Operació món: Física i Química 3º ESO (demo)

DEMO

INCLOU

IC

ÈN

C IA 1 2 ME

SO

C. l Va

en cian

3

S

LL

PROJECTE DIGITAL

a

ESO

FÍSICA I QUÍMICA J. M. Vílchez González, A. M.a Morales Cas, G. Villalobos Galdeano

r e p

ió c a

n ó O m

Índex Els sabers bàsics del curs

DESAFIAMENTS QUE MARQUEN

Organitzar una escape room..........................................................10

El coneixement científic ........................................ 12 La utilitat de coneixement científic 1. Què és la ciència?

2. La física i la química 3. Magnituds físiques. Unitat i mesures 4. Instruments de mesura. Errors 5. Múltiples i submúltiples 6. El llenguatge de la ciència 7. Material de laboratori. Normes de seguretat Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

1 La matèria. Els gasos

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

30

Coneixent els gasos 1. Els estats d’agregació 2. La teoria cineticomolecular 3. Canvis d’estat 4. Lleis dels gasos ideals 5. L’atmosfera terrestre Projecte d’investigació L’energia de l’atmosfera Treball pràctic Evidències de la pressió atmosfèrica Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

2 Dissolucions

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

50

L’aigua, dissolvent universal 1. Substàncies, mescles i sistemes materials 2. Dissolucions, suspensions i col·loides 3. Concentració d’una dissolució 4. Solubilitat 5. L’aigua. Característiques i contaminació Projecte d’investigació Aigua potable-aigua embotellada Treball pràctic Concentració i densitat d’una dissolució Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

Dossier d’aprenentatge......................................................................................................... 70

DESAFIAMENTS QUE MARQUEN

DESAFIAMENTS QUE MARQUEN

Em convertisc en influenciador o influenciadora.................. 72

Exposició fotogràfica: l’ull que tot ho veu...............................152

3 L’àtom

6 Les forces i efectes que tenen .. ..................................................................................................... 74

Viure sense Internet 1. Primeres idees sobre l’àtom 2. De la naturalesa elèctrica de la matèria al primer model atòmic 3. De la radioactivitat al model nuclear de l’àtom 4. El nucli de l’àtom 5. Classificació dels elements químics 6. L’escorça de l’àtom 7. Aplicacions dels isòtops radioactius Projecte d’investigació Els residus radioactius Treball pràctic Química de focs artificials

4 Les substàncies químiques

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

96

Producció i processament de productes agrícoles 1. Substàncies simples i compostes 2. Els àtoms s’unixen 3. Enllaç químic 4. Molècules i cristalls 5. Fórmules químiques 6. Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques Projecte d’investigació Fertilitzants i explosius Treball pràctic Substàncies simples i compostos Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències Apèndix Formulació i nomenclatura química

5 Reaccions químiques

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

Comprenent les forces de la naturalesa 1. Forces 2. Deformacions 3. Moviments 4. Forces quotidianes 5. Lleis de Newton 6. Màquines simples Projecte d’investigació L’acceleració de la gravetat Treball pràctic Deformacions elàstiques Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

7 Naturalesa de les forces

Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

130

Estudi de les transformacions 1. Canvis en la composició de les substàncies 2. Teoria atòmica de les reaccions químiques 3. Equacions químiques 4. Lleis ponderals i equacions químiques 5. Quantitat de substància 6. Química, medi ambient i societat Projecte d’investigació Embornals de CO2 Treball pràctic Reaccions químiques amb substàncies gasoses Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

Dossier d’aprenentatge....................................................................................................... 150

....... 154

.............................. 180

Geolocalització 1. Força gravitatòria 2. Força electrostàtica 3. Força magnètica 4. Electromagnetisme Projecte d’investigació Força magnètica d’un electroimant Treball pràctic On està el nord?

Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

Dossier d’aprenentatge............................................................... 200 DESAFIAMENTS QUE MARQUEN

Saviesa col·lectiva........................................................................... 202

8 Circuits

............................................................................................ 204

El transistor 1. Corrent elèctric 2. Circuit elèctric 3. Llei d’Ohm 4. Lleis de Kirchhoff 5. Dispositius elèctrics 6. Electrònica Projecte d’investigació Evolució dels microprocessadors Treball pràctic Mesura de resistències Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

9 Fonts d’energia

................................................................ 226

El cotxe elèctric 1. Ús racional de l’energia 2. Centrals elèctriques 3. Transport i distribució d’energia elèctrica 4. Energia i potència elèctriques 5. Energia elèctrica en els habitatges Projecte d’investigació Tipus de llums Treball pràctic Energia per a cuinar Comprén, reflexiona i posa a prova les teues competències

Dossier d’aprenentatge................................................................246

4 Les substàncies químiques PRODUCCIÓ I PROCESSAMENT DE PRODUCTES AGRÍCOLES La diversitat de la matèria que ens envolta es deu a les diferents pro­ pietats de les substàncies que la componen. Hi ha substàncies conduc­ tores de la calor, de l’electricitat i unes altres que són solubles en aigua.

A més, les substàncies es poden transformar o processar per a obtin­ dre’n altres diferents, amb millors propietats per a una funció concreta.

El processament de substàncies és de summa importància en els ali­ ments, els quals són processats des que són un producte agrícola fins a convertir-se en un aliment final. Actualment, no tots els països són capaços de transformar-los, i només el 30 % dels països en vies de desenvolupament sotmeten els aliments a un processament industrial.

Davant d’això, quasi la totalitat dels països desenvolupats, un 98 %, sí que processen els productes agrícoles que generen.

A més de suplir aquestes diferències entre països industrialitzats i ­països en desenvolupament, existix un altre problema derivat de la in­ dústria alimentària: els productes químics utilitzats i les deixalles que es generen. Els fertilitzants i els pesticides que s’usen en els cultius acaben contaminant els sòls i les aigües que hi ha al voltant. I no és l’únic pro­ blema associat a les terres de cultiu, perquè també són les causants de més del 20 % de les emissions de gasos d’efecte d’hivernacle a causa de la desforestació.

96

COMPROMÍS ODS

Una vegada hàgeu vist els vídeos sobre les metes 9.b i 12.4, feu en grup les activitats següents:

1. Realitzeu una recerca de projectes de desenvolupament a Àsia relacionats amb la meta 9.b dels ODS. 2. Escriviu un paràgraf sobre la possibilitat i l’oportunitat de dur a terme aquesta meta.

3. Busqueu informació sobre les substàn­ cies químiques permeses en el proces­ sament d’aliments, com la sal comuna.

En acabar aquesta unitat, reviseu les anotacions inicials i compareu-les amb el coneixement que heu adquirit.

4. Quins problemes comporta la utilització de fertilitzants i pesticides sobre la salut dels sòls i dels ecosistemes? Busqueu algunes mesures que es poden prendre per a restaurar les terres degradades.

Què descobriràs?

En aquesta unitat

SEQÜÈNCIA D’APRENENTATGE

Producció i processament de productes agrícoles

VÍDEO. LA REGLA DE L’OCTET.

1. Substàncies simples i compostes

4.1 Crea un canal de YouTube, d’accés privat, on pujaràs els vídeos que crearàs.

2. Els àtoms s’unixen.

3. Enllaç químic.

4. Molècules i cristalls.

5. Fórmules químiques.

6. Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques Taller de ciències Projecte d’investigació: Fertilitzants i explosius Treball pràctic: Substàncies simples i compostos

En anayaeducacion.es Per a motivar-te: • Vídeo: «Abans de començar».

• Documents: «Vols dedicar-te a l’enginyeria ambiental?», «Vols dedicar-te a la microbiologia?», «Vols dedicar-te a ser químic/a especialista en femtoquímica?».

Per a detectar idees prèvies: • Activitat interactiva: Autoavaluació inicial.

• Presentació: «Què necessites saber».

Per a estudiar: • Vídeo: «Nanotubs de carboni».

• Simulació: «Construïx una molècula».

• Presentació: «La taula periòdica».

• Visualitzador de molècules: Substàncies moleculars, cristalls iònics, cristalls metàl·lics i cristalls covalents.

• Presentació: «Per a estudiar».

Per a avaluar-te: • Activitat interactiva: Autoavaluació final.

4.2 Seguint en el model de bones pràctiques que vas elaborar, crea un vídeo en què expliques les formes en què els elements poden aconseguir la configuració electrònica del gas noble més pròxim. En aquesta unitat, els vídeos seran senzills i de curta durada. Es pot optar perquè es veja una presentació mentre s’escolta la veu del presentador o presentadora.

Heu de fer en grup cada una de les presentacions, i els passos que s’han de seguir poden ser: • Fer un esquema.

• Introduir els textos. Han de ser curts i directes.

• Buscar les imatges o animacions que s’afegiran, comprovant que tinguen les llicències pertinents.

• Fer les animacions i les transicions.

• Fer un guió de l’àudio i assajar-lo.

• Triar la música ambiental, de llicència adequada. És convenient que per a aquest primer vídeo opteu per una opció senzilla sense molt de material audiovisual.

VÍDEO. L’ENLLAÇ QUÍMIC. Elabora un vídeo per a explicar les distintes formes en què s’unixen els àtoms per a formar compostos. Utilitza algun programa de modelatge de molècules per a generar imatges amb què il·lustrar les explicacions.

VÍDEO. LA MASSA MOLECULAR. Explica en un vídeo com es calcula la massa molecular d’un compost d’interés industrial. Pots incloure una explicació sobre la importància d’aquest compost, el procés de producció, etc.

• Solucions de totes les activitats numèriques.

I, a més, tota la documentació necessària per a aplicar les claus del projecte.

+ orientacions en anayaeducacion.es

97

1

1.1 Les rajoles de la matèria Hem estudiat que la matèria està composta d’àtoms, i els diferents tipus d’àtoms s’ordenen segons el nombre atòmic en el sistema periòdic dels elements. Molts d’aquests elements químics es coneixen des de l’Antigui­ tat i uns altres van ser descoberts una vegada que la química va aconse­ guir l’entitat de ciència. Però com va ser possible descobrir diferents tipus d’àtoms abans de conéixer, si més no, que existien?

Substàncies simples i compostes

Per a respondre la pregunta anterior és necessari acudir a una classificació de les substàncies en funció de la composició i determinar si és possible o no descompondre la substància: • Substàncies simples, si les unitats que les componen estan formades per àtoms del mateix element químic. Per tant, aquest tipus de substàn­ cies no es descomponen en altres més senzilles.

• Substàncies compostes, o compostos, si estan formades per la unió d’àtoms de diferents elements químics. Les substàncies compostes es poden descompondre en substàncies simples; per exemple, l’aigua pot descompondre’s en dioxigen i dihidrogen.

1.2 Elements naturals i artificials Identifica les entitats elementals

De manera general, es pot afirmar que els elements químics el nombre atòmic dels quals és inferior o igual al de l’urani (Z = 92) corresponen a àtoms que es troben en l’escorça terrestre formant substàncies simples o compostes. El seu descobriment va passar necessàriament per aïllar les substàncies simples formades per cada un.

Observa la imatge inferior esquerra, en la qual cada esfera representa un àtom.

Quina diries que és l’entitat elemental que forma cada una de les substàncies?

La resta dels elements químics coneguts s’han obtingut per mitjà de la desintegració radioactiva d’uns altres o en acceleradors de partícules. El seu descobriment no ha implicat aïllar la substància simple, sinó observar directament l’àtom.

Torna sobre aquesta pregunta en fina­ litzar la unitat.

Substància simple o composta Substància pura

2

Es pot descompondre en altres substàncies per processos químics?

5

115

113 Sí

No

26

Fe

44

Nh Co Ni

27

77

108

109

Os

Compost

Substància simple

Tant els compostos com les substàncies simples estan formats per unitats idèntiques entre si. La diferència és que els compostos estan formats per dos o més àtoms diferents.

98

Hs

Ir

Mt

7

N

13

14

15

Al

Si

117 P

29

30

31

Mc

32

33

46

47

48

49

50

Cu

In

78

79

80

81

110

111

112

113

Pt

Au Hg

Tl

Ds Rg Cn Uut

8

O

16

9

F

17

S 118 Cl

He

10

Ne

18

Ar

Ts Br OgKr 34

35

51

52

53

82

83

84

85

86

114

115

116

117

118

Ga Ge Zn MOSCOVI

Ru Rh Pd Ag Cd

76

C

28

NIHONI

45

B

6

Sn Pb

AsTENESISe

Sb Bi

Te

Po

36

OGANESSÓ

I

At

54

Xe

Rn

Fl Uup Lv Uus Uuo

Els nous elements químics descoberts en els últims anys ja tenen nom i símbol.

Busca informació sobre els noms dels nous elements químics. Quins criteris s’establixen per a anomenar-los?

U4

1.3 Elements químics i substàncies simples

Analitza el grup de l’hidrogen

És important tindre present que la denominació «element» pot referir-se tant a la mena d’àtom amb el mateix nombre de protons (és a dir, amb el mateix nombre atòmic), o bé a la substància simple formada per àtoms d’aquest tipus. Per a evitar que hi haja confusió, en moltes ocasions, en aquest llibre utilitzarem el terme «element químic» per a denominar la mena d’àtoms i no la substància simple. Per exemple, el ferro (substància simple) és el que es troba format per àtoms de l’element químic ferro.

