Laura Bassi 4t. Mostra. Física i química

íF sica i Quí i a mc

4 ESO DOSSIER

Programa

Laura Bassi

ÍNDEX

1 2

METODOLOGIA CIENTÍFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1. Investigació científica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Magnituds físiques i unitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Mesura de magnituds físiques. Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Anàlisi de dades experimentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Taller de ciències. Projecte d’investigació . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Experiments mentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Es pot parlar de la «densitat» de la plastilina?. . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 16 18 20 22 24 25 26

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1. Els primers models atòmics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Els espectres atòmics i el model de Bohr. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Model quàntic de l’àtom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. El sistema periòdic dels elements químics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Masses atòmiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Com resoldre un exercici d’abundància isotòpica. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. «Les petites Curie». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Raigs catòdics i tubs de descàrrega. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30 32 34 36 38 39 40 41 42

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

. . . . . . . .

44

1. L’enllaç químic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. L’enllaç iònic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. L’enllaç covalent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Forces intermoleculars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. L’enllaç metàl·lic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Com resoldre un exercici d’enllaç químic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Tipus de substàncies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Determinació del tipus d’enllaç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46 48 50 52 54 55 56 57 58

3 4 5

ELS COMPOSTOS DE CARBONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

1. L’àtom de carboni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Formes al·lotròpiques del carboni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Fórmules i models moleculars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Hidrocarburs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Compostos de carboni oxigenats i nitrogenats . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Molècules d’un interès especial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Models moleculars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Solubilitat del suro blanc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64 65 66 69 70 73 74 75 76

REACCIONS QUÍMIQUES: FONAMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

1. Canvis químics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Velocitat de reacció. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Quantitat de substància. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Càlculs estequiomètrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. L’energia en les reaccions químiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Com resoldre un exercici d’estequiometria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Reacció d’oxidació del ferro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Factors que afecten la velocitat de reacció . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82 83 84 86 88 90 92 93 94

ALGUNES REACCIONS QUÍMIQUES D’INTERÈS . . . . . . . . . .

96

1. Àcids i bases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Reaccions de combustió . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Reaccions de síntesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Volumetria de neutralització. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Indicadors casolans de pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Identificació del CO2 en una combustió. . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98 100 102 103 104 105 106

6 7 8

CINEMÀTICA

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

110

1. Sistema de referència . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Magnituds del moviment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Tipus de moviments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Moviments rectilinis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Moviments circulars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Interpretació de representacions gràfiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Com resoldre un problema de cinemàtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Sistemes de referència i trajectòria. . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. És un moviment uniformement accelerat? . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112 113 119 120 124 128 129 130 131 132

LLEIS DE NEWTON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

136

1. Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Forces quotidianes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Lleis de Newton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Lleis de Newton en moviments quotidians. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Aplicacions de les lleis de Newton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. El fregament. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Coeficient de fregament per lliscament. . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

138 141 142 144

FORCES EN L’UNIVERS

146 148 149 150

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

1. Evolució històrica de l’estudi de l’univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Forces gravitatòries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Aplicacions de la llei de la gravitacio universal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Satèl·lits artificials en òrbita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Com resoldre un exercici de gravitació. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Simulació de la teoria de la gravetat d’Einstein . . . .

Treball pràctic. Localització dels astres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

156 158 160 164 166 168 169 170

9 10 11

FORCES EN FLUIDS. PRESSIÓ

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

1. Pressió . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Llei fonamental de la hidroestàtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Principi d’Arquimedes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Llei de Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Pressió atmosfèrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Conceptes meteorològics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Problemes de pressió i empenyiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. La pressió atmosfèrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. El barril de Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ENERGIA MECÀNICA I TREBALL

176 178 180 182 183 186 187 188 189 190

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

1. Energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Treball. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Potència. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Energia cinètica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Energia potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Conservació de l’energia mecànica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Transport d’energia mitjançant ones mecàniques . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Com resoldre problemes d’energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. El Sol com a font d’energia renovable. . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Conservació de l’energia mecànica. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

196 198 201 202 204 206 208 210 212 213 214

ENERGIA TÈRMICA I CALOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

218

1. Energia tèrmica. Temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Equilibri tèrmic. Calor i propagació. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Efectes de la calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Motor tèrmic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Degradació de l’enegia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientacions per a la resolució de problemes.

Resolució de problemes d’escalfament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ciència recreativa. Construcció d’un espectroscopi. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Treball pràctic. Calor latent de fusió de l’aigua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Posa’t a prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

220 222 225 228 230 233 234 235 236

» PRESENTACIÓ I ESTRUCTURA Els continguts competencials del programa Laura Bassi corresponents a Física i Química 4 ESO s’estructuren en 12 unitats didàctiques. Al llarg de cada unitat s’ofereixen explicacions dels continguts essencials de la matèria i activitats competencials per resoldre en el mateix dossier.

UNITAT

3

Text breu que explora les relacions entre ciència, tecnologia i societat a través de fets rellevants relacionats amb els continguts que es tractaran.

Làmina transparent de grafè.

E OS D CN

Carboni, amb «c» de convenient

«La vida existeix a l’univers només perquè l’àtom de carboni té certes qualitats excepcionals.» Aquesta afirmació del físic britànic James Hopwood Jeans està inclosa en el seu llibre The Misterious Universe publicat el 1930.

En l’actualitat, sabem que el carboni és el més versàtil i influent de tots els elements químics coneguts. Aquest element es troba present en la fusta i en el grafit dels llapis que tens en el teu estoig, en els combustibles, en el teu cos, en l’aire, en les estrelles! I encara podríem continuar...

La versatilitat del carboni, que li confereix múltiples aplicacions en els àmbits de la indústria o la salut, ha atret fortament l’atenció de la comunitat científica.

Tals són les investigacions sobre les aplicacions del carboni dutes a terme en les últimes dècades que Andre Geim i Konstantin Novoselov, professors de la Universitat de Manchester, van obtenir el Premi Nobel de Física el 2010 pels seus estudis sobre el procés de preparació del grafè.

Aquest fet ha provocat una gran eclosió d’investigacions científiques centrades a descobrir diferents aplicacions per a aquesta substància, ja que fins al 2010 es pensava que no podia preparar-se de forma eficaç.

Compromís ODS. Proposta d’activitats per conèixer les metes dels Objectius de Desenvolupament Sostenible.

COMPROMÍS ODS 1.

2.

Busca informació sobre la preparació, les característiques i les aplicacions del grafè.

Dissenya una proposta, en la qual s’utilitzi el grafè, per participar en la consecució d’una de les següents metes: 3.9, 6.a, 7.1, 9.1, 13.a o 14.1 (pots consultar en l’espai personal del web www.barcanova.cat els vídeos sobre les metes dels ODS). Després compara la teva proposta amb la dels teus companys.

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què necessites saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

6

Repàs dels coneixements previs sobre el tema en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

6

AE CS ÍMS ’IÈS « A 

UT  » N CS ÍMS ’IÈS

A la pàgina esquerra, es presenten els continguts.

1. ÀCIDS I BASES

Indicadors àcid-base

Teoria d’Arrhenius sobre àcids i bases

pH < 8,2 incolor

pH-metres

2 3

Vinagre

4

Vins i cerveses

pH < 9 groc

Plàtans, tomàquets Cafè negre Orina humana

7

Llet, aigua de pluja

Bicarbonat de sodi Pasta dentifrícia Llet de magnèsia

9 10

El paper indicador canvia de color segons el pH de la dissolució amb què contacti.

El seu principal avantatge és l’obtenció d’una lectura precisa del valor del pH.

1

Relaciona les concentracions de protons amb els valors de pH. Indica quins corresponen a dissolucions àcides i quins a bàsiques.

11 12

Amoníac

13

Lleixiu

a) [H+] = 0,01 M • b) [H+] = 0,001 M • c) [H+] = 1 M • d) [H+] = 0,1 M •

14

Escala de pH El pH d’una dissolució és igual al logaritme decimal de la concentració de protons presents en la dissolució, canviat de signe: pH = –log [H3O+] = –log [H+] Per a una dissolució àcida, el pH serà inferior a 7; per a una de bàsica, el pH serà superior a 7, i per a una de neutra, el pH serà igual a 7.

pH > 9 blau

C OM PRÈ N, PE NSA , INVE STIGA …

Aigua de mar

8

Més bàsic

+ OH– + H3O+

– +) Però(Haquesta reacció(Hamb prou feines (OH té lloc; l’aigua pura ) per això, (H3O 2O) 2O) no és conductora de l’electricitat.

Neutre

pH > 5,5 blau

BLAU DE TIMOL

6

5

Autoionització de l’aigua. A l’aigua es pot produir un intercanvi d’ions H+ entre molècules, donant com a resultat un ió hidròxid (OH–) i un ió hidroni (H3O+):

pH < 5,5 vermell

Àcid clorhídric Àcid de bateries Sucs gàstrics Sucs de llimona

1

pH > 10 rosa

TORNASSOL

Escala de pH 0

Més àcid

Aquestes substàncies es denominen electròlits i són responsables del fet que la dissolució sigui conductora de l’electricitat.

+HO + HO 2 2

Paper indicador

FENOLFTALEÏNA

Segons la teoria d’Arrhenius, una substància és àcida si és capaç d’alliberar ions hidrogen (H+) quan es dissol en aigua, i és bàsica si el que allibera són ions hidròxid (OH–).

Quadres de definicions i conceptes destacats.

TINGUES EN COMPTE QUE...

El logaritme d’un nombre, A, en base 10 és igual al nombre al qual cal elevar 10 per obtenir A: log A = x 8 10x = A Per exemple, com que 0,001 = 10–3 8 log 10–3 = –3.

• 1) pH = 0 • 2) pH = 1 • 3) pH = 2 • 4) pH = 3

2

Els exemples que hem vist són electròlits forts, perquè estan completament dissociats. Cerca informació sobre els electròlits febles.

Utilitzant la teoria d’Arrhenius, indica si les següents substàncies seran àcids o bases:

En fer reaccionar un àcid fort (HA) amb una base forta (BOH) obtenim una sal neutra i aigua.

Aquests tipus de reaccions es poden esquematitzar així: H O

2 HA (aq) + BOH (aq) 8 H+ (aq) + OH– (aq) + A– (aq) + B+ (aq)

HA (aq) + BOH (aq) 8 H2O (l ) + BA (aq) A partir de la reacció de neutralització, podem calcular la concentració d’una dissolució aquosa d’una substància àcida o una de bàsica.

Volumetries de neutralització La volumetria és una tècnica d’anàlisi en la qual, a partir de la mesura de dos volums de dissolució i de la concentració d’una d’aquestes, es pot determinar la de l’altra. En el cas que una dissolució sigui àcida i l’altra bàsica, es parla de volumetries de neutralització, en les quals s’utilitza un indicador colorimètric per identificar el final de la volumetria.

Mesura del pH

6

Busca informació sobre els antiàcids més utilitzats en la vida quotidiana. Per què no és recomanable el seu ús prolongat?

7

Escriu les equacions químiques d’aquestes reaccions de neutralització: a) Ba(OH)2 amb HCl.

b) HNO3 amb LiOH.

3

Reaccions de neutralització

a) H2SO4

8

c) H2S

8

b) Ca(OH)

8

d) KOH

8

8

Calcula la concentració d’una dissolució de HCl si 30 mL d’aquesta han consumit 12,3 mL d’una dissolució 0,02 M de NaOH fins al punt de viratge.

Calcula el valor de pH d’una dissolució d’àcid clorhídric 0,02 M. Considera que l’àcid és fort; és a dir, que està completament dissociat.

5

El pH de l’orina humana varia entre 4,6 i 8. Busca informació sobre com es mesura aquest paràmetre en l’orina i què significa un pH més gran que 8 en una mostra d’orina.

9

Descriu, en un full a part, el procediment de realització d’una volumetria àcid-base per determinar la concentració d’una dissolució d’hidròxid de liti.

Treballa amb les simulacions sobre les solucions àcid-base i l’escala del pH, disponibles en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

9

UNITAT 6 » CINEMÀTICA

CINEMÀTICA « UNITAT 6

4. MOVIMENTS RECTILINIS

Moviment rectilini uniforme (MRU)

Dx Dt

8

Dx = v $ Dt

En un MRU, l’espai recorregut ( e = §Dx§) és directament propor­ cional al temps fet servir. Si fem que l’estudi del moviment comenci en t0 = 0, la posició, x, en cada instant, s’obté tenint en compte que Dx = x – x0 i que Dt = t – t0 = t :

v=

x – x0 t

8

x – x0 = v $ t

8

Gràfiques de l'MRU

+v

–y

–v

+a

Considerem que el moviment es descriu sobre l’eix Y, i situem l’origen d’altures (O) a terra; per tant: • Altura inicial: y0 = 800 m.

O

–x

O

O

–v –a

–a O

+x

X

+v

X X

+a

• Velocitat límit: v = –18 km/h. En unitats del SI:

m km 1 000 m 1h v = –18 $ $ = –5 s 3 600 s h 1 km

Les magnituds que es dirigeixen cap a dalt o cap a la dreta es consideren positives, i les que es dirigeixen cap a baix o cap a l’esquerra, negatives.

Es tracta d’un MRU. Les equacions que el descriuen, en les quals v és constant, són aquestes:

Dy = v · Dt 8 y = y0 + v · t Hem de calcular el temps (t) que tarda la gota a arribar a terra; això és, quan y = 0. Si substituïm les dades en l’equació anterior tenim que:

800 m m = 160 s 0 = 800 m – 5 s $ t 8 t = 5 m/s La gota tarda, doncs, 160 segons a arribar a terra.

Les gràfiques del moviment es mostren a la dreta.

y/m 800 600 400 200 O

40

80

120

160

200

t/s

Velocitat-temps (v-t) v/(m/s) 10 5 0 –5

40

80

120

160

200 t/s

–10

Espai recorregut-temps (e-t) e/m 800 600 400 200 O

T R E BA LLA A M B LE S IM A T G E S

T4. Descriu el moviment corres-

40

80

120

160

200

t/s

C OM PRÈ N, PE NSA , INVE STIGA …

19. Analitza les gràfiques de l’exercici resolt 4: a) Per què la gràfica y-t té pendent negatiu, i la e-t el té positiu?

a/(m/s2 )

b) Es recorren espais iguals en temps iguals?

vA > 0

20. Un vehicle recorre una recta a 108 km/h. Sabent

que a les 13:00 passa pel punt quilomètric 5, calcula el que se't demana en els següents apartats i representa, en un full a part, les gràfiques del moviment. Representa després la trajectòria en un sistema de referència cartesià, i compara-la amb la gràfica posició-temps. a) Quant tardarà a arribar al punt quilomètric 6?

x0

vA

x0

t0 = 0

xB

vB

vB < 0

120

Y

Y +y

ponent als traços blaus d'aquestes gràfiques.

v/(m/s)

xA

O

Y

O

Posició-temps (y-t)

x = x0 + v $ t

En les figures següents es mostren les gràfiques de l'MRU. Els traços vermells corresponen a un moviment en el qual el mòbil es mou cap a la dreta (la posició augmenta amb el temps). Per això, la velocitat és positiva.

x /m

4.

Quant tardarà una gota de pluja a arribar a terra si assoleix una velocitat límit constant de 18 km/h, a 800 m d’altitud? Representa les gràfiques y-t, v-t i e-t.

Conveni de signes

O

Es tracta d’un moviment en el qual les dues components de l’acceleració són nul·les. Per tant, la velocitat roman constant, i el seu valor serà, en cada instant, igual a la velocitat mitjana:

a = 0 8 v = vm =

Exercicis resolts que permeten l’aprenentatge de processos de raonament i estratègies de resolució de problemes.

E XE RC IC I RE SOLT

Per a l’estudi de moviments rectilinis, és recomanable que la trajectò­ ria quedi sobre un dels eixos del sistema de referència. Això ens permet de treballar únicament amb una de les components de les magnituds vectorials, ja que l’altra és nul·la. Per aquesta raó, a partir d’ara, 8 8 8 els vectors posició seran « x » (o « y ») en lloc de « r »; els desplaça8 8 8 ments, «Dx » (o «Dy ») en lloc de «Dr », i l’espai recorregut, «x» (o «y») en lloc de «s». A més, en aquests moviments, totes les magnituds vectorials tenen la mateixa direcció, la qual cosa ens permet treballar amb els seus mòduls si atribuïm un signe a cada sentit per indicar cap on apunten. En el requadre del marge es mostra el conveni de signes que utilitzarem.

Treballa amb les imatges.

Desenvolupa la capacitat d’observació i interpretació de l’alumnat.

Recursos, tècniques i activitats en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

4

• Mètodes colorimètrics.

Es basen en l’ús d’indicadors àcid-base.

• Elèctrodes de pH o pH-metres. Tenen una sonda que se submergeix en la dissolució, donant una lectura digital del pH.

9

Quadres al marge amb informació complementària.

A la pàgina dreta es proposen activitats amb l’espai corresponent per resoldre-les.

Tipus d’indicadors

t

Dx = xA – x0 = = vA · Dt > 0

t Dx = xB – x0 = = vB · Dt < 0

t/s

0

aA = 0 aB = 0

c) Quant val l’acceleració normal? Per què? t/s

t/s

Treballa amb la simulació sobre el moviment rectilini uniforme que trobaràs en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

d) Per què la velocitat és negativa?

b) On serà a les 13:05?

e) On es troba la gota en t = 60 s? Respon utilitzant la gràfica i l’equació.

121

Activitats:

CÀT « A 

ODS

Des del terrat d’un edifici d'una altura de 30 m, es deixa caure una moneda. En el mateix instant, des de la seva base, s'en llança una altra verticalment cap amunt amb una celeritat de 20 m/s. Si totes dues descriuen el moviment sobre la mateixa vertical, a quina altura es creuen? Amb quina celeritat?

AvaluApp

Passos 1

Entén l’enunciat i extreu dades

Cal estudiar el moviment de dues monedes; utilitzarem subíndexs per diferenciar-les. Utilitzarem l’«1» per a la que es deixa caure i el «2» per a la que es llança verticalment amunt.

