· a la part inferior es recull l’aigua que s’ha refre- dat. l’aire que surt per dalt té un...
TRANSCRIPT
www.mcg
raw-h
ill.es
BARCELONA - MADRID - BOGOTÀ - BUENOS AIRES - CARACAS - GUATEMALAMÈXIC - NOVA YORK - PANAMÀ - SAN JUAN - SANTIAGO - SÃO PAULOAUCKLAND - HAMBURG - LONDRES - MILÀ - MONT-REAL - NOVA DELHI - PARÍSSAN FRANCISCO - SYDNEY - SINGAPUR - SAINT LOUIS - TÒQUIO - TORONTO
2QUÍMICA
Claudi Mans Teixidó
Teo Prat Camós
Pere Castells i Esqué
Núria Riba i Soldevila
Francesc Andreu i Mateu
Revisió tècnica
00_quimica_2batx_001-008.indd 1 11/03/13 13:46
www.mcg
raw-h
ill.es
Química 2 ? Batxillerat
Noéspermesalareproducciótotaloparciald’aquestllibre,nielseutractamentelectrò-nic,nilatransmissiódecapformaoperqualsevolmitjà,jasiguielectrònic,mecànic,per fotocòpia,per registreod’altresmitjans, senseelpermísprevi iperescritdelstitularsdelCopyright.
Dirigeixi’saCEDRO(CentroEspañoldeDerechosReprográficos)sinecessitafotocopiaroescanejarfragmentsd’aquestaobra(www.conlicencia.com).
Drets reservats © 2013, respecte a la segona edició en català per:
McGraw-Hill/InteramericanadeEspaña,S.L. EdificioValrealty,1.aplanta Basauri,17 28023Aravaca(Madrid)
ISBN:978-84-481-8463-6Dipòsit legal:M-7879-2013
Editor de projecte: ConradAgustíEditora: NúriaEgidoDisseny de coberta: rload.esDisseny d’interiors: QuinTeam!Il.lustracions: AlbertBadiaiCampos,LourdesSogas,Ventall,S.C.P.,Firofoto,Prisma,Melba,PereCastells,AGEFotostock,PereLluísLeón,BIOPUNT,RudiHicklifonsMcGraw-HillComposició: BaberImprès a:
IMPRÈS A ESPANYA - PRINTED IN SPAIN
Toteslesactivitatsd’aquestllibres’handeresoldreenunquadernapart.
00_quimica_2batx_001-008.indd 2 11/03/13 13:46
www.mcg
raw-h
ill.es
PresentacióAquestllibrevaadreçatalsestudiantsdesegondebatxilleratdelamodalitatdeciènciesitecnologia.
L’objectiugeneraldelnostreprojecteésaconseguirquel’alumneassoleixiunsconeixe-mentsquímicsique,alhora,elssàpigarelacionaramblasocietatquel’envolta.
Peraconseguiraquestafita,hemplantejateldesenvolupamentcurriculard’acordambtrespremissesbàsiques:
j Estudiarlaquímicadesdelpuntdevistamacroscòpic,ésadir,delsfenòmensobser-vables;ialmateixtempscontinuarambl’estudidelmónatomicomolecular,ésadir,detotallòrelacionatambelsàtomsilesmolècules.
j Relacionar laquímicaamb la societat,elmediambient, la indústria iambd’altresciències,perdespertaren l’alumne l’interèsperconèixer ientendre fetsque li sónproperssenseperdreelrigorcientífic.
j Sistematitzar aspectes concrets de la química, tot proposantmètodes generals perresoldreelsproblemesilesqüestionscorrectament.
Aquestsegonllibres’haestructuratenonzeunitats,quepodemagruparenquatreblocsdiferentssegonselstemestractats:
Estudi de la matèria
— Unitat1. Classificaciódelamatèria.Lessubstànciespures.
Estudi de les característiques de les reaccions químiques
— Unitat2. Termodinàmicaquímica.
— Unitat3. Cinèticaquímica.
— Unitat4. Equilibriquímic.
Estudi dels diferents tipus de reaccions
— Unitat5. Reaccionsdetransferènciadeprotons.
— Unitat6. Delahidròlisialaneutralització.
— Unitat7. Equilibrisiònicsheterogenis.
— Unitat8. Reaccionsdetransferènciad’electrons.
— Unitat9. Aplicacionsdelesreaccionsredox.
Estudi del món atomicomolecular
— Unitat10. Propietatsperiòdiquesdelselements.
— Unitat11. Quantificaciódel’energia.Anàlisiespectroscòpica.Enllaçquímic.
Enssentiremplenamentsatisfetssielllibrequeteniualesmansserveixperferdelaquímicaunamatèriamésproperaqueensajudiaentendreelmónqueensenvoltad’unamanerasenzillaiinteressant.
Agraïmdetotcorl’ajuda,elsuportilaconfiançaqueenshadonatl’editoraenaquestprojecte.
Elsautors
00_quimica_2batx_001-008.indd 3 11/03/13 13:46
www.mcg
raw-h
ill.es
COM S’UTILITZA AQUEST LLIBRE
UNITAT
CENTRE D’ENSENYAMENT ONLINE
Material interactiu ideat coma suportpera l’estudiant.S’hipot trobarinformacióreferentalamatèriatantperreforçarcomperampliarconei-xementsirecursosútilsperreforçaroampliarelmaterialquejaofereixelllibre,comaraungranventalld’activitats,toteslesil.lustracionsdelllibre,enllaçosallocsweb,bibliografiaiunglossari.
Presentaciódelaunitat:fotografiaiobjectiusprinci-palsquel’alumnehad’assolirenacabaraquestaunitat.
01CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
En aquesta unitat aprendràs a:j Identi� car els elements que formen els compostos.j Representar grà� cament els diferents estats en què es
pot trobar qualsevol substància pura segons la pres-sió i la temperatura, mitjançant diagrames de fases.
j Aplicar la lio� lització a alguns processos.j Eliminar productes industrials nocius.
j Calcular l’energia necessària per canviar d’estat una substància pura.
j Deduir l’equació dels gasos ideals a partir de consi-deracions teòriques.
j Esbrinar com varia la difusió dels gasos en funció de la seva massa atòmica.