HH

EN

HIDROG

1.4 Grans grups en el sistema periòdic De manera complementària a l’agrupació dels elements químics en famí­ lies o grups, i en períodes, i tenint en compte a certes propietats, podem classificar els elements químics en:

A quin grup pertany l’hidrogen? Presenta les mateixes propietats que els metalls?

• Metalls. La majoria dels elements químics (els representats en color blau en la imatge inferior) són metàl·lics. Els àtoms metàl·lics perden electrons amb facilitat i, per tant, formen cations.

• No metalls. Al contrari del que pot semblar pel nom, els elements quí­ mics que es denominen «no metalls» no són tots aquells que no són metalls, sinó que es tracta tan sols dels deu elements representats en groc. Aquests àtoms formen anions.

• Semimetalls. Les substàncies simples formades per aquests elements químics compartixen amb els metalls certes propietats, però presenten també propietats de les substàncies no metàl·liques. Són els elements químics representats en color verd en la taula inferior.

• Gasos nobles. Es tracta dels elements del grup 18 de la taula periòdica.

Les substàncies formades per aquests elements químics són gasoses i estan formats per àtoms que no estan units entre si. Aquestes caracte­ rístiques permeten explicar la càrrega dels ions i la forma en la qual la resta dels elements químics s’unixen entre si.

Els grups d’elements en el sistema periòdic

Semimetalls

Gasos nobles

Metalls

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

No metalls He

H Be

B

C

N

O

F

Ne

Na Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

Ga Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb Mo Tc

Ru Rh Pd Ag Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba La

Hf

Ta

Re Os

Ir

Pt

Au Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra Ac

Rf

Db Sg Bh Hs

Mt

Ds Rg Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Dy Ho

Er

Tm Yb

Lu

Es Fm Md No

Lr

Li

Lantànids Actínids

V

Cr Mn Fe

W

Ce

Pr

Th

Pa

Co

Ni

Cu

Zn

Nd Pm Sm Eu Gd Td U

Np Pu Am Cm Bk

Cf

1 Explica la diferència entre substància simple i element químic. Posa un exem­ ple de cada un.

2

Consulta la taula periòdica interac­ tiva que t’oferim en anaya­edu­cacion.es i contesta: quantes files i columnes té el sistema periòdic dels elements químics?

3 Indica si els elements químics següents són metalls, no metalls, gasos nobles o semimetalls: a) Fòsfor, clor i carboni. b) Magnesi, calci i zinc. c) Argó, xenó i radó. d) Bor, silici i germani.

99

2

2.1 L’enllaç químic Les substàncies simples, com el diclor, Cl2, i les compostes, com l’amoní­ ac, NH3, estan formades per entitats elementals que són el resultat de la unió entre àtoms, unió que es denomina enllaç químic i es produïx perquè els àtoms enllaçats són més estables que els àtoms aïllats, excepte en el cas dels gasos nobles, com veurem a continuació.

Els àtoms s’unixen

Un enllaç químic és el resultat de la força d’atracció que unix dos àtoms.

2.2 Gasos nobles i regla de l’octet Si els àtoms dels gasos nobles no s’unixen és perquè són estables aïllats.

Observant les característiques d’aquests àtoms podem concloure que l’estabilitat prové del nombre d’electrons de l’última capa: • L’heli (Z = 2), primer gas noble, té dos electrons en l’última capa. Com aquesta capa és l’única que té, aquesta estarà plena.

Extrau conclusions Explica el diferent color utilitzat per a il·lustrar els electrons dels gasos nobles de la imatge.

• La resta dels gasos nobles posseïxen huit electrons en l’última capa, però no tots tenen l’últim nivell ple. De tots, només el neó té l’última capa d’electrons completa.

A partir del neó, els gasos nobles no tenen l’última capa al complet a cau­ sa de l’ordre en l’ompliment de les capes, que s’estudiarà en altres cursos.

Configuració electrònica dels gasos nobles

2

He HELI

10

Ne NEÓ

L’heli i el neó tenen l’última capa d’electrons completa; no obstant això, l’argó i el criptó no tenen aquesta capa comple­ ta, encara que sí que hi posseïxen huit electrons.

100

18

Ar

ARGÓ

36

Kr

CRIPTÓ

En cursos següents veuràs que aquesta és una primera apro­ ximació a la regla de l’octet que, com veurem, és la regla que prediu la formació d’unions entre àtoms.

U4

Les observacions anteriors es resumixen en la regla de l’octet: Els àtoms s’unixen entre si de tal manera que, com a resultat de la unió, posseïsquen huit electrons en l’última capa, excepte l’H, Li i Be que es queden amb dos electrons.

Un àtom pot adquirir la configuració electrònica de gas noble en unir-se amb un altre, la qual cosa vol dir que com a resultat d’aquesta unió l’àtom tindrà tants electrons com un gas noble. Els ions també es formen per a tindre el mateix nombre d’electrons que un gas noble.

2.3 Maneres d’aconseguir la configuració de gas noble

En estudiar l’escorça de l’àtom vam veure que un àtom neutre pot cedir o guanyar electrons, donant lloc a un ió. El nombre d’electrons que en cedix o en guanya no és qualsevol, sinó el necessari perquè l’última capa tinga els mateixos electrons que el gas noble més pròxim (dos en el cas de l’heli i huit per a la resta de gasos nobles).

Però hi ha àtoms molt allunyats d’un gas noble en el sistema periòdic, per la qual cosa haurien de cedir o guanyar un nombre excessiu d’electrons.

En aquests casos ocorre que dos o més àtoms compartixen electrons en­ tre si, per a complir la regla de l’octet.

Investiga els tipus d’enllaç químic A partir d’aquestes dues maneres d’aconseguir huit electrons en la capa de valència s’obtenen tres tipus d’en­ llaç químic diferents: covalent, iònic i metàl·lic.

Investiga sobre els tipus d’enllaç químic i assigna’ls en la part adequada de l’es­ quema.

Maneres d’aconseguir huit electrons Els àtoms adquirixen espontàniament estabilitat

poden ser estables com els de

Gasos nobles

cedint electrons

guanyant electrons

Cations

Anions

que tenen

compartint electrons

per a adquirir Huit electrons en l’última capa

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

4 Fes un esquema de l’escorça dels àtoms dels tres primers períodes del grup 17 de la taula periòdica. Quines con­ clusions extraus?

5

Els globus d’heli suren en l’aire, ja que aquest gas és menys dens que la mescla de gasos que formen l’aire.

Creus que és convenient llançar globus d’heli en un es­ deveniment sobre medi ambient? Explica la teua postura sobre aquest tema mitjançant una redacció.

6

«Els gasos nobles […] normalment es troben en la naturalesa en forma aïllada perquè la capacitat que te­ nen per a reaccionar amb altres elements i formar com­ postos és molt reduïda. Però no nul·la i en el laboratori s’ha estudiat un bon nombre de molècules formades per gasos nobles». Agència SINC, desembre, 2013.

Busca l’origen d’aquesta informació i analitza-la.

101

3

3.1 Càrregues elèctriques dels ions Mitjançant la regla de l’octet es pot justificar que els ions de certs ele­ ments químics tinguen una determinada càrrega elèctrica. Per exemple, l’alumini forma cations Al3+; el bari, Ba2+; el clor, anions Cl–, i el sofre, S2–.

Això és així perquè, d’aquesta manera, aquests elements aconseguixen la configuració electrònica del gas noble més pròxim.

Enllaç químic

Podem conéixer la càrrega de l’ió aplicant aquesta seqüència: • A partir del grup del sistema periòdic deduïm el nombre d’electrons en l’última capa.

• Coneixent el nombre d’electrons de l’última capa, sabrem quants li’n falten o li’n sobren per a tindre els mateixos que el gas noble més prò­ xim i, amb això, la càrrega de l’ió que es forma.

3.2 Enllaç iònic Hem vist, en cursos anteriors, que una de les formes en què la matèria adqui­ rix càrrega elèctrica és mitjançant l’intercanvi d’electrons entre els àtoms que la formen. Per tant, perquè es forme un anió és necessari que simultà­nia­ ment es forme un catió, produint-se l’intercanvi d’electrons entre tots dos.

Quan aquest intercanvi ha ocorregut, existixen dos ions de càrregues con­ tràries, la qual cosa dona lloc a l’atracció elèctrica entre tots dos.

Un enllaç iònic és el resultat de la força d’atracció entre cations i anions per ser les càrregues d’aquests de signe contrari.

Veurem, a continuació, que l’enllaç iònic no es produïx en dos ions aïllats, sinó entre un gran nombre d’aquests.

Càrrega d’ions a partir de la posició en el SI 1 1

2

H

2

HIDROGEN

3

Li LITI

11

16 8

4

Be

OXIGEN

BERIL·LI

16

12

Na Mg SODI

19

K

POTASSI

37

Rb RUBIDI

3

MAGNESI

20

Ca CALCI

38

Sr

ESTRONCI

O

21

Sc

ESCANDI

39

Y

ITRI

S

SOFRE

34

Se SELENI

52

Te

TEL·LURI

17 9

F

FLUOR

17

Cl

CLOR

35

Br

BROM

53

I

IODE

18

He

Nre. electrons valència

En cedixen o en guanyen

Càrrega de l’ió

1

1

En cedixen

+1

2

2

En cedixen

+2

13

3

En cedixen

+3

16

6

En guanyen

–2

17

7

En guanyen

–1

HELI

10

Ne NEÓ

18

Ar ARGÓ

36

Kr

CRIPTÓ

54

Xe XENÓ

Els elements dels grups més pròxims al grup 18 (gasos no­ bles) cedixen o guanyen un nombre d’electrons igual o infe­ rior a quatre, formant ions. D’aquesta manera aconseguixen tindre el mateix nombre d’electrons que el gas noble més pròxim. Així, el fluor guanyarà un electró, formant F–, i el mag­ nesi en perdrà dos, donant lloc a Mg2+.

102

Grup

El que hem exposat ací servix per a conéixer la càrrega dels ions dels elements dels grups d’aquesta taula.

Per a la resta d’elements del sistema periòdic, perquè també hi ha elements que formen ions, la deducció de la càrrega no és tan senzilla, com veuràs en cursos supe­ riors.

U4

3.3 Unions d’àtoms

compartint electrons Alguns àtoms s’unixen a uns altres compartint electrons, la qual cosa pot donar lloc a dos tipus d’unions, o enlla­ ços, totalment diferents: l’enllaç covalent i l’enllaç me­ tàl·lic.

Les substàncies que presenten un enllaç covalent tenen propietats físiques i químiques molt diferents de les que tenen les substàncies amb un enllaç metàl·lic.

• Enllaç covalent. És la unió entre dos àtoms d’elements del grup dels no metalls, que poden ser del mateix ele­ ment químic o d’elements químics diferents; els quals compartixen parells d’electrons.

Els electrons que es compartixen pertanyen alhora a tots dos àtoms, ja que són atrets per cada un dels nuclis dels dos àtoms enllaçats. Es tracta d’una mena d’unió molt estable, i per tant molt difícil de separar.

• Enllaç metàl·lic. És la unió dels àtoms d’un mateix me­ tall com a resultat que tots compartixen de manera col· lectiva alguns dels electrons.

EXERCICIS RESOLTS

1 Indica quin tipus d’ió formarà el beril·li a partir de la informació sobre la ubicació en el sistema periòdic. A quin gas noble correspon l’escorça electrònica de l’ió format?

El beril·li està en el segon grup i segon període, per tant la seua capa de valència és la segona i té dos electrons. Formarà un catió Be2+ en perdre aquests dos electrons i quedar amb la mateixa distribució d’electrons en l’escorça que l’heli.

2 Utilitzant el mètode que hem aprés per a justificar la càrrega d’ions, indica quin tipus d’ió forma l’hidrogen.

L’hidrogen té un electró en la capa de valència, per la qual cosa pot: –G uanyar un electró i que l’escorça quede com la de l’heli, formant H–.

–P erdre un electró i quedar sense electrons, formant H+. Aquest ió de l’hidrogen es coneix també com a protó.

Estructura de l’enllaç covalent i de l’enllaç metàl·lic

L’aigua, H2O, està formada per un àtom d’oxigen que està unit a dos àtoms d’hidrogen, compartint amb cada un d’aquests un parell d’electrons.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

L’enllaç metàl·lic es basa en l’atracció de cada un dels àtoms carregats de la xarxa amb els electrons que cedixen al con­ junt.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

7 Deduïx quina càrrega tindran els ions dels elements se­ güents, referint-los al gas noble més pròxim en el sistema periòdic: a) Clor. b) Potassi. c) Bor. d) Oxigen.

8 Indica si és possible que les parelles d’àtoms següents s’unisquen, atesa la càrrega dels ions que formen: a) Clor i fluor. b) Sodi i liti.

103

4

Molècules i cristalls

Les entitats elementals que componen les substàncies poden ser àtoms individuals o agrupacions de dos o més àtoms. El qualificatiu elemental s’utilitza perquè aquestes entitats representen la menor porció possible d’una substància, siga simple o composta. Les entitats elementals forma­ des per diversos àtoms poden ser molècules o cristalls.

4.1 Molècules La majoria de les substàncies estan formades per molècules. Aquestes entitats elementals són el resultat de la unió d’àtoms d’elements no metàl· lics, compartint els electrons, és a dir, són el resultat d’enllaços covalents.

Una molècula és una entitat elemental formada per àtoms units entre si mitjançant enllaç covalent.