Amb ajuda d’Internet

2

Moneda 1: v01 = 0 ; y01 = 30 m v02 = 20 m/s ; y02 = 0

Fes un dibuix de la situació

A continuació, es dibuixa la situació descrita, utilitzant el model de punt material. En el dibuix cal representar les magnituds que hi intervenen, tant les escalars com les vectorials (aquestes últimes com a vectors).

Treball cooperatiu

Resolució Moneda 2:

v01 = 0

y01 = 30 m

v02 y02 = 0

3 Identifica les lleis físiques que hi intervenen

La moneda 1 descriu una caiguda lliure, i la 2, una ascensió lliure. Com saps, són casos particulars d'MRUA en els quals l’acceleració és la de la gravetat (g › 9,8 m/s2). Les equacions generals, prenent t0 = 0, són aquestes: 1 v = v0 + a $ t ; y = y0 + v0 $ t + $ a $ t2 2 A l'hora de particularitzar, es tindrà en compte el conveni de signes i les dades de l’enunciat.

4

Obtén el resultat i analitza la seva validesa

El que demana l’enunciat és l’altura a què es creuen. En llenguatge matemàtic, això s’expressa d'aquesta manera: y1 = y2 Si igualem les equacions de posició de les dues monedes, obtenim l’expressió amb què es calcula el temps que transcorre fins que es creuen. Utilitzant aquest valor, es pot trobar l’altura a què es creuen les monedes i les celeritats en aquell instant.

Orientacions per a la resolució de problemes.

Estratègies per resoldre problemes. Inclouen l’anàlisi de l’enunciat i la discusió dels resultats.

ORIENTACIONS PER A LA RESOLUCIÓ DE PROBLEMES…

COM RESOLDRE UN PROBLEMA DE CINEMÀTICA

v02 = 20 m/s

Les equacions dels moviments, expressades en el mateix sistema de referència, són aquestes: Moneda 1 (caiguda lliure): v1 = –g $ t ; y1 = y01 – 1 $ g $ t2 2 Moneda 2 (ascensió lliure):

v2 = v02 – g $ t ; y2 = v02 $ t – 1 $ g $ t2 2

1 1 $ g $ t2 = v02 $ t – $ g $ t2 2 2 y01 30 m 8 t= v = m = 1,5 s 02 20 s Quan t = 1,5 s (comprova-ho): y1 = y2 - 18, 98 m m m v1 = –14, 7 s ; v2 = 5,3 s Les monedes es creuen a 18,98 m de terra. En el punt de trobada, la primera descendeix amb una celeritat de 14,7 m/s, i la segona ascendeix a 5,3 m/s. y1 = y2 8

y01 –

y01 = v02 $ t

19

CÀT « A 

UT  » MÀT

» TALLER DE CIÈNCIES

PER PARELLES

TREBALL PRÀCTIC És un moviment uniformement accelerat?

Material • Transportador d’angles • Tauler de fusta d'1 m de longitud, com a mínim

CIÈNCIA RECREATIVA Sistemes de referència i trajectòria

• Bala • Cronòmetre • Regla • Retolador

Introducció En la unitat heu estudiat que la trajectòria depèn del sistema de referència. Us heu parat a pensar què significa aquesta frase? Il·lustrarem el seu significat amb un exemple.

Imagina que algú deixa anar un objecte des de dalt d’un pal d’un veler que es desplaça amb MRU. La imatge mostra com descriurien el moviment dos observadors –un des del veler i un altre des de la vora– si el vent no influís.

L’observador del vaixell descriu el moviment com rectilini (caiguda lliure), i el de la vora, com curvilini (tir horitzontal, que estudiaràs en els pròxims cursos)… i tots dos tenen raó!

Com veus, la trajectòria depèn del sistema de referència. Ho comprovarem.

Es vol comprovar si, quan un cos cau per un pla inclinat, ho fa amb acceleració constant.

La vostra proposta

SET RESETLAP

T

0.00 23

Amb el que heu estudiat en aquesta unitat, quina resposta donaríeu?

Emeteu una hipòtesi de forma argumentada. Abans de llegir la nostra proposta, dissenyeu un experiment, poseu-lo en pràctica i comproveu si amb l'experiment podeu donar resposta al repte que es planteja.

La nostra proposta

FASE 1. PLANIFICACIÓ I PRESA DE DADES Formeu parelles. Un dels membres deixarà caure una pilota mentre camina i la gravarà amb el seu mòbil –o amb una càmera de vídeo– fins que impacti amb el terra, intentant que la pilota estigui sempre en el centre de la pantalla.

L’altre membre, mantenint fixa la seva posició, gravarà també la caiguda; en aquest cas haurà d’intentar que el mòbil –o la càmera de vídeo– no es mogui durant la caiguda de la pilota.

Orientacions per a la realització de l'experiment • • • • • • •

FASE 2. ANÀLISI DE LES DADES. RESULTATS Després de mirar amb detall els dos vídeos, com diríeu que ha estat la trajectòria de la pilota? En què us baseu per dir això?

FASE 3. CONCLUSIONS I PROPOSTES DE MILLORA Quines conclusions podeu treure de l'activitat? Se us ocorre alguna manera de millorar-la?

Marqueu diverses distàncies en el tauler.

Convé que la posició final de la bala sigui el punt més baix del tauler. És convenient posar un límit a la part inferior.

Per a cada distància, feu tres mesures de temps, calculeu la mitjana i determineu l’error comès.

Per al tractament d’errors podeu utilitzar un full de càlcul.

Representeu l’espai en funció del temps i en funció del temps al quadrat.

Utilitzeu els cronòmetres de laboratori.

E XTRA IE U C ONC LUSIONS…

1

Elaboreu un informe científic, que contingui taules de dades i gràfiques, sobre la pràctica realitzada.

Proposta de treball 1 Abans de Galileu, tothom pensava que, en deixar anar un objecte des de dalt del pal d'una embar-

2 En quines distàncies són més grans els errors comesos: en les curtes o en les llargues? A què pot deure’s?

cació, cauria més a prop de la popa a causa del moviment del vaixell; tanmateix, l’experiència va demostrar el contrari. Quin va ser el concepte que finalment va introduir Galileu per solucionar el dilema, i que va donar nom a un dels seus principis?

3 Compareu els errors comesos, a igualtat de distàn-

cia, amb els d’altres grups que hagin inclinat el tauler més, o menys que vosaltres. En quin cas són més grans? Justifiqueu-ho.

4

Busqueu informació sobre els experiments realitzats per Galileu amb plans inclinats, i expliqueu per què va decidir treballar amb aquests plans per estudiar el que ell denominava la caiguda de greus (caiguda lliure). Com realitzava Galileu les mesures de temps?

5 Afegiu, a l’informe, un apartat de «Reflexions finals» amb les conclusions a les quals hàgiu arribat en les tres últimes activitats.

10

Posa’t a prova.

Activitats per consolidar l’aprenentatge, amb l’espai corresponent per resoldre-les.

11

Activitats per interpretar els resultats obtinguts.

» 'AI NTÍF

» POSA’T A PROVA

4

La llei de conservació de l’energia estableix que en un sistema aïllat l’energia es conserva. Per què es parla de «llei» i no de «teoria»?

Icona ODS. Indica les activitats que tracten alguns dels Objectius de Desenvolupament Sostenible de l’ONU.

EI ÀN  A « A 0

Investigació científica

1

En el següent text, identifica les etapes del mètode científic.

A l’antiga Grècia, el rei Hieró va encarregar una corona d’or i li va quedar el dubte de si l’orfebre havia substituït part de l’or per plata, o coure. Va demanar a Arquimedes que ho comprovés.

Arquimedes no sabia què fer. Si hagués substituït or per altres metalls més lleugers, la corona hauria ocupat més espai, però no sabia com mesurar el seu volum.

Icona Treball cooperatiu.

Activitats que s’han de fer en grups reduïts.

Un dia es va submergir en una banyera i va observar que l’aigua vessava, i en aquell moment va pensar que el volum d’un cos coincideix amb el de l’aigua que desplaça. Va sortir corrents, nu, cridant «Eureka!».

Va introduir la corona en un recipient amb aigua i va mesurar el volum d’aigua que desplaçava. Va fer el mateix amb un tros d’or pur del mateix pes i... el rei va ordenar executar l’orfebre.

5

Busca informació sobre el teu horòscop i raona si es tracta de coneixement científic.

N 9 Calcula el treball 20 realitzat pel sistema de forces

que es representa en cada un d’aquests casos: 20 N a) 5m 20 N

6

b)

7

c) 10 N

Què significa «experimentar»? Sempre que s’utilitza un instrument de mesura s’està experimentant?

5m

1.

Un cotxe de 1.050 kg i una potència de 130 CV circula a 80 km/h per una autovia i pretén fer un avançament en un temps de 5 s. Si ha d’aconseguir anar a una velocitat de 130 km/h, tindrà prou potència per fer l’avançament?

30 N 30 N

20 N 5m 5m 30º 20 N 20 N 20 N 30º 20 N 30º 205N m

1. Una central elèctrica té una potència de 1.000 MW.

530 m 5 mN

El senyal emès per un router Wi-Fi té una potència de 100 mW. Calcula quanta energia transfereix cada un dels sistemes, si estan funcionant durant un dia complet.

30 N 530 mN

10 N

5m 40 N5 m 40 N 40 N 60º

2m

60ºdades de la taula següent: s’allarga segons les 60º

Magnituds físiques

8 Descriu aquests vectors.

una llei i una teoria. N’hi ha alguna que pugui convertir-se en les altres?

30 N 5m 5m

Potència

1.

2 m En penjar, d’una molla, diferents pesos, aquesta 2m

2

Repassa l’apartat sobre el mètode científic i descriu alguna situació quotidiana en la qual pensis que l’utilitzes.

25º 25º 25º

10 N Busca informació sobre l’esgotament de recursos i analitza’l des d’una perspectiva CTS; és a dir, indica com intervenen la ciència, la tecnologia i la societat en aquesta problemàtica mundial.

Massa/g

100

150

Allargament/cm

1

1,5

200 250 300 350 2

2,5

3

3,5

a) Representa gràficament, en un full a part, els valors de la taula de dades. Fes-ho en un gràfic amb les variables pes i allargament.

Dada: g = 9,8 m/s2.

3 Explica què és, en el camp científic, una hipòtesi,

Icona Internet.

Activitats en què l’alumnat ha de consultar Internet.

Material necessari per fer l’experiment.

En un MRUA, l’espai recorregut és directament proporcional al quadrat del temps emprat (Ds = k · t2, on k és constant). Per comprovar si això es compleix, n’hi ha prou amb mesurar el temps que inverteix el mòbil a recórrer diferents espais sobre el pla inclinat i estudiar la relació entre les magnituds.

Experiment

Els experiments de l’apartat Treball pràctic permeten aplicar el mètode científic.

TREBALL EN GRUP

Plantejament del problema

MODE STAR STOP

Dins del taller de ciències s’ofereixen experiments de ciència recreativa ben entretinguts.

b) Calcula la constant d’elasticitat de la molla. v

v

c) Calcula l’energia potencial elàstica emmagatzemada en la molla per a l’allargament màxim.

1.

Busca informació sobre el consum abusiu i poc racional de l’energia en els països desenvolupats; reflexiona sobre les implicacions en les metes 7.2, 7.3 i 7.a, i elabora un informe sobre quines són les causes de l’esgotament de les fonts d’energia tradicionals, com ara els combustibles fòssils. Indica quines mesures s’haurien d’adoptar per solucionar el problema, tant a nivell individual com a nivell estatal.

Icona AvaluApp. Indica les activitats més competencials.

Energia cinètica

1. En què s’inverteix l’energia que hem d’aplicar a un cos que es desplaça per una superfície horitzontal rugosa perquè pugui seguir un moviment de velocitat constant?

2

25

» PROJECTE DIGITAL Una resposta global per a un entorn educatiu divers La proposta digital de Barcanova és EDUDYNAMIC, un projecte digital complet que dona una resposta global a un entorn educatiu divers i dinàmic.

A partir d’un entorn senzill i intuïtiu, EDUDYNAMIC és un projecte digital multidispositiu i multisuport que s’adapta i es visualitza a totes les plataformes i a tots els entorns d’aprenentatge virtual (Blink Learning, Moodle, Alexia, Google Classroom, Clickedu, Office 365…).

La diversitat i riquesa de recursos, des d’activitats interactives traçables a vídeos, presentacions i ludificació, fa d’EDUDYNAMIC un projecte digital actualitzat i complet pensat per canviar amb tu.

Integració a totes les plataformes i entorns EVA.

Compatibilitat i sincronització amb qualsevol dispositiu.

Gestió en línia de les activitats i tasques assignades als alumnes.

Amb suport paper o sense.

Continguts i eines per treballar on-line i off-line.

Les claus del projecte digital VERSÀTIL

INTEGRACIÓ I SINCRONITZACIÓ

ON-LINE I OFF-LINE

El projecte,

Els canvis que fa

Són descarregables

adaptat a diferents

l’usuari se sincronitzen

per poder treballar també

enfocaments i necessitats,

automàticament en

sense connexió a la xarxa.

es pot utilitzar com a

connectar qualsevol

complement del llibre

dels dispositius amb

imprès o bé com a model

què es treballa.

autònom per a les aules més digitalitzades.

ENTORN SENZILL I INTUÏTIU

MULTISUPORT I UNIVERSAL

DIVERSITAT I RIQUESA DE RECURSOS

Des d’on poder

Són responsive

Per millorar la comprensió

accedir i treballar amb

i ajusten el seu contingut

dels continguts: activitats

continguts digitals.

a qualsevol dispositiu:

interactives traçables,

mòbil, tauleta, ordinador...

vídeos, presentacions, imatges interactives,

Tots els projectes digitals

suggeriments didàctics,

de Barcanova s’adapten

enllaços, ludificació i...

i es visualitzen a totes

molt més!

les plataformes i a tots els entorns virtuals d’aprenentatge (EVA).

L’ACTIVITAT CIENTÍFICA Una història per conèixer com és l’activitat científica El 1821 Thomas J. Seebeck, després de diversos experiments fallits, va descobrir una fascinant relació entre calor i electricitat quan soldava dos filferros, un de coure i un altre de bismut, en forma de llaç. Així, va observar que, en escalfar un dels metalls a una temperatura alta, mentre l’altre es mantenia a una temperatura més baixa, es generava un camp magnètic. Encara que en aquell moment Seebeck no va reconèixer que en aquest fenomen físic hi estava implicat el corrent elèctric, poc temps després el físic danès Hans Christian Ørsted, que estava immers en investigacions dirigides a demostrar la relació entre electricitat i magnetisme, sí que va reconèixer la presència d’un petit voltatge a causa del gradient de temperatura generat. Aquest fenomen es va anomenar «efecte termoelèctric» o «efecte Seebeck», en honor al seu descobridor.

Aquest breu passatge històric ens mostra l’alt component col·laboratiu de l’activitat científica, com també la possibilitat de cometre errors, bé en els procediments, o bé en la interpretació de les troballes. T’han sorprès aquestes característiques de l’activitat científica?

Quines hi afegiries?

10

Generador termoelèctric.

COMPROMÍS ODS L’any 2010 una empresa europea va desenvolupar un prototip de botes de pluja capaces de produir energia elèctrica aplicant l’efecte termoelèctric.

1.

Cerca informació sobre aquest prototip i les seves aplicacions.

2.

Com podria contribuir aquest element tecnològic a la consecució de les metes 7.1 i 7.3 dels ODS? Il·lustra la teva resposta amb un exemple i recorda que el setè ODS pretén millorar l’accessibilitat energètica a tot el món (pots consultar, en l’espai personal del web www.barcanova.cat, els vídeos sobre les metes citades).

3.

Tant el prototip de botes de pluja comentat com les centrals tèrmiques utilitzen calor per generar energia elèctrica. Reflexiona sobre la manera en què cada un d’aquests elements genera energia i valora la seva participació positiva o negativa per a la consecució de les metes 3.9, 13.3 i 13.a dels ODS.

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què necessites saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

11

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA

1. INVESTIGACIÓ CIENTÍFICA Mètode científic Les maneres de generar coneixement científic poden ser variades i de diferent complexitat. El mètode científic, expressió que engloba totes aquestes maneres, consisteix en un conjunt de requisits que han d’assegurar la fiabilitat de les conclusions finals. Actualment, s’accepta que el mètode científic consta d’etapes, algunes de les quals requereixen grans dosis de creativitat. En el marge es mostra un esquema simplificat de l’esmentat mètode.

Hipòtesis, lleis i teories Les hipòtesis són conjectures, possibles explicacions al problema que es vol resoldre. Perquè una hipòtesi sigui científica, és necessari que es pugui contrastar amb la realitat.

Quan es comprova que la hipòtesi és correcta i és acceptada per la comunitat científica, passa a formar part del coneixement científic.

Pot fer-ho en forma de llei científica, enunciat que descriu les regularitats presents en els fenòmens estudiats, o formant part d’una teoria científica, conjunt d’hipòtesi i regles amb què s’expliquen les esmentades regularitats.

En definitiva, les lleis descriuen i les teories expliquen, i mai no podran les unes convertir-se en les altres, per ser maneres de coneixement diferents.

En aquest apartat s’han mostrat els significats d’hipòtesi, llei i teoria des de la perspectiva de la terminologia científica. Però aquests termes tenen altres accepcions quotidianes, per la qual cosa has d’estar atent al seu ús correcte depenent del context en el que et trobis.

Coneixement científic El coneixement científic, caracteritzat pel mètode científic, és un coneixement fiable, ja que compleix les condicions següents: • És contrastable amb la realitat. S’ha de poder comprovar si allò que es comunica ocorre així en la naturalesa. No en va, un dels principals objectius de la ciència és el d’explicar el món que ens envolta.

• Els experiments dels quals sorgeix han de ser reproduïbles. Dit d’una altra manera: la contrastació amb la realitat s’ha de poder dur a terme tantes vegades com es necessiti, obtenint, en tots els casos, els mateixos resultats.