00_quimica_2batx_001-008.indd 4 11/03/13 13:46
www.mcg
raw-h
ill.es
Tractament teòric de la matèria
Alfinaldecadaunitatesproposenunseguitd’ac-tivitats perquè l’alumnat prepari les proves deselectivitatenrelacióalsconeixementsadquirits.
Activitats fi nalsDesenvolupamentdelamatèriaenquès’inclouenels continguts conceptuals i procedimentals, elsexemples resolts i, al final de cada apartat, lesactivitatsd’aprenentatge.
Pràctiques
25CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
Activitats finals
1> Classifica els materials següents com a elements,mescles,substànciespures,compostos
argent calç guix
alcohol tinta cautxúnatural
llautó benzina estany
bronze cristalldequars sucre
sabó aspirina sal
pintura detergent diamant
2> Quinprocésfapossiblequeelfetdeventar-serefres-quilacara?
3> Tantlacondensaciócomlasolidificacióalliberenca-lor.Quinprocésalliberaméscalor?Perquè?
4> Observalafiguradelpunttripledel’aigua.
a) Etsemblaqueéspossiblequeesmantinguienes-tatlíquidaunapressióde2,5mmHg?
b) Iaunapressióde6mmHg?
5> Éspossibleteòricamentteniraigualíquidaaunapres-sióinferiora0,00603atm(4,58mmHg)?
6> En quines condicions ha d’estar l’aigua perquè esmantinguienestatlíquidaunatemperaturainferiora0°C?
7> Comespotaconseguirqueun filferrobenprim,delqual pengen uns pesos grans, travessi una barra deglaçindustrialgruixudasensequelabarraestrenqui?Explicaperquè.(Vegeulafigura1.12.)
Fig. 1.12
8> Comextrauriesl’aiguadelsucd’unataronjasenseha-ver-lad’esprémernitrinxar?
9> Perquèelbutàquehihaal’interiordelesbombonesestrobaprincipalmentenestat líquid iquancremaestàenestatgasós?
10> Si connectem a una bombona de butà un bufadorpistolaapteperescalfarindustrialmenti l’encenem,
observarem que l’envàs taronja de la bombona esglaça per la part de fora. A què és degut aquestefecte?
11> ElCO2sublimaatemperaturaambient.QuanelCO2sò-lidsublimaa760mmHg(pressióatmosfèrica),mantéunatemperaturade195K(278°C).Elseupunttripleestrobaa5,11atmia256,4°C.
a) Si volem fondreel CO2 sòlid, quinaés lapressiómínima necessària perquè passi a l’estat líquid?
b) Aquinatemperaturamínimahofarà?(EldiagramadefasesdelCO2téunaformaanàlogaaldel’aigua;vegeulafigura1.13.)
p (mmHg)
3880
sòlid
punt triple
760
195
líquid
gas
216,4 T (K)
Fig. 1.13. Diagrama de fases del CO2.
12> Éspossiblequelessubstànciesestrobinenestatsò-lid,líquidigasósalhora?
13> Enlescondicionsdevidahabitual,quinaésaproxi-madamentlapressiódevapordelgelquanfon?(Ob-serva detingudament el gràfic de la figura 1.4 delpunttripledel’aigua.)
14> Unprocedimentper refrigerar l’aiguacalentaenelsprocessosindustrialsésmitjançantlestorresdere-frigeració.Aquestestorresconsisteixenenunsrecin-tesperonbaixaaiguaiesfacircularsobrematerialssòlids apilats, de manera que formi una pel.lículafina.Ensentitascendents’impulsauncorrentd’aire.A la part inferior es recull l’aigua que s’ha refre-dat.L’airequesurtperdalttéunaltcontingutd’aiguaen forma de gas. Explica per què es refreda l’aigualíquida.
Reculld’exercicisiproblemesrelacionatsambelscontingutsques’hantractatalaunitat.
Pràctiquesfàcilsiassequiblesperferallaboratoridel’institutoalacuinadecasa.Complementenexperimentalmentlateoriaexplicadaalaunitat.
Prepara la selectivitat
14 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
j1.4 Canvisd’estat
jA. Sòlid-líquidEn els sòlids, les partícules —molècules, àtoms o ions, segons el tipus de sòlid— no es poden moure, només vibren al voltant d’una posició fixa. Això és així perquè la seva energia tèrmica no pot vèncer les forces d’atracció entre elles (fig. 1.5).
Quan escalfem un sòlid es transmet energia a les seves partícules, la qual les fa vibrar més ràpidament, de manera que se separen una mica més les unes de les altres i augmenta una mica el volum del sòlid. Quasi tots els cossos sòlids es dilaten en escalfar-los.
Quan s’arriba a la temperatura de fusió, Tf, l’agitació de les partícules és prou gran perquè s’allunyin de les posicions fixes al voltant de les quals vibren, i el cos fon.
L’ordre cristal.lí del sòlid es trenca i les partícules es mouen i xoquen les unes amb les altres. Si el sòlid és amorf, o no és una substància pura, la temperatura de fusió, Tf, no es manté constant; és a dir, no hi ha un únic punt de fusió, sinó que es mou en un marge de valors.
La quantitat de calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa passi de l’estat sòlid a l’estat líquid s’anomena calor latent de fusió, lf.
La calor latent de fusió, lf, té el mateix valor que la calor latent de solidificació, ls, que correspon al procés de solidificació o pas d’estat líquid a estat sòlid.
jB. Líquid-gasEn els líquids, les partícules es poden moure perquè tenen una energia cinètica més gran que en el sòlid. Quan els líquids s’evaporen, algunes de les partícules amb energia més alta acon-segueixen separar-se de les del seu voltant i passar a vapor. Per fer-ho han d’agafar energia de l’entorn, i per això la temperatura del líquid baixa. Aquest fenomen el podem observar fàcil-ment si ens posem acetona al palmell de la mà i deixem que s’evapori: la mà es refreda perquè la calor corporal ha servit per evaporar l’acetona.
El trànsit de líquid a gas es pot realitzar per evaporació o per ebullició. En tots dos casos s’esdevé una vaporització.
j L’evaporació és un fenomen superficial que es produeix a qualsevol temperatura. Només unes quantes partícules properes a la interfase líquid-gas es poden escapar.
j En l’ebullició tot el líquid assoleix una temperatura suficient perquè les partícules puguin passar a fase gas o vapor. Si la substància és pura, la temperatura d’ebullició, Te, es manté constant.
La calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa d’una substància es vaporitzi, s’anomena calor latent de vaporització, lv.
La calor latent de vaporització és igual a la calor latent de condensació, lc, que correspon al procés de condensació o pas d’estat gasós o vapor a estat líquid.
j Punt crític. Caracterització del procés de liquació d’un gas. En comprimir un gas, la pres-sió augmenta, les molècules s’atansen i s’atrauen una mica (per forces de Van der Waals) en estar més properes. Així és possible que el gas es condensi, i passi de l’estat gasós al líquid. Però perquè un gas esdevingui líquid cal que estigui per sota de la temperatura crí tica. Aquesta temperatura és característica de cada compost o element. Alguns punts crítics són: H2O 647,1 K i 217,8 MPa; CO2 304,2 K i 7,8 MPa. Pel damunt de la temperatura crítica, és impossible liquar un gas per molt que el comprimim. En aquestes condicions aquests fluids s’anomenen fluids supercrítics. S’utilitzen industrialment com a solvents.
Fig. 1.5. Partícules d’un sòlid vibrant a l’entorn de posicions fixes.
Fig. 1.6. Diagrama dels canvis d’estat.
La calor de vaporització ens dóna un valor aproximat de les forces d’enllaç entre les partícules d’un líquid. En passar de sòlid a líquid la substància només es desordena una mica, i es mantenen en bona part els enllaços entre partícules. En canvi, en passar de líquid a gas aquests enllaços s’han de trencar tots. Per això la calor de vaporit-zació és molt més gran que la ca-lor de fusió.
15CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
jPunt crític d’un fluid. Imaginemunrecipienttancatambunlíquidielseuvapor.Amesu-raquepugemlatemperatura,augmentaladensitatilaconcentraciódelgas,alhoraquebaixa ladensitatdel líquid.Sianemescalfantarribaunmomentapartirdelqualnoésperceptibleladiferènciaentrelíquidigas.Éselpunt crític.
jC. Sòlid-gas
Elslíquidspursaunatemperaturadeterminadatenenunapressiódevaporcaracterística.Enelssòlidstambéexisteixlapressiódevapor,sibéenunamagnitudquesolsermoltinferior.Si lespartículesdel cristall vibrenprouenèrgicament,podenvèncer les forces cristal.linesdecohesióquelesenllacenilespartículesperifèriquespodenarribarapassaral’estatgasós.Enaquestcas,diemqueelsòlidsublima.
Cadasòlidtéunapressiódevaporcaracterísticaaunatemperaturadeterminada.Perexem-ple,l’aiguasòlidaa0°Ctéunapressiódevaporde0,00603atm(4,58mmHg).Siescalfemaiguasòlidaqueestiguiaunatemperaturaunamica inferiorals0°Cenun recipientqueestiguiaunapressiópersotade0,00603atm—creadamitjançantelbuit—,l’aiguapassadirectamentd’estatsòlidaestatgasós.Passaelmateixsielgelestàencontacteambunairemoltsec,semprequeelvapord’aiguasiguielquetindriasiestiguéssolenelmateixvolum,alapressióde0,00603atmomenys.
Lapressiódevapordelssòlids,comladelslíquids,creixamblatemperatura.
Unaltreexemplecaracterísticdesublimacióéseldelgelsec,queésCO2sòlidqueesfaservirperrefrigeraraliments,elqualsublimasensefondreapressióatmosfèrica,perquèlapressiódelCO2al’atmosferaésmésbaixaquelapressiódevapordelsòlid(fig.1.8).
La quantitat de calor necessària per sublimar la unitat de massa en estat sòlid fins a l’estat gasós a pressió atmosfèrica s’anomena calor latent de sublimació.
Observeulafigura1.4.LescorbesrepresentenelsvalorssimultanisdepiTenelsqualsduesfasesd’aiguapodencoexistirenequilibri.Perexemple,l’aiguasòlidacoexisteixambl’aiguaenestatgasós(vapor)entotselsvalorsdepiTcorresponentsalalíniaOB.Anàlogament,enelsvalorsdepiTdelacorbaOCcoexisteixenelglaçil’aigualíquida.EnlescondicionsdepiTcorresponentsalalíniaOAcoexisteixenl’aigualíquidail’aiguagasosa.
EnelpuntO,anomenatpunt triple,podencoexistirlestres fases en equilibri.Elpunttripledel’aiguacorresponaunapressióde0,00603atmiaunatemperaturade0,01°C.
LeszonesentrecorbescorresponenacondicionsdepiTenquènoméspotexistiraiguaenunasolafase.
L’aiguaaunatemperaturad’1°Ciaunapressióde2mmHgestaràenformadegas.Caldràaplicar-hiunapressióde8-10mmHgomésperliquar(condensar)l’aigua.Sil’aiguaestiguésa250°Ci1mmHgdepressióestariaenfasegasperònoaconseguiríemlaliquaciópermoltquecomprimíssim,jaquenoentraríemenlazonalíquida.L’aiguaescongelariaipassariadegasasòliddirectament(sublimacióregressiva).
Fig. 1.8. El diòxid de carboni dins d’un extintor es troba en estat líquid i a una pressió elevada. A uns 25 °C està a unes 62 atm. En obrir-ne l’aixeta, el CO2 líquid es descomprimeix sobtadament, i en fer-ho necessita calor, que agafa majoritàriament d’ell mateix, refredant-se molt i sortint pre-ferentment sòlid. Però a la pressió atmos-fèrica el CO2 és gas, i per tant, aquell CO2 sòlid sublima de seguida.
Fig. 1.7. Punt crític.
ACTIVITATS
8> Investigaperquè:
a) S’eixugalarobamulladatantsifaventcomsifacalor.
b) L’aiguadelscàntirs i sellonsdematerialporósesmantéfrescasiescol.loquenenunlloconhihagicorrentd’aire,semprequeestractid’airesec.
9> Sabent que el cotó té moltíssims grups OH en lessevesmolècules i que el niló no en té cap, esbrinaper què costa molt més eixugar el cotó mullat queelniló.