Els àtoms que formen una molècula poden ser del mateix o de diferents elements químics. El nombre d’àtoms que componen una molècula de­ terminada no és variable, sinó que totes les molècules d’una substància tenen el mateix nombre i tipus d’àtoms.

Interpreta models moleculars En els models moleculars, la unió en­ tre àtoms es representa per barres i els àtoms, per esferes.

Quants àtoms té una molècula de glu­ cosa? A quants d’àtoms està unit cada nitrogen (esfera blava) en una molècula d’amoníac?

Existixen molècules molt senzilles, com el diclor, l’ozó o l’aigua; unes al­ tres un poc més complexes, com els àcids grassos o la glucosa, i molècu­ les d’una complexitat estructural notable, com les proteïnes, la funció de les quals en l’organisme està determinada per l’estructura tridimensional.

4.2 Cristalls En l’estat sòlid, les partícules presenten un ordre tridimensional. Aquesta es­ tructura es denomina cristall.

Un cristall és una estructura tridimensional que manté un ordre regular en les unitats que la formen.

Existixen sòlids que no estan formats per cristalls, es denominen sòlids amorfs.

Models per representar les molècules

Molècules d’amoníac.

104

Molècules d’aigua.

Molècules de glucosa.

U4

Els cristalls es classifiquen segons l’entitat elemental que es repetisca en l’estructura: cristalls iònics, metàl·lics o covalents.

Tipus de cristalls

• Els cristalls iònics estan formats per cations i anions que s’unixen com a resultat de l’atracció de càrregues elèctriques de signe contrari; és a dir, com a resultat d’enllaços iònics.

• Els cristalls metàl·lics estan formats per àtoms del ma­ teix metall, que compartixen els electrons. Els electrons de la xarxa metàl·lica es mouen lliurement per aquesta, amb major o menor facilitat en funció de l’element me­ tàl·lic que forme la xarxa.

• Els cristalls covalents són resultat de la unió d’àtoms d’elements no metàl·lics mitjançant enllaç covalent. Per això, els electrons en aquestes xarxes no es mouen lliu­ rement.

Aquesta varietat d’unions entre els àtoms que formen cada tipus de cristall dona com a resultat propietats molt diferents entre si.

Els anions (verd) i els cations (violeta) de la sal comuna (NaCl) s’unixen formant un cristall iònic.

• Les substàncies formades per cristalls iònics, anomena­ des sals, són fràgils i solubles en aigua, com el clorur de sodi.

• Les substàncies formades per cristalls metàl·lics, ano­ menades metalls, són conductores de l’electricitat, flexibles, dúctils i mal·leables. Es tracta de substàncies simples com el ferro.

• Els sòlids covalents, que és com es denomina a les substàncies formades per cristalls covalents, són durs, no conduïxen l’electricitat i són molt estables. Un exem­ ple n’és el diamant.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

9

Fes un esquema en el qual es relacione la infor­ mació de les unions entre àtoms amb la classe d’en­ titats elementals que poden tindre les substàncies.

10

Visualitza els distints tipus de cristalls que t’oferim en anayaeducacion.es i explica quines són les diferènci­ es entre un cristall iònic, un de metàl·lic i un de covalent.

11

A partir del que has estudiat, proposa un mètode per a identificar els diferents tipus de cristalls.

12

Veig, pense, em pregunte. Investiga sobre el ma­ terial que se situa en la part alta d’una central termosolar per a la generació de corrent elèctric.

13

Busca informació sobre el quart tipus de cristall que no està esmentat en aquest text, el cristall molecu­ lar, i explica com està constituït, així com algunes de les característiques.

En els metalls, els electrons es compartixen de manera col· lectiva, i tenen llibertat de moviment.

El diamant és una xarxa cristal·lina covalent d’àtoms de car­ boni. És la segona forma més estable del carboni.

105

5

5.1 Fórmules químiques A partir del nom comú d’una substància, per exemple l’amoníac, sense una altra informació addicional, no és possible saber si es tracta d’una subs­ tància simple o d’un compost. No obstant això, si disposem de la fórmula química sí que podrem deduir de quina classe de substància es tracta.

Fórmules químiques

Substàncies simples Fórmula

Nom

Fórmula

Nom

Fe

Ferro

Al2O3

Òxid d’alumini

Cl2

Diclor

NH3

Amoníac

Formulació química Consulta l’annex de formulació per a fa­ miliaritzar-te amb la manera d’escriure les fórmules químiques i d’anomenar les substàncies.

Compost

En el cas de la substància simple formada per clor, el nom pot ser diclor, donant així informació sobre el subíndex de la fórmula, o simplement clor. En aquest últim cas es pot confondre la denominació de la substàn­ cia amb la de l’element químic que la forma.

5.2 Interpretació de fórmules químiques Les fórmules químiques oferixen informació de dues classes: • Qualitativa, ja que indiquen quins són els elements químics els àtoms dels quals formen les entitats elementals de la substància.

• Quantitativa, a través dels subíndexs de cada símbol químic. En el cas que el subíndex siga el valor «1», aquest no s’escriu.

Interpretació d’una fórmula química Nombre de símbols químics Un

Tipus d’elements que la componen Substància simple

Metall

Cristall

Al

No metall

Cristall covalent

C

Molècula

Cl2

Fórmula química

Diversos

Compost

Metall + No metall

No metall + No metall

106

Exemple

Cristall

Molècula

Explicació

El subíndex 1 (que no s’escriu) indica que només existix aquest element en el cristall.

El subíndex indica el nombre d’àtoms que forma cada molècula.

Al2O3

Els subíndexs indiquen la proporció de cada ió en el cristall.

CH4

Els subíndexs indiquen el nombre d’àtoms de cada element presents en la molècula.

U4

5.3 Massa molecular i massa de la unitat

Molècula de butà

fórmula

Les propietats d’una substància química estan determinades per les de l’entitat elemental que les compon. Una d’aquestes característiques és la massa molecular o la massa de la unitat fórmula.

Es denomina massa molecular d’una substància la massa de la seua molècula, que s’obté a partir de la seua fórmula química, sumant les masses atòmiques dels àtoms que componen aquesta molècula.

En el cas de les substàncies simples moleculars, la massa molecular té en compte el nombre d’àtoms que formen la molècula.

m (CH4) = 1 · m (C) + 4 · m (H)

Cristall de fluorur de bari

En substàncies formades per cristalls, la massa de la seua entitat elemen­ tal es denomina massa de la unitat fórmula.

La massa de la unitat fórmula d’una substància pura és la suma de les masses dels àtoms que es representen en la fórmula de la substància.

Per a quantificar la massa d’una unitat d’una substància formada per cris­ talls, per exemple el fluorur de bari, BaF2, que és un cristall iònic, utilitzem la fórmula del compost. Així, la massa de la unitat fórmula és la massa d’un àtom de bari, Ba, i dos de fluor, F.

m (BaF2) = m (Ba) + 2 · m (F)

EXERCICIS RESOLTS

3 Calcula la massa de la unitat fórmula de l’òxid d’alumini a partir d’aquesta informació: un cristall d’òxid d’alumini conté dos àtoms d’alumini per cada tres àtoms d’oxigen; m (Al) = 27 u, m (O) = 16 u.

La fórmula del compost és: Al2O3.

La massa de la unitat fórmula serà: m (Al2O3) = 2 · m (Al) + 3 · m (O) Substituint: m (Al2O3) = 2 · 27 u + 3 · 16 u = 102 u

4 Calcula la massa molecular de l’aigua oxigenada (H2O2).

Serà major o menor que la massa molecular de l’aigua?

La massa molecular serà: m (H2O2) = 2 · m (H) + 2 · m (O) A partir dels valors de massa atòmiques del sistema pe­ riòdic: m (H2O2) = 2 · 1,008 u + 2 · 15,999 u = 34,014 u Aquest valor és major que la massa molecular de l’ai­ gua, que té un àtom menys en la seua molècula.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

14 Calcula la massa molecular de les substàncies les

16 Indica si les substàncies següents estan formades per

fórmules de les quals són: a) SO3, b) N2O3, c) FeS, d) Na2O. És correcte parlar de massa molecular en tots aquests casos? Per què?

molècules o per cristalls. Calcula la massa de la unitat fórmula o la massa molecular, utilitza per a això la infor­ mació de l’annex de formulació:

L’hipoclorit de sodi s’utilitza com a agent desinfec­ tant en la potabilització d’aigües. Busca la fórmula quí­ mica d’aquest compost i calcula’n la massa de la unitat fórmula.

a) Òxid de bari.

d) Amoníac.

b) Hidrur de zinc.

e) Clorur de bari.

c) Arsà.

f) Òxid d’alumini.

15

107

6

Multitud de substàncies químiques, simples o compostes, servixen de base per a fabricar productes amb un valor afegit alt.

Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques

Algunes de les àrees d’investigació en química consistixen a dissenyar noves substàncies, o a descobrir usos nous en substàncies conegudes. Se­ gons siga l’àmbit d’ús o l’aplicació de les substàncies químiques, podem citar aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques.

6.1 Aplicacions industrials Els compostos químics de més rellevància en la indústria servixen, alhora, de matèria primera per a altres productes, entre altres destaquen els següents: • Àcid sulfúric (H2SO4). És el compost químic més produït en el món.

La producció d’aquest àcid es considera un indicador de la capacitat industrial d’un país, ja que servix de matèria primera per a la fabricació d’altres productes. La major part de la producció d’àcid sulfúric es des­ tina a la fabricació de fertilitzants.

• Amoníac (NH3). El procés de fabricació de l’amoníac a partir d’hidrogen i nitrogen va comportar una gran revolució, ja que s’aconseguia obtin­ dre fertilitzants de manera artificial i no dependre de les fonts naturals.

Els adobs són substàncies d’origen natural o artificial que posseïxen nu­ trients que poden assimilar les plantes.

• Àcid clorhídric (HCl). L’àcid clorhídric s’utilitza en processos de trac­ tament d’aigües residuals, en la producció d’aliments i en la fabricació d’altres productes químics. A més, s’utilitza per a eliminar l’òxid i les impureses de l’acer abans de processar-lo.

6.2 Aplicacions biomèdiques La biomedicina engloba les ciències que estudien el desenvolupament de nous fàrmacs, o principis actius, i la comprensió a escala molecular dels mecanismes que causen les malalties. Els dos objectius de la bio­ medicina estan íntimament relacionats, perquè conéixer les interaccions entre molècules en les malalties és el punt de partida per a desenvolu­ par fàrmacs nous, o proposar aplicacions noves dels principis actius ja existents.

Producció d’àcid sulfúric Producció d’àcid sulfúric en la UE Bèlgica i Luxemburg 12 % Regne Unit 18 % Alemanya 17 % França 12 %

Espanya 15 %

Itàlia 9 % Finlàndia 9 % Grècia 4 % Noruega 4 % Suècia 4 %

Països Baixos 6 %

Els països més industrialitzats són els majors productors d’àcid sulfúric.

108

Els processos industrials d’obtenció d’àcid sulfúric requeri­ xen instal·lacions de gran complexitat.

U4

Avenços en biomedicina

Recentment s’ha descobert que el magnesi pot estar implicat en la resis­ tència que alguns bacteris presenten davant de certs antibiòtics.

El desenvolupament de nanopartícules capaces de fer arribar fàrmacs fins a l’in­ terior dels tumors és una faceta promete­ dora de la investigació en biomedicina.

L’acció de la quinolina sobre els glò­ buls rojos afectats per malària és un dels últims descobriments en biome­ dicina.

6.3 Aplicacions tecnològiques El disseny de nous materials amb aplicacions electròniques ha permés un avanç exponencial de la tecnologia en les últimes dècades. En aquest avanç han tingut un gran protagonisme els semiconductors, com el silici, i mate­ rials com el grafé. En els últims anys, la investigació sobre molts materials amb aplicacions prometedores ocupa un espai destacable en la innovació i el desenvolupament de la química.

Nous materials +

+

+

+

+

+

+

+

+

– –

–

– –

El grafé és un material format per una capa d’àtoms de car­ boni amb multitud d’aplicacions; com els nanocircuits de grafé.

–

–

–

– –

L’antimonene, un material bidimensional nou de grossària monoatòmica format per àtoms d’antimoni, presenta propie­ tats prometedores a l’hora d’emmagatzemar energia.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

17

Busca el pictograma de seguretat de les substànci­ es que s’esmenten en la pàgina anterior i enumera quins són els riscos a l’hora de manejar-les.

18

L’espill. Busca informació sobre l’antimonene i el grafé i enumera les similituds entre aquests materials i els avantatges d’un davant de l’altre.

Per a arribar al camp professional de la bioquímica, pots optar per cicles formatius de la família química, o una gran varietat de graus universitaris relacionats amb les ciències i les ciències de la salut.

19

El camp de la bioquímica està molt relacionat amb àmbits com la medicina o la farmacologia, i es treballa

Esmenta tres professions que combinen la química amb una altra branca de coneixement.

en equips amb experts d’altres àrees amb l’ús de les tec­ nologies més capdavanteres.

109

Taller de Ciències

Fertilitzants i explosius

Projecte d’investigació Introducció Els fertilitzants són substàncies naturals o sintètiques que s’afegixen als sòls de cultiu per a enriquir-los en un, o diversos, dels tres elements neces­ saris per a la vida de les plantes: nitrogen, fòsfor i potassi.