• Les conclusions finals han d’estar basades en les proves obtingudes durant la contrastació amb la realitat. El coneixement cien­tífic no es pot basar en creences, ideologies, etc., ja que, de ser així, no seria contrastable.

12

Problema (fets) es proposa una possible resposta

Hipòtesi (conjectures)

si no verifiquen la hipòtesi, se n’emet una altra

es comprova si és correcta

Experiments (presa de dades)

s’analitzen les dades

Resultats i ­ onclusions c (basats en proves)

si confirmen la hipòtesi

Lleis i teories (científiques)

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA «

EX ERC IC I RESO LT

1. En una pàgina web pots llegir el següent text. Es tracta de coneixement científic?

«La llei de l’atracció és la creença que els pensaments influeixen sobre les vides de les persones, argumentant que són unitats energètiques que tornaran a la persona una ona similar. Segons els partidaris de l’esmentada llei, els pensaments que una persona té provoquen les emocions, les creences i les conseqüències. Aquest procés és descrit com a vibracions harmonioses de la llei de l’atracció. Alguns seguidors d’aquesta creença afirmen que la llei de l’atracció és una llei de l’univers, ja que s’aplica sempre a tots els éssers, sense excepció, i no és una cosa que una persona pugui escollir si l’aplica o no».

Encara que en el text s’utilitzin termes científics, el seu contingut no es pot qualificar de coneixement científic. Per poder afirmar això, n’hi ha prou amb comprovar que no té les característiques d’aquest tipus de coneixement. Si bé hi pot haver qui defensi que, d’alguna manera, és contrastable amb la realitat, o que està basat en proves, aquest coneixement no pot ser reproduïble, ja que no sempre s’obtindran els mateixos resultats. A més, en l’últim paràgraf s’afirma que aquesta «llei» és una creença. En definitiva, les afirmacions que es fan no són demostrables experimentalment. En molts dels missatges que reps en la teva vida quotidiana, s’utilitza terminologia científica. Però no per això, com acabes de comprovar, són científics.

Adaptat de l’article «La llei d’atracció» a Viquipèdia.

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

1. Explica amb paraules teves com sorgeix i evoluciona el coneixement científic.

2.

Per què Galileo Galilei és considerat el «pare de la ciència moderna»? Busca informació sobre ell i argumenta la fiabilitat de les fonts consultades.

5. Analitza les diferents accepcions del terme teoria en el diccionari. Quina s’acosta més a la que es presenta en aquest llibre? Amb quin altre terme podria confondre’s?

6. En moltes sèries de televisió, per donar resposta a un problema, els protagonistes afirmen tenir «una teoria». És apropiat d’utilitzar aquest terme des del punt de vista de la terminologia científica? Quin terme seria més adequat? Raona les teves respostes.

3.

Per què es parla de la llei de conservació de la massa en lloc de la teoria de la conservació de la massa? I per què de la teoria atòmica de Dalton, en lloc de la llei atòmica de Dalton?

7. Esmenta una teoria i una llei física, i explica per què ho són. Si ho necessites, repassa algun contingut estudiat en cursos anteriors.

4. En

els llibres més antics es parla de la hipòtesi d’Avogadro i, en els més moderns, de la llei d’Avogadro.

A què creus que es deu?

13

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA Experimentació En un experiment es reprodueix un fenomen utilitzant control de ­variables. Per a això, de les magnituds que intervenen en el fenomen a estudiar es mantenen totes constants menys una, i es comprova com influeixen les variacions d’aquesta última en els resultats de ­l’experiment.

També hi ha ocasions en què, davant de la dificultat de plantejar un experiment, s’acudeix a experiments mentals, que són recursos de la imaginació a partir dels quals, s’extreuen conclusions conformes al coneixement científic.

Models científics Un model científic és una representació abstracta i simplificada de la realitat que s’utilitza per obtenir una primera aproximació en l’estudi d’un fenomen. Per exemple, per estudiar el comportament d’un gas tancat en un recipient, s’utilitza el model del gas ideal (quadre inferior).

Ciència, tecnologia i societat Ciència i tecnologia están íntimament relacionades. En certes oca­ sions, la investigació científica ha hagut d’esperar a disposar dels instruments de mesurament adequats, el desenvolupament dels quals ha estat possible gràcies a la investigació científica.

Per la seva part, la societat pot influir en el tipus d’investigació que es desenvolupa, en funció de les seves demandes o necessitats.

A més, els projectes d’investigació poden requerir grans quantitats de finançament, cosa que obliga a la participació de diversos països.

En definitiva, és difícil parlar de coneixement científic sense parlar, també, de desenvolupament tecnològic i interessos socials. És el que es coneix com relacions CTS, acrònim de ciència-tecnologia-­ societat.

Models científics. Alguns exemples Gas ideal Per estudiar el comportament dels sistemes gasosos, es considera que les seves partícules constituents només interaccionen amb les parets del recipient.

Investigació bàsica Solem compartir la idea que la investigació científica, a prio­ri, ha de tenir alguna utilitat. Però, en moltes ocasions, es realitza investigació bàsica, sense finalitats pràctiques; el seu únic objectiu és el d’ampliar el coneixement sobre el nostre entorn.

Això no vol dir que, amb el desenvolupament tecnològic adequat, els resultats d’aquesta investigació no puguin ser útils a la societat. Per exemple, la inducció electromagnètica de Faraday és la que ha permès que avui els nostres habitatges disposin d’energia elèctrica.

T R E B A L L A A M B L E S I MATG ES

T1.

En un full a part, dibuixa, utilitzant el model de boles amb nivells d’abstracció diferents, un recipient que conté vapor d’aigua.

I.

Per representar les partícules del gas, s’utilitza el model de boles, que admet diferents nivells d’abstracció.

• Primer nivell d’abstracció En el model de la imatge I, cada boleta representa una partícula del gas, siguin atoms o molècules.

• Segon nivell d’abstracció En el model de la imatge II, cada boleta representa un àtom i s’aprecia l’estructura de cada partícula d’aire.

14

II.

Nitrogen Oxigen Diòxid de carboni Aigua Argó

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA «

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

8.

Argumenta la teva resposta.

9.

12.

Cerca informació sobre el canó orbital de Newton. Què pretenia explicar Newton amb aquest canó? Es tracta d’un experiment mental? Per què?

Explica amb les teves pròpies paraules que s’entén com a «control de variables».

Representa, en un dibuix, el model atòmic de Thomson, i en un altre el del Rutherford.

10.

En astronomia només podem observar i mesurar (no podem reproduir un sol al laboratori), però podem emetre hipòtesis per explicar el que observem. Resumeix en poques línies de quines observacions sorgeixen la «matèria fosca» i «l’energia fosca», dues hipòtesis actuals.

Quines semblances i quines diferències presenten?

Quin s’apropa més al model actual?

Com es va saber?

11.

En aquesta imatge, quin model s’utilitza?

5 àtoms de carboni

8 àtoms d’oxigen

4 molècules de CO2

+

1 àtom de carboni

La representa fidelment?

13. En

molts llibres trobaràs imatges similars a la següent per representar el sistema solar.

+

Es tracta d’un model?

Cada boleta, què representa?

A part d’amb els models, amb quins continguts dels apartats anteriors pot relacionar-se?

Per què?

Amb el que coneixes de cursos passats, quines crítiques li podries fer?

15

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA

2. MAGNITUDS FÍSIQUES I UNITATS

EXERCICI RESOLT

2. Sobre

un objecte s’exerceix una força de 40 N en sentit nord i una altra de 20 N en sentit est. Quina és la suma d’aquestes dues forces?

Magnituds escalars i vectorials • Una magnitud física és tota propietat de la matèria susceptible de ser quantificada de forma objectiva.

• La unitat d’una magnitud física és qualsevol quantitat arbitrària d’aquesta magnitud que s’adopta com a patró.

Es representen els dos vec­ ­tors i el vector suma, R :

Les magnituds escalars queden descrites mitjançant un valor numèric acompanyat de la unitat corresponent.

Les magnituds vectorials queden descrites mitjançant una direcció, un sentit i un mòdul. Aquestes magnituds es representen mitjançant segments orientats que reben el nom de vectors.

F1

40

R

F1 = 40 N F2 = 20 N

30 20 10 0

Operacions amb vectors

F2 10

20

30

40

Es calcula el mòdul del En les operacions amb magnituds vectorials, cal tenir en compte la vector suma, R: direcció i el sentit, com pots observar en l’exercici resolt 2.

2 2 2 2 2 22 2 2 2 2F =+ FF +8 2F + F R = F F22FR2 = 1R+ F 1 21 1 2 =2F12R8 += FR A més, no oblidis mai que, per sumar o restar magnituds, siguin 2 8 R = 1 + F2 aquestes escalars o vectorials, sempre han d’estar expressadesRen 2 2 2 R+ = (N 20) 2(N = 44 = la(40 40 =) 2N+2) 2(000 20 2,27000 N,27=N44, 7 N R =N) (40 +) (N 20 = NN 2) 000 =N44 N mateixa unitat; en cas de no ser així, el resultat que obtinguis no serà Cal indicar també que correcte. la força resultant apunta cap al nord-est.

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

14.

Decideix si cada una de les magnituds de la següent llista és escalar o vectorial, i explica les raons de la teva elecció: massa, temps, longitud, força, velocitat, acceleració, pressió, energia, treball i calor.

16. Siguin els vectors

qualsevol magnitud física («u» és la seva unitat): Y 4 3 2

A=4u B=3u B

1 0

15. Tria una de les magnituds vectorials de l’activitat

anterior i dibuixa el vector que la representa, aplicat en un punt material. Descriu els elements del vector, i explica en què consisteix un punt material.

16

A i B , que poden representar

A 1

2

3

4

X

Representa, en un full a part, A + B i 2 · A – 3 · B , i calcula el seu mòdul.

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA «

DIMENSIONS DE LES MAGNITUDS BÀSIQUES Magnitud

Dimensió

Massa

[m] = M

Longitud

[l ] = L

Temps

[t ] = T

Temperatura

[T ] = o

Intensitat de corrent

[l ] = l

Intensitat lluminosa

[lv ] = J

Quantitat de ­substància

[n] = N

Magnituds bàsiques i derivades.

Unitats del Sistema Internacional Magnitud bàsica és la que, per conveni, no depèn de cap altra. Per exemple: massa, longitud, temps…

Quan es comuniquen resultats a nivell internacional, les magnituds s’han d’expressar en unitats del Sistema Internacional d’Unitats (SI).

Magnitud derivada és la que s’expressa en funció de les magnituds bàsiques. Per exemple: superfície, volum, densitat…

Múltiples i submúltiples Quan el valor numèric d’una magnitud és molt gran, o molt petit, se solen utilitzar múltiples i submúltiples de les unitats del SI. Per a això es fan servir prefixos que indiquen el valor pel qual es multiplica o divideix la unitat.

Equació de dimensions Equació de dimensions de la densitat

[d ] =

M = M $ L–3 L3

A part de les unitats del SI i els seus múltiples i submúltiples, existeixen altres unitats per expressar les magnituds. Per exemple, per al temps es pot utilitzar el minut, el dia, etc. Per referir-nos a aquestes unitats en conjunt, es diu que la magnitud temps té dimensió de temps, i s’expressa com [t] = T, expressió en la qual la lletra «T» equival a ’unitat de temps’.

Les dimensions de les magnituds bàsiques són independents i les de les magnituds derivades s’expressen en funció de les dimen­sions de les bàsiques.

A més, tota equació física ha de ser dimensionalment homogènia, la qual cosa significa que l’equació de dimensions d’ambdós membres ha de ser la mateixa.

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

17.

Per a les magnituds escalars massa, longitud, temps i temperatura, proposa dues unitats que no pertanyin al Sistema Internacional, i que tampoc no siguin múltiples o submúltiples d’aquestes. En cada cas, relaciona-les amb les unitats del SI.

18. La massa d’un objecte és de 750 g. Expressa-la en quilograms i en mil·ligrams.

19. Verifica

l’homogeneïtat de l’equació de l’espai recorregut en un moviment uniformement accelerat:

Ds = v0 $ t +

1 $ a $ t2 2

17

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA

3. MESURA DE MAGNITUDS FÍSIQUES. ERRORS • Mesurar és una operació que consisteix a determinar la quantitat d’una magnitud en comparar-la amb la unitat.

• Els instruments de mesura es caracteritzen per les seves qualitats. Una d’aquestes és la sensibilitat, o variació mínima de la magnitud que un instrument pot apreciar, relacionada amb la subdivisió mínima de la seva escala.

• Tota mesura es veu afectada per errors. Si són fortuïts i impredictibles es denominen aleatoris, i si es deuen a l’equip de mesura o al seu ús incorrecte, sistemàtics.

Error absolut

Errors de zero i paral·laxi Error de zero Propi d’instruments no calibrats, que marquen un valor sense que s’estigui mesurant res. Se soluciona calibrant l’instrument.

Error de paral·laxi Es deu a una mala posició de l’observador que duu a terme la mesura. Se soluciona estant atent a la manera correcta de fer-ho.

Error absolut, ea, és la diferència, en valor absolut, entre el valor ob­ tingut en una mesura i el valor real de la magnitud que es mesura.

L’error absolut és una estimació, ja que mai no es coneix el valor real de la magnitud.

Error relatiu Error relatiu, er , és el quocient entre l’error absolut i el valor real de la magnitud que es mesura.

A menor error relatiu correspon una qualitat de la mesura més gran.

Error d’una mesura individual Essent conscients que tota mesura porta associada una incertesa, inherent al mateix procés de mesura, al valor obtingut se li associa un error absolut igual a la sensibilitat de l’instrument utilitzat.

En l’ús d’instruments amb escala graduada hi ha dos errors fàcilment evitables: l’error de zero i el de paral·laxi.

CO MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

20.

Indica la sensibilitat d’instruments de mesura habituals amb què s’han pogut fer les mesures següents: a) l = 71 cm

c) t = 2,35 s

e) m = 1 235 g

b) m = 24,5 g

d) l = 35,7 cm

f) t = 23,7 s

21. Expressa les mesures anteriors, indicant l’error absolut.

18

T R E B A L L A A M B L E S I M ATG ES

T2. Després

d’estudiar aquest apartat, expressa les mesures realitzades amb els instruments d’aquestes imatges:

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA « Minimització d’errors Per minimitzar els errors, es procedeix a fer diverses mesures de la magnitud; d’aquesta manera, els errors comesos per excés es poden compensar amb els comesos per defecte. Una vegada fetes, pren, com a valor de la mesura, la mitjana aritmètica de les mesures individuals.

Per estimar l’error associat a la mesura, en primer lloc, es calcula la dispersió estadísitica, que ve definida per la fórmula següent:

DX =

(X1 – X ) 2 + (X2 – X ) 2 + (X3 – X ) 2 + ... + (XN – X ) 2 N $ (N –1)

Arribats a aquest punt, l’error absolut de la mesura (eaX ) és el valor més gran d’entre la dispersió estadística i la sensibilitat de l’instrument amb què s’han fet les mesures individuals.

Finalment, la mesura s’expressa així:

X = X ± eaX El procediment aquí descrit és vàlid per a mesures directes; és a dir, aquelles que s’obtenen amb l’ús d’instruments de mesura.

Expressió correcta d’una mesura Mitjana aritmètica

X=

X1 + X2 + X3 + ... + XN N

Com a norma, quan expressis el resultat d’una mesura, recorda sempre el següent: L’error absolut només pot tenir una xifra diferent de zero, i el valor numèric de la mesura s’ha d’arrodonir a la posició de l’esmentada xifra.

CO MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

22. Arrodoneix a la centèsima: a) 3,124

8

b) 15,357

8

c) 9,5850

8

d) 0,2350

8

24.

Amb una balança digital de sensibilitat 1 cg es fan les següents mesures de la massa d’un objecte: m1 = 12,00 g ; m2 = 11,89 g ; m3 = 11,94 g ; m4 = 12,07 g Expressa el resultat de la mesura.

23. Indica

quines mesures estan mal expressades, i expressa-les correctament: a) t = 1,236 ± 0,15 g b) m= 15,4 ± 0,1 g

8

8

c) l = 3,98 ± 0,1 cm

8

19

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA

4. ANÀLISI DE DADES EXPERIMENTALS Representacions gràfiques En les abscisses es representa la variable independent (la que controlem), i en les ordenades, la que depèn d’aquella (la que estudiem).

Les representacions gràfiques són la manera gràfica d’expressar les lleis físiques.

De la gràfica s’estableix la relació entre les variables o magnituds físiques. En física, les relacions més habituals són les de proporcionalitat directa i inversa, i les quadràtiques.

Equacions físiques Les equacions físiques són la manera matemàtica d’expressar les lleis físiques.

Les representacions gràfiques i les equacions físiques formen part del llenguatge habitual de la ciència.

EXERCIC I RESO L T

3. Per estudiar la relació entre l’altura des de la qual

es deixa caure un cos i el temps que tarda a impactar amb el terra, es deixa caure des de cinc altures diferents i es prenen, en cada cas, tres mesures de temps. S’obtenen les dades de la taula següent. A partir d’aquestes dades, enuncia la llei física que relaciona les dues magnituds.

h0 /m

t/s

1,00 ± 0,01

0,45 ± 0,01

1,50 ± 0,01

0,57 ± 0,01

2,00 ± 0,01

0,65 ± 0,01

h0 /m

t1/s

t2/s

t3/s

2,50 ± 0,01

0,72 ± 0,01

1,00

0,43

0,46

0,45

3,00 ± 0,01

0,78 ± 0,01

1,50

0,58

0,55

0,57

2,00

0,67

0,64

0,65

2,50

0,72

0,71

0,73

3,00

0,78

0,79

0,76

Observa que la sensibilitat de l’instrument amb què s’ha mesurat l’altura és d’1 cm (ea = 0,01 m), i la del cronòmetre, d’1 cs (ea = 0,01 s), ja que aquests són els errors absoluts de les mesures.

En primer lloc, es calcula la mitjana aritmètica i la dispersió estadística dels temps mesurats des de cada altura. En aquest exemple concret, la sensibilitat del cronòmetre és més gran que la dispersió estadística en tots els casos.