10> Sitenimgela20,5ºCihiapliquemunbuitinferiora0,00603atm(4,58mmHg),quèpensesquepassarà?
p
punt crític
punt triple
F
E
D
A B C T
Sòlid Líquid
Gas
(Fluid supercrític)
157REACCIONS DE TRANSFERÈNCIA DE PROTONS 05
b)Caràcteràcidobàsicdesubstàncies
Esbrineu el pH de diversos productes quotidians mitjançant un paper indicador de pH. Completeu la taula següent:
Producte Color paper indicador pH aproximat Caràcter àcid,
bàsic o neutre
Taula 5.19
c) Caràcteràciddelsàcidsbromhídriciiodhídric
j En un tub d’assaig aboqueu una petita quantitat de KBr i 2 cm3 de H3PO4(aq) concen-trat i escalfeu-ho. Comproveu el caràcter àcid dels vapors emesos mitjançant paper indicador, prèviament mullat amb aigua destil.lada.
j Repetiu el mateix procés, però ara amb una petita quantitat de KI.
d)Caràcterbàsicdel’amoníac
j En un tub d’assaig barregeu 2 cm3 de dissolució de NH4Cl 1 M i 2 cm3 de dissolució 1 M de NaOH.
j Escalfeu-ho lleugerament i oloreu (no directament) els vapors que se’n desprenen. Quin producte us recorda? Comproveu el caràcter bàsic dels vapors mitjançant paper indicador humi tejat amb aigua destil.lada.
j Mulleu una vareta amb HCl(aq) concentrat i aproximeu-la a l’obertura del tub d’assaig de què es desprenen els vapors de NH3 fins a observar un fum de color blanc que correspon a la formació de clorur d’amoni d’acord amb l’equació:
NH3(g) 1 HCl(aq) f NH4Cl(s)
Comproveu el caràcter àcid d’aquest fum blanc amb paper indicador humitejat.
e)Hidròlisidesals
j Afegiu a dos tubs d’assaig una petita quantitat de Na2CO3 i aboqueu-hi 5 cm3 d’aigua destil.lada.
j Afegiu una petita quantitat de Al2(SO4)3, juntament amb 5 cm3 d’aigua destil.lada, en altres dos tubs d’assaigs.
j Afegiu 2 gotes de fenolftaleïna en un dels tubs de cada parell i, en els altres dos, 2 gotes de roig de metil.
j Raoneu el caràcter àcid o bàsic d’aquestes substàncies.
Fig. 5.10. Taronja de metil.
156 REACCIONS DE TRANSFERÈNCIA DE PROTONS05
Pràctiques
Les pràctiques proposades es poden fer a casa o al laboratori del centre.
Assajos d’equilibris àcid-base (al laboratori)
Objectiu
Conèixer indicadors i el caràcter àcid o bàsic de diverses substàncies.
Material
— Tubs d’assaig — Dissolució de blau de bromotimol
— Comptagotes — Dissolució de taronja de metil
— Vareta — Na2CO3
— Aigua destil.lada — Al2(SO4)3
— Dissolució de NaOH 1 M — KBr
— Dissolució de HCl 1 M — H3PO4(aq) concentrat
— Paper indicador de pH — KI
— Dissolució de fenolftaleïna — Dissolució de NH4Cl 1 M
— Dissolució de roig de metil
Procediment i anàlisi de resultats
a) Indicadors
j Poseu dotze tubs d’assaig plens fins a la meitat d’aigua destil.lada en una reixeta.
j Afegiu 2 gotes de fenolftaleïna en tres dels tubs; 2 gotes de roig de metil en tres altres tubs; 2 gotes de blau de bromotimol en altres tres, i 2 gotes de taronja de metil als tres últims. Etiqueteu els tubs. Observeu-ne el color per a cada indi cador.
j Aboqueu 1 cm3 de HCl(aq) 1 M en el segon tub de cada indicador. Observeu-ne el color i compareu-lo amb el dels altres indicadors.
j Afegiu 1 cm3 de NaOH(aq) 1 M en el tercer tub de cada indicador. Observeu-ne el color i compareu-lo amb el dels altres.
Completeu la taula següent:
Indicador Tub 1 Tub 2 (HCl(aq)) Tub 3 (NaOH(aq))
Fenolftaleïna
Roig de metil
Blau de bromotimol
Taronja de metil
Taula 5.18
Cal intentar reutilitzar les dissolucions per a altres pràctiques; si no és possi-ble, es poden llançar per la pica diluint-les prèviament amb aigua abundant. Els àcids i les bases cal neutra-litzar-los abans d’eliminar-los per la pica.
Gestió de residus
S’ha d’anar amb compte en la utilització de l’hidròxid de sodi i dels àcids fosfò- ric i clorhídric, perquè són molt corrossius; cal posar-se guants per manipular-los. Extremeu les precau-cions pel perill d’ingesta de les dissolucions d’indi-cadors. Realitzeu aquesta pràctica a la vitrina de ga-sos.
Normes de seguretat
Fig. 5.9. Fenolftaleïna.
281PROPIETATS PERIÒDIQUES DELS ELEMENTS 10
Prepara la selectivitat
1> [Curs09-10]Elfluor(nombreatòmic9)ielsodi(nom-bre atòmic 11) són dos elements que es troben engrupsallunyatsentresialataulaperiòdica(grups17i1,respectivament).
a) Calmésenergiaperarrencarunelectród’unàtomdefluorgasósod’unàtomdesodigasós?Raoneularespostaenfunciódelessevesestructureselec-tròniques.
b) Totiquel’iófluoruril’iósoditenenelmateixnom-bred’electrons,quind’aquestsdosionstéelradimésgran?Perquè?
2> [Curs 10-11] Dos elements tenen les configuracionselectròniquessegüentsenl’estatfonamental:elementX:1s2 2s2 2p2;elementY:1s2 2s2 2p4.
La primera energia d’ionització d’un dels elementsés 1310 kJ?mol21, mentre que la de l’altre és1090kJ?mol21.
a) Quindelsdoselementstéunradiatòmicmésgran?
b) Assigneuelsvalorsdelaprimeraenergiad’ionitza-cióacadascundelselements,XiY.
Justifiqueulesrespostes.