Fins al segle xx s’utilitzaven fertilitzants nitrogenats d’origen natural: el guano (procedent del Perú) i el salnitre (nitrat de sodi provinent de jaci­ ments a Xile, comercialitzat amb el nom de nitrat de Xile).

En 1913 els químics alemanys Fritz Haber i Carl Bosch van aconseguir fi­ xar el nitrogen de l’atmosfera (N2) en forma d’amoníac (NH3) i van desen­ volupar un procés industrial de gran importància conegut com a procés Bosch-Haver de síntesi d’amoníac.

Posteriorment, aquest procés va servir per a sintetitzar fertilitzants a la resta del món, la qual cosa va canviar dràsticament, durant el segle xx, la capacitat de producció agrícola mundial.

Creixement anòmal d’algues resultants d’eutrofització.

Objectiu Realitzeu una investigació documental sobre les repercussions de l’ús de fertilitzants sintètics.

Procediment

Trencaclosques

Organitzeu la classe en grups de treball xicotets i feu una recerca en Inter­ net sobre els temes següents: • L’eutrofització, per a aconseguir la meta 6.3 dels ODS. • L’agricultura ecològica i l’accés als aliments, seguint la meta 2.3 dels ODS. • Els efectes de l’agricultura intensiva sobre el medi ambient, per a aconseguir la gestió sostenible i l’ús eficient dels recursos naturals (meta 12.2 dels ODS).

• La vida de Fritz Haber i la controvèrsia amb el Premi Nobel de Química que va rebre.

REFLEXIÓ FINAL

Resultats

1 Tots els descobriments tenen una

A partir de la informació que heu trobat elaboreu uns panells per a l’aula que relacionen els temes tractats amb els Objectius del Mil·lenni d’aquest projecte.

aplicació beneficiosa per a la societat i alguna controvèrsia. Conéixer-les ambdues permet tindre una visió crí­ tica sobre l’ús i les aplicacions. Indica els pros i els contres de l’ús de ferti­ litzants sintètics en agricultura.

2 Els problemes que afecten el con­

junt de la societat mun­dial concer­ nixen a tots els que en formem part.

Com a part de la ciutadania elabora una llista amb les teues conclusions en aquest treball.

110

Decidiu entre tots l’estructura d’aquests panells i el suport en el qual seran elaborats.

Discussió, conclusions i comunicació del resultat Organitzeu una exposició i una taula redona amb un altre grup de clas­ se per a difondre el vostre treball i per a utilitzar-lo com a suport de discussió crítica.

Elaboreu una acta de la taula redona on es recullen conclusions i compro­ misos.

U4

Substàncies simples i compostos

Treball pràctic Plantejament del problema En mesclar ferro i sofre obtenim una mescla heterogènia. No obstant això, si calfem aquesta mescla, obtenim una nova substància? Com podem saber si es tracta d’una substància nova?

La teua proposta Recorda alguna propietat del sofre i del ferro que et permeta identi­ ficar-los i fes un plantejament per a comprovar si en calfar la mescla s’obtenen substàncies noves.

La nostra proposta Una característica del ferro és que aquest pot ser atret per un imant.

Aquesta propietat ens permetrà diferenciar entre ferro en estat ele­ mental i un compost en el qual el ferro està present.

En l’informe de laboratori pots adjuntar una fotografia de cada substància ele­ mental, de la mescla d’elles i del compost obtingut en la pràctica.

Material • Sofre • Limadures de ferro • Dos vasos de precipitats • Vidre de ­rellotge • Cresol • Espàtula • Bec de Bunsen • Vareta d’acer • Imant • Guants per a maneig d’elements calents • Ulleres de seguretat Addicionalment àcid clorhídric i tubs d’assaig

Orientacions per a realitzar l’experiència • Per a formar el compost format per ferro i sofre, és ne­ cessari calfar la mescla utilitzant una vareta de metall prèviament calfada. Utilitza guants de protecció per a elements calents i ulleres de seguretat, i pren totes les precaucions necessàries.

• Una vegada obtingut el compost químic, estarà a una temperatura elevada. Preveu en el teu plantejament experimental un temps perquè el compost es refrede.

• Col·loca en un vas de precipitats dues espàtules de so­ fre i una d’encenalls de ferro, mescla-ho amb una vareta de vidre i retola-ho com a «mescla».

• Prepara la mateixa mescla que en el punt anterior, però en aquest cas en el cresol. Calfa la vareta de metall a la flama del bec de Bunsen (utilitzant els elements de seguretat) i després col·loca la vareta en el cresol. Ob­ serva els fenòmens que hi ocorren i apunta els resultats en el quadern.

• Realitza les proves que hages plantejat per a diferen­ ciar entre la mescla i el compost. Prèviament escriu el plantejament experimental i pregunta al professor per alguna prova addicional que es puga portar a ­terme.

EXTRAU CONCLUSIONS...

1 Tenen les mateixes propietats la mescla i el compost quí­ mic final? Explica les evidències experimentals que hi ha­ ges trobat.

2 Descriu el que ha ocorregut en el cresol des de dos punts de vista: l’observació i l’aplicació dels models vistos en la unitat.

3 La substància que s’ha format en el cresol és monosulfur de ferro. a) Escriu-ne la fórmula química. b) És una substància molecular o es tracta d’un cristall?

Interpreta el significat de la fórmula química.

111

COMPRÉN Organitza les teues idees

Mapa conceptual sistèmic

1 Afig en l’esquema inferior els conceptes següents: substàncies simples i compostos.

2

Fes un altre mapa conceptual en el qual resu­ misques tots els continguts de la unitat.

Els àtoms s’unixen

per a guanyar estabilitat

Enllaç iònic

Cedint/guanyant electrons

Compartint electrons

formant

formant

Enllaç metàl·lic

donant lloc a

Àtoms del mateix element químic

Enllaç covalent

Àtoms de diferent element químic

que poden ser

Molècules

que constituïxen

que constituïxen

? ................................

? ................................

Les solucions de totes les activitats numèriques es troben en anayaeducacion.es.

Substàncies simples i compostos 1 Busca informació sobre la fórmula de les substàncies següents: metà, età, propà i butà. a) Són substàncies simples o compostes? b) Es podrien descompondre en altres substàncies més senzilles?

2 El nom d’alguns elements químics fa referència a un científic, al qual s’honra d’aquesta forma. Per exemple, el meitneri es diu així en honor a Lisa Meitner, codes­ cobridora de la fissió nuclear. Indaga a qui s’honra amb el nom dels elements químics de nombre atòmic 104, 107, 96, 99, i busca una referència sobre l’aportació a la ciència.

112

Entitats elementals

compostes per

Cristalls

3 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o fal­ ses i explica per què: a) Els metalls són bons conductors de l’electricitat, però mals conductors de la calor. b) Els metalls tendixen a formar cations, guanyant elec­ trons. c) Els metalls són trencadissos i fràgils. d) Es poden fabricar fils i làmines fets de metalls.

4 Busca el nom i l’any de descobriment dels elements de nombre atòmic 113, 115, 117 i 118.

5 Classifica els elements següents en metalls, no metalls, semimetalls i gasos nobles: sodi, calci, plata, argó, nitrogen, heli, fòsfor i silici.

U4

Recorda seleccionar el material de treball d’aquesta unitat per al teu dossier d’aprenentatge.

6 Indica si aquests elements químics són naturals o ar­ tificials i escriu-ne el símbol químic: escandi, ruteni, americi, laurenci i wolframi.

Els àtoms s’unixen 7 Quins són els únics elements que es troben en la na­ turalesa com a àtoms aïllats? A quin grup del sistema periòdic pertanyen?

8 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o falses: a) Tots els àtoms dels gasos, sense excepció, tenen completa l’última capa. b) En cada àtom d’heli es poden allotjar fins a sis electrons més en la capa més externa. c) Tots els àtoms dels gasos nobles tenen huit elec­ trons en l’última capa.

9 Indica els dos mecanismes segons els quals poden unir-se els àtoms. Quants electrons han de quedar en l’última capa perquè l’espècie química siga esta­ ble? Com es coneix aquesta regla?

10 Recorda el model de capes que hem estudiat per a l’estructura de l’escorça de l’àtom i elabora una taula amb el número que correspon a cada capa, la lletra que s’utilitza per a denominar-la i el nombre màxim d’electrons que es poden allotjar en cada una.

11 Indica si les parelles d’elements químics següents es poden unir compartint electrons o bé com a resultat que un cedisca electrons i l’altre guanye electrons. a) Sodi i fluor. b) Sofre i oxigen. c) Magnesi i oxigen. d) Sofre i calci.

14 Indica si l’esquema de l’es­ corça d’un àtom de la imat­ ge pot pertànyer a un gas noble, a un catió o a un anió. En el cas dels ions, indica de quin element quí­ mic són.

17 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o falses i explica per què: a) La unió entre un àtom de carboni i un d’hidrogen correspon a un enllaç iònic. b) En un enllaç metàl·lic els electrons no queden as­ sociats a cap parella d’àtoms. c) Àtoms de diferent element metàl·lic es poden unir entre si. d) El calci pot formar anions o cations, guanyant o cedint dos electrons indistintament.

18 Completa la taula en el quadern.

Element Cl (Z = 17)

K

L

M

N

Ió que es formarà

2

8

7

–

Cl–

Nre. d’electrons per capa

F (Z = 9) K (Z = 19) Mg (Z = 12)

f) Hidrogen i sodi.

O (Z = 8)

13 Quants electrons té en l’última capa un ió Li+ (nom­ bre atòmic del liti 3)? Incomplix la regla de l’octet?

Explica la resposta.

–

16 L’hidrogen pot formar un catió o un anió. Deduïx la càrrega de cada un i raona sobre l’estabilitat que te­ nen.

B (Z = 5)

12 Basant-te en la regla de l’octet, indica la càrrega dels ions estables d’aquests elements químics: beril·li, calci, sodi i sofre.

+

15 Explica si els ions següents són estables o no: a) Li– c) B– e) Ca2+ g) Al2+ b) Cl3+ d) Ar2+ f) O2– h) S2–

e) Carboni i oxigen.

Enllaç químic

–

19 És possible que es forme un enllaç iònic entre dos àtoms? I si es tracta d’un enllaç covalent?

20 Indica quins dels ions següents tenen els mateixos electrons que un gas noble i escriu el nom del gas noble. a) Li+ c) Al3+ e) S2– b) Na+ d) K+ f) N3–

113

Molècules i cristalls 21 Ateses aquestes característiques, indica de quina classe de substàncies es tracta: a) Sòlid, soluble en aigua que conduïx l’electricitat en estat líquid. b) Xarxa cristal·lina no soluble en aigua i no conduc­ tora de l’electricitat. c) Sòlid que conduïx l’electricitat. d) Gas monoatòmic.

22 Raona sobre la veracitat o la falsedat de les afirma­ cions següents: a) Una molècula està formada per un nombre inde­ terminat d’àtoms. b) En les molècules, cada àtom s’unix als altres com­ partint-ne els electrons amb la resta dels àtoms de les molècules. c) Les molècules poden tindre un màxim de deu àtoms. d) En una molècula cada àtom està unit a un o di­ versos àtoms. Els electrons es compartixen entre parelles d’àtoms.

23 Indica si les afirmacions són vertaderes o falses. a) Un cristall és una estructura ordenada formada per àtoms. b) Els compostos amb estructura cristal·lina solen ser sòlids en condicions ambientals. c) El nombre màxim d’entitats elementals en un cris­ tall és 1023. d) El nombre màxim d’entitats elementals d’un cris­ tall depén del compost de què es tracte. e) En una xarxa cristal·lina metàl·lica els electrons es mouen lliurement. f) Els cristalls iònics tenen càrrega elèctrica neta di­ ferent de zero.

24 Explica per què els metalls conduïxen l’electricitat i, no obstant això, els cristalls iònics i els cristalls cova­ lents no.

25 Escriu les fórmules químiques dels compostos se­ güents tenint en compte que el roig representa oxi­ gen, el negre carboni, el blanc hidrogen i el groc sofre. a) b) c) d)

114

26 Indica quantes unions entre àtoms hi ha en les molè­ cules de l’exercici anterior. Aquestes unions, són el resultat de cedir o guanyar electrons, o bé de com­ partir-los?

27 Explica el significat de les fórmules químiques d’aquests compostos iònics: a) MgCl2 b) KI c) CaF2 d) Na2O

28 Explica què manté unides les unitats elementals de cada tipus de cristall.

29

Consulta en el visualitzador de molècules que t’oferim en anayaeducacion.es l’estructura cris­ tal·lina de l’òxid de silici (SiO2). Explica per què en la fórmula química d’aquest compost correspon un subíndex un per al silici i dos per a l’oxigen.

Fórmules químiques 30 Classifica les substàncies següents en la taula de l’enunciat i copia-la en el quadern.

Fórmula H2O

Tipus de substància

Tipus d’elements

Entitat elemental

Compost

No metall-no metall

Molècula

Fe2O3 CaO HCl Na2S N2 NH3 C2H6

31 Explica la diferència entre massa molecular i massa de la unitat fórmula. Posa un exemple d’una subs­ tància per a la qual és adequat parlar de massa mo­ lecular i un altre d’una substància per a la qual cal usar la massa de la unitat fórmula.