20

Per tant, es pren aquella com a error absolut de les mesures.

La representació gràfica d’aquestes dades és aquesta: h0 /m 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

0,78; 3,00 0,72; 2,50 0,65; 2,00 0,57; 1,50 0,45; 1,00 0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

t/s

De la gràfica podem deduir que l’altura des de la qual es deixa caure l’objecte i el temps que tarda a caure tenen una relació quadràtica directa:

h0 = k $ t 2

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA «

T REBALLA AMB LES IM A T GES

T3. Representa gràficament, en un full a part, la velocitat d’un mòbil que durant cinc segons es mou amb velocitat constant.

Relacions entre magnituds De proporcionalitat directa M2

Quadràtica directa

De proporcionalitat inversa M2

M2

Lineal M2

k1 M1

M1

Una magnitud (M2) és directament proporcional a una altra, (M1), quan en multiplicar M1 per un nombre, M2 queda multiplicada per l’esmentat nombre. És a dir:

M1

M1

Una magnitud (M2) guarda relació quadràtica directa amb M1, si, en multiplicar M1 per un nombre, M2 queda multiplicada pel quadrat d’aquest:

Una magnitud (M2) és inversament proporcional a una altra (M1) quan, en multiplicar M1 per un nombre, M2 queda dividida per aquest:

M2 =

M2 = k $ M21

k M1

Es tracta d’una recta que no passa per l’origen de coordenades. La seva equació és aquesta: M2 = k1 + k2 · M1 Si k1 augmenta, la recta es desplaça cap a a dalt, i viceversa.

M2 = k $ M1

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

25. Es fan tres mesures de la deformació d’una molla

(ea = 0,1 cm) en penjar-hi pesos de diferent massa. A partir de les dades, extreu la llei física.

m/g

Dl1/cm

Dl2/cm

Dl3/cm

50

1,2

1,1

1,2

70

1,8

1,7

1,7

120

2,9

3,0

2,8

26.

Quina llei física es pot extreure de la següent representació gràfica? Expressa-la en llenguatge verbal i matemàtic. v/(km/h) 140 120 100 80 60 40 20 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

t/h

21

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA

» TALLER DE CIÈNCIES

EN GRUP S

Projecte d’investigació Un projecte d’investigació és un document en el qual es descriuen, minuciosament, tots els aspectes que, a priori, poden garantir l’èxit de la investigació.

Conclosa la investigació, cal presentar els resultats obtinguts i les conclusions que se’n poden extreure. Per a això, s’elabora la memòria final del projecte, o informe científic.

L’informe científic és un document que aplega el que s’ha especificat en el projecte d’investigació, més els resultats i les conclu­sions finals.

Consideracions generals Un projecte d’investigació és un document en el qual es descriuen, minu­ ciosament, tots els aspectes que, a priori, poden garantir l’èxit de la investigació.

• Portada Ha de contenir el títol del projecte, el nom dels investigadors, el centre a què pertanyen, el lloc i la data.

• Índex Índex paginat amb l’estructura del projecte.

• Plantejament del problema Es descriu el problema a investigar.

• Portada • Marc teòric • Índex És important enquadrar el problema en el coneixe• Plantejament del problema ment científic disponible, la qual cosa permetrà de• Marc teòric cidir quines lleis i teories científiques s’han d’utilit• Objectius zar.

• Hipòtesi • Objectius • Procediment S’han de plantejar amb claredat. Si són complexos, • Resultats es poden definir objectius secundaris. tge verEs mostren mitjançant llengua • Hipòtesi bal, matemàtic i gràfic.

Cal emetre possibles respostes al problema, o als in• Conclusions terrogants d’investigació. reixen Es verifica la hipòtesi? Es cob • Procediment els objectius?

S’ha de descriure el procediment a seguir per con• Limitacions trastar les hipòtesis, com també el material necessari. a de les Es defineix l’àmbit de valides • Finançament conclusions.

Si el projecte requereix finançament econòmic, cal • Línies futures descriure en què s’invertirà l’import sol·licitat. puguin Noves línies d’investigació que • Referències bibliogràfiques sorgir d’aquesta.

Cal proporcionar una llista, per ordre alfabètic, amb • Referències bibliogràfiques totes les fonts d’informació utilitzades.

Informe científic

Una referència bibliogràfica és el conjunt de dades que cal proporcionar perquè es pugui localitzar una font d’informació. Existeixen diferents estils de referències, però tots han de complir unes normes internacionals: les normes ISO (International Organization for Standardization).

22

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA «

Com dur a terme el projecte Aquest projecte s’ha de dur a terme al llarg del curs; segons vagis avançant en el coneixement dels conceptes químics que es desenvoluparan, podràs anar resolent les activitats proposades.

Projecte d’investigació Una Terra sense ferro El ferro és un element químic molt present en la nostra vida quoti­ diana. La seva abundància a l’escorça terrestre s’acosta al 5 % i el seu ús ha marcat la història de la humanitat. L’aprofitament d’aquest metall en àmbits tan diferents com la fabricació d’instruments i eines, armes i elements de construcció fa que aquest 5 % de l’escorça terrestre sigui determinant. A més, el ferro és un dels oligoelements que existeixen; forma part, per tant, del nostre organisme, i la seva funció en aquest és vital.

Al llarg de les etapes d’aquest projecte d’investigació aniràs descobrint la importància del ferro en àmbits molt diferents. En finalitzar-lo, podràs escriure un informe argumentant sobre la rellevància del ferro en el nostre planeta i en els éssers que hi habiten; o bé fer una presentació amb la informació més rellevant de cada etapa, o d’aquella que t’hagi cridat més l’atenció.

Recorda que has d’abordar cada qüestió utilitzant la metodologia científica per contrastar hipòtesis. En cas de recerca d’informació, recorda que has de citar sempre la font que utilitzis en la teva documentació (si és una pàgina d’Internet, hi has de fer constar la seva URL).

1. Busca informació sobre el comportament dels mate-

rials paramagnètics, diamagnètics i ferromagnètics, i sobre la temperatura de Curie. A partir d’aquesta, argumenta sobre la qüestió que es proposa a continuació: «El camp magnètic terrestre, està causat exclusivament per la presència de ferro en el nucli del nostre planeta?».

4. El ferro és el responsable del color de la nostra sang, gràcies a la seva presència en el grup hemo. Per transportar l’oxigen, n’hi ha prou amb el grup hemo o és necessària, a més, la presència d’una proteïna?

5. Existeix un tipus de combustible que es denomina 2. Identifica el tipus de substància que és el ferro i les

seves propietats mecàniques. Com variarien aquestes propietats amb l’addició de carboni al ferro en l’acer?

3. Un dels problemes que presenten més freqüentment els objectes de ferro (Fe) és la seva corrosió mitjançant la formació de rovell (Fe2O3). Aquesta corrosió s’accen­ tua en les zones costaneres o en zones on és més freqüent la pluja àcida. Per què?

«gasolina sense plom»; La gasolina que s’obté del petroli, conté plom inicialment? Per què creus que és un fet destacable que la gasolina no contingui plom?

6. Una de les substàncies que han substituït els com-

postos de plom en les gasolines han estat els ferrocens; per què s’afegeixen els ferrocens a les gasolines? Com afecten, els ferrocens, l’índex d’octà?

23

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA

» TALLER DE CIÈNCIES CIÈNCIA RECREATIVA Experiments mentals

EN GRUP S

Per contrastar les hipòtesis amb la realitat, es dissenyen experiments en condicions controlades que permeten estudiar la dependència ­entre magnituds físiques. Si no és possible, es pot recórrer als ano­ menats experiments mentals, com el de Galileo Galilei, que en el ­segle XVII, mitjançant un diàleg entre Salviati i Simplicius, intenta demostrar que Aristòtil no tenia raó quan afirmava que els cossos pesants cauen abans que els lleugers.

SALVIATI: Aristòtil diu: «Mentre una bola de ferro de 100 lliures de pes arriba a terra caient des d’una altura de 100 braces, una altra bola d’una lliura amb prou feines ha recorregut una braça».

Jo dic que ambdues arriben alhora; Faci vostè mateix l’experiència i constatarà que, tant si cauen d’una altura de 50 braces com de 100 braces, ambdues toquen el terra alhora...

Però, fins i tot sense fer l’experiència, pot provar-se clarament, mitjancant una demostració senzilla i concloent, que no és cert que un mòbil més pesant caigui més de pressa que un altre de menys pesant, suposant que tots dos siguin del mateix material, que és el cas a què es refereix Aristòtil...

Si tinguéssim dos mòbils les velocitats naturals dels quals fossin desiguals i els uníssim, és evident que, en cert sentit, el més ràpid seria frenat pel més lent i aquest seria accelerat pel més ràpid. No sou d’aquesta opinió?

SIMPLICIUS: Crec efectivament que les coses serien així.

SALVIATI: Però, si això és veritat, i si és a més veritat que una pedra grossa cau a una velocitat de, diguem-ne 8 unitats i que una pedra petita ho fa a una velocitat de 4 unitats, llavors si les unim totes dues, lligant-les, perquè caiguin juntes, s’hauran de moure a una velocitat inferior a 8 unitats.

Però, d’altra banda, les dues pedres juntes serà el mateix que una de més grossa que la primera i, per tant, haurien de caure a una velocitat més gran que 8 unitats.

SIMPLICIUS: Ben confós em trobo.

Problema

vpetita = 4 u ¿vambdues < 8 u? vgrossa = 8 u

¿vambdues > 8 u?

Solució

vgrossa = vambdues = vpetita Representació de l’experiment mental de Galileu.

EXPERIMENT MENTAL Hipòtesi

Desenvolupament de l’experiment

Conclusions

Proposta de treball 1. Organitzeu la classe en petits grups de tres o quatre components. Cada grup ha de preparar

un pòster sobre un experiment mental, assenyalant la hipòtesi que es defensa i les conclusions a les quals s’arriba. Una vegada tingueu els pòsters fets, poden exposar-se a classe.

24

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA «

TREBALL PRÀCTIC EN GRUP S Es pot parlar de Orientacions «la densitat» de la plastilina? la • S’ha d’evitar l’error de zero de balança. or • S’ha de tenir en compte l’err la reg la en de paral·laxi, tant com a la proveta. han • Per a totes les magnituds, b de fer-se tres mesures (am res exp i ) l’error corresponent sar correctament el resultat fi-

nal de la mesura. ar • Les mesures s’han d’organitz a. sot en taules, com la de

m ± ea/g –= m

m= Dm =

V ± ea/mL – V=

DV =

V=

Plantejament Existeixen plastilines de diferents marques i colors. Tenen totes la mateixa densitat? Busca informació sobre el procés de fabricació industrial de la plastilina, i emet la teva hipòtesi.

La vostra proposta Abans de llegir la nostra proposta, elabora la vostra i, si és possible, comproveu si amb aquesta proposta podeu respondre al repte que es planteja.

La nostra proposta

Per calcular la densitat d’un objecte cal dividir la seva massa entre el seu volum. En petits grups, mesureu la densitat de la plastili­na fent servir dos procediments: • Es divideix la massa que indica el fabricant entre el volum, calculat a partir de l’amplada, l’alçada i el gruix de la barra de plastilina.

• Pren un fragment de plastilina i divideix la seva massa entre el seu volum.

Procediment • Amb aquestes orientacions, mesureu la densitat de la plastilina i responeu al problema de partida.

Material

• Barres de plastilina de diferents fabricants i colors (una per grup) • Regla • Balança • Proveta

EXT RAIEU CO NCLU SIO NS…

1.

Elaboreu un breu informe sobre el treball pràctic, que contingui els apartats descrits en la unitat.

2. S’ha confirmat la vostra hipòtesi? Per què?

3. Coincideixen les densitats obtingudes pels dos procediments? En cas negatiu, a què pot ser degut?

4.

Les magnituds que intervenen en la pràctica, són bàsiques o derivades? Les seves mesures, han estat directes o indirectes?

5. Podríeu afirmar que heu participat en un experiment científic? Per què?

25

» L'ACTIVITAT CIENTÍFICA

» POSA’T A PROVA

4. La llei de conservació de l’energia estableix que

en un sistema aïllat l’energia es conserva. Per què es parla de «llei» i no de «teoria»?

Investigació científica

1.

En el següent text, identifica les etapes del mètode científic.

A l’antiga Grècia, el rei Hieró va encarregar una corona d’or i li va quedar el dubte de si l’orfebre havia substituït part de l’or per plata, o coure. Va demanar a Arquimedes que ho comprovés.

Arquimedes no sabia què fer. Si hagués substituït or per altres metalls més lleugers, la corona hauria ocupat més espai, però no sabia com mesurar el seu volum.

Un dia es va submergir en una banyera i va observar que l’aigua vessava, i en aquell moment va pensar que el volum d’un cos coincideix amb el de l’aigua que desplaça. Va sortir corrents, nu, cridant «Eureka!».

Va introduir la corona en un recipient amb aigua i va mesurar el volum d’aigua que desplaçava. Va fer el mateix amb un tros d’or pur del mateix pes i... el rei va ordenar executar l’orfebre.

5.

Busca informació sobre el teu horòscop i raona si es tracta de coneixement científic.

6. Què significa «experimentar»? Sempre que s’uti­

litza un instrument de mesura s’està experimentant?

7.

Busca informació sobre l’esgotament de recursos i analitza’l des d’una perspectiva CTS; és a dir, indica com intervenen la ciència, la tecnologia i la societat en aquesta problemàtica mundial.

2. Repassa l’apartat sobre el mètode científic i des­

criu alguna situació quotidiana en la qual pensis que l’utilitzes.

Magnituds físiques

8. Descriu aquests vectors.

3. Explica què és, en el camp científic, una hipòtesi,

una llei i una teoria. N’hi ha alguna que pugui convertir-se en les altres?

26

v

v

L'ACTIVITAT CIENTÍFICA «

9.

Dues persones empenyen un objecte amb forces del mateix mòdul, F = 90 N. Representa la 8 força resultant, F R , i calcula el seu mòdul, si les forces s’exerceixen en direccions perpendiculars.

14. Expressa bé les mesures mal expressades: 8 b) V = 123 ± 2,5 mL 8 c) l = 3,46 ± 0,1 cm 8 a) t = 3,45 ± 0,01 s

15. Es fan tres mesures de la massa d’un ob­jecte (e

a

= 0,1 g): m1 = 45,8 g, m2 = 45,6 g; m3 = 46,1 g. Quin és el resultat final de la mesura?

Anàlisi de dades experimentals

10. Indica

a quines magnituds corresponen els següents valors i expressa’ls en el SI amb notació científica: a) 18 Gm 8

16.

Es fan, per a tres voltatges, tres mesures de la intensitat de corrent que circula per un llum incandescent. Extreu la llei física que relaciona aquestes mag­ nituds, i expressa-la verbalment, matemà­ticament i gràficament.

b) 11,6 µs 8 c) 54 cg 8

V/V

l1/A

l2/A

l3/A

d) 9,56 MN 8

1,5

0,17

0,19

0,18

11. Comprova

3

0,38

0,36

0,39

4,5

0,55

0,56

0,57

que la gravetat té les mateixes dimensions expressada en m/s2 i en N/kg.

12. L’equació dels gasos ideals és aquesta: p·V=n·R·T En aquesta equació, p és la pressió; V és el volum; n la quantitat de substància, i T la temperatura. Determina l’equació de dimensions de la constant dels gasos, R.

17. Amb gràfica? s

v

s

v t

Mesura de magnituds físiques

a

13. Amb una balança antiga es mesura la massa

a

d’un pes que marca 50 g, i s’obté el valor següent: m = 53,3 g. Quin error relatiu s’ha comès?

quin tipus de moviment associes cada

t v

t

t v

t

t

t

t

27

UNITAT

1

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

Una història per conèixer la complexitat de l’àtom Abans de començar la unitat, tingues en compte que el diàmetre d’un àtom, aproximadament de 0,1 nanòmetres (10–10 m), és deu mil vegades més petit que el d’un Staphylococcus aureus (un tipus de bacteri que produeix diferents infeccions cutànies). Tan cert és això que el fet de conèixer l’estructura atòmica ha estat un vertader repte per a la comunitat científica durant els segles xix i xx. A inicis del segle xix, John Dalton afirmava, en una de les seves hipòtesis atòmiques, el següent: «la matèria està formada per àtoms indivisibles». Després, J. J. Thomson va descobrir l’electró el 1897; E. Rutherford, el protó el 1919; J. Chadwick, el neutró el 1932; i, el 1964, M. Gell-Mann i G. Zweig descobreixen els quarks! Aquestes partícules, encara més petites que les anteriors, combinades entre elles, formen partícules subatòmiques com els protons i els neutrons.

Aquest breu passatge històric ens evidencia el següent: (1) el coneixement està en contínua evolució; (2) tot descobriment va començar amb una pregunta; i (3) per preguntar, cal tenir curiositat. Arran d’aquesta història, cal que ens preguntem: de què estan fets els electrons, si és que estan compostos per alguna partícula? Vet aquí una pregunta sense resposta, de moment.

28

Central nuclear

COMPROMÍS ODS El 1953, el president d’EUA. Eisenhower, va presentar a les Nacions Unides el programa Atoms for Peace per impulsar diferents projectes nuclears pacífics i generar desenvolupament agrícola, industrial, mèdic, de transport i energètic. El maig de 2018 i amb propòsits similars va tenir lloc a Espanya el simposi interna­ cional Atoms for Peace and Europe: Nuclear Energy Networks in Europe and around the Globe.

1.

Busca informació a Internet sobre les diferents aplicacions de l’energia nuclear.

2. D e quina manera podria contribuir l’energia nuclear a la consecució de les metes 2.1, 3.4, 9.1 i 16.4 dels ODS? Pots consultar els vídeos en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què necessites saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

29

UNITAT 1 » L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

1. ELS PRIMERS MODELS ATÒMICS

Recorda que…

Model atòmic de Thomson La primera prova que els àtoms eren més complexos que el que havia proposat Dalton la va obtenir J. J. Thomson, que el 1897 va descobrir l’electró, i va concloure que els electrons eren part de l’àtom.

