. d Un globus s’omple amb hidrogen procedent de la reac ció entre l’hidrur de calci i l’aigua. Si l’altre producte obtingut en la reacció és hidròxid de calci, calcula: 2

a) La massa d’hidrur de calci necessària per a produir 5,0 L d’hidrogen, mesurats en condicions estàndard, i omplir el globus. b) El volum d’àcid clorhídric 0,50 M que es reque-reix perquè reaccioni amb tot l’hidròxid de calci format.

Sol.: a) 4,6 g de CaH2; b) 0,44 L d’HCl

34. d Es mesclen 50 mL d’una solució 0,50 mol · L–1 de clorur de cobalt(II) amb un volum idèntic d’una altra solució de car-bonat de sodi 1,3 mol · L–1, i es forma un precipitat de carbo-nat de cobalt(II) i clorur de sodi. 2

a) Quin és el reactiu limitant? Quina quantitat sobra del que hi és en excés? b) Quina quantitat de precipitat s’obtin drà?

Sol.: a) 0,040 mol d’Na2CO3 en excés; b) 3,0 g de CoCO3

5 RENDIMENT D’UNA REACCIÓ QUÍMICA

35. a En el procés d’oxidació d’una làmina de ferro de 150 g es generen 80 g d’òxid de ferro(III).

— Calcula el rendiment de la reacció.Sol.: 37 %

36. a La reacció entre el nitrat de plom(II) i el iodur de po-tassi produeix iodur de plom(II) i nitrat de potassi.

a) Escriu i ajusta l’equació química corresponent al pro-cés. b) Si es fan reaccionar 15,0 g de nitrat de plom(II), s’obtenen 18,5 g de iodur de plom(II). Quin és el rendi-ment del procés?

Sol.: b) 88,5 %

112876_UN_03_CAT.indd 104 13/01/15 11:08

105

NO2

SO2

HNO3 H2SO4


37. s Determina la massa d’amoníac que es pot obtenir a partir de 10 L d’hidrogen, mesurats a 105 Pa i 273 K, si el rendiment de la reacció és del 70 %.

Sol.: 3,5 g

38. s Calcula els volums de nitrogen i d’hidrogen, mesu-rats a 105 Pa i 273 K, necessaris per a obtenir 20,4 L d’amoníac, en les mateixes condicions. Tingues en comp-te que el rendiment de la reacció és del 30,0 %.

Sol.: 34,0 L d’N2 i 102 L d’H2

39. s La reacció entre el nitrat de sodi i l’àcid sulfúric pro-dueix sulfat de sodi i àcid nítric. Si es volen obtenir 100 g d’àcid nítric, calcula la quantitat d’àcid sulfúric que s’ha d’utilitzar, considerant un rendiment del 70,0 % en el procés.

Sol.: 111 g d’H2SO4

40. d El ferro s’obté en els alts forns fent reaccionar els minerals de ferro, fonamentalment Fe2O3, amb monòxid de carboni, segons l’equació (no ajustada) següent: 2

Fe2O3(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g)

Si tenim un mineral que conté 1 000 kg de Fe2O3, quants quilograms de ferro obtindrem si el rendiment del procés és del 75,2 %?

Sol.: 526 kg de Fe obtingut

6 REACTIUS IMPURS I PURESA D’UNA MOSTRA

41. a Determina la quantitat de ferro pur contingut en una mostra de 39 g de ferro del 70 % m/m de riquesa.

Sol.: 27 g de Fe

42. a En escalfar l’òxid de mercuri(II) es descompon en oxigen gasós i mercuri metàl·lic.

— Calcula la quantitat de mercuri metàl·lic que s’obtindrà en descompondre 20,5 g d’un òxid del 80 % m/m de puresa.

Sol.: 15 g d’Hg

43. s Troba la quantitat de calcària, la riquesa en carbonat de calci de la qual és del 85,3 % m/m, que es necessita per a obtenir 100 L de diòxid de carboni, mesurats a 18 °C i 752 mmHg, mitjançant la reacció amb àcid clorhídric.

Sol.: 485 g de calcària

44. s El potassi reacciona amb l’aigua i produeix hidrò-xid de potassi i hidrogen gasós. Per a això disposem d’aigua suficient i d’una mostra de 400 g de substància que conté K(s), a partir de la qual obtenim 100 L d’H2(g) a 105 Pa i 273 K. Calcula la riquesa de la mostra en po-tassi.