32 A partir de les dades de masses atòmiques mitjanes, calcula la massa molecular d’aquestes substàncies: a) H2

b) CH4

c) NH3

d) C2H6O

Element

Massa atòmica

Hidrogen

1,01 u

Carboni

12,01 u

Oxigen

16,00 u

Nitrogen

14,01 u

U4

33 Relaciona cadascuna de les fórmules de l’exercici anterior amb la representació de la molècula i indica si es tracta de substàncies simples o de compostos: a) c)

Investiga sobre aquesta malaltia que constituïx un problema de salut major en molts països tropicals i subtropicals. A partir de l’enunciat de l’activitat i del vídeo sobre la meta 3.3 dels ODS, respon al qües­ tionari. a) Quina estructura de l’organisme és danyada per la malària? b) Quins són els símptomes d’aquesta malaltia?

b)

c) Quin tipus de tractament requerix?

d)

d) Quines són les formes de prevenció de la malària? e) Quin paper tenen els pesticides en l’extensió d’aquesta malaltia?

34 Calcula la massa de la unitat fórmula dels compos­ tos següents: a) K2S. b) BaS. c) BaCl2. d) KCl.

37 Un dels tractaments clàssics de la malària és la qui­ nolina, el mecanisme de la qual s’ha revelat recent­ ment. A partir de la figura:

Utilitza per a això les masses atòmiques mitjanes del sistema periòdic del llibre de text.

Aplicacions industrials, biomèdiques i tecnològiques 35 Una de les substàncies representades en l’activitat 23 apareix en les diverses transformacions que consti­ tuïxen el procés de síntesi de l’àcid sulfúric; indica quin és i quins efectes mediambientals té.

36

La malària és una malaltia causada per un parà­ sit que es transmet a través de la picada d’un mos­ quit anopheles infectat. La malaltia ataca estructures fonamentals per al funcionament de l’organisme.

a) Escriu la fórmula d’aquest compost, sabent que el negre representa el carboni, el blanc l’hidrogen i el blau el nitrogen. b) Indica quantes unions entre àtoms hi ha i de quina classe d’enllaç es tracta. c) És la quinolina una molècula o un cristall?

REFLEXIONA En aquesta unitat hauràs creat un canal segur al qual començaràs a pujar els vídeos que has fet basats en continguts ja coneguts i que hauràs presentat de forma senzilla, respectant les normes establides en el nostre protocol. Reflexiona sobre el teu apre­ nentatge omplint el qüestionari disponible en anayaeducacion.es.

Aspectes

Ho comprenc i podria explicarho als companys i companyes

No ho comprenc bé del tot.

Se’m plantegen algunes dubtes

No ho entenc

No ho sé

Hem creat un canal de YouTube específic configurant-lo per a tindre un accés privat, però al qual tots els integrants del grup hem pogut accedir. ...

POSA A PROVA LES TEUES COMPETÈNCIES Fes l’avaluació competencial inclosa en anayaeducacion.es

115

5 Reaccions químiques ESTUDI DE LES TRANSFORMACIONS El nucli principal de la química és l’estudi dels canvis quí­ mics; és a dir, la transformació d’unes substàncies en unes altres. Igual que en altres disciplines científiques, el conei­ xement que tenim hui en dia sobre això es basa en les con­ clusions que s’han extret de les experiències desenvolupa­ des des de temps remots.

En els laboratoris d’investigació química, entre altres activi­ tats, es desenvolupen tècniques per a fer més eficients les reaccions químiques d’utilitat industrial, s’estudien tots els factors que afecten les combinacions químiques que tenen lloc en el medi ambient i es dissenyen reaccions específi­ ques per a obtindre productes d’utilitat social.

Un dels reptes més rellevants de la nostra societat és re­ vertir el canvi climàtic. Aquesta alteració del clima mun­ dial, que es manifesta en un augment de la temperatura mitjana del planeta, té l’origen en l’emissió a l’atmosfera de quantitats de diòxid de carboni per damunt dels nivells naturals, sobretot des de les grans revolucions industrials i la posterior proliferació d’indústries en el món.

130

COMPROMÍS ODS

Distribuïts per equips contesteu les activitats se­ güents:

1. Se suposa que durant l’any 2020 s’havia d’ha­ ver aconseguit la meta 13.a dels Objectius de Desenvolupament Sostenible. Creieu que ha si­ gut així? Quines mesures us venen al cap per a aconseguir-la.

2. A partir de la meta 13.3 dels Objectius de Desen­ volupament Sostenible, expliqueu la importància de l’objectiu 4 per a aconseguir que el canvi cli­ màtic siga una cosa vertaderament possible.

3. Moltes de les reaccions químiques que es duen a terme en la indústria, expulsen gasos i residus tòxics al medi ambient.

Expliqueu el perill d’aquest fet tenint en compte les metes 3.4 i 3.9 dels ODS.

Què descobriràs?

En aquesta unitat Estudi de les transformacions 1. Canvis en la composició de les substàncies 2. Teoria atòmica de les reaccions químiques 3. Equacions químiques 4. Lleis ponderals i equacions químiques 5. Quantitat de substància 6. Química, medi ambient i societat Taller de ciències Projecte d’investigació Treball pràctic. Reaccions químiques amb substàncies gasoses

En anayaeducacion.es Per a motivar-te: • Vídeo: «Abans de començar».

• Document: «Quins estudis universitaris i de formació professional podries cursar per a treballar en la indústria química?».

Per a detectar idees prèvies: • Activitat interactiva: Autoavaluació inicial.

• Presentació: «Què necessites saber».

Per a estudiar: • Vídeos: «Formació d’amoníac», «Oxidació d’una poma», «Combustió del propà» i «Cicle del carboni».

• Presentacions: «Evidències d’una reacció química», «La quantitat de substància: el mol» i «Per a estudiar».

• Laboratoris virtuals: «Balanceig d’equacions químiques» i «Reactius, productes i excedents».

Per a avaluar-te: • Activitat interactiva: Autoavaluació final.

SEQÜÈNCIA D’APRENENTATGE VÍDEO. EXPERIMENT SENZILL SOBRE LA VELOCITAT DE REACCIÓ.

7.1 Tria una reacció química que pugues fer en condicions diferents per a variar la velocitat de reacció.

La reacció triada pot ser, per exemple, l’oxidació d’una fruita, com una poma, en presència d’oxigen, una reacció que es pot estudiar en funció de la quantitat d’oxigen existent, la quantitat de llum, la presència d’àcids, etc.

7.2 Mostra en un vídeo el procés i explica la reacció que s’hi produïx.

En aquesta ocasió, el vídeo serà un poc més complex perquè requerirà combinar imatges reals amb un altre tipus de material digital, com ara veu, àudio, esquemes, etc. Per a la gravació pots usar la càmera d’un mòbil, on podràs instal·lar també alguna aplicació gratuïta que et permeta fer l’edició i el muntatge del vídeo.

VÍDEO. LA LLEI DE CONSERVACIÓ DE LA MASSA. Mostra en vídeo la llei de conservació de la massa. Una reacció possible pot ser la que té lloc entre les llimadures de ferro amb sofre en pols per a donar sulfur de sofre.

Si no vols treballar amb flames al laboratori, una alternativa pot ser la reacció de hidrogenocarbonat de sodi amb l’àcid acètic del vinagre, segons es descriu en l’apartat «Treball pràctic» d’aquesta unitat.

VÍDEO. LA IMPORTÀNCIA D’UNA REACCIÓ QUÍMICA EN UN PROBLEMA MEDIAMBIENTAL. Es pot triar qualsevol reacció química relacionada amb problemes mediambientals, com poden ser la generació de la pluja àcida, la destrucció de la capa d’ozó o l’augment de l’efecte d’hivernacle. Tal vegada, el més senzill siga triar la generació de diòxid de carboni a través d’una reacció de combustió.

• Solucions de les activitats numèriques.

I, a més, tota la documentació necessària per a aplicar les claus del projecte.

+ orientacions en anayaeducacion.es

131

1

1.1 Canvis químics

Canvis en la composició de les substàncies

Com ja saps, hi ha canvis en la matèria en què no s’alteren les substàncies; és a dir, no apareixen substàncies noves. Són els canvis físics. Però hi ha un altre tipus de canvis en els quals unes substàncies es transformen en altres diferents; a aquests canvis els diem canvis químics: Els canvis químics, també denominats reaccions químiques, són aquells que provoquen l’aparició de noves substàncies.

Per tant, diem que ha tingut lloc una reacció química quan: • Les substàncies que estaven presents abans del canvi es combinen en­ tre si i, en part, desapareixen. Aquestes substàncies es coneixen com a reactius de la reacció.

• Apareixen una o diverses substàncies noves per la combinació dels re­ actius. Aquestes substàncies es denominen productes de la reacció.

Una reacció química és tot procés en el qual una o més substàncies es transformen en una altra o unes altres. Els reactius es transformen en els productes.

1.2 Diversitat de reaccions químiques Existixen infinitat de reaccions químiques diferents i de diversos criteris per a classificar-les; per exemple, depenent del nombre de reactius i pro­ ductes: si existix un sol reactiu que dona lloc a dos productes, estem da­ vant d’una reacció de descomposició, i, per contra, si dos o més reactius donen lloc a un producte, la reacció serà de síntesi.

Visualitza en anayaeducacion.es la producció d’aigua a partir dels seus elements constituents.

Depenent de la finalitat amb la qual es duga a terme la reacció, pot re­ sultar interessant considerar-les com a reaccions naturals, quan no inter­ venen factors antropogènics, reaccions artificials, si ocorren a causa de l’acció humana; reaccions en dissolució aquosa, perquè les substàncies estan dissoltes en aigua, o, reaccions in vivo, com les que existixen a l’in­ terior de les cèl·lules.

Diversitat de reaccions químiques Glucosa

Insulina K+ ATP

Insulina Entrada de Ca2+

Mitocondri Ca2+

132

La síntesi de la insulina té lloc en les cèl·lules del pàncrees. És una reacció in vivo.

La boira fotoquímica, que cau­ sa la contaminació atmosfèrica en moltes ciutats, és un entra­ mat de reaccions químiques que es produïxen per causes antropogèniques.

U5

1.3 Evidències de les reaccions químiques A vegades, no és evident determinar que s’està produint un canvi químic, ja que pot no ser fàcil observar l’aparició de noves substàncies, perquè poden ocórrer canvis físics de manera simultània. Algunes de les evidèn­ cies d’un canvi químic són: • Canvi en les propietats del medi en el qual ocorre la reacció. Això és pel fet que les propietats d’aquestes noves substàncies són diferents, i pot, per exemple, formar-se un precipitat (substància poc soluble) com a resultat de la reacció química, o aparéixer un bombolleig, si la nova substància estiguera en estat gasós (és a dir, amb una temperatura d’ebullició inferior a la del medi).

• Intercanvi d’energia entre les substàncies que intervenen en la reacció química i el seu entorn. Per exemple, en el cas de les reaccions de com­ bustió, aquest intercanvi d’energia és notable, però no és així d’evident en totes les reaccions químiques.

Interpreta un fenomen Quan observem l’aparició de bambo­ lles en un got d’aigua de l’aixeta, po­ dem concloure que s’ha produït una substància gasosa resultat d’una reac­ ció química? Explica per què.

Evidències d’una reacció química

1 Aparició

4

d’un precipitat. Si els r­eac­ tius es troben en dissolució, pot succeir que la nova substància que s’obté tinga menor solubilitat, per la qual cosa precipitarà i es po­ drà observar a simple vista.

Com a resultat d’una reacció química, podem obtindre

Aparició de substàncies en difeestat d’agregació. De ma­ nera anàloga al cas anterior, si es produïx una substància gasosa, s’observarà que un bombolleig ix de la dissolució.

2 rent 1 2

Llum i energia en forma de calor

3

Un canvi de color. L’aparició d’un

3 color en la reacció diferent posa

de manifest la presència d’una substància nova.

Les

reaccions químiques que un gran intercanvi d’energia són fàcilment detecta­ bles, com és el cas de la combus­ tió, que intercanvia energia en for­ ma de llum i calor.

4 provoquen

Substància poc soluble Substància gasosa

Substància d’un altre color

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

1

Organitzador gràfic. S’ha definit canvi químic per oposició al canvi físic. Però hem vist que alguns canvis físics acompanyen un canvi químic, encara que no tots.

Segons això: a) Fes un diagrama de Venn en el qual es mostre aques­ ta relació. b) Explica el diagrama a la resta de la classe.

2

Veig, pense, em pregunte. Si en traure un pitxer amb llimonada del frigorífic observem que ha aparegut un precipitat en el fons del pitxer, podem concloure que s’ha produït una reacció química?

Consulta una presentació en anayaeducacion.es sobre evidències dels canvis químics, observa la teua ger­ ra, reflexiona i escriu les preguntes que et sorgisquen.

133

2

Teoria atòmica de les reaccions químiques

No totes les substàncies reaccionen entre si en entrar en contacte. Algunes ho fan molt ràpidament, altres més lentament i unes altres no ­reaccionen.

A més, existixen factors que influïxen en què es produïsca o no un canvi químic i la velocitat a la qual tindrà lloc. En aquest epígraf, estudiarem la teoria que explica, a escala atòmica, com es produïxen les reaccions quí­ miques i la rapidesa amb què ho fan.