Anys abans, W. Crookes va experimentar amb tubs de descàrrega.

En aplicar un gran voltatge entre els elèctrodes, apareixia una luminescència en el costat de l’ànode: els raigs catòdics. Els experiments de Crookes van portar aquest químic a les conclusions següents: • Els raigs catòdics anaven del càtode cap a l’ànode.

• Els raigs catòdics estan formats per partícules.

Thomson va modificar aquests tubs i va portar a terme una sèrie d’experiments a partir dels quals va deduir que els raigs catòdics tenen càrrega negativa. Amb tot això, Thomson va proposar el 1904 el seu model per a l’àtom.

Segons el model de Thomson, un àtom és una esfera de càrrega positiva en què es troben incrustats els electrons, que poden sortir o entrar de l’àtom, donant lloc a un ió.

El 1910, R. A. Millikan va aconseguir mesurar la càrrega de l’electró, obtenint un valor de –1,6 · 10–19 C. Zona carregada positivament

Els electrons es distribueixen uniformement

Electrons

• La matèria està formada per àtoms.

• Els àtoms d’un mateix element químic són idèntics.

• Els compostos químics estan formats per àtoms de diferents elements químics.

• Durant una reacció química es produeix una ­reordenació d’àtoms.

• Per descriure l’àtom, al llarg de la història recent de la ciència s’han fet servir diversos models.

El més utilitzat és el model planetari.

• Un element químic està determinat pel nombre de protons que conté: el seu nombre atòmic, Z. • La suma de protons i neutrons rep el nom de nombre màssic, A. • Es denominen isòtops els àtoms del mateix element químic que tenen diferent massa.

• Un catió és un ió amb càrrega positiva.

• Un anió és un ió amb càrrega negativa.

CO MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

1. En cursos anteriors es van estudiar els encerts i els

inconvenients actuals de la teoria atòmica de Dalton.

Prepara un informe sobre els uns i els altres.

2. Associa els resultats de Crookes i Thomson amb les característiques de l’electró.

4. Quin dels següents fenòmens es pot explicar a partir del model atòmic de Thomson? a) La formació d’ions. b) L’existència d’isòtops. c) Les reaccions nuclears.

5. Explica

quina és la part especulativa del model atòmic de Thomson.

3. Segons el model atòmic de Thomson, quin és el menor valor de càrrega elèctrica que es pot aïllar?

30

6.

Busca informació sobre l’experiment de Millikan i prepara, en un full a part, un treball senzill explicant-lo.

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC « UNITAT 1 Model atòmic de Rutherford

Experiment de Rutherford

3 El 1911, E. Rutherford i els seus col·laboradors Geiger i Marsden van 3

bombardejar amb partícules alfa (la càrrega de les quals és positiva) una fina làmina d’or i van analitzar els resultats obtinguts.

Amb aquestes conclusions, van proposar un nou model per a 2 l’àtom: el model nuclear.

2

1

3

El model de Rutherford descriu l’àtom com un gran espai fonamentalment buit, en el centre del qual es troba el nucli, amb càr1 rega positiva i gairebé la totalitat de la massa, i al voltant del qual orbiten els electrons, que tenen càrrega negativa.

3

2

1 Anàlisi dels impactes de les partícules a a la pantalla

1

3

La majoria no es desvien

Hi ha un gran 2 espai buit

– – –

12

1

–

La descripció de l’escorça de l’àtom amb els electrons orbitant al voltant del nucli no es3dedueix dels experiments; és la part especula2 tiva 2 del model.

El 1919, Rutherford va descobrir que podia convertir un element en un altre bombardejant-lo amb partícules alfa de més energia.

1 3 Com a resultat d’aquest bombardeig, a més del nou element, s’obtenia una partícula de càrrega +1 de característiques similars al nucli d’hidrogen; l’esmentada partícula era un protó. S’havia aconseguit transmutar un element en l’altre, alterant el nombre de protons en el nucli.

3 2 CO M P R È N , P E N S A , I N VE S T I G A …

Algunes es desvien

2

1

7.

Segons Rutherford, el nucli de l’àtom és un espai molt petit, on es concentren tots els protons amb càrrega positiva. En comparar la massa dels protons amb la del nucli, es va postular que havia d’existir una altra partícula (el neutró), que va ser descobert per Chadwick el 1932. Treballa en grup i 3 respon a la pregunta següent: Per què creus que els protons en el nucli no es – 2 repel·leixen entre ells? –

Passen a prop3 del nucli

1 Unes quantes reboten

–

–

El nucli les repel·leix

–

8. Indica què representa aquesta figura en relació amb el model atòmic de

–

Model de Rutherford

–

Rutherford: –

–

– – + –

–

– – –

–

31

UNITAT 1 » L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

2. ELS ESPECTRES ATÒMICS I EL MODEL DE BOHR Inconsistències del model de Rutherford • Segons l’electromagnetisme clàssic, l’electró no podria estar girant en qualsevol òrbita, ja que, en ser una partícula carregada, emetria energia en el seu gir i s’aniria acostant al nucli fins a col·lidir amb aquest.

• Aquest model no podria explicar tampoc un fenomen que ocorria quan, amb un prisma de vidre, es descomponia la llum emesa per substàncies incandescents: els espectres atòmics.

El model atòmic de Bohr El 1913, Niels Bohr, col·laborador de Rutherford, va millorar el model d’aquest introduint el concepte de quantització de l’energia.

Segons Rutherford, l’òrbita de l’electró es podia trobar a qualsevol distància del nucli, sent més gran l’energia com més allunyat es trobés. Però Bohr va introduir dues hipòtesis a aquest model: • L’electró gira al voltant del nucli en certes òrbites, amb un radi determinat; en aquestes òrbites no guanya ni perd energia: són òrbites estacionàries.

• Un electró pot passar d’una òrbita de menys energia a una altra de més energia absorbint una determinada quantitat d’energia; i si el procés és el contrari, emetent aquesta mateixa quantitat d’energia.

Amb la primera hipòtesi se soluciona la incompatibilitat amb l’electromagnetisme, i amb la segona, s’expliquen els espectres atòmics.

Espectres atòmics i model de Bohr: relació En el model atòmic de Bohr s’aplica la idea que l’energia dels electrons de l’àtom és discreta; és a dir, no és contínua.

La quantització de les energies dels electrons en l’escorça dels àtoms és una propietat fonamental d’aquests.

Bohr va aconseguir determinar quantitativament els nivells d’energia dels electrons d’un àtom determinat en funció del seu nombre atòmic i d’un paràmetre, n, el valor del qual és sempre un nombre natural (1, 2, 3, etc.), que indica el nombre de cada òrbita. D’aquesta forma, podem relacionar directament l’energia d’un nivell amb el valor corresponent de n.

Si un electró no es troba en el nivell de menor energia possible, l’àtom està en estat excitat; si tots els electrons ocupen els nivells de menor energia possible, l’àtom està en el seu estat fonamental.

32

Tipus d’espectres • Espectre continu: quan la llum blanca que emet un llum incandescent passa a través d’un ­primsa de vidre, es descompon en colors. A cada franja de color li correspon un interval diferent d’energia i la separació entre colors no és nítida; és a dir, és un espectre continu.

• Espectre discontinu: quan la llum emesa per una substància prou calenta passa per un prisma, veiem que només existeixen algunes línies; es a dir, és un espectre discontinu.

Espectes atòmics: exemples Espectre continu (llum blanca)

L’espectre de la llum blanca és continu. Per aquesta raó, com pots observar, no hi ha una separació entre els diferents colors que s’aprecien en la imatge.

Espectre discontinu de l’hidrogen 656,3

700

436,1

600

500

434 410,1

400

L’espectre de l’hidrogen no és continu. Observa que apareixen quatre línies, cada una de les quals correspon a un valor determinat d’energia: l’energia està quantitzada.

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC « UNITAT 1

T REBALLA AMB LA IM A T GE

T1.

Per què creus que els esglaons d’aquesta escala s’han representat amb una altura diferent?

Quants salts entre esglaons hi hauria en l’escala del dibuix?

Explicació de l’espectre de l’hidrogen n=3 n=2 n=1

Salt Salt Salt Salt

+ – – E6 E5

Energia

E4

n=6 n=5

Les quatre línies de l’espectre de l’hidrogen són relatives a salts d’electrons des de nivells d’energia que corresponen a estats excitats fins al nivell n = 2: de n = de n = de n = de n =

6an=2 5an=2 4an=2 3an=2

8 8 8 8

E6 E5 E4 E3

Els salts electrònics des de nivells superiors fins al nivell n = 1 corresponen a la zona de l’ultraviolat, no visible per l’ull humà.

Una analogia de les energies de l’electró

E3 n=4

Podem imaginar que l’energia d’un electró és anàloga a l’energia potencial d’un objecte en una escala.

n=3 –

No són possibles tots els valors, sinó tan sols els que corresponen a l’altura de cada esglaó.

n=2

n=1

Quan un electró puja, és perquè ha absorbit la diferència d’energia, i quan baixa, l’emet en forma de radiació. Aquestes diferències d’energia són les que es detecten en els espectres atòmics.

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

9. Explica què significa que una òrbita sigui estacionària.

10. Relaciona cada model atòmic amb la prova experimental que va fer que es dugués a terme.

11. Explica per què els espectres atòmics són de línies; és a dir, per què no són continus.

12. Hi podria haver més línies en l’espectre d’hidrogen amb valors d’energia diferents? En cas afirmatiu, a quin salt d’energia correspondrien?

13. Indica si aquesta afirmació és vertadera o falsa i explica per què: «Per fer que un electró passi del nivell n = 2 a l’n = 3, és necessari que absorbeixi energia».

33

UNITAT 1 » L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

3. MODEL QUÀNTIC DE L’ÀTOM Orbitals atòmics En el model quàntic de l’àtom, en lloc de parlar d’òrbites, parlem d’orbitals.

Un orbital atòmic és una regió de l’espai on la probabilitat de trobar un electró és molt elevada. A cada orbital es poden ubicar un màxim de dos electrons.

Els orbitals atòmics es designen amb lletres. Els més simples: s, p, d i f. Cada capa d’electrons, és a dir, cada nivell d’energia, pot acollir un nombre diferent d’electrons. Per tant, a cada nivell li corresponen diferents orbitals.

Configuració electrònica El nombre d’electrons que hi ha en l’últim nivell energètic determina quines seran les seves propietats químiques. Per a això necessitem conèixer la configuració electrònica.

La configuració electrònica d’un àtom és la forma en què es distribueixen els electrons a la seva escorça.

Abans d’escriure la configuració electrònica necessitem conèixer les regles d’ompliment dels orbitals atòmics.

Regles d’ompliment d’orbitals atòmics • Els orbitals atòmics s’omplen de menor a més energia.

• En completar els orbitals del mateix valor d’energia, començarà l’ompliment dels següents.

• Els electrons ocupen el major nombre possible d’orbitals de la mateixa energia. Aquest fet es coneix com a màxima multiplicitat.

Escriptura de les configuracions electròniques • Col·loquem el símbol de l’element químic entre claudàtors per indicar que ens referim a la seva configuració electrònica.

• Denominarem els orbitals dels diferents nivells com s’indica al marge.

• Utilitzarem un superíndex per indicar el nombre d’electrons totals que hi ha en cada tipus d’orbital.

Electrons de valència Les propietats d’un element venen donades per la seva configuració electrònica; en concret, pels electrons de valència.

Els electrons de l’últim orbital ocupat es denominen electrons de valència.

34

Distribució energètica 6p 5d 4f 6s 5p 4d 5s 4p 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s

Les fletxes representen els dos electrons de cada orbital; per diferenciar-los, una apunta cap a dalt i una altra cap a baix.

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC « UNITAT 1

Diagrama de Moeller

Diagrama de Moeller Per recordar l’ordre d’energies dels orbitals atòmics, se sol utilitzar el diagrama de Moeller, en què es mostra la seqüència dels orbitals distribuïts per ordre d’energia creixent seguint les fletxes de les diagonals. Si seguim l’ordre que el diagrama ens indica, veiem, per exemple, que des de l’orbital 4 s els següents a omplir-se són el 3 d, el 4 p i el 5 s, continuant pel 4 d, el 5 p, el 6 s i el 4 f.

1s2 2s2

2p6

3s2

3p6

3 d10

4s2

4p6

4 d10

4 f 14

1. A partir del nombre atòmic del germani (Z = 32):

5s2

5p6

5 d10

5 f 14

6s2

6p6

6 d10

a) Escriu la configuració electrònica de l’àtom neutre de germani. b) Indica quins són els electrons de valència. c) Escriu la configuració electrònica del catió Ge2+.

7s2

7p6

EXER C I C I R E S O L T

a) Si es tracta de germani neutre tindrà 32 electrons. Escrivim el diagrama de Moeller complet i seguim les fletxes fins a completar els 32 electrons. Així, obtenim: [Ge] = 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p2 b) L’últim nivell amb electrons; en aquest cas, és el quart. Els electrons de valència són dos electrons en 4 s i dos en 4 p. c) La configuració electrònica del Ge2+ és: [Ge2+] = 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

14.

Explica la diferència entre òrbita i orbital.

15. Indica

quants electrons té un àtom si la seva configuració electrònica és aquesta: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2

16.

Indica quants orbitals queden ocupats en l’últim nivell d’energia d’un àtom la configuració electrònica del qual és aquesta: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p3.

Quina regla has utilitzat?

17. Explica per què és possible tenir només dos elec­ trons en un orbital 2 s i sis en els orbitals 2 p.

18. Escriu la configuració electrònica dels àtoms neu­ tres dels elements següents: a) liti (Z = 3) b) sodi (Z = 11) c) potassi (Z = 19)

19. Escriu la configuració electrònica del catió Li . +

20.

Explica per què en el nivell n = 4 hi pot haver fins a 32 electrons.

35

UNITAT 1 » L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

4. EL SISTEMA PERIÒDIC DELS ELEMENTS QUÍMICS Propietats periòdiques i grups d’elements En el sistema periòdic podem distingir els elements següents: • Metalls. És el grup més nombrós. Tenen tendència a perdre electrons, formant així cations.

• No metalls. Són elements que tenen tendència a formar anions.

No són bons conductors de la calor i l’electricitat.

• Semimetalls o metal·loides. Aquesta denominació significa «semblança a un metall». Comparteixen propietats amb els metalls i els no-metalls.

• Gasos nobles. Es tracta del grup 18 de la taula periòdica. Tots són gasosos i difícilment formen compostos.

Propietats periòdiques En col·locar els elements químics per ordre creixent dels seus nombres atòmics, s’observa una variació periòdica en algunes propietats.

Són les propietats periòdiques. En aquesta unitat n’estudiarem dues: L’afinitat electrònica (AE), que és l’energia que allibera un àtom en estat gasós en adquirir un electró i formar un anió. Com més gran és l’afinitat electrònica, més gran és la tendència de l’element a formar anions.

L’energia d’ionització (EI), que és l’energia que ha d’absorbir un àtom en estat gasós per perdre un electró i formar un catió. Com més petita és l’energia d’ionització, més tendeix l’element a formar cations.

Sistema periòdic i configuració electrònica

El sistema periòdic de Mendeleiev L’ordenació dels elements químics es basa en el patró de variació de les propietats químiques i físiques, pe­ riodicitat observada per Mendeleiev i Meyer el 1869.

Aquests químics van situar els elements coneguts fins aleshores en funció de la seva massa atòmica i van observar patrons de repetició en les seves propietats.

El sistema periòdic actual Va ser proposat per H. Moseley el 1913. Els elements químics estan ordenats per nombre atòmic creixent i es distribueixen d’aquesta manera: • 7 períodes o files. Els àtoms d’elements d’un mateix període tenen el mateix nombre de capes o nivells principals d’energia.

• 18 grups o famílies. Els elements d’un grup tenen la mateixa configuració electrònica dels seus electrons de valència.

A partir de la configuració electrònica d’un element, podem situar aquest element en el sistema periòdic. El nivell principal d’energia dels electrons de valència coincideix amb el període a què pertany l’element. A partir de la ubicació d’un element en la taula periòdica, podem escriure la seva configuració electrònica escurçada i predir el seu comportament químic.

La configuració electrònica escurçada inclou la del gas noble anterior i en aquesta hi queden destacats els electrons de valència.

Per exemple, la del calci és la següent: [Ca] = 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 = [Ar] 4 s2

36

En l’espai personal del web www.barcanova.cat trobaràs una taula periòdica interactiva.

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC « UNITAT 1

T REBALLA AMB LA IM A T GE

T2. Amb

l’ajuda de la taula pe­ riòdica ubica els elements Fe, Ni, Au i Hg, escriu la seva confi­guració electrònica i rela­ ciona la configuració electrònica dels seus electrons de valència amb el que podem veure en la imatge.

Relació entre la configuració electrònica d’un element i la seva posició en la taula periòdica ns2 1s

ns1 1 1s np1

ns1 ns2

np6

2

2s

3

3s

4

4s

3d

4p

5

5s

4d

5p

6

6s

5d

6p

7

7s

6d

(n – 1) d1

(n – 1) d10

6

4f

7

5f (n – 2) f 1

2p 3p

(n – 2) f 14

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

21. Indica el nombre d’elements que té cada període del sistema periòdic.

22. Classifica

els següents elements en metalls, no-metalls, semimetalls o gasos nobles: potassi, ferro, crom, silici, clor i argó.

25. Per

què un element amb una elevada energia d’ionització no tendeix a formar cations?

26. Escriu la configuració electrònica escurçada i indica els electrons de valència dels elements següents: a) fòsfor (Z = 15) b) estany (Z = 50) c) iode (Z = 53) d) franci (Z = 87)

23.

Busca informació sobre la biografia de Henry Moseley i reflexiona sobre la implicació de la participació de científics en conflictes bèl·lics.

Reflexiona sobre la relació d’aquest fet amb la meta 16.4 dels ODS.

27. Dels

elements de les activitats anteriors, indica quins tendiran a formar cations i quins anions.

28. L’element

amb una configuració electrònica acabada en 4 s2 3 d 6, és metall, no-metall o gas noble?