3> [Curs09-10]Lafigura10.23mostraelradiatòmicdelsquaranta-cincprimerselementsdelataulaperiòdica:
200
100
10 30Nombre atòmic Z
Z = 9
Z = 33
Z = 3
Z = 19
Radi atòmic(pm)
Fig. 10.23. Radi atòmic en funció del nombre atòmic.
a) Justifiqueu,apartirdel’estructuraelectrònicadelsàtoms, lavariaciódel radiatòmical llargdel se-gonperíodedelataulaperiòdica(nombresatòmicsdel3al9).
b) Compareuelradiatòmicdelliti(Z53)ieldelpo-tassi(Z519)ijustifiqueuaquestsvalorsapartirdel’estructuraelectrònicadelsdosàtoms.
4> [Curs10-11]Elfluorurdeliti,LiF,ésuncompostiònicque s’utilitza en òptica per la seva transparència a lallumultraviolada.Apartirdelsegüentgràfic(fig.10.24):
Ent
alp
ia (k
J)
+
–
Li4(g) + F(g)
Li+(g) + F–(g)
LiF(s)
Li+(g) + ½ F2(g)
Li(g) + ½ F2(g)
Li(s) + ½ F2(g)
520 kJ
161 kJ
–617 kJ
–1047 kJ
–328 kJ77 kJ
Fig. 10.24. Diagrama d’entalpies del fluorur de liti.
a) Indiqueuquinvalortenenl’energiad’ionitzaciódellitiil’afinitatelectrònicadelfluor.Definiuelcon-cepted’energiareticulard’unsòlidiòniciindiqueuquinvalortéperalfluorurdeliti.
b) L’energia reticular del iodur de potassi (KI), seràméspetitaomésgranque ladel fluorurde liti?Justifiqueu-hoapartirdelmodelelectrostàticdelsòlidiònic.
Dades:Li:Z53;F:Z59;K:Z519;I:Z553
5> [Curs10-11]Percalcularl’energiareticulardelclorurdesodi(2787kJ?mol21)calconèixerlesdadestermo-dinàmiquesqueapareixenenlataulasegüent:
Magnituds termodinàmiques Valor (kJ?mol21)
Entalpia de sublimació del Na(s) 107
Primera energia d’ionització del Na 496
Entalpia de formació del Cl(g) 122
Afinitat electrònica del Cl 2349
Entalpia de formació del NaCl(s) 2411
Taula 10.5. Dades termodinàmiques en c. e. i a 298 K.
a) Expliqueuladiferènciaquehihaentreelsconcep-tes energia d’ionització i afinitat electrònica d’unelement, i entre els conceptes energia reticular ientalpia de formaciód’uncompostiònic.
b) Expliqueuraonadament,apartirdelmodelelectros-tàticdelsòlid iònic,si l’energiareticulardelbro-murdepotassiseràmésgranoméspetitaqueladelclorurdesodi.
Dades:Nombresatòmics(Z):Z (Na)511;Z (Cl)517;Z (K)519;Z (Br)535.
00_quimica_2batx_001-008.indd 5 11/03/13 13:46
www.mcg
raw-h
ill.es
ÍNDEX6
Unitat 1. Classificaciódelamatèria.Lessubstànciespures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1 Lessubstànciespuresdinslaclassificaciódelamatèria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Elementsicompostos.Obtenciódelselementsdelscompostos . . . . 11
1.3 Diagramadefasesd’unasubstànciapura . . . 13
1.4 Canvisd’estat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Teoriacineticomoleculardelsgasos . . . . . . . 16
1.6 Calorintercanviadaenelscanvisd’estat . . . . 20
1.7 Lesactivitatsindustrialsielmediambient. . 21
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Unitat 2. Termodinàmicaquímica . . . . . . . . . 31
2.1 Introduccióalatermodinàmica . . . . . . . . . . 32
2.2 Variablestermodinàmiques............. 33
2.3 Caloritreball . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Energiainterna.Primerprincipidelatermodinàmica . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Relacióentrel’energiainternail’entalpia . . . 38
2.6 Mesuradel’entalpiadereacció . . . . . . . . . . 42
2.7 LleideHess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8 Càlculdelesentalpiesdereaccióapartirdelesenergiesd’enllaç . . . . . . . . . . 48
2.9 L’entropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.10 Espontaneïtatdelesreaccions.L’energialliuredeGibbs . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.11 Latermodinàmicailaindústria . . . . . . . . . . 57
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Unitat 3. Cinèticaquímica . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1 Lavelocitatdelesreaccions . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Teoriesdelesreaccionsquímiques . . . . . . . . 72
3.3 Factorsqueintervenenenlavelocitatdelesreaccions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4 Mecanismesdereacció . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Unitat 4. Equilibriquímic . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.1 Introduccióal’equilibriquímic . . . . . . . . . . 92
4.2 Constantd’equilibrideconcentracióKc . . . . . 94
4.3 Constantd’equilibrienfunciódelapressióKp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4 Relacióentrelesconstantsd’equilibriKciKp . 107
4.5 Graudedissociació . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.6 Factorsquemodifiquenl’equilibri . . . . . . . . . 112
4.7 Relacióentrelaconstantd’equilibriil’energialliuredeGibbs . . . . . . . . . . . . . . 117
4.8 L’equilibriquímicilaindústria . . . . . . . . . . 118
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Unitat 5. Reaccionsdetransferènciadeprotons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1 Introducció. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2 TeoriadeBrönstediLowry. . . . . . . . . . . . . 129
5.3 Forçarelativad’àcidsibases. . . . . . . . . . . . 132
5.4 Equilibriiònicdel’aigua . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5 RelacióentreKaiKb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.6 ConceptedepH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.7 VariaciódelpHendiluirunàcidfortounàcidfeble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.8 Indicadorsàcid-base . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Unitat 6. Delahidròlisialaneutralització . . . 159
6.1 Concepted’hidròlisi.Comportamentàcidobàsicdelessals. . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.2 DissolucionsreguladoresdelpH. . . . . . . . . . 165
6.3 Reaccionsdeneutralització . . . . . . . . . . . . 170
6.4 Valoracionsàcid-base. . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.5 LaimportànciadelpHdelsòl . . . . . . . . . . . 180
6.6 Efectesmediambientalsdelsàcids:plujaàcida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
00_quimica_2batx_001-008.indd 6 11/03/13 13:46
www.mcg
raw-h
ill.es
ÍNDEX7
Unitat 7. Equilibrisiònicsheterogenis . . . . . . 189
7.1 Equilibrisheterogenis . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.2 Reaccionsdeprecipitació . . . . . . . . . . . . . . 191