2.1 Teoria de les col·lisions Segons la teoria atòmica de Dalton, una reacció química consistix en una reordenació d’àtoms. Per a comprendre aquest procés, hem de tindre presents les idees de la teoria cinètica de la matèria, segons la qual la ma­ tèria està formada per partícules (àtoms, molècules o ions) que es troben en moviment continu. A causa d’aquest moviment, les partícules xoquen les unes amb les altres i, en les condicions apropiades, les dels reactius se separen i es reordenen per a formar els productes de la r­ eacció.

Una reacció química té lloc si les partícules dels reactius xoquen entre si de manera efectiva, de tal manera que es trenquen els enllaços que mantenen units els àtoms en els reactius i es formen enllaços nous que donen lloc als productes.

Perquè aquests xocs siguen efectius, s’han de complir dues condicions: • Els xocs entre les partícules han de tindre energia suficient.

• L’orientació d’aquests xocs ha de ser l’adequada.

Orientació adequada de col·lisions Col·lisió efectiva

Les molècules s’aproximen amb energia suficient i orientació ade­ quada.

Es produïx una col·lisió efectiva.

Es formen nous enllaços donant lloc a les molècules dels produc­ tes.

Col·lisió no efectiva

Les molècules s’aproximen amb energia suficient, però l’orientació no és adequada.

La col·lisió no és efectiva.

No s’obtenen molècules dels pro­ ductes, és a dir, no existix reacció química en aquest cas.

134

U5

2.2 Factors que afecten la velocitat

Recorda que…

de reacció

Existixen reaccions químiques extremadament ràpides, com les explo­ sions, i altres més lentes, com l’oxidació del ferro.

La velocitat d’una reacció química es definix com la variació de la quantitat dels productes obtinguts, o dels reactius que desapareixen, per unitat de temps.

A vegades, es pretén afavorir la formació de determinats productes be­ neficiosos per a la societat, com els obtinguts per la indústria química; per això, s’augmenta la velocitat de certes reaccions. No obstant això, en el cas de reaccions no desitjades, com la descomposició d’aliments, es busca l’efecte contrari, alentir el canvi químic. En tots dos casos, resulta imprescindible conéixer quins factors influïxen en la velocitat de la reac­ ció. Alguns són els següents: • La temperatura. En augmentar la temperatura, augmenta la velocitat de les partícules, per la qual cosa també augmenta l’energia dels xocs que es produïxen, cosa que dona lloc a un major nombre de xocs efec­ tius, i, amb això, a un augment de la velocitat de reacció. En disminuir la temperatura, obtenim l’efecte contrari.

A partir d’ara, cada vegada que parlem de partícules o entitats elementals, farem re­ ferència a la unitat més xicoteta que forma una substància, que pot ser un àtom, una molècula o un grup d’ions.

Investiga sobre els catalitzadors A més de la temperatura i la concentra­ ció dels reactius, existix un altre factor que afecta la velocitat d’una reacció: la presència de catalitzadors. Busca infor­ mació sobre aquestes substàncies i ex­ plica per què són tan importants. Posa diversos exemples i compartix la recer­ ca amb la resta de la classe.

• La concentració dels reactius. En reaccions que ocorren en dissolució, si s’augmenta la concentració dels reactius, hi haurà una major proba­ bilitat de col·lisions entre les partícules, i, per tant, una major velocitat de reacció.

Factors que influïxen en la velocitat de reacció En la cambra refrigerada

A temperatura ambient

Les reaccions de descomposició dels aliments són més ràpides a temperatura ambient que en fred. Visualitza l’oxi­ dació d’una poma en anayaeducacion.es.

La concentració de reactiu en la reacció de la dreta és major que en la de l’esquerra, i per això, la velocitat de reacció és major.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

3

Organitzador gràfic. Fes un esquema en el qual relaciones les idees de la teoria cinètica de la matèria i la teoria atòmica de Dalton amb la teoria de les col·lisions de les reaccions químiques. Extrau i escriu conclusions sobre els factors que afecten la velocitat de les r­ eaccions químiques.

4

Pensa i compartix en parella. Reflexioneu i respo­ neu aquestes preguntes: a) Creieu que la pressió afecta la velocitat de les reaccions si els reactius estan en estat gasós? b) Es cremarà abans un tronc de fusta o la mateixa massa en forma d’encenalls?

135

3

Equacions químiques

Una equació química és la representació simbòlica d’una reacció quí­ mica que conté informació quantitativa i qualitativa.

La informació quantitativa es refereix al nombre d’entitats elementals (àtoms, molècules o ions) de reactius i productes que intervenen en la reacció. La informació qualitativa serà la que mostri l’estat d’agregació de les substàncies i les condicions en què es produeix la reacció. Una equació química es compon de: • Les fórmules químiques dels reactius separades pel signe «+», el sím­ bol del canvi químic (8) i les fórmules dels productes, separades també pel signe «+».

• Els coeficients estequiomètrics, que indiquen el nombre de partícules de cada substància que intervé en la reacció. Si el coeficient té de valor la unitat, no s’escriu.

Per llegir la informació quantitativa que conté una equació química, és necessari que estigui ajustada, és a dir, que el nombre d’àtoms de cada element químic que intervé en el procés sigui igual en els reactius i en els productes. Això s’aconsegueix triant els valors adequats per als coeficients estequiomètrics, com mostren els quadres d’aquesta pàgina i la següent.

Ajust d’una reacció química Ajustem la reacció de sulfur de ferro(II) amb oxigen per a donar òxid de ferro(III) i diòxid de sofre. Sense alterar les fórmu­ les químiques de reactius i productes, seguim aquests passos:

REACTIUS

Sulfur de ferro(II)

Es trien els elements que apareixen només en un reactiu i en un producte i s’ajusten els coeficients estequiomè­ trics. Primer els metalls i després els no metalls:

Oxigen

PRODUCTES

Òxid de ferro(III)

Diòxid de sofre

Després, s’ajusten les substàncies simples, finalitzant amb l’H2 i l’O2. Per a això, comptem el nombre d’àtoms en els productes i ajustem en els reactius:

Així, els coeficients estequiomètrics són: 2 FeS + O2 8 Fe2O3 + SO2

2 FeS + O2 8 Fe2O3 + 2 SO2

Per a evitar que apareguen coeficients frac­ cionaris, multipliquem tots els coe­fi­cients 2 · (2 FeS + 7 O2 8 Fe2O3 + 2 SO2) 2 pel denominador de la fracció, encara que totes dues expressions són vàlides: REACTIUS

136

2 FeS + 7 O2 8 Fe2O3 + 2 SO2 2

4 FeS + 7 O2 8 2 Fe2O3 + 4 SO2

PRODUCTES

1 Ò 4 = 4 àtoms de Fe

2 Ò 2 = 4 àtoms de Fe

1 Ò 4 = 4 àtoms de S

1 Ò 4 = 4 àtoms de S

2 Ò 7 = 14 àtoms de O

3 Ò 2 + 2 Ò 4 = 14 àtoms de O

Interpreta els nombres Per què evitem els coeficients este­ quiomètrics fraccionaris en les equa­ cions químiques? Tenen sentit per a interpretar l’equació?

U5

Ajust d’una reacció de combustió Per a aquesta mena de reaccions químiques, seguirem sempre aquest procediment. Utilitza­ rem com a exemple la combustió del propà. En aquesta reacció química, el propà es combina amb oxigen i s’obtenen diòxid de carboni i ai­ gua. Els reactius i productes de la reacció són:

Per a saber el nombre de mo­ lècules de diòxid de carboni, es té en compte que tots els àtoms de carboni del propà passen a formar part del diò­ xid de carboni.

REACTIUS

Propà

PRODUCTES

Oxigen

El nombre de molècules d’ai­ gua ve determinat pel nombre d’àtoms d’hidrogen del pro­ pà, que són huit; per tant, es produïxen quatre molècules d’aigua.

Diòxid de carboni

Aigua

Finalment, en els productes hi ha deu àtoms d’oxigen; per tant, seran cinc molècules d’oxigen en els reactius.

Seguint aquest raonament, establim els coeficients estequiomètrics: C3H8 + O2 8 3 CO2 + H2O REACTIUS

C3H8 + O2 8 3 CO2 + 4 H2O

C3H8 + 5 O2 8 3 CO2 + 4 H2O

PRODUCTES

3 Ò 1 = 3 àtoms de C

1 Ò 3 = 3 àtoms de C

2 Ò 5 = 10 àtoms de O

2 Ò 3 + 1 Ò 4 = 10 àtoms de O

8 Ò 1 = 8 àtoms de H

2 Ò 4 = 8 àtoms de H

Pots visualitzar la combustió del propà i del metà en anayaeducacion.es. Practica després, al laboratori virtual oferit, l’ajust d’al­ tres equacions químiques.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

5 Escriu l’equació química que correspon a la descripció se­

7 Quina d’aquestes equacions químiques correspon a la re­

güent: «Tres molècules de dihidrogen es combinen amb una molècula de dinitrogen i donen lloc a dues molècules d’amoníac».

Observa aquest procés en el vídeo que trobaràs en anayaeducacion.es.

6 Indica si les equacions químiques següents estan ajusta­

acció del clorur de níquel(II), amb hidròxid de sodi? a) NiCl2 + NaOH 8 Ni(OH)2 + NaCl b) NiCl2 +2 NaOH 8 Ni(OH)2 + 2 NaCl c) NiCl2 + Na2(OH)2 8 Ni(OH)2 + Na2Cl2

8 Ajusta les equacions químiques següents: a) Ca + H2O 8 Ca(OH)2 + H2 b) Fe (s) + HCl (aq) 8 FeCl3 + H2 (g) c) CH4 (g) + O2 (g) 8 CO2 (g) + H2O (g)

des o no. Corregix les que siga necessari: a) 4 NH3 + 6 O2 8 4 NO2 + 6 H2O b) 2 K + 3 H2O 8 2 KOH + 3 H2 c) 4 KMnO4 8 2 K2O + 4 MnO + 5 O2 d) Na2O (s) + H2O (l ) 8 2 NaOH (aq) Recorda que disposes de les solucions de totes les activitats numèriques en anayaeducacion.es.

9

La fermentació de la glucosa és un tipus de reacció de descomposició; la glucosa es descompon en etanol i diòxid de carboni. Busca la fórmula dels tres compostos, escriu la reacció que té lloc i ajusta-la. Compara la solució amb la resta de la classe.

137

4

Lleis ponderals i equacions químiques

Entre 1789 i 1804, es van donar a conéixer les denominades lleis ponderals. Es tractava de lleis empíriques que establien relacions entre la massa dels reactius i els productes que intervenen en una reacció química.

4.1 Llei de la conservació de la massa En 1789, el científic francés A. Lavoisier va arribar a la conclusió que en una reacció química no es destruïx ni es genera massa, només es produïx una transformació de substàncies. Aquesta observació es pot enunciar d’aquesta manera: En una reacció química, la suma de les masses dels reactius és igual a la suma de les masses dels productes.

La teoria atòmica explica aquesta llei empírica, ja que una reacció química és només una reordenació d’àtoms, no es creen àtoms nous, sinó que els àtoms dels reactius s’ordenen de manera diferent per a formar altres substàncies, els productes de la reacció química. Per això, la massa total dels reactius serà igual a la massa total dels productes (Part 1 del quadre de la pàgina següent).

4.2 Llei de les proporcions definides Entre 1794 i 1804, J. L. Proust va establir que, en reaccionar dues o més substàncies simples per a formar un compost, la proporció de les masses de les substàncies simples que reaccionaven havia de ser sempre la ma­ teixa. Això es verificava en variar successivament les masses de reactius i comprovar que la proporció es mantenia sempre constant.

En una reacció química, la proporció entre les masses dels reactius i els productes és fixa i independent de la quantitat que reaccione.

Aquesta llei empírica pot explicar-se tenint en compte aquests fets: • La composició de cada substància química és constant i s’expressa en la fórmula química.

• La massa atòmica mitjana és una característica de cada element quí­ mic. La massa d’un compost s’obté a partir de la massa dels elements que el componen.

• El nombre d’entitats elementals de cada substància que intervé en la reacció química és constant i s’expressa en l’equació química mitjançant els coeficients estequiomètrics.

Revisa el que s’explica en la Part 2 del quadre de la pàgina següent.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

10 Sabent que les masses atòmiques mitjanes de l’hidro­

12 En les reaccions de combustió de fusta en una ximenera,

gen (1 u) i del nitrogen (14 u), es complix la llei de con­ servació de la massa en la formació d’amoníac (NH3) a partir de dihidrogen (H2) i dinitrogen (N2)?

en finalitzar, s’obté cendra. La massa de cendra és infe­ rior a la massa de fusta cremada. Per què ocorre això?

Es complix la llei de conservació de la massa? Raona la resposta.

11 A partir de la resposta de l’exercici anterior, verifica que es complix la llei de les proporcions definides si sabem que 7,5 u de dihidrogen es combinen amb 35 u de dini­ trogen i s’obtenen 42,5 u d’amoníac.

138

13

Explica el significat de «llei empírica» i «teoria». Quina diferència hi ha entre una llei empírica i una teoria? Posa un exemple de cada cas per a reforçar-ne l’exposició.

U5

Lleis ponderals i equacions químiques Amb aquest exemple veiem la relació que hi ha entre les lleis ponderals i la informació d’una equació química.

Revisa el laboratori virtual sobre el balanceig d’equaci­ ons químiques que t’oferim en anayaeducacion.es.