29. Escriu el nom i el símbol dels elements que tenen 24. Ordena aquests elements per afinitat electrònica creixent: Ca, Se, Ga, Br i Cu.

aquests electrons de valència: a) 3s2 3p2 b) 4s2 4p5

37

UNITAT 1 » L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

5. MASSES ATÒMIQUES

EXERCICI RESOLT

2. L’urani

El descobriment del neutró

tres isòtops ( U, U i 238 U ) les abundàncies relatives dels quals són 0,0057 %, 0,72 % i 99,27 %, respectivament.

Calcula la massa atòmica mitjana de l’urani, expressada en u.

234

Des de la publicació del model atòmic de Rutherford se sabia que el nombre atòmic d’un àtom, Z, era, aproximadament, la meitat del seu nombre màssic, A. El 1932, Chadwick va descobrir una nova partícula: el neutró.

En el nucli de l’àtom hi ha una partícula de massa similar a la del protó i elèctricament neutra, denominada neutró.

Massa atòmica mitjana

té

235

1 Partirem de la idea que el nombre màssic és la massa en unitats de massa atòmica de cada àtom.

La massa teòrica d’un àtom és la suma de les masses dels seus promU – 234 = 234 u ; mU – 235 = 235 u ; m tons i els seus neutrons (no tenim en compte la massa dels electrons mU – 234 = 234 u ; mU – 235 = 235 u ; mU – 238 = 238 u perquè resulta menyspreable comparada amb la dels protons i la dels mU – 234 = 234 u ; mU – 235 = 235 u ; mU – 238 = 238 u neutrons).

No tots els àtoms del mateix element químic tenen la mateixa 2 La contribució de cada isòtop a la massa atòmica massa, ja que cada element té diversos isòtops. Per tant, la massa mitjana és aquesta: atòmica d’un element químic s’ha de calcular a partir de la massa dels 234 seus isòtops d’acord amb l’abundància relativa de cada un d’aquests.

U: 234 u $ 0, 0057 = 0, 013 u 100

CO MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

30. El bor té dos isòtops estables: B-10 i B-11. Utilitzant la definició de massa

teòrica de l’àtom, i sabent que les abundàncies relatives d’aquests isòtops són 19,78 % i 80,22 % respectivament, calcula la massa atòmica mitjana del bor.

31.

Determina quina és l’abundància relativa dels isòtops del clor sabent que són dos, les masses atòmiques reals dels quals són 34,97 u i 36,97 u, i que la massa atòmica mitjana del clor és de 35,45 u.

235

U: 235 u $ 0, 72 = 1, 69 u 100

238

U: 238 u $ 99, 27 = 236, 3 u 100

Observem que l’isòtop menys abundant és el que té una aportació menor a la massa atòmica, com era d’esperar.

3 Finalment, sumem les contribucions de cada isòtop per obtenir la massa atòmica mitjana:

mU = 0, 013 u + 1, 69 u + 236, 3 u = 238 u mU = 0, 013 u + 1, 69 u + 236, 3 u = 238 u

32. Explica per què els valors de les masses isotòpiques de l’activitat anterior no són valors enters de la unitat de massa atòmica.

38

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC « UNITAT 1

El magnesi, la massa atòmica mitjana del qual és de 24,3 u, té tres isòtops naturals, amb una massa atòmica de 24 u, 25 u i 26 u respectivament. El més abundant dels tres és el Mg-24, l’abundància relativa del qual és del 78,99 %. Quina és l’abundància relativa dels altres dos isòtops del magnesi?

Passos 1

Entén l’enunciat i extreu dades

Es tracta d’un problema relacionat amb el càlcul de la massa atòmica mitjana. Tanmateix, no ens demanen la massa mitjana, sinó l’abundància de dos isòtops del magnesi.

• Hem de recordar que la suma de les abundàncies relatives dels isòtops és del 100 %.

2

Identifica les lleis físiques que intervenen

En aquest cas, es tracta més d’una relació matemàtica que química.

Convé, per tant, plantejar les equacions que relacionen les dades de l’enunciat, i comprovar que hi ha homogeneïtat en les dimensions de l’equació.

4

• Hem de saber que la massa atòmica mitjana d’un element s’obté a partir de les masses dels seus isòtops i de la seva abundància relativa.

• Les dades proporcionades per l’enunciat són aquestes: – Mg-24: m = 24 u; abundància, 78,99 % – Mg-25: m = 25 u; abundància, x?

– Mg-26: m = 26 u; abundància, y?

Fes un dibuix de la situació

En aquest cas, no es tracta d’un problema purament de química, sinó d’una aplicació del càlcul de mitjanes ponderades al càlcul de l’abundància relativa de dos isòtops. Per comprendre millor l’activitat, podem fer el següent: Representar, en un esquema, l’abundància relativa de cada isòtop.

Representar, alternativament, la contribució de cada isòtop a la massa atòmica relativa.

3

Resolució

Obtén el resultat i analitza la seva validesa

Decidides les equacions que relacionen les incògnites, resolem el sistema pel mètode que ens resulti més senzill; per exemple, el de substitució.

Analitzem la validesa del resultat obtingut.

Abundància: 100 %

x+y

78,99 %

Contribució a la massa atòmica: 100 % ∙ 24,3 u 25 u · x + 26 u · y

24 u · 78,99 %

Es tracta d’un càlcul de les abundàncies de dos dels tres isòtops del magnesi.

Necessitem, doncs, un sistema d’equacions: Relació entre abundàncies: x + y + 78,99 = 100 Relació entre contribucions: y 78, 99 x 25 u $ + 26 u $ + 24 u $ = 24, 3 u 100 100 100

ORIENTACIONS PER A LA RESOLUCIÓ DE PROBLEMES…

COM RESOLDRE UN EXERCICI D’ABUNDÀNCIA ISOTÒPICA

• Aïllant x de la primera equació: x = 21,01 – y • Substituint en la segona equació: 0,25 · (21,01 – y) + 0,26 · y + 18,94 = 24,3 • S’obté això: y = 10,75; x = 10,26.

• Les abundàncies del Mg-26 i del Mg-25 són 10,75 % i 10,26 %, respectivament. En sumar aquestes abundàncies amb la del Mg-24, el resultat que s’obté és del 100 %, la qual cosa verifica, en principi, la validesa dels resultats obtinguts.

39

UNITAT 1 » L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

» TALLER DE CIÈNCIES

EN GRUP S

CIÈNCIA RECREATIVA «Les petites Curie» Introducció Marie Curie, una de les dones de ciència més reconegudes de la història, va contribuir, de manera excel·lent, amb una vida marcada per la seva infatigable tasca científica, al coneixement científic i tècnic.

El 1903 va rebre el Premi Nobel de Física juntament amb el seu marit Pierre Curie, i el seu company de feina Henri Becquerel, pel seu Imatge de raigs X de la mà d’Anna descobriment en el camp de la radioactivitat. El 1911 va rebre el Nobel Bertha Roentgen, considerada de Química, el lliurament del qual va estar envoltat de polèmica. la primera radiografia.

La capacitat de treball i l’afany amb què va encarar els reptes que es va proposar en la seva vida la defineixen, en l’actualitat, com una persona molt emprenedora. Aquestes qualitats són valuoses en l’activitat científica, per desenvolupar tasques investigadores i també per aconseguir el finançament necessari per dur-les a terme.

L’estiu de 1914, Marie Curie va decidir que la seva participació a França, en la Primera Guerra Mundial, seria cuidar-se de l’organització dels serveis de radiologia als hospitals de campanya.

Marie Curie durant la Primera Guerra Els raigs X havien estat descoberts el 1895 per Roentgen, i durant Mundial en una de les «petites Curie». les dècades posteriors, s’havien aplicat reeixidament en l’obtenció d’imatges que permetien localitzar fractures i en situacions bèl·liques, per localitzar metralla i bales, ie sense necessitat de manipular la ferida que aquests imLes aportacions de Marie Cur nic estan pactes havien causat. Tanmateix, utilitzar equips de raigs al coneixement científic i tèc i, fins i s X era difícil, per la seva mida i pel fet que necessiten, a extensament documentade tades al més, un generador elèctric perquè funcionin. tot, han estat novel·lades i por s.

Marie Curie va estendre l’ús i la sistematització dels cinema en diferents ocasion rmació raigs X al front. Per dur-ho a terme, va buscar el finançaEt proposem que busquis info is una fac i s ment i les donacions de vehicles adaptats per transporsobre aquestes aportacion tífics i tar-los, en els quals, a més dels equips de raigs X, es van infografia amb els objectius cien l’apassioinstal·lar dinamos per obtenir corrent elèctric a partir del personals més rellevants de ària cienmoviment del motor del vehicle i una cambra fosca per nant vida d’aquesta extraordin a que revelar les imatges obtingudes. tífica, que va ser la primera don A més, va organitzar un centre de formació per a tècva rebre un Premi Nobel. nics en radiologia, al qual van assistir, de manera voluntària, desenes de dones, pel fet que la major part de la població masculina era al front. La flota de les «petites Curie» (tal com es coneixien aquestes unitats mòbils de raigs X Premis amb finalitats de diagnòstic) era de 20 vehicles amb 175 Biografia Descobriments operàries, i la mateixa Marie Curie va fer més de 1.200 exàmens radiològics.

Infografia 1.

40

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC « UNITAT 1

EN GRUP S

TREBALL PRÀCTIC Raigs catòdics i tubs de descàrrega Plantejament del problema

Material • Tubs de descàrrega • Tub de raigs catòdics • Imant • Rodet de Ruhmkorff • Font d’alimentació de corrent continu.

Constatar la naturalesa elèctrica dels raigs catòdics. Observar que, si els tubs de descàrrega contenen diferents gasos, emetran llum de diferent color.

Procediment Mesures de seguretat El rodet de Ruhmkorff és un transformador elèctric que permet obtenir elevats voltatges. Mentre estigui en funcionament, no s’ha de tocar.

Experiment 1. Naturalesa dels raigs catòdics • Connectar el tub de raigs catòdics al rodet de Ruhmkorff i aquest a una font d’alimentació contínua de voltatge adequat.

• Connectar els elèctrodes secundaris del tub de raigs catòdics a una altra font d’alimentació, de manera que generem una diferència de potencial de forma transversal a la direcció dels raigs catòdics. Anotar el que succeeix.

• Desconnectar els elèctrodes secundaris i acostar un imant al tub de raigs catòdics. Anotar el que succeeix en fer aquest canvi.

Tub de raigs catòdics o de Thomson.

Experiment 2. Tubs de descàrrega • Connectar, de manera successiva, els diferents tubs de descàrrega als borns del rodet de Ruhmkorff i aquest a una font d’alimentació contínua.

• Observar la llum emesa per cada tub de descàrrega.

EXT RAIEU CO NCLU SIO NS…

1.

En connectar els borns secundaris del tub de raigs catòdics es produeix una diferència de potencial. a) En quin altre context heu utilitzat la magnitud diferència de potencial? Com es relaciona amb la intensitat de corrent que circula per un conductor?

2. Com ja sabem, al voltant de tot imant hi ha un camp

magnètic i, a més, els camps magnètics i els corrents elèctrics interaccionen. A partir d’aquesta idea, expliqueu el que ha succeït en acostar l’imant al tub de raigs catòdics.

3. b) A partir del que heu observat i dels coneixements que heu utilitzat per respondre a la pregunta anterior, quina conclusió obteniu pel que fa a la naturalesa dels raigs catòdics?

Repasseu les idees fonamentals del model atòmic de Bohr i responeu a les qüestions següents: a) Què és un àtom en estat excitat?

b) Per què cada gas emet una llum d’un color diferent?

41

UNITAT 1 » L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

» POSA’T A PROVA

7. Les partícules subatòmiques, són totes elemen­

Els primers models atòmics

Els espectres atòmics i el model atòmic de Bohr

1. Explica com va arribar Thomson a la conclusió

que els electrons tenen càrrega elèctrica i que aquesta és negativa.

2. Explica com es va arribar a la conclusió que els

electrons eren partícules constituents de la matèria, presents en tots els àtoms.

3. Representa

gràficament el model atòmic de

Thomson.

tals? Raona la teva resposta.

8. Explica què significa la frase següent: «L’energia, en l’àtom, està quantitzada».

9. Explica

les diferències entre el model atòmic de Rutherford i el de Bohr. Utilitza aquestes paraules: òrbites, energia, continu, estacionàries.

El model quàntic de l’àtom

10. Respon breument a aquestes preguntes: a) Anomena els tipus d’orbitals que coneixes.

b) Quants orbitals diferents es poden trobar en el nivell n = 3?

4. Explica quina és la part especulativa del model

c) Quants electrons pot acollir un orbital?

de Rutherford.

5.

Explica per què, en els experiments que van donar com a resultat el descobriment de l’electró, no es va produir la transmutació d’un element químic en un altre de diferent, mentre que en els que van conduir al descobriment del protó sí.

6. Quin és el valor de càrrega elèctrica més petit

que es pot aïllar? Expressa-ho mitjançant un submúltiple adequat del coulomb.

42

d) Quants electrons es poden trobar en el nivell n = 2? A quins orbitals es troben els diferents electrons?

11. Indica si les següents afirmacions són vertaderes o falses i corregeix les que siguin falses:

a) Un orbital descriu, amb precisió, la trajectòria d’un electró. b) En cada orbital s’hi poden trobar, com a màxim, quatre electrons. c) Existeixen tres orbitals del tipus p i nou del tipus f. d) Si un àtom en estat fonamental té el nivell 2 ple, vol dir que té deu electrons.

L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC « UNITAT 1

12. Corregeix, si cal, les confi­guracions electrò­ni­ ques següents:

a) 1 s2 2 s2 2 p8 3 s2 b) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s1 c) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 4 p6 d) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d6

13. Anota el nombre d’electrons de valència del liti, el sodi, el potassi i el rubidi. El fet d’escriure la configuració electrònica de cada un t’ajudarà.

ELEMENTS Z Li

3

Na

11

K

19

Rb

37

NRE. CONFIGURACIÓ D’ELECTRONS ELECTRÒNICA DE VALÈNCIA

14. Dibuixa un diagrama de caixa per representar els electrons de valència del magnesi, el sodi, el fòsfor i el clor.

El sistema periòdic i les propietats periòdiques

16.

Elabora, en un full a part, un esquema del sistema periòdic, indicant la relació en­­ tre els diferents grups d’elements i el nombre d’electrons de valència de cada grup.

17. Anota

quina relació existeix entre el nombre d’elements de cada període del sistema periòdic i el nombre d’electrons que poden allotjar els diferents tipus d’orbitals.

18. Fixa’t en les següents configuracions electrò­ niques escurçades i corregeix-les: a) [Cs] = [Kr] 6 s1 b) [Cr] = [Ar] 4s2 4 d4 c) [Sr] = [Kr] 4 s2 d) [Pb] = [Xe] 6 s2 6 p2

19. Fixa’t en aquestes configuracions electròniques i indica el següent: el grup a què pertany l’element químic i el període, la capa de valència i el nombre d’electrons de valència. a) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p5

b) [Ar] 4 s2 3 d 2

15. El procés de formació d’ions passa pel guany o

la pèrdua d’electrons. A partir de la configuració electrònica dels següents ions, indica quina càrrega elèctrica tindran. En cada cas, després d’anotar la configuració electrònica de cada ió hem indicat l’element químic a què correspon. a) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6; ZCa = 20

c) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p6 5 s2 4 d10 5 p6 6 s1

d) [Kr] 5 s1

20. Tenim dos elements químics, un dels quals té més energia d’ionització que l’altre:

a) Quin formarà cations amb més facilitat?

b) 1 s2 2 s2 2 p6; ZNa = 11 c) 1 s2 2 s2 2 p6; ZAl = 13

b) Quin tindrà una afinitat electrònica més gran?

d) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6; ZCl = 17

43

UNITAT

2

Una història sobre l’enllaç químic

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

Isaac Newton va ser un dels primers a esbossar una hipòtesi en la qual intuïa que «algun tipus de força» mantenia unides les petites partícules. Això va ocórrer a inicis del segle xviii. Tres segles més tard, concretament el 2012, una investigació desenvolupada en el centre IBM de Zuric (Suïssa) va permetre visualitzar, per primera vegada, els enllaços químics existents en molècules individuals fent servir la tècnica de microscòpia de forces atòmiques.

Gràcies a aquesta troballa, en la qual també van participar científics de la Universitat de Santiago de Compostel·la (Espanya) i del CNRS francès, la comunitat científica podrà explorar amb més detall la naturalesa dels enllaços químics i les forces intermoleculars. No obstant això, diversos científics han avisat que «ens aproximem al límit de les possibilitats que ens brinda la tecnologia actual».

Aquest petit relat ens evidencia que la cièn­cia i la tecnologia estan estretament vinculades. Així, l’avenç científic descrit permetrà continuar amb el desenvolupament tecnològic, però, en quin moment arribarà una nova tecnologia que traspassi els límits de l’actual?

Recordem que el microscopi de força atòmica —instrument que ha permès aquest avenç científic— va ser dissenyat el 1986.

44

COMPROMÍS ODS El 2016 un equip de científics de la Universitat de Manchester (Anglaterra) va descobrir, en gran manera, que els actínids formaven enllaços covalents amb altres elements, la qual cosa podia significar un gran avenç per al reciclatge de residus radioactius.

1. Documenta’t sobre la producció i la gestió dels residus nuclears.

2.

Quines implicacions tindria en la salut, el medi ambient i la indústria, rebaixar la radioactivitat dels residus nuclears? Relaciona les teves respostes amb, com a mínim, tres metes dels ODS relatius a aquests àmbits (pots consultar en l’espai personal del web www.barcanova.cat els vídeos sobre les metes).

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què necessites saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

45

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

1. L’ENLLAÇ QUÍMIC L’enllaç químic i els seus tipus En les substàncies pures, a excepció dels gasos nobles, els àtoms es troben enllaçats entre ells, formant agregats més o menys grossos.

Es diu que existeix un enllaç químic entre dos àtoms o grups d’àtoms quan entre ells hi ha una força d’atracció que permet la formació d’una entitat química estable i independent.