Sol.: 86,0 % m/m

45. s En tractar 0,50 g d’una mostra de sulfur de ferro(II) amb àcid clorhídric, es forma clorur de ferro(II) i es despre-nen 100 mL de sulfur d’hidrogen gasós, mesurats a 27 °C i 760 mmHg. Determina la puresa de la mostra en tant per cent en massa.

Sol.: 71 % m/m

46. d Per torrefacció completa del sulfur de mercuri(II) s’ob-tenen diòxid de sofre i mercuri líquid. Si torrem 1,00 kg de cinabri, un mineral que conté un 80,0 % m/m de sulfur de mercuri(II), determina: 2

a) El volum de mercuri líquid que es forma si la densitat d’aquest és de 13 600 g · L−1. b) El volum mínim d’aire que es requereix, mesurat en condicions estàndard, i conside-rant que l’aire conté un 21 % en volum d’oxigen.

Sol.: a) 50,7 mL de mercuri; b) 372 L d’aire

7 LA INDÚSTRIA QUÍMICA I EL MEDI AMBIENT

47. a Classifica els productes següents com a intermedis o finals: sabó, amoníac, vidre, paper, clor, cosmètics, àcid ní-tric i carbonat de sodi. A quin tipus d’indústria química per-tany cadascun?

48. a Descriu aquestes imatges i relaciona-les amb el feno-men mediambiental que representen:

49. s Investiga sobre el procés d’obtenció d’àcid sulfúric industrial. A quin tipus d’indústria química pertany? 1

50. s Busca a internet les aplicacions dels diversos tipus d’acer segons la composició. Elabora’n una taula i com-para-la amb la dels companys. 1

51. s Què és el procés Solvay? Informa-te’n; descriu les fases del procés i les reaccions que hi intervenen. 1

— Fes una presentació amb el resultat de la investigació que hagis realitzat i exposa-la davant la resta de la classe.

52. s Entra en els següents enllaços sobre el descobri-ment d’un nou adhesiu per a preparar cors i contesta a les preguntes:

http://links.edebe.com/ggq7

http://links.edebe.com/3b2

a) Quines propietats interessants té aquest nou materi-al? b) Amb quin camp de la ciència està estretament re-lacionat aquest descobriment?

53. s Informa’t sobre la repercussió de la indústria química en el medi ambient. Prepara una presentació sobre això i exposa-la davant la resta de la classe; proposa mesures per a un desen volupament sostenible. 1

112876_UN_03_CAT.indd 105 13/01/15 11:08

106


54. s Llegeix els titulars de les notícies següents i explica el concepte a què fan referència:

«Han creat un plàstic biodegradable per a electro-domèstics a partir de palla de blat»

«Nous materials afavoriran la fabricació de cotxes biodegradables» — Organitzeu un col·loqui per comentar les vostres res-

postes i elaboreu una resposta conjunta.

55. s Fes un mapa conceptual sobre el tema del desenvolu-pament sostenible. Compara el teu mapa amb el dels altres companys, i amplia’l des de noves perspectives.

56. s Comenta les notícies següents:

— «El desglaç àrtic farà pujar el nivell del mar entre 0,9 i 1,6 metres el 2100»

— «L’escalfament global pot multiplicar per deu els hura cans de gran potència»

— «El diferent escalfament entre hemisferis pot repro-gramar les pluges tropicals»

57. s Fes un esquema de les energies renovables amb l’ajut de l’aplicació interactiva següent: 1http://links.edebe.com/ubkntp

58. d Cerca a internet el procés d’obtenció del bioetanol i les reaccions que el produeixen. Elabora un informe breu sobre les aplicacions que té actualment. 1

59. d Explica les etapes que tenen lloc en el procés de fa-bricació de polímers artificials. Investiga a internet i esmen ta’n les aplicacions en camps com la biomedicina o l’aeronàutica i posa exemples concrets de nous polí-mers. Elabora una representació multimèdia en la qual estructuris tota la informació.