L’amoníac (NH3) es combina amb oxigen (O2) per a produir monòxid de nitrogen (NO) i aigua (H2O).

Part 1

4 NH3 + 5 O2 8 4 NO + 6 H2O

Massa atòmica

Nre. àtoms en reactius

Equació química ajustada.

Nre. àtoms en productes

N

14 u

4·1=4

N

4·1=4

H

1u

4 · 3 = 12

H

6 · 2 =12

O

16 u

5 · 2 = 10

O

4 · 1 + 6 · 1 = 10

REACTIUS

Comprovem que l’equa­ ció química està ajustada.

Afegim la dada de la massa atòmica mitjana, que serà necessària més avant.

PRODUCTES

NH3

O2

NO

H2O

14 + 3 · 1 = 17 u

2 · 16 = 32 u

14 + 16 = 30 u

2 · 1 + 16 = 18 u

17 u · 4 = 68 u

32 u · 5 = 160 u

30 u · 4 = 120 u

18 u · 6 = 108 u

68 u + 160 u = 228 u

120 u + 108 u = 228 u

Calculem la massa molecular a partir de la massa atòmica mitjana.

Calculem la massa que hi ha de cada substància en la re­ acció a partir de la massa de la seua molècula i del coefi­ cient estequiomètric.

Comprovem que es complix la llei de conservació de la massa.

Part 2 NH3

O2

NO

H2O

68 u

160 u

120 u

108 u

Proporció entre reactius mNH3 mO2

=

68 160

=

A partir de les masses mole­ culars de les substàncies que intervenen en la reacció, cal­ culem la proporció que existix entre aquestes.

Aquestes proporcions es man­ tenen constants per a qualse­ vol massa, complint-se, així, la llei de les proporcions definides.

Proporció entre productes

17

mNO

40

mH2O

=

120 108

=

10 9

Proporció entre reactius i productes mNH3 mNO

=

68 120

=

17 30

;

mNH3 mH O 2

=

68 108

=

mO2 160 4 = = ; m NO 120 3 27 17

;

mO2 mH2O

=

160 108

=

40 27

Repetix els càlculs a partir de l’equació: 5 2 NH3 + O2 8 2 NO + 3 H2O 2

139

5

Una reacció química no es produïx entre unes poques partícules, sinó que el nombre que hi intervenen és immens, per la qual cosa usar la unitat de massa atòmica no és pràctic. Per això, es quantificaran d’una altra manera.

Quantitat de substància

5.1 Quantitat de substància

Quantitat de substància i massa molar

La magnitud que mesura el nombre d’entitats elementals d’una subs­ tància es denomina quantitat de substància, i la unitat en el SI és el mol.

La propietat de la matèria que representa la quantitat de substància no és la massa, sinó el nombre de partícules que componen una determinada extensió de substància.

En ser la massa d’aquestes partícules tan xicoteta, el nombre d’entitats que formen, per exemple, un gram de qualsevol substància és enorme. A més, aquest nombre serà diferent d’una substància a una altra, perquè les entitats elementals que les componen tenen masses diferents.

La quantitat de raïm i de cigrons és la mateixa; no obstant això, la massa d’aquesta quantitat és diferent, ja que la massa d’un gra de raïm és distinta a la d’un cigró.

Un mol conté exactament 6,022 140 76 · 1023 entitats elementals.

Aquesta xifra es denomina nombre d’Avogadro, NA.

5.2 Massa molar Per a establir la relació entre la massa d’una substància i la quantitat d’aquesta substància present s’utilitza la massa molar.

Massa d’un mol Substància

Massa molecular o massa fórmula/u

Massa molar/(g/mol)

Au

196,97

196,97

KCl

74,6

74,6

NO2

46,0

46,0

La massa molar, M, d’una substància és la massa d’un mol d’aquesta substància; és a dir, la massa de 6,022 140 76 · 1023 entitats elementals d’aquesta substància. Les unitats en el SI són kg/mol, encara que s’uti­ litza amb més freqüència g/mol.

La massa molar permet fer càlculs a escala macroscòpica a partir de com­ binacions d’unitats d’escala atòmica. La relació entre quantitat de subs­ tància, n, i la massa molar, M, és la següent:

El valor de la massa molar d’una subs­ tància coincidix numèricament amb la massa molecular, o la massa de la unitat fórmula, d’aquesta substància.

n (mol) =

m (g) M (g/mol)

Massa, quantitat de substància i nombre d’entitats elementals Per a un mol d’acetaldehid (etanal, C2H4O), sabem que: M (C2H4O) = 12 · 2 + 1 · 4 + 16 · 1 = 44 g/mol 44 g de C2H4O

1 mol de C2H4O

6,022 · 1023 molècules

24 g de C

En 1 mol de C2H4O hi ha 2 mol de C

1,2044 · 1024 àtoms de C

Multiplicant per M (g/mol)

140

Multiplicant per NA

4 g de H

En 1 mol de C2H4O hi ha 4 mol de H

2,4088 · 1024 àtoms de H

16 g de O

En 1 mol de C2H4O hi ha 1 mol de O

6,022 · 1023 àtoms de O

U5

Reaccions químiques i quantitat de substància Calcula la massa d’aigua, expressada en grams, que s’obté si reaccionen completa­ ment 204 g d’amoníac (NH3) amb oxigen, segons la reacció següent. Comprova que es complix la llei de la conservació de la massa.

Per a calcular la massa de les substàncies químiques que intervenen en una reac­ ció, partim de la massa molar i de la quantitat de substància de cada una.

4 NH3

5 O2

+

8

4 NO

DADES: Massa atòmica mitjana

N H O

N H O

1u 16 u

REACTIUS NH3

NO

H2O M (H2O) = 2 · 1 + 16 M (H2O) = 18 g/mol

4 mol

6 mol

5 mol m (g) g n Md mol

mO2

mNO = 30 g/mol · 4 mNO = 120 g

mNH3

mlNH3

mO2

mlO2

=

mlNH3 mlO2

mH2O = 18 g/mol · 6 mH2O = 108 g

mNH3 mO2

=

160 g O2

A partir dels coeficients estequiomètrics i de la massa molar de cada substància, calculem les masses de cada substàn­ cia per a poder establir la proporció en massa.

mlNH3 mlO2

Apliquem la proporció en massa per a calcular les masses de la resta de les subs­ tàncies a partir de la massa d’amoníac.

Dada: m'NH3 = 204 g 68 g NH3

Calculem la massa molar de les subs­ tàncies a partir de les masses atòmiques mitjanes.

Els coeficients estequiomètrics indiquen la proporció entre reactius i productes expressada en quantitat de substància.

g m (g) = n (mol) · M d mol n

mNH3 = 17 g/mol · 4 mO2 = 32 g/mol · 5 mNH3 = 68 g mO2 = 160 g

=

El valor numèric de la massa atòmica mitjana és igual al valor de la massa en grams d’un mol d’àtoms (massa molar).

M (NO) = 14 + 16 M (NO) = 30 g/mol

O2

mNH3

14 g/mol 1 g/mol 16 g/mol

PRODUCTES

M (NH3) = 14 + 3 · 1 M (O2) = 2 · 16 M (NH3) = 17 g/mol M (O2) = 32 g/mol

n (mol) =

Equació química ajustada.

DADES: Massa molar

14 u

4 mol

6 H2O

+

Recorda que aquestes proporcions sempre es mantenen constants.

=

204 g NH3

68 g NH3

mlO2

120 g NO

mlO2 = 480 g

=

204 g NH3

68 g NH3

mlNO

108 g H2O

mlNO = 360 g

204 g + 480 g = 684 g

=

204 g NH3 mlH2O

mlH2O = 324 g

360 g + 324 g = 684 g

Comprovem que es complix la llei de conservació de la massa.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

14

Visualitza en anayaeducacion.es la presentació so­ bre la quantitat de substància i calcula-la per a 350 g de:

Raona la veracitat o falsedat de les afirmacions següents:

a) Clorur de potassi, KCl

c) Sacarosa, C12H22O11

b) Ferro.

d) Ozó, O3.

b) 1 mol de N2 reacciona amb 1 mol d’H2.

15 Donada l’equació química següent, sense ajustar: N2 (g) + H2 (g) 8 NH3 (g)

a) 1 g de N2 reacciona amb 3 g d’H2. c) 1 mol de N2 produïx la mateixa quantitat de NH3. d) 28 g de N2 reaccionen amb 2 g d’H2 i, es formen 50 g de NH3.

141

6

Química, medi ambient i societat

La química té un gran impacte en la qualitat de vida de les persones, ja que aporta coneixement sobre substàncies noves amb tota mena d’aplica­ cions i contribuïx a la cerca de solucions de problemes ambientals greus.

6.1 Problemes ambientals Alguns d’aquests problemes tenen lloc en l’atmosfera com a resultat de l’emissió de gasos en reaccions químiques.

■

La pluja àcida

En algunes zones industrials s’emeten gasos, com els òxids de sofre i ni­ trogen, que es desplacen per l’atmosfera i reaccionen amb el vapor d’ai­ gua atmosfèric que donen lloc a àcids corrosius, com el sulfúric (H2SO4) i el nítric (HNO3). Quan aquesta dissolució de gasos en aigua precipita en forma de pluja (l’anomenada pluja àcida) els efectes són catastròfics.

A més de destrossar edificis i monuments històrics en poblacions, afecta nocivament la flora i la fauna de boscos, rius i llacs.

■

Efecte d’hivernacle anòmal

La presència de diòxid de carboni, CO2, en l’atmosfera terrestre fa que la temperatura del nostre planeta es mantinga dins d’uns valors que fan pos­ sible la vida tal com la coneixem. Aquest fenomen, explicat en la figura inferior, es coneix com a efecte d’hivernacle.

En les últimes dècades, la quantitat de CO2 present en l’atmosfera s’ha incrementat de manera notable. Això és pel fet que s’ha alterat el cicle del carboni en utilitzar el petroli i el carbó com a fonts d’energia en reaccions químiques de combustió.

Aquesta major quantitat de CO2 fa que la radiació infraroja quede retingu­ da en excés, la qual cosa provoca un augment de la temperatura mitjana de l’atmosfera que es manifesta, per exemple, amb un augment de la freqüèn­ cia i la intensitat d’huracans i de ciclons. Aquests fenòmens formen part del denominat canvi climàtic, amb efectes devastadors al nostre planeta.

L’efecte d’hivernacle Part de la radiació que arriba a la Ter­ ra procedent del Sol és reflectida i una altra part és absorbida; per això, la Ter­ ra es calfa i emet, alhora, radiació del tipus infraroig, com a resultat de tro­ bar-se a una temperatura determinada.

Sol

Part de la radiació solar és reflectida per la Terra i l’atmosfera

La major part de la radiació infraroja és absorbida pels gasos d’efecte d’hivernacle

Atmosfera

Terra

142

Part de la radiació solar és absorbida per la superfície terrestre i la calfa

La superfície terrestre emet radiació infraroja

Els gasos d’efecte d’hivernacle, com el CO2, presents en l’atmosfera, retenen part de la radiació infraroja que emet el planeta i eviten que aquesta radiació es dissipe a l’exterior, contribuint així al fet que la temperatura mitjana de la Terra es mantinga estable. Si no existi­ ra l’atmosfera, la superfície de la Terra aconseguiria temperatures molt eleva­ des durant el dia i es refredaria massa durant la nit, de manera que faria im­ possible l’existència de vida.

U5

■

L’ozó estratosfèric i troposfèric

L’ozó és una molècula que consta de tres àtoms d’oxigen, O3, i forma una capa a uns 60 km d’altura sobre el nivell de la mar, en l’estratosfera. L’ozó absorbix una part de la radiació solar que és perjudicial per a la salut, la radiació ultraviolada. En aquest procés, la molècula d’ozó se separa en di­ oxigen, O2, i oxigen monoatòmic, O. La peculiaritat d’aquesta dissociació és que és reversible, és a dir, que torna a formar-se l’ozó quasi de manera immediata. Per tant, l’ozó estratosfèric conforma la capa d’ozó, que es manté intacta malgrat la radiació ultraviolada.

En les últimes dècades del segle passat, es va detectar un forat en la capa d’ozó, provocat per la presència en l’estratosfera de certs gasos pro­ vinents de l’activitat humana: els CFC. En l’actualitat, la legislació ambien­ tal ha limitat molt la producció i l’ús d’aquests gasos, i el forat en la capa d’ozó ha revertit considerablement.

D’altra banda, des de la Revolució Industrial, s’ha observat la presència d’ozó en la capa més baixa de l’atmosfera, la troposfera. Això sorgix com a resultat de les emissions d’òxids de nitrogen i compostos orgànics volà­ tils en indústries i automòbils. Aquest ozó troposfèric és un contaminant que danya la salut i el medi ambient.

Efecte de la pluja àcida en un bosc.

6.2 Indústria química Un dels objectius principals d’aquesta indústria és la transformació de ma­ tèries primeres en altres productes que, alhora, seran la matèria primera d’una infinitat de productes elaborats.

Les facetes de la nostra vida quotidiana que estan influïdes pel desen­ volupament de la química són molt nombroses, des de la potabilització d’aigües, fins als materials més desenvolupats que formen part dels dis­ positius electrònics, passant per teixits i materials polimèrics, carrosseries de cotxes, etcètera.

Evolució de la capa d’ozó l’any 2019.