7.3 Solubilitatiproductedesolubilitat....... 192
7.4 Relacióentresolubilitatiproductedesolubilitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.5 Efectedel’iócomú . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.6 Efectesalí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.7 Precipitaciófraccionada . . . . . . . . . . . . . . . 201
7.8 Dissoluciódeprecipitats . . . . . . . . . . . . . . 203
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Unitat 8. Reaccionsdetransferènciad’electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.1 Introduccióalesreaccionsredox. . . . . . . . . 212
8.2 Reaccionsorgàniquesd’oxidació-reducció . . . 214
8.3 Valoracionsredox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.4 Processosredoxenelsorganismesvius. . . . . 218
8.5 Corrosiódelsmetalls. . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.6 Aplicacionsdelesreaccionsredox:l’acer . . . . 221
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Unitat 9. Aplicacionsdelesreaccionsredox . . 229
9.1 Electròlisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.2 Cel.lesgalvàniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.3 Forçaelectromotriud’unapila.Potencialsnormalsdereducció.......... 241
9.4 Aplicacionsdelescel.lesgalvàniques . . . . . . 248
9.5 Espontaneïtatdelesreaccionsredox. . . . . . 252
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Unitat 10. Propietatsperiòdiquesdelselements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.1 Elselementsdelataulaperiòdica........ 262
10.2 Propietatsperiòdiquesdelselements.Variaciódinslataulaperiòdica . . . . . . . . . . 264
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Unitat 11. Quantificaciódel’energia.Anàlisiespectroscòpica.Enllaçquímic . . . . . . 283
11.1 Caracteritzaciódelaquantificaciódel’energiaidelmodelondulatoridel’àtom . 284
11.2 L’enllaçcovalentilateoriadeLewis . . . . . . 292
11.3 Paràmetresmoleculars:energia,angleilongitudd’enllaç . . . . . . . . . 297
11.4 Teoriaderepulsióentreelsparellsd’electronsdelacapadevalència . . . . . . . . 299
11.5 Enllaçospolarsimolèculespolars . . . . . . . . 302
11.6 Forcesintermoleculars. . . . . . . . . . . . . . . . 305
11.7 Mètodesespectroscòpicsdedeterminaciódel’estructuradelesmolècules . . . . . . . . . . 306
Activitatsfinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Preparalaselectivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Pràctiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
00_quimica_2batx_001-008.indd 7 11/03/13 13:46
www.mcg
raw-h
ill.es
01CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
En aquesta unitat aprendràs a:j Identifi car els elements que formen els compostos.j Representar gràfi cament els diferents estats en què es
pot trobar qualsevol substància pura segons la pressió i la temperatura, mitjançant diagrames de fases.
j Aplicar la liofi lització a alguns processos.j Eliminar productes industrials nocius.
j Calcular l’energia necessària per canviar d’estat una substància pura.
j Deduir l’equació dels gasos ideals a partir de consideracions teòriques.
j Esbrinar com varia la difusió dels gasos en funció de la seva massa atòmica.
01_quimica_2batx_008-030.indd 9 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
10 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
El carbonat de calci natural també té dues formes de cristal.lització: la calcita (sistema romboèdric) i l’aragonita (sistema ròmbic). Tant la calcita com l’aragonita són CaCO3. Aquest fenomen s’anomena di-morfisme.
Les substàncies pures també s’anomenen espècies químiques.
j1.1 Lessubstànciespuresdinslaclassificaciódelamatèria
Les substàncies pures només poden ser elements químics (per exemple, sofre o hidrogen) o compostos formats per elements (per exemple: aigua, H2O, o carbonat de calci, CaCO3).
Si barregem dos o més elements o compostos obtenim una mescla, que no és una substància pura.
Matèria
Heterogènia Mescles heterogènies (sang)
Homogènia
Substàncies pures
Dissolucions (sal en aigua)
Elements (coure)
Compostos (sacarosa)
Mescles
Quan les substàncies pures (elements o compostos) es troben en estat sòlid poden formar cristalls. Un mateix compost pot cristal.litzar de maneres diferents. Aquest fenomen s’anomena polimorfisme. Per exemple, el carbonat de calci és polimòrfic i es pot trobar en dues formes cristal.lines.
Un sol element pot formar substàncies diferents, perquè els seus àtoms s’enllacen de manera diferent. Aquest fenomen rep el nom d’al.lotropia. Per exemple, l’oxigen, O2, i l’ozó, O3, són varietats al.lotròpiques d’un mateix element (l’oxigen), de la mateixa manera que el grafit i el diamant ho són del carboni.
Mescles Compostos
Tenen les propietats dels seus components. Si es barregen llimadures de sofre i ferro, la mescla té les propietats del sofre i del ferro.
Tenen propietats específiques pròpies i no les dels elements constituents. Així, l’àcid nítric, HNO3, no té absolutament cap semblança amb el nitrogen, l’oxigen i l’hidrogen que el constitueixen.
La formació d’una mescla no comporta cap bescanvi energètic amb l’entorn o, en tot cas, és negligible.
La formació d’un compost comporta un bescanvi energètic important amb l’entorn (reacció endotèrmica o exotèrmica).
Els components de les mescles es poden separar per mitjans físics, com ara la filtració, la decantació, la sedimentació, la centrifugació, l’evaporació, la destil.lació, les extraccions sòlidlíquid i líquidlíquid, la cristal.lització i la cromatografia.
Els constituents dels compostos no es poden separar per procediments físics, sinó que cal emprar mitjans que modifiquin químicament la combinació, com ara l’electròlisi.
Les mescles, en general, poden existir en qualsevol proporció dels seus components. El sofre i el ferro, per exemple, els podem barrejar en qualsevol proporció.
Els compostos es formen a partir dels elements en una proporció invariable. Per exemple, cada àtom d’oxigen de l’aigua, H2O, va acompanyat forçosament de dos àtoms d’hidrogen.