Enllaç químic

uneix

ions

Energia i estabilitat

Enllaç iònic

Quan dos àtoms s’acosten, el nucli d’un es veu atret pel núvol electrònic de l’altre, i viceversa. Aquesta atracció fa disminuir l’energia del sistema, i és més intensa com més a prop siguin els àtoms. Alhora, els dos àtoms experimenten la repulsió que es produeix entre els seus núvols electrònics i entre els seus nuclis. Aquesta repulsió desestabilitza el sistema, augmentant la seva energia a mesura que s’acosten.

La combinació dels dos fenòmens produeix un mínim d’energia que permet la formació d’un enllaç químic estable.

àtoms

Enllaç covalent

restes catiòniques

Enllaç metàl·lic

Regla de l’octet Els àtoms dels gasos nobles no s’enllacen amb altres àtoms, perquè tenen una configuració electrònica de mínima energia que els confereix molta estabilitat.

La regla de l’octet estableix que els àtoms s’uneixen mitjançant enllaços químics per adquirir la configuració electrònica del gas noble que tenen més a prop, la qual cosa normalment implica tenir 8 electrons de valència, i així assolir una estabilitat més gran.

Diagrames de Lewis Els diagrames o estructures de Lewis permeten representar, d’una manera senzilla, els electrons de valència, facilitant la visualització de la regla de l’octet per a la formació de l’enllaç químic.

En un diagrama de Lewis, el símbol de l’àtom que es vol representar s’escriu envoltant-lo de tants punts com electrons de valència presenti.

Inicialment, els electrons es distribueixen entre els quatre costats del quadrat imaginari en què estaria inscrit el símbol. Cada parell d’electrons també es pot representar mitjançant un guió. En el cas de l’argó, amb vuit electrons, la representació seria aquesta: Ar

46

Ar

Diagrames de Lewis d’alguns elements C

O

Na

Cl

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

Diagrames de Lewis Quan s’accepten o se cedeixen electrons Na

+

Cl

Na

+

O

+

Na +

Cl

–

Na

Quan es comparteixen electrons

NaCl Na+

O2–

Na+

Cl + Cl

Cl Cl

Cl2

+ O

O O

O2

O

Na2O

Els àtoms també poden aconseguir la configuració del gas noble més pròxim compartint electrons. En aquest cas, els electrons compartits pertanyen als dos àtoms, i es col·loquen entre els dos símbols dels elements.

Els àtoms poden aconseguir la configuració del gas noble més pròxim acceptant o cedint electrons. Perquè un àtom perdi un electró n’ha d’existir un altre que pugui acceptar-lo, i viceversa.

T REB ALLA AMB LES IM A T GES

T1.

A partir de la imatge i tenint en compte el que hem explicat en la pàgina anterior, comenta el que indiquen els paràmetres destacats en vermell: Emínima (Em) i d0.

Tipus de dissolucions segons la seva concentració E Energia de les forces repulsives d0

0

d

Em Energia de les forces atractives

C O MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

1. Per què els àtoms de molts elements tendeixen a adquirir la configuració electrònica dels gasos nobles?

2. Representa,

amb diagrames de Lewis, el beril·li (Be), el magnesi (Mg) i el calci (Ca), segons les seves configuracions electròniques. Quin seria el diagrama de Lewis de l’estronci (Sr) sense fer la seva configuració electrònica?

3. Si

el brom (Br) i el calci (Ca) s’enllacen cedint i acceptant electrons, quina seria la fórmula química del compost format? Escriu els diagrames de Lewis corresponents per mostrar la transferència d’electrons.

4. Escriu les configuracions electròniques escurçades

i representa, mitjançant diagrames de Lewis, les següents espècies químiques: H, N, Si, S2–, Al3+.

47

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

2. L’ENLLAÇ IÒNIC Definició d’enllaç iònic L’enllaç iònic es forma a causa de l’atracció electroestàtica existent entre les càrregues dels ions de diferent signe.

Perquè es produeixi aquest enllaç, un àtom amb facilitat per perdre electrons (un metall) els cedeix a un àtom amb gran tendència a acceptar electrons (un no-metall), formant un catió i un anió, respectivament. Les substàncies els àtoms de les quals s’uneixen amb enllaços iònics es denominen compostos iònics, com ara el fluorur de liti (LiF).

Xarxes cristal·lines iòniques Per poder formar substàncies iòniques en estat sòlid, és necessari que els ions no es repel·leixin entre ells, de manera que cada catió sol estigui envoltat d’anions, i viceversa. La disposició espacial ordenada dels ions que es repeteix en totes les direccions i que minimitza la repulsió entre els seus ions es denomina xarxa cristal·lina iònica.

Fórmula empírica El nombre d’àtoms que formen una xarxa cristal·lina és enorme, per la qual cosa no té sentit especificar quants àtoms hi ha exactament en un cristall; és més útil especificar la proporció de cada un dels ions.

La fórmula empírica d’un compost representa la relació de nombres més simple possible entre els diferents tipus d’àtoms que componen el compost. Està formada per símbols, que indiquen els elements presents, i per subíndexs, que indiquen la proporció entre aquests elements.

Formació del fluorur de liti (LiF) Tendència metàl·lica en la taula periòdica Metalls

No-metalls

Com es forma

Gasos nobles Li

+

F

Li

+

F

1 s2

Els metalls presenten baixa energia d’ionització, per la qual cosa perden electrons amb facilitat.

Els no-metalls tenen una alta afinitat electrònica, i per això tendeixen a acceptar electrons.

48

2 s1

1s2 2 s2 2 p5

Li + F –

Li

+ +

LiF

F

–

1s2 1 s2 2s2 2p6

El liti, en cedir un electró, adquireix la configuració de l’heli, més estable. El mateix li passa al fluor quan accepta un electró, que adquireix la configuració electrònica del neó. Els ions formats s’uneixen per atracció electroestàtica.

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

Propietats més característiques dels compostos iònics • Són sòlids a temperatura ambient, i tenen temperatures de fusió i ebullició mitjanament altes.

• Són durs.

• Són fràgils.

• La majoria es dissolen bé en aigua. Aquest fenomen rep el nom de solvatació.

• No condueixen l’electricitat en estat sòlid però sí en dissolució o fosos.

L’estructura cristal·lina els confereix estat sòlid.

Cl

–

Na+

–

–

H2O

En colpejar-los, poden trencar-se.

Forces electroestàtiques de repulsió

+

+

–

En dissolució, condueixen l’electricitat.

CO MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

5. Escriu les configuracions electròniques dels següents

àtoms i indica quins ions serà més probable que formin:

K

8

Sc

8

B

7. Tenint

en compte que les fórmules empíriques indiquen la proporció més simple d’àtoms diferents, assenyala quines d’aquestes fórmules són empíriques:

Na2O2

AlCl3

8

H2SO4

LiF

Se

8

K2Cr2O7

Fe2S4

Mg

8

Br

8

I

8

8. Si

en una determinada quantitat de CaCl2 hi ha 4 · 1024 ions de calci, quants ions clorur hi haurà?

6. Raona

si és vertadera o falsa aquesta afirmació: «L’enllaç iònic es forma entre elements que es troben molt separats en el sistema periòdic».

9. En el bromur de potassi, cada àtom de potassi està

envoltat per sis àtoms de brom, i viceversa. Quants àtoms de potassi penses que hi pot haver per cada àtom de brom?

49

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

3. L’ENLLAÇ COVALENT Definició d’enllaç covalent Exemples d’enllaç covalent

L’enllaç covalent és l’enllaç format entre dos àtoms quan comparteixen electrons.

Br + Br

Aquest tipus d’enllaç es produeix entre dos elements noBrmetàl·lics; + Br els compostos els àtoms dels quals estan units mitjançant enllaços covalents es denominen compostos covalents; és el cas de l’aigua.

H

Ordre d’enllaç

+ O + H

Br Br

Br H

HO H

Br Br Br

O

H

HO H H2O

Dos àtoms podem tenir diferents tipus d’enllaços covalents: senzill, si comparteixen un parell d’electrons; doble, si en comparteixen dos, o triple, si en comparteixen tres.

Polaritat de l’enllaç covalent Els enllaços covalents es produeixen entre àtoms amb electronegativitat similar.

L’electronegativitat és la tendència que té un àtom per atreure els electrons d’un enllaç. És també una propietat periòdica i està molt relacionada amb l’energia d’ionització i amb l’afinitat electrònica. Si dos àtoms tenen la mateixa electronegativitat, l’enllaç serà de tipus covalent apolar. Si no tenen la mateixa electronegativitat, l’enllaç serà covalent polar. Els compostos que presenten una determinada polaritat es denominen dipols.

Xarxes cristal·lines i molècules Els compostos covalents poden ordenar els seus àtoms formant dues estructures molt diferents: xarxes cristal·lines o molècules.

En les substàncies covalents reticulars, els àtoms s’ordenen unintse mitjançant enllaços covalents i formant xarxes cristal·lines, l’estructura i la disposició atòmica de les quals es repeteix en totes les direccions de l’espai.

Una molècula és una entitat química elèctricament neutra formada per més d’un àtom, units entre ells per enllaços covalents.

La majoria de les molècules estan constituïdes per un nombre reduït d’àtoms, per la qual cosa és interessant especificar el nombre exacte que hi ha de cada element.

La fórmula molecular indica el nombre d’àtoms dels diferents elements que formen una molècula.

50

Br

Br2

Br2

+ O + H H

Br

Propietats dels compostos covalents reticulars • Són sòlids a temperatura ambient, i tenen temperatures de fusió i ebullició molt altes.

• Són molt durs.

• Són fràgils.

• No condueixen l’electricitat ni són solubles en aigua.

Propietas de les substàncies moleculars • Baixes temperatures de fusió i ebullició.

• En general, no són solubles en aigua.

• No condueixen l’electricitat.

Pots consultar una taula periòdica d’electronegativitats en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

H

O

H

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

T REBALLA AMB LA IM A T GE

T2. Fixa’t. Representa els diagrames de Lewis corresponents als tres compostos de la imatge.

Ordre d’enllaç Enllaç senzill

Consulta la taula periòdi­ ca d’electronegativitats que trobaràs en l’espai personal del web www.barcanova.cat i indica quins són els cinc elements més electronegatius.

Enllaç doble

Enllaç triple

F

O

N

F

O

N

En la molècula de F2, els dos àtoms de F comparteixen un parell d’electrons.

En la molècula de O2, els àtoms d’O comparteixen dos parells d’electrons.

En la molècula de N2, els àtoms de N comparteixen tres parells d’electrons.

C O MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

10.

L’hidrogen, és un metall o un no-metall? Per què en algunes taules periòdiques està situat en el lloc dels metalls alcalins?

15. Explica per què el quars és un gran aïllant elèctric.

16. Quin és el material més dur de la natura?

11. L’òxid de calci (CaO), és un compost covalent? Jus­ tifica la teva resposta.

17. En què es diferencien una substància covalent reti­ cular i una molècula? Posa un exemple de cada tipus.

12. Quin compost covalent es forma entre els àtoms de O i de F? Quina serà la seva fórmula química?

18. Indica, en cada cas, si es tracta d’una substància covalent reticular o d’una molècula:

13.

Raona el tipus d’enllaç del clorur sòdic (NaCl) i del clorur d’hidrogen (HCl).

NaCl 8 HCl

14. Entre

a) La seva temperatura de fusió és d’uns 3.000 K.

b) És un líquid a temperatura i pressió ambient.

8 quins elements del sistema periòdic es

c) Es dissol en etanol.

formarà l’enllaç més polar? Serà covalent? d) S’utilitza en eines per tallar acer.

51

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

4. FORCES INTERMOLECULARS Definició i tipus Les forces intermoleculars són les forces d’atracció existents entre les molècules.

Xarxes cristal·lines en sòlids moleculars Xarxa cristal·lina de I2

Les forces intermoleculars són les causants de la solvatació dels ions o de la formació de xarxes cristal·lines de molècules. N’existeixen de dos tipus: forces de van der Waals i enllaços d’hidrogen.

Forces de Van der Waals Les forces de Van der Waals són forces d’atracció febles que es produeixen entre totes les molècules.

Com més intenses siguin les forces de Van der Waals, més gran serà la temperatura de fusió i d’ebullició de les substàncies que les experimenten.

Les molècules s’uneixen mitjançant forces de Van der Waals.

Xarxa cristal·lina de H2O

Enllaços d’hidrogen Els enllaços d’hidrogen són els que es produeixen entre un àtom petit i electronegatiu, com el N, el O o el F, d’una molècula, i un hidrogen d’una segona molècula.

Els enllaços d’hidrogen impliquen forces molt més intenses i localitzades espacialment que les anteriors, per la qual cosa arriben a assemblar-se a la formació d’enllaços febles entre molècules.

Un dels compostos més importants que experimenten aquest tipus de força intermolecular és l’aigua. Per això, les temperatures de fusió i d’ebullició de l’aigua són molt més altes que les dels altres compostos del grup 16 amb l’hidrogen (H2S, H2Se i H2Te).

La formació d’enllaços d’hidrogen entre les molècules d’aigua fa que aquesta sigui líquida de 0 a 100 °C, però també és la causant que, en estat sòlid, formi una xarxa cristal·lina menys densa i així el gel floti sobre l’aigua. Aquestes dues característiques van facilitar l’aparició de la vida.

L’aigua, per ser un dipol, també és capaç de generar forces de Van der Waals, la qual cosa la converteix en el dissolvent ideal tant per a compostos iònics com per a molècules polars. Aquesta característica fa que l’aigua sigui el component fonamental dels fluids de transport de les substàncies dins dels organismes vius i sigui, per tant, imprescindible per a la vida.

Les forces intermoleculars tenen una gran rellevància per explicar les propietats i fins i tot l’estructura de moltes molècules, entre elles les constituents dels éssers vius: les biomolècules.

52

Les molècules s’uneixen mitjançant enllaços d’hidrogen.

Les molècules en estat sòlid també formen xarxes cristal·lines.

En els sòlids moleculars, els nusos de la xarxa cristal·lina estan ocupats per molècules.

Aquest fet les diferencia de les xarxes cristal·lines vistes anteriorment, en les quals aquests nusos estaven ocupats per àtoms o ions individuals, i no per agregats d’àtoms.

A causa del fet que les molècules estan unides per forces intermoleculars febles, els sòlids que es formen són tous i presenten poca resistència a ser ratllats.

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

T REBALLA AMB LA IM A T GE

T3.

Observa els gràfics. Quina molècula presentarà unes forces de Van der Waals més intenses: el H2S o el HCl? Calcula la diferència d’electronegativitats dels elements que s’enllacen a cada una de les molècules i treu conclusions.

Variació de les forces de Van der Waals

Fixa’t en les temperatures d’ebullició i dedueix l’estat físic a 0 °C dels compostos que apareixen.

En funció de la polaritat Temp. fusió

En funció de la mida

Temp. ebullició

T/°C

Temp. ebullició

T/°C 50

50 0

0

–50

–50

–100

–100

–150

–150

–200 SiH4

PH3

H2S

Compostos

HCl

–200 CH4

C2H6

C3H8

C4H10

Compostos

CO MPRÈN, PENSA , INV EST IGA …

19. Per què el Cl

és un gas a temperatura ambient i 2 el I2 un sòlid? D’aquest fet, pots treure alguna conclusió de la mida relativa entre el Cl2 i el I2?

22.

A més de les temperatures de fusió i ebullició, quines altres propietats diferents presenta l’aigua? Han influït en la vida a la Terra? Busca una notícia recent sobre contaminació marina, identifica els contaminants i proposa mesures per pal·liar els seus efectes nocius en relació amb la meta 14.1 dels ODS.

20. Una de les propietats dels compostos iònics és que es dissolen bé en aigua. Raona si aquesta dissolució seria possible si no existissin forces intermoleculars entre els ions i els dipols de l’aigua.

23.

L’ADN té una estructura espacial carac­ terística de doble hèlix. Esbrina a quin tipus de força intermolecular es deu.

21. Sabent que l’àtom d’oxigen és més petit que el de sofre, raona quin compost tindrà la temperatura d'ebullició més alta: el diòxid de carboni (CO2) o el sulfur de carboni (CS2); comprova la teva resposta.

24.

Rosalind Franklin, cristal·lògrafa, va con­tri­ buir a elucidar l’estructura de l’ADN. Esbrina quin va ser el seu paper.

53

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

5. L’ENLLAÇ METÀL·LIC Definició d’enllaç metàl·lic

Propietats dels compostos metàl·lics

L’enllaç metàl·lic és la força d’atracció que es produeix entre els àtoms d’elements metàl·lics.

Les substàncies els àtoms de les quals s’uneixen per enllaços metàl· lics s’anomenen compostos metàl·lics.

En els compostos metàl·lics, els electrons de valència es comparteixen entre tots els àtoms existents, i no tan sols entre dos, com en l’enllaç covalent. Per tant, en aquest tipus de compostos, els electrons es mouen lliurement entre les restes catiòniques dels àtoms metàl· lics, mantenint les restes catiòniques unides.

Xarxes cristal·lines metàl·liques En estat sòlid, els àtoms dels metalls s’agrupen mantenint-se molt a prop, per la qual cosa formen estructures molt compactes, conferint, a aquest tipus de compostos, alts valors de densitat. A les xarxes cristal·lines metàl·liques només hi ha àtoms d’un tipus d’element determinat.

Les propietats físiques més representatives dels compostos metàl·lics es presenten en el quadre del marge.

+

Resta catiònica

– Electró

Cop

• Són sòlids a temperatura ambient. El mercuri, líquid a temperatura ambient, és una excepció.

• Tenen temperatures de fusió i ebullició altes.

• Són dúctils, mal·leables i durs.

• Són bons conductors elèctrics i tèrmics.

C O MPRÈN, PENSA, INV EST IGA…

25. En què es diferencia la ductilitat de la mal·leabilitat?

28. Per què creus que algunes eines metàl·liques tenen

26. Explica

29. Quin tipus de compost químic triaries si necessitessis

Un material pot ser, alhora, fràgil i dúctil?

les diferències i les semblances entre la conductivitat elèctrica iònica i la metàl·lica.