60. d Cerca a la premsa o a internet notícies que facin re-ferència al canvi climàtic. Després, confecciona amb els companys un mural amb totes les notícies i les imatges que hàgiu trobat. 1

61. d Què és el protocol de Kyoto? Cerca’n informació a internet i elabora un treball monogràfic en què reflectei-xis l’objectiu i l’àmbit d’actuació d’aquest conveni. 1

SÍNTESI

62. s En un generador portàtil d’hidrogen es fan reaccio-nar 30,0 g d’hidrur de calci amb 30,0 g d’aigua; es formen hidròxid de calci i hidrogen gasós. Determina:

a) Si hi ha algun reactiu en excés i en quina quantitat. b) El volum d’hidrogen que es produeix, mesurat a 20 °C i 745 mmHg. c) El rendiment de la reacció si el volum real d’hidrogen produït va ser de 34,0 L.

Sol.: a) 4,1 g d’H2O en excés; b) 35,1 L; c) 96,9 %

63. s El carbur de silici, o carborúndum, és un abrasiu de gran aplicació industrial. S’obté a partir de la reacció en-tre el diòxid de silici i el carboni, i en el procés també es genera diòxid de carboni. Calcula: 2

a) La quantitat de carbur de silici que s’obté a partir d’1,0 t de mostra amb una riquesa del 93 % en massa de diòxid de silici. b) La quantitat de carboni, en tones, ne-cessària perquè es completi la reacció anterior. c) El vo-lum de diòxid de carboni, en m3, mesurat a 20 °C i 705 mmHg, que es produeix en la reacció.

Sol.: a) 0,62 t; b) 0,37 t; c) 4,0 · 102 m3

64. s Disposem de 500 kg de mineral amb una riquesa del 20 % en carbonat de coure(II). Si el fem reaccionar amb 100 L d’una solució aquosa d’àcid nítric d’1,390 g/cm3 de densitat i 65 % m/m de puresa, es formen nitrat de coure(II), diòxid de carboni i aigua. Determina: 2

a) L’equació química ajustada que correspon a aquesta reac ció química. b) El reactiu que queda en excés. c) La quantitat de nitrat de coure(II), expressada en quilograms, que s’origina si el rendiment del procés és del 86 %.

Sol.: c) 1,1 · 103 kg

65. d La glucosa (C6H12O6) en absència d’oxigen experi-menta un procés anomenat fermentació alcohòlica, per l’acció de certs llevats anaerobis. Durant aquest procés, els llevats transformen la glucosa en etanol (C2H6O) i diò-xid de carboni. 1a) Escriu i ajusta l’equació química corresponent a la fer-mentació alcohòlica. b) Interpreta l’equació química ante-rior en termes atomicomoleculars i en termes molars, i classifica-la segons el mecanisme d’intercanvi. c) Esmenta algunes aplicacions industrials d’aquesta reacció. A quin tipus d’indústria pertany aquest procés? d) Fes un esque-ma del procés d’elaboració d’una beguda que s’obtingui mitjançant fermentació alcohòlica i explica les possibles repercussions del procés en el medi ambient. Per a això, investiga per mitjà d’internet.

66. d El gas de síntesi és una mescla gasosa composta per monòxid de carboni i hidrogen. Es pot obtenir a partir de la reacció entre el metà (CH4) i el vapor d’aigua.

a) Escriu i ajusta l’equació química corresponent i classi-fica-la segons les partícules intercanviades. b) Busca la riquesa que conté en hidrogen, les aplicacions que té i els tipus d’indústria química en què intervé. Reflecteix tota aquesta informació en un informe. 1

67. d L’aigua oxigenada és una solució aquosa de peròxid d’hidrogen (H2O2). Al laboratori es disposa d’una solució d’H2O2 de la qual es vol esbrinar la concentració. Per a fer-ho, es pren una mostra de 25 mL d’aigua oxigenada, s’hi afegeixen 10 mL d’àcid sulfúric diluït i es valora amb per-manganat de potassi 0,020 M, de manera que es gasten 25 mL d’aquesta solució. Tenint en compte la reacció quími-ca (ajustada) següent: 2

3 H2SO4(aq) + 2 KMnO4(aq) + 5 H2O2(aq) →

→ 2 MnSO4(aq) + 5 O2(g) + K2SO4(aq) + 8 H2O(l)

a) Classifica la reacció segons les partícules intercanvia-des.

b) Calcula la molaritat de la solució d’aigua oxigenada.

c) Determina el volum d’oxigen, mesurat en condicions es-tàndard, que es produeix en la reacció.