1> Esbrina quines diferències hi ha en les varietats al.lotròpiques del fòsfor blanc i el fòsfor roig.
2> El sofre té al.lotropia. Cerca’n les varietats.
ACTIVITATS
Taula 1.1. Diferències principals entre els compostos i les mescles.
01_quimica_2batx_008-030.indd 10 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
11CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
j1.2 Elementsicompostos.Obtenciódelselementsdelscompostos
Els elements es troben combinats químicament entre ells formant compostos que tenen unes propietats absolutament diferents de les dels elements constituents. Per exemple, els òxids de nitrogen, NxOy, són compostos de nitrogen i oxigen que no recorden gens les propietats dels dos elements constituents.
Per contra, en l’aire, que es defineix com una mescla bàsicament de molècules de nitrogen i d’oxigen, els elements constituents es poden separar mitjançant diferents procediments, com ara la refrigeració, fins a arribar a la liquació i la destil.lació posterior de l’aire líquid obtingut. Els dos constituents tenen diferent volatilitat, ja que les molècules de nitrogen són més petites i destil.len a una temperatura més baixa que les d’oxigen, més grans. Per tant, si es controla la temperatura de destil.lació, es poden separar els dos elements.
Molts compostos es poden separar en els seus elements per diferents mètodes, alguns dels quals s’esmenten tot seguit:
j Descomposició. Aquest mètode només es pot emprar en alguns casos. Per exemple, l’òxid de mercuri(ii), HgO, si l’escalfem, es descompon en oxigen gasós i mercuri metàl.lic:
2 HgO(s) f 2 Hg(l) 1 O2(g)
j Reducció. Un procediment molt utilitzat en metal.lúrgia és l’aïllament dels metalls mitjançant la reducció amb carbó o un altre reductor potent. D’aquesta manera, es pot aïllar el ferro dels seus òxids, FeO, Fe2O3 i Fe3O4. L’estany també es pot aïllar del SnO2; i el zinc, del ZnO:
2 FeO(s) 1 C(s) f 2 Fe(s) 1 CO2(g)
j L’electròlisi. Una manera usual de separar els elements d’un compost és mitjançant l’electròlisi, un procés electroquímic que provoca el canvi químic gràcies a l’electricitat.
L’electròlisi es produeix sempre en fase líquida. Aquest líquid, anomenat electròlit, ha de ser conductor elèctric, i perquè ho sigui cal que contingui ions, positius i negatius. Com que té càrrega elèctrica, pot conduir l’electricitat si hi apliquem una diferència de potencial elèctric. Els ions poden provenir d’un mineral en estat fos o d’una solució líquida:
j Si es tracta d’un mineral fos, per exemple bauxita, Al2O3 hidratat, el líquid fos conté ions Al31 i ions O22. En aquest cas, el Al2O3 és un electròlit de primera espècie.
j En canvi, si es tracta d’una solució, per exemple de clorur de sodi en aigua, l’aigua gairebé no està ionitzada en H1 i OH2, però conté ions Cl2 i ions Na1, que són els responsables de la conductivitat elèctrica. En aquest cas, el NaCl(aq) és un electròlit de segona espècie.
Algunes de les aplicacions industrials més importants de l’electròlisi són l’obtenció de l’alumini i del coure pur. El paper d’alumini, per exemple, permet conservar millor els aliments i coure a la papillota. En aquest tipus de cocció s’embolica amb un full de paper d’alumini un aliment, generalment carns i peixos, per coure’l al forn.
Fig. 1.1. L’electricitat provoca el trencament de la molècula d’aigua en hidrogen i oxigen (gasos).
01_quimica_2batx_008-030.indd 11 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
12 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
La conductivitat elèctrica és deguda als ions positius o cations, i als negatius o anions. Sempre s’esdevé un canvi químic prop dels elèctrodes o borns de contacte amb l’electròlit.
Els elèctrodes són dues barres, de metall o de grafit, connectades als borns d’un generador de corrent continu de baix voltatge. Un elèctrode és positiu i l’altre negatiu:
j Ànode, és l’elèctrode positiu en l’electròlisi.
j Càtode, és l’elèctrode negatiu en l’electròlisi.
Els elèctrodes han de ser d’un material adient que no reaccioni amb el compost que volem separar en els elements constituents, és a dir, han de ser inerts per a la reacció electroquímica en qüestió.
Com a exemple, estudiarem una electròlisi senzilla: la de la sal comuna fosa. Introduïm el NaCl en un recipient o cubeta anomenada cel.la electrolítica (fig. 1.2) i l’escalfem fins a fondre’l. Fem passar un corrent elèctric de pocs volts entre els dos elèctrodes que estan en contacte amb la sal fosa.
Observem que de l’ànode es desprenen bombolles de clor, Cl2, mentre que al càtode, es diposita el sodi, Na, que sura damunt la sal fosa. L’equació corresponent és:
2 NaCl(l) f 2 Na(s) 1 Cl2(g)
Fig. 1.2. Esquema de l’electròlisi del NaCl fos.
Els primers experiments sobre l’electròlisi daten de l’any 1800. W. Nicholson i A. Carlisle van fer passar el corrent d’una pila de Volta a través d’una dissolució d’aigua acidulada, de manera que es van obtenir hidrogen i oxigen gasosos.
2 H2O(l) f 2 H2(g) 1 O2(g)
El PVC o policlorur de vinil es produeix a partir d’etilè o etè i de clor obtingut de l’electròlisi de la sal comuna (clorur de sodi).
En electroquímica:
Ànode, és on s’esdevé l’oxidació i en les piles és l’elèctrode negatiu.
Càtode, és on s’esdevé la reducció i en les piles és l’elèctrode positiu.
Un element s’oxida quan perd electrons.
Per exemple: Fe0 f Fe21
Un element es redueix quan en gua nya.
Per exemple: Cl20 f 2 Cl2
3> Cerca informació d’altres aplicacions industrials de l’electròlisi.
4> Esbrina per què van acidular l’aigua Nicholson i Carlisle.
5> Informa’t sobre què són els cromats i niquelats de l’acer.