COMPRÉN, PENSA, INVESTIGA…

16

Anàlisi associativa. A més de limitar l’ús de CFC, existix una altra raó per la qual el forat de la capa d’ozó ha disminuït notablement. Busca informació i posa-la en comú amb la resta de la classe. Com es podria millorar aquesta situació sense danyar el planeta?

17

Explica les diferències entre l’ozó troposfèric i l’es­ tratosfèric. Existixen diferències entre una molècula i una altra?

18

Visualitza en anayaeducacion.es el vídeo sobre la importància del CO2 a l’atmosfera i explica-ho amb les teues paraules. Quins són els efectes de l’efecte d’hiver­ nacle anòmal? Busca com està relacionat amb la meta 13.1 i pensa com es podria solucionar. Quines accions es duen a terme actualment?

19

Busca informació sobre el producte químic uti­ litzat per a potabilitzar aigües i el cost que té. Elabora

un informe i inclou una conclusió sobre l’ús amb la meta 6.1.

20 El desenvolupament de la indústria química està acom­ panyat d’una alta contaminació de l’aigua, l’aire i el sòl.

Des de fa temps, moltes empreses han tractat de reduir aquest efecte tan negatiu, però és molt difícil per l’alt cost econòmic i la complicada adaptació de les infraes­ tructures. Busca informació sobre una empresa que haja aconseguit adaptar-se als objectius establits per l’ONU. Quines mesures han pres? Creus que va ser senzill? En equips, dissenyeu un pla d’actuació per a alguna em­ presa que no l’haja fet.

21

A partir del que has aprés en l’exercici anterior, quins estudis universitaris i de formació professional po­ dries cursar per a treballar en la indústria química?

143

Taller de Ciències

Embornals de CO 2

Projecte d’investigació Introducció L’augment de la quantitat de diòxid de carboni en l’atmosfera té una rela­ ció directa amb l’augment de la temperatura mitjana del planeta. La causa més evident i coneguda d’aquest augment de diòxid de carboni sorgix com a resultat de la combustió de petroli i carbó utilitzat en la transforma­ ció de l’energia química en energia elèctrica, per exemple (meta 13.a).

No obstant això, existixen altres causes vinculades a l’increment del diò­ xid de carboni en l’atmosfera, com és l’augment de la població mundial.

1. Podria influir l’aire espirat en la respiració dels éssers vius que habiten el planeta en aquest fet? Busca les causes més conegudes del canvi climàtic.

2. Es podrien desenvolupar reaccions químiques en les quals el CO2 fora un reactiu i així disminuir la presència en l’atmosfera?

3. En quin procés natural el CO2 és un reactiu de la reacció i no un produc­ te? Podria donar-se aquest cas en la indústria?

Escull de coral a l’oceà que actua com a embornal de CO2 natural.

Objectiu Indagar sobre els anomenats embornals de CO2 i extraure conclusions.

Procediment

Trencaclosques

Es dividix la classe en grups de tres persones, on cadascuna investigarà sobre una de les àrees següents i tractaran de donar resposta a les pre­ guntes que li corresponguen. En la mesura que siga possible, s’ha d’utilit­ zar bibliografia i referències subministrades pel professorat.

• Àrea 1. Efectes de la superpoblació. Quina ha sigut la tendència en el nombre d’habitants del planeta en els últims dos segles? Com són els hàbits de la població? Quina incidència té la superpoblació en el canvi climàtic? Afecta l’estil de vida?

COMUNICACIÓ DE CONCLUSIONS

1 Es farà una exposició amb les info­ grafies dels grups de treball al centre educatiu.

2 Es durà a terme una taula redona de cada àrea per a explicar-ne les con­ clusions. L’elecció dels membres de la taula redona es durà a terme pels companys i les companyes de classe.

3

144

CiR. Cada assistent que se­ guisca les taules redones redactarà un article per a la revista escolar en el qual reculla les postures i les con­ clusions extretes.

• Àrea 2. Embornals artificials de CO2. Es pot revertir el canvi climàtic?

N’hi ha prou a disminuir l’emissió de gasos d’efecte d’hivernacle? Què són els embornals artificials de CO2?

• Àrea 3. Nutrició autòtrofa. Embornals naturals de CO2. Què és el cicle de carboni? En què consistix la nutrició autòtrofa? Quins éssers vius la duen a terme? Es consideren embornals de carboni? Existix alguna acció per a afavorir aquesta via d’eliminació de diòxid de carboni?

Discussió de resultats Les persones de cada grup que hagen investigat sobre la mateixa àrea es reuniran i posaran en comú les respostes que hagen recollit en les pregun­ tes. Es redactarà un informe de cada àrea.

Conclusions Finalment, cada grup elaborarà una infografia amb els avantatges i els inconvenients de cada àrea per a abordar accions relatives a les metes dels ODS treballades.

U5

Reaccions químiques amb substàncies gasoses

Treball pràctic Plantejament del problema La presència d’una substància gasosa en una reacció química, com a reactiu o com a producte, altera el valor de la pressió de la mescla que reacciona. La diferència entre aquest valor de pressió i el de la pressió atmosfèrica fa que es puga tindre constància de la reacció.

La teua proposta

Preparar la tasca

Durem a terme dues reaccions químiques, una en la qual s’obté diò­ xid de carboni com a producte de la reacció [1] i una altra en la qual aquest gas és un dels reactius de la reacció [2].

NaHCO3(aq) + CH3COOH(aq) 8 CO2(g) + NaCH3COO(aq) + H2O(l ) [1] Bicarbonat de sodi

Àcid acètic

Acetat de sodi

CO2 (g) + 2 NaOH (aq) 8 Na2CO3 (aq) + H2O (l )

Material de laboratori necessari per a ­realitzar la pràctica.

[2]

Idea, juntament amb el teu equip, com dur a terme cadascuna de les reaccions de tal manera que la diferència de pressió abans i després del canvi químic siga evident. Observa la llista de materials que et proposem.

La nostra proposta S’aboca el vinagre (que conté àcid acètic) en la botella de plàstic i s’introduïx el bicarbonat de sodi en el globus. Amb cura, es tapa la botella amb el globus i s’aboca el bicarbonat en l’interior. S’observa l’augment de volum del globus.

A continuació, es retira el globus i s’agrega l’hidròxid de sodi. S’en­ rosca el tap de la botella i s’agita, per a afavorir el contacte del diòxid de carboni amb l’hidròxid de sodi que s’està dissolent en l’aigua.

S’observa el canvi de forma de la botella.

Material 3 • Una botella de plàstic flexible d’1,5 L • Un globus • Uns 100 cm de vinagre de 6° • 8 g de bicarbonat de sodi • 7 g d’escates d’hidròxid de sodi

Orientacions per a realitzar l’experiència • Les masses de reactius que vam mostrar en el procedi­ ment excedixen les quantitats estequiomètriques, per a assegurar una velocitat de reacció adequada.

• Alternativament, en la primera reacció es pot mantin­ dre oberta la botella, sense utilitzar el globus, de tal

forma que el diòxid de carboni produït òmpliga l’espai de la botella i isca a l’exterior.

• Per a assegurar que aquest gas ha desplaçat tot l’aire que hi havia en l’interior de la botella, es pot introduir un misto encés i observar com s’apaga la flama.

EXTRAU CONCLUSIONS...

1

1-2-4. Treballa amb el teu equip i respon les qüesti­ ons següents:

b) Quin significat tenen els símbols entre parèntesis en les equacions químiques d’aquesta pàgina?

a) Quin efecte s’observa en la botella quan té lloc la se­ gona reacció? Per què?

c) Una part dels reactius queda sense reaccionar, com ho sabem?

145

COMPRÉN Organitza les teues idees

Mapa conceptual sistèmic

1 Còpia el mapa conceptual en el quadern i fes les ampliacions següents: a) Completa les paraules que hi falten. b) Explica per què la paraula «molècules» sempre va acompanyada d’una alternativa en el mapa conceptual. Per a això, reflexiona sobre el tipus de substàncies que no són moleculars. c) Inclou en el mapa conceptual una branca nova en el lloc indicat (1) per a mostrar quin tipus de canvi és un canvi químic en relació amb la com­ posició de la matèria. d) A partir de la branca de l’activitat anterior, inclou quines són les evidències que mostren que està ocorrent un canvi químic.

e) Inclou en el mapa, a partir del lloc assenyalat (2), quins altres símbols es poden mostrar en una equació química. f) A partir del quadre de llei de conservació, indica la forma matemàtica d’expressar aquesta llei. g) Indica en el mapa conceptual la relació entre quantitat de substància i massa. Per a això, inclou una branca en el lloc que consideres adequat. h) Il·lustra amb un dibuix, i inclou-lo en el mapa, una col·lisió efectiva i una altra que no ho siga en fun­ ció de l’orientació. i) Inclou en el mapa conceptual la constant que re­ laciona el nombre d’entitats elementals amb la quantitat de substància expressada en mol.

Les reaccions químiques

es representen mitjançant

són

Equacions ? .................................

(1)

complixen

Canvis

en les quals trobem

en els quals les

Llei de conservació ? .........................................

Llei de ? .........................................

(2) Coeficients ? .................................

Molècules o ? .................................

Fórmules químiques

de

que informen del

de

Reactius

Nombre

Col·lidixen

de Molècules o ? ................................

de

amb suficient

amb adequada

Energia

Orientació

y

que s’expressen en la unitat de quantitat de substància Mol

146

donant lloc a

? ...........................

de

Molècules o ? .................................

U5

Recorda seleccionar el material de treball d’aquesta unitat per al teu dossier d’aprenentatge.

b) Representa les dades de la massa davant del temps, i indica si es tracta d’una relació lineal.

Les solucions de totes les activitats numèriques es troben en anayaeducacion.es.

c) A partir del gràfic anterior, indica en quin interval de temps és major la velocitat de la reacció quími­ ca. En què bases la resposta? Relaciona aquesta observació amb la teoria de les col·lisions.

Canvis en la composició 1 Què significa que en un canvi químic s’altera la natu­ ralesa de la matèria? Definix amb les teues paraules l’expressió naturalesa de la matèria.

2 En posar en contacte vinagre i bicarbonat es desprén un gas, diòxid de carboni, i es formen acetat de sodi i aigua: a) Indica quins són els reactius de la reacció. b) Indica el nombre de productes d’aquesta reacció.

3 Indica si les afirmacions següents són vertaderes o fal­ ses i explica per què: a) En totes les reaccions químiques es desprén ener­ gia. b) Les reaccions químiques només ocorren de manera natural en organismes vius. c) En una reacció química, els reactius i els productes poden estar en diferent estat d’agregació. d) Les reaccions químiques que es donen en la natura­ lesa constituïxen un problema ambiental.

4 Hi ha reaccions químiques la principal aplicació de les quals és energètica, perquè en el seu desenvolupa­ ment es desprén una gran quantitat d’energia. Posa un exemple d’aquesta mena de reacció química. Explica quin problema ambiental porten associat.

8

La imatge. Explica què representa aquesta il· lustració:

Quines similituds i diferències hi ha entre la repre­ sentació anterior i la següent?

9 Com afecta la temperatura a la velocitat d’una ­reacció química? Utilitza la teoria de les col·lisions i la ­teoria cineticomolecular sobre la temperatura i l’energia cinètica mitjana de les partícules.

Representació de les reaccions químiques 10 Un estudiant ajusta aquesta equació química: NO + O2 8 NO2 de la manera següent:

Teoria atòmica de les reaccions químiques 5 Tots els xocs que es produïxen entre les partícules de reactius fan que aquestes es trenquen? De quins fac­ tors depén que un xoc siga efectiu?

6 És compatible la teoria de les col·lisions amb la llei de conservació de la massa? Ambdues expliquen certs aspectes de les reaccions químiques, però utilitzen la mateixa escala? Explica les respostes.

7 En la taula següent es mostren les masses de dues substàncies mentre té lloc una reacció química al llarg del temps: Massa A, mA/g

7,5

3,75

2,5

1,88

Massa B, mB/g

1,7

3,4

6,8

13,6

Temps, t/min

1

2

3

4

a) Les substàncies A i B, són reactius o productes de la reacció? Justifica la resposta.

NO + O2 8 NO3 És correcte el que ha fet? Per què?

11 Ajusta les reaccions químiques següents: a) Al + O2 8 Al2O3 c) NH3 + H2SO4 8 (NH4)2SO4 b) SO2 + O2 8 SO3 d) Fe2O3 + H2 8 Fe + H2O 12 Escriu tota la informació que pots obtindre de l’equació química següent ajustada: 3 Cl2 (g) + 2 Fe (s) 8 2 FeCl3 (s)

13 Utilitza aquesta taula per a verificar que la reacció de l’exercici anterior està ajustada.

Element

Àtoms en reactius

Àtoms en productes

Cl Fe

147

© GRUPO ANAYA, S.A., 2022 - C/ Juan Ignacio Luca de Tena, 15 - 28027 Madrid.

Reservats tots els drets. El contingut d’aquesta obra està protegit per la llei, que estableix penes de presó, multes o ambdues ensems, ultra les indemnitzacions corresponents per danys i perjuís, per a aquells qui reproduïren, plagiaren, distribuïren o comunicaren públicament, en tot o en part, una obra literària, artística o científica, o la seua transformació, interpretació o execució artística fixada en qualsevol tipus de suport o comunicada per qualsevol mitjà sense autorització prèvia.