Sol.: b) 0,052 mol · L−1; c) 0,028 L d’O2

112876_UN_03_CAT.indd 106 13/01/15 11:08

#3

107

#3

107107







7. La indústria química i el medi ambient

SíntesiEs representen per

Mecanismes

d’intercanvi

A + B → AB

AB → A + B

AB + X → AX + B

AB + XY →AX + BY

Partícula

intercanviada

Càlculs amb

Tipus

Es

transformen

en

Àcid + Base → Sal + Aigua AB(aq) + CD(aq) → CB(aq) + AD(s)↓

Combustible + O2 → CO2 + H2OOxidant + Reductor →

→ Espècie reduïda + Espècie oxidada

REACCIONS QUÍMIQUES

Indústria química

EstequiometriaTipusEquacions químiques

Reactius

Síntesi

Descomposició

Desplaçament

Desplaçament doble

Precipitació

CombustióRedox

Àcid-basePuresa d’una mostra

Rendiment

Reactius en solució

Reactiu limitant

Massa-volum

Volum-volum

Massa-massa

Informació qualitativa

Ajustades

Informació quantitativa

De base

De transformació

Productes

Desenvolupament sostenible

Processos industrials

Destrucció de la capa

d’ozó

Pluja àcidaEfecte d’hivernacle

112876_UN_03_CAT.indd 107 13/01/15 11:08

108

3#AVALUACIÓREACCIONS qUíMIqUES

3#

1 Raona si són vertaderes o falses les afirmacions següents:

a) Els canvis que es produeixen en la digestió dels aliments són físics.

b) Si col·loquem una vareta calenta sobre un bloc de gel, apareix aigua líquida i vapor d’aigua; per tant, es tracta d’un procés químic.

c) Quan el gas heli contingut en un globus s’es-capa, es produeix un canvi físic.

d) La fotosíntesi és un procés químic.

2 Assenyala quines de les equacions químiques següents estan ajustades i ajusta les que no ho estiguin:

a) WF6(g) +H2O(l) → HF(g) + WOF4(s)

b) CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

c) Fe2O3(s) +HCl(aq) → FeCl3(aq) +H2O(l)

3 El diclorur de disofre (S2Cl2) s’utilitza en la vulcanit-zació del cautxú, un procés que impedeix que les molècules del cautxú se separin quan s’estira. Es pot obtenir mitjançant la reacció de sofre amb clor. A partir de l’equació química ajustada se-güent, analitza si són certes les afirmacions que hi ha a continuació (justifica les respostes):

S8(l) + 4 Cl2(g) → 4 S2Cl2(g)

a) Un mol de clor produeix un mol de diclorur de disofre.

b) Un gram de clor produeix quatre grams de di-clorur de sofre.

c) Un litre de clor produeix un litre de diclorur de disofre.

4 Raona si l’argument següent contradiu la llei de Lavoisier:

«Quan un objecte de metall experimenta una reac-ció d’oxidació, pesa més que abans d’oxidar-se».

5 Classifica aquesta reacció química representada: 2

HNO3(aq) + Ca(OH)2(aq) → Ca(NO3)2(aq) +H2O(l)

a) Àcid-base i desplaçament doble.

b) Desplaçament doble i redox.

c) Doble descomposició.

d) Redox i síntesi.

6 Considera la reacció de síntesi del clorur de sodi. Quina quantitat de clorur de sodi podem obtenir a partir de 112 cm3 de gas clor, mesurats a 30 °C i 1,5 · 105 Pa?

a) 2,82 g

b) 0,78 g

c) 0,079 g

7 Si fem reaccionar 66,0 g de propà (C3H8) amb 96,0 g d’oxigen, podem afirmar sobre la combus-tió que:

a) El reactiu en excés és l’oxigen.

b) El reactiu en excés és el propà.

c) Cap dels dos no hi és en excés.

d) No tenim dades suficients per a saber-ho.