27.

Basant-te en la teoria cinèticomolecular (TCM) que vas estudiar el curs passat, intenta explicar per què els compostos metàl·lics són bons conductors elèctrics i tèrmics.

54

un recobriment plàstic en els mànecs?

construir un filament que conduís l’electricitat? Per què?

30.

Busca informació sobre els materials amb què es fan els cables elèctrics i el motiu pel qual estan reco­ berts de plàstic.

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

Utilitza els diagrames de Lewis per predir l’estructura i la fórmula dels compostos que es formen amb aquests parells d’àtoms: a) Mg i Cl; b) C i O.

Passos 1

Entén l’enunciat i extreu dades

Trobem termes com ara estructura i compost; per tant, es tracta d’un problema d’enllaç químic.

• Hem de formar dos compostos; un a partir de Mg i Cl, i un altre a partir de C i O. • Ens demanen l’estructura i la fórmula dels compostos obtingudes amb els diagrames de Lewis.

Fes un esquema de la situació

Tipus de compost

Determina si conté conceptes com ara compost, estructura, iònic, covalent, metàl·lic, etc.

Extreu les idees principals, escriu les dades i anota què t’estan preguntant.

2

Resolució

És imprescindible que facis un dibuix o un esquema que t’ajudi a resoldre el problema.

En aquest cas ens interessa fer un esquema que remarqui les diferències entre l’enllaç iònic i el covalent, i que ordeni els passos a seguir.

Identifica les lleis físiques que hi intervenen 3

Quins coneixements has d’utilitzar per a la resolució de l’exercici?

Obtén el resultat i analitza la seva validesa 4

Resolució: • Aplica els coneixements adquirits i resol el problema.

• Planteja’t la coherència dels resultats obtinguts i comprova que has respost a tot el que es demanava.

• Expressa els resultats del problema en forma de solució.

Iònic Cedeix o accepta electrons

Covalent Comparteix electrons

Configuració electrònica Regla de l’octet

Diagrama de Lewis

Ordre d’enllaç

Estructura i fórmula

Hem d’aplicar els coneixements següents: • Reconeixement i característiques de compostos iònics i covalents.

• Configuracions electròniques.

• Regla de l’octet i diagrames de Lewis.

• Ordre d’enllaç.

• a) Metall (Mg) + No-metall (Cl) 8 Iònic.

[Mg] = [Ne] 3 s2 8 cedeix 2 electrons 8 [Mg2+] = [Ne]

ORIENTACIONS PER A LA RESOLUCIÓ DE PROBLEMES…

COM RESOLDRE UN EXERCICI D’ENLLAÇ QUÍMIC

[Cl] = [Ne] 3 s2 3 p5 8 accepta 1 electró 8 [Cl–] = [Ne] 3 s2 3 p6 = [Ar] Cl Mg Cl

Cl

–

Mg

2+

Cl

–

• b) No-metall (C) + No-metall (O) 8 Covalent.

[C] = [He] 2 s2 2 p2 8 Necessita 4 electrons [O] = [He] 2s2 2 p4 8 Necessita 2 electrons O + C + O

O C O

O

C

O

• Tots els àtoms tenen configuració electrònica de gas noble.

• L’estructura del primer és Cl-Mg-Cl i la seva fórmula, MgCl2. L’estructura del segon compost és O=C=O i la seva fórmula CO2.

55

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

» TALLER DE CIÈNCIES

CIÈNCIA RECREATIVA Tipus de substàncies

EN GRUP S

Introducció Estem envoltats d’objectes compostos per substàncies iòniques, covalents reticulars, moleculars o metàl·liques. Aprofitem això per construir un joc que ens ajudarà a conèixer les propietats dels diferents tipus de substàncies d’una manera senzilla i divertida.

DIA 1. Passos previs Es divideix la classe en quatre grups i a cada un se li assigna un d’aquests tipus de substàncies: iònica, covalent reticular, molecular o metàl·lica. Cada grup, ha de triar objectes quotidians que estiguin formats pel tipus de substància que els ha tocat. S’assigna un objecte a cada membre, el qual ha de fer una foto a l’objecte.

Fitxa PROPIETATS Estat d’agregació: sòlid Temperatura de fusió/ ebullició: baixa Duresa: tou Fragilitat: no Solubilitat en aigua: no Conductivitat elèctrica: no TIPUS DE SUBSTÀNCIA Molecular OBJECTE Pinta

Dia 2. Construint el joc Es reparteixen cartolines d’un mateix color a tots els grups. Cada grup retalla rectangles de 8 Ò 12 cm i elabora una fitxa com la del marge per a cada un dels objectes triats. D’altra banda, es preparen petites fotografies de 5 Ò 5 cm amb cada un dels objectes.

Dia 3. Jugant: endevina qui soc Les fotografies es posen de cara amunt ordenades aleatòriament. Les fitxes es col·loquen de cap per avall i es barregen. Es fan dos equips.

L’equip que pregunta tria una fitxa i, sense mirar-la, la dona a l’altre equip. Es poden preguntar fins a tres propietats de l’objecte per deduir el tipus de substància de què es tracta. Si s’encerta, es podran fer tres preguntes addicionals sobre l’aspecte de l’objecte. Les preguntes s’han de poder respondre amb SÍ o NO. A mesura que l’equip que pregunta descarta els objectes, han d’anar girant les fotografies corresponents, fins a aconseguir endevinar-lo. L’equip que, en menys temps, endevini més objectes, guanya.

Diferents substàncies i objectes quotidians.

1.

Busca vídeos a Internet sobre les propietats de l’hexafluorur de sofre o del nitinol. Coneixies ja aquestes substàncies? Quin tipus de substàncies diries que són?

2. Investiga una mica més per descobrir per què presenten unes propietats tan sorprenents com les que observaràs en els vídeos.

56

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

TREBALL PRÀCTIC Determinació del tipus d’enllaç

EN GRUP S

Plantejament del problema

Material • Vidre de rellotge • Substància química sòlida • Pila de 4,5 V • Tres cables de connexió amb pinces de cocodril • Amperímetre • Dos elèctrodes inerts • Vas de precipitats • Aigua destil·lada • Cullereta • Vareta de vidre

Muntatge del circuit elèctric Amperímetre

Aigua destil·lada

Elèctrodes inerts

Pila

Substància química

Trobeu una substància sòlida sense identificar. Com determinaríeu si és iònica, covalent o metàl·lica?

La vostra proposta Trieu una o diverses propietats que us ajudin a diferenciar uns compostos dels altres i, basant-vos en aquestes propietats, dissenyeu una sèrie d’experiències que us permetin anar descartant possibilitats.

La nostra proposta El disseny experimental que us proposem està basat en la conductivitat elèctrica i en la solubilitat en aigua.

Procediment Mesures de seguretat • Utilitzeu guants de goma per manipular les substàncies.

• Feu els mesuraments tocant la part plastificada dels connectors.

Fase experimental I) Evitant que els elèctrodes es toquin entre ells, poseu en contacte cada un d’aquests amb la substància en qüestió. Observeu l’amperímetre i comproveu si existeix corrent elèctric. Si és així, heu acabat l’experiment. De quin tipus de substància es tracta?

II) Ompliu un vas de precipitats amb una mica d’aigua destil·lada.

Afegiu una mica de la substància sòlida a l’aigua i remeneu amb una vareta de vidre fins que es dissolgui. Si no es dissol, heu acabat l’experiment. Quin tipus de substància pot ser?

III) Si es dissol, introduïu els dos elèctrodes en la dissolució sense que es toquin i comproveu si existeix corrent elèctric. Indiqueu el tipus de substància que es podria esperar tant si condueix el corrent elèctric com si no ho fa.

EX T RAIEU C O NCLU SIO NS…

1. Basant-vos en l’aspecte de la substància, podríeu

determinar si es tracta d’un metall? Cerqueu informació sobre la brillantor metàl·lica. Només en tenen els metalls?

2.

Mitjançant aquesta pràctica no us és possible distingir si la substància problema és un compost covalent reticular o una molècula no polar. Per què? Proposeu experiments que us permetin distingir entre els dos tipus de compostos covalents en funció de la duresa del sòlid i de les seves temperatures de fusió i sublimació.

57

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

» POSA’T A PROVA

6. La regla de l’octet afirma que els àtoms s’uneixen

per adquirir la configuració electrònica del gas noble més proper. La configuració de quin gas noble tendiran a adquirir els elements següents?

L’enllaç químic i la regla de l’octet

1. Explica per què els enllaços químics entre àtoms es produeixen per formar compostos.

a) H (Z = 1) b) Mg (Z = 12) c) P (Z = 15) d) Rb (Z = 37)

2.

Raona si aquesta afirmació és vertadera o falsa: «L’atracció que experimenten dos àtoms en acostar-se provoca la seva energia augmenti i, per tant, es tornen més estables».

7. Indica quants electrons els falten o els sobren, a aquests elements, per complir la regla de l’octet: a) S (Z = 16) b) Cs (Z = 55) c) Na (Z = 11)

3. Indica quines de les següents substàncies simples són gasos monoatòmics a temperatura ambient: a) H2

b) Cu

c) Ne

d) Li

e) As

f) He

4. Escriu

la configuració electrònica escurçada, indica el nombre d’electrons de valència i representa el diagrama de Lewis dels àtoms següents: a) Ba (Z = 56) b) Al (Z = 13) c) P (Z = 15) d) Ar (Z = 18)

8 8 8 8

8 8 8 8

d) He (Z = 2)

8 8 8 8

8.

El calci (Ca) i el sofre (S) aconsegueixen la configuració del gas noble més proper acceptant o cedint electrons entre ells. Representa el diagrama de Lewis amb el moviment d’electrons i el compost que es forma.

9. Raona

si són correctes aquests diagrames de Lewis i corregeix els que no ho siguin: a) H N H

8

b) Cl Cl

8

c) H F

8

H

5.

Escriu la configuració electrònica escurçada, indica el nombre d’electrons de valència i representa el diagrama de Lewis d’aquests ions: a) Be2+ (Z = 4) b) N3– (Z = 7) c) F– (Z = 9) d) K+ (Z = 19)

8 8 8 8

L’enllaç iònic

10. Explica si el clor pot formar un enllaç iònic amb algun dels àtoms següents. Escriu la fórmula em­ pírica d’aquells compostos que sí que es formen. a) S b) Mg c) Na d) Li

58

8 8 8 8

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

11. Fixant-te en la ubicació dels següents elements

del sistema periòdic, assenyala les parelles d’àtoms que poden formar un enllaç iònic: a) O i Sc

c) Br i S

b) Cu i Sn

d) Cs i Ar

Metalls

Sc Cs

No-metalls

Gasos nobles

O S

Cu Sn

Br

15. Si els compostos iònics no presenten electrons lliures, per què una dissolució de NaCl en aigua condueix l’electricitat?

16.

Ar

Raona si és vertadera o falsa l’afirmació següent: «Que la fórmula empírica del borur de liti sigui Li3B no significa que només hi hagi 3 àtoms de liti, sinó que el 75 % dels àtoms existents en la substància són àtoms de liti».

12. Els compostos iònics, es representen amb dia­

17. Reflexiona sobre si és possible ratllar un vidre

13. A continuació, trobaràs una sèrie d’instruccions

L’enllaç covalent

grames de Lewis en els quals s’accepten i se cedeixen electrons o o bé amb diagrames en què es comparteixen electrons?

desordenades per fer el diagrama de Lewis d’un compost iònic. Ordena-les de forma lògica, i quan tinguis la seqüència correcta, aplica-les a la formació del MgO. a) Representa el diagrama de Lewis dels elements neutres. b) Indica amb fletxes la trasferència d’elec­trons. c) Calcula els electrons que ha de cedir o acceptar cada element per adquirir una configuració de gas noble, basant-te en el seu diagrama de Lewis. d) Comprova que se cedeixen tants electrons com els que s’accepten. Si no és així, afegeix tants ions d’aquests elements com facin falta. e) Representa el diagrama de Lewis del compost. f) Escriu la configuració dels elements.

de fluorita (CaF2) amb l’ungla.

18. Classifica

aquests compostos en iònics o en

covalents: a) CO

8

b) BeO

8

c) F2

8

d) CsF

8

19. Representa les següents substàncies covalents mitjançant un diagrama de Lewis: a) HF

b) I2

c) H2O2

d) CCl4

20. Indica l’ordre d’enllaç de cada un dels enllaços

de l’àcid nitrós (HNO2) sabent que el seu diagrama de Lewis és el següent:

H O N O

14. L’òxid de bari (BaO) s’utilitza per fer lents d’alta qualitat; creus que és convenient netejar aquestes lents amb un drap humit? Raona la teva resposta.

21. Compara la polaritat de l’enllaç F

amb la del 2 fluorur d’hidrogen (HF). Algun dels dos és un dipol?

59

UNITAT 2 » ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS

22. El diamant té una duresa de 10 en l’escala de Mohs; raona si és una substància covalent reticular o una molècula. Sense tenir en compte el seu preu, creus que és pràctic tenir un martell de diamant? En quin tipus d’eines es podrien aprofitar les propietats físiques del diamant?

23. Sabent que un dels enllaços del cianur d’hidro­ gen (HCN) és triple, representa el seu diagrama de Lewis.

24. L’acetona és un dissolvent líquid que s’utilitza

per retirar l’esmalt de les ungles. Raona si és una substància covalent reticular o una molècula. En el cas que sigui una molècula, creus que serà polar o apolar?

c) Relaciona la intensitat de les forces intermoleculars amb la variació de les temperatures de fusió dels compostos del teu gràfic.

d) Amb les dades de la taula, es pot saber si algun dels compostos estarà en estat gasós a 25 °C? Raona la teva resposta.

27. La

temperatura d’ebullició del fluorometà (CH3F) és de –78,4 °C, mentre que la del difluoro­ metà (CH2F2) és de –51,6 °C. Com expliques aquests resultats sabent que la molècula de CH3F és més petita que la de CH2F2?

28. Raona

si les forces intermoleculars entre les molècules d’amoníac i les d’aigua són de Van der Waals o són enllaços d’hidrogen. Creus que si intentéssim dissoldre l’amoníac en un dissolvent no polar aconseguiríem retenir-lo a la dissolució?

25. El cianur d’hidrogen (HCN) és un líquid incolor,

volàtil, que bull a 26 °C i que presenta una gran toxicitat. Raona si es tracta d’una substància covalent reticular o d’una molècula.

Forces intermoleculars

29. Raona

si és vertadera o falsa l’afirmació següent: «Com més grans siguin les forces intermoleculars existents entre les molècules d’una substància, més gran serà la seva temperatura de fusió».

26.

Respon a les següents qüestions, relacio­ nades amb els compostos formats per un carboni enllaçat a quatre halògens: a) Determina el tipus de força intermolecular que existirà entre dues molècules d’aquest compost.

b) Amb les dades de la taula següent, confecciona, en un full a part, un gràfic temperatura-compost.

Indica si a 25 °C aquestes substàncies estarien en estat sòlid o no.

SUBSTÀNCIA

CF4

CCI4

CBr4

CI4

Tfusió/°C

–183,6

–22,6

92,3

171

30. A

mesura que l’aigua s’escalfa, l’energia cinètica de les seves molècules augmenta, per la qual cosa aquestes se separen més i la densitat del líquid disminueix. Esbrina si la densitat de l’aigua líquida a una temperatura de 100 °C ha disminuït tant que el gel s’hi enfonsaria.

31. Quines

substàncies d’interès biològic coneixes que presentin forces intermoleculars i com influeixen en aquestes substàncies?

L’enllaç metàl·lic 60

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS « UNITAT 2

32. Assigna raonadament cada figura a un compost iònic, covalent o metàl·lic. a)

b)

c)

+

+

+

+

+

+

–

+

–

+

+

+

+

+

+

–

+

–

+

–

+

+

+

+

+

+

–

+

–

+

+

+

+

+

+

–

+

–

+

–

+

+

+

+

+

+

–

+

–

+

33. Com explica, el model d’electrons lliures, el fet que els metalls no siguin fràgils? Fes un dibuix.

Resum de les propietats dels compostos químics

38. Raona quina d’aquestes tres substàncies (CO, CuO i Co) pot tenir les característiques següents: ser un sòlid, insoluble en aigua i conductor del corrent elèctric.

39. La sorra de la platja no és adequada per fer

ciment perquè el seu contingut en clorur sòdic (NaCl) fa que es produeixi un ciment de mala qualitat que posteriorment pot generar problemes en la construcció realitzada. Com separaries fàcilment la sorra (SiO2) dels grans de clorur sòdic?

40.

fer canonades per conduir l’aigua corrent o el gas ciutat. Quines propietats influeixen més?

Tria un objecte de la teva vida quotidiana que estigui construït majoritàriament per un únic tipus de material. Dissenya, en un full a part, un assaig de laboratori que et permeti deduir el tipus d’enllaç present en aquest material i que puguis realitzar a casa. Després de fer l’experiment, exposa les teves conclusions a classe.

35. Raona l’afirmació següent: «Els materials més

41. A continuació, et presentem una sèrie de ma­te­

34. Raona per què utilitzem els metalls a l’hora de

durs de la naturalesa són els compostos metàl·lics».

36. Anomena

cinc objectes utilitzats en la vida diària que estiguin fets de materials metàl·lics i intenta explicar les seves característiques amb les propietats dels compostos metàl·lics estudiades.

rials i l’ús de cada un. Raona el tipus de compost de què es tracta en cada cas.

a) Cinta aïllant: cinta adhesiva que serveix per aïllar cables elèctrics, evitant així que es produeixin corrents elèctrics indesitjats.

b) Punta de diamant: material que, col·locada a la punta d’una eina, serveix per tallar vidres.

c) Sals de bany: substàncies que, dissoltes en aigua, milloren les propietats de l’aigua de bany.

37. Quin tipus de material utilitzaries per tallar un metall?

d) Paper alumini: làmina fina de color metàl·lic utilitzada per embalar els aliments i augmentar el pe­ ríode de conservació.

61