8 Determina el volum d’àcid sulfúric 0,10 M que es pot neutralitzar amb 40 mL d’hidròxid de sodi 0,10 M:

a) 20 mL

b) 40 mL

c) 10 mL

9 Donada la reacció següent: 2

C2H2(g) +H2O(l) → C2H3OH(l)

Si disposem de 20 g d’acetilè (C2H2) del 80 % m/m de riquesa i la reacció té un rendiment del 70 %, quina quantitat d’etanol (C2H3OH) obtin drem?

a) 18,71 g

b) 33,8 g

c) 19 g

0 Indica si les indústries químiques següents són de base o de transformació: petroquímica, ali-mentària, tèxtil, metal·lúrgica. Justifica les res-postes.

q Investiga sobre el grafè. Explica’n la composició, les propietats i les aplicacions en nanotecnologia, biomedicina i aeronàutica. Quins processos s’han desenvolupat per a fabricar-lo? Elabora’n un infor-me en Word que inclogui fotografies.

w Relaciona cadascun dels gasos següents amb l’efecte que té en el medi ambient i proposa me-sures per a minimitzar aquest efecte: CO2, CFC, SO2, CH4.

112876_UN_03_CAT.indd 108 13/01/15 11:08

109

REACCIONS qUíMIqUESUD. 3ZONA

Científics a la cuinaRefredar amb nitrogen líquid, gelificar amb agar-agar, desestructurar i tornar a ajuntar, crear textures i formes noves... La cuina s’ha convertit en un gran laboratori en què la intuïció, la imaginació i la crea-tivitat ja no estan renyides amb els coneixements sobre les propietats de la matèria.

El programa Redes, d’Eduard Punset, ens ofereix un vídeo en el qual es tracta aquest camp tan nou.

AUDIOVISUAL

— Cerca a YouTube el vídeo «Un científico en la cocina»:

http://links.edebe.com/p6k

— Explica en què consisteixen els processos següents, aplicats en el context de la química gastronòmica: esterificació, gelificació, emulsionament.

— Què aporta a la cuina la utilització de nitrogen líquid? Quin objectiu es persegueix? Quina n’era l’alternativa en la cuina tradicional?

— Cerca a internet altres vídeos, pàgines web, etc. en què apare-guin receptes en les quals la manipulació dels aliments es pro-dueixi a nivell molecular, tant mitjançant processos físics com químics. Poseu en comú la informació obtinguda i elaboreu-ne un dossier.

SOCIETY

FUMATA BLANCAActualment, per triar el nou pontífex, els carde-nals es reuneixen en conclave a la Capella Sixtina en un aïllament absolut. Mentre dura la deliberació, els cardenals cada dia comuniquen si han arribat a un acord o no, per a la qual cosa cremen fenc humit en una estufa.Aquest fum és de color negre quan no s’ha aconseguit l’acord, i si és blanc i lleu-ger significa que hi ha un nou pontífex.

Investiga:

— Com s’aconsegueix que el fum que surt per la xemeneia sigui de color gris o blanc?

— Quin additiu o substància quími-ca s’hi afegeix perquè tingui aquest color?

— Sempre ha estat així, o ha canviat la composició de la mescla que es crema?

ENTREPRENEURS

QUÍMICA RECREATIVA Quina reacció té el bicarbonat amb els àcids? Què succeeix si ens cau una mica de suc de llimona o vinagre sobre el marbre? Què tenen les tintes invisibles, i per què en escalfar-les esdevenen visibles? És possible fer cremar el sucre? Per què s’inflen les pastes quan les fiquem al forn?

Algunes d’aquestes preguntes semblen molt simples, i pots experimentar a casa per comprovar-ho.

Totes aquestes preguntes tenen en comú que estan relacionades amb alguna reacció química que has estudiat.

— Formeu grups de quatre companys i busqueu informació a internet. Trieu un experiment senzill.

— Enregistreu un vídeo en què mostreu l’experiment i els resultats obtinguts.

— Us poden ser útils les pàgines web següents:

http://links.edebe.com/u9k4p

http://links.edebe.com/mjw

112876_UN_03_CAT.indd 109 13/01/15 11:08

Documents

TRANSFORMACIONS DE LA MATÈRIA - edebe.com€¦ · Estequiometria de les reaccions químiques w 4.1. Càlculs amb relació massa-massa w 4.2. ... — Les reaccions químiques formen