ACTIVITATS
01_quimica_2batx_008-030.indd 12 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
13CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
j1.3 Diagramadefasesd’unasubstànciapuraHi ha diferents maneres de saber si una substància és pura o no. La més senzilla consisteix a obtenirne la corba d’escalfament. Si una substància és pura, durant el canvi d’estat (per exemple, de sòlid a líquid o a l’inrevés) la temperatura de la substància és constant.
La temperatura d’un canvi d’estat té un valor concret per a una pressió ambiental determinada. Per exemple, a una pressió atmosfèrica normal (101,3 kPa), quan fem bullir aigua pura líquida i passa a gas, la temperatura d’ebullició es manté a 100 °C. Mentre hi hagi una mica d’aigua líquida, el conjunt aigua líquidagas es mantindrà a 100 °C. Just en el moment en què s’hagi evaporat la darrera gota líquida, l’aigua en estat gasós pujarà de temperatura si la continuem escalfant (fig. 1.3). L’aigua en estat gasós se sol anomenar vapor d’aigua.
En canvi, en vaporitzarse aigua salada, el punt d’ebullició va pujant i no és constant. La fase líquida es va concentrant en sal a mesura que es vaporitza aigua. L’aigua salada, doncs, no és una substància pura, és una mescla.
Tota substància pura, element o compost, sòlida o líquida, desprèn una certa quantitat de vapor, per petita que sigui. La pressió a què està aquest vapor en un recipient en el qual només hi ha la substància i el seu vapor s’anomena pressió de vapor, i és un valor definit per a cada substància i per a una temperatura determinada. Per exemple, l’aigua pura a 30 °C té una pressió de vapor de 0,0418 atm, i a 93 °C, de 0,840 atm. Si l’aigua conté sals o altres productes dissolts, és a dir, si no és pura, la pressió de vapor és inferior, i varia segons la quantitat de producte dissolt que conté (llei de Raoult).
En el punt triple poden coexistir les tres fases: sòlida, líquida i gasosa. S’esdevé a una pressió i temperatura úniques (punt invariable) (fig. 1.4).
La sublimació s’utilitza en la liofilització de substàncies. La liofilització és una operació que consisteix en una congelació seguida d’una deshidratació posterior per sublimació. S’efectua en un recipient en el qual s’ha fet el buit. Cal evitar que el glaç format es fongui durant l’operació, per la qual cosa es treballa a una temperatura inferior al punt triple.
760 mmHg
4,58 mmHg
B
O
sòlid
líquid
punt triple
gas
AC
0,01º 100º T (ºC)
fusió
solidi�cació
vaporització
condensació
sublimació
p
Fig. 1.3. Diagrama dels canvis d’estat d’una subs-tància pura en funció de la temperatura.
Fig. 1.4. Diagrama d’equilibri de fases de l’aigua. A una pressió inferior a la del punt triple, l’aigua pot passar d’estat sòlid a estat gasós sense passar per estat líquid, és a dir, pot sublimar.
La relació entre la pressió de vapor d’una dissolució i la pressió de vapor del dissolvent pur ve donada per la llei de Raoult, que estableix que en una dissolució en què el solut no és volàtil, el descens relatiu de la pressió de vapor és igual a la fracció molar del solut, segons l’expressió següent:
Dp—— 5 xs, o bé Dp 5 xs ? p0
p0
En què Dp és la disminució de la pressió de vapor, és a dir, la diferència entre la pressió de vapor del dissolvent pur i la pressió de vapor de la dissolució, xs és la fracció molar del solut i p0 és la pressió de vapor del dissolvent.
Si fem el mateix procés a una pressió atmosfèrica diferent, per exemple creant un buit parcial, l’aigua bullirà a una temperatura inferior. Una olla de pressió a la cuina treballa a pressió superior a l’atmosfèrica i, per tant, els líquids aquosos del seu interior podran estar a més de 100 °C. Així, doncs, els aliments es couran amb més rapidesa.
Les baixes temperatures en la liofilització eviten alteracions químiques i pèrdues de components volàtils. Les baixes temperatures i la manca d’aigua eviten el desenvolupament de microorganismes que podrien fer malbé els productes alimentaris i ocasionar problemes sanitaris.
ACTIVITATS
6> Esmenta un parell d’exemples d’aliments liofilitzats. 7> Com obtindries llet concentrada (amb menys aigua) al laboratori sense que es malmetés?
01_quimica_2batx_008-030.indd 13 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
14 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
j1.4 Canvisd’estat
jA. Sòlid-líquidEn els sòlids, les partícules —molècules, àtoms o ions, segons el tipus de sòlid— no es poden moure, només vibren al voltant d’una posició fixa. Això és així perquè la seva energia tèrmica no pot vèncer les forces d’atracció entre elles (fig. 1.5).
Quan escalfem un sòlid es transmet energia a les seves partícules, la qual les fa vibrar més ràpidament, de manera que se separen una mica més les unes de les altres i augmenta una mica el volum del sòlid. Quasi tots els cossos sòlids es dilaten en escalfarlos.
Quan s’arriba a la temperatura de fusió, Tf, l’agitació de les partícules és prou gran perquè s’allunyin de les posicions fixes al voltant de les quals vibren, i el cos fon.
L’ordre cristal.lí del sòlid es trenca i les partícules es mouen i xoquen les unes amb les altres. Si el sòlid és amorf, o no és una substància pura, la temperatura de fusió, Tf, no es manté constant; és a dir, no hi ha un únic punt de fusió, sinó que es mou en un marge de valors.
La quantitat de calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa passi de l’estat sòlid a l’estat líquid s’anomena calor latent de fusió, lf.
La calor latent de fusió, lf, té el mateix valor que la calor latent de solidificació, ls, que correspon al procés de solidificació o pas d’estat líquid a estat sòlid.
jB. Líquid-gasEn els líquids, les partícules es poden moure perquè tenen una energia cinètica més gran que en el sòlid. Quan els líquids s’evaporen, algunes de les partícules amb energia més alta aconsegueixen separarse de les del seu voltant i passar a vapor. Per ferho han d’agafar energia de l’entorn, i per això la temperatura del líquid baixa. Aquest fenomen el podem observar fàcilment si ens posem acetona al palmell de la mà i deixem que s’evapori: la mà es refreda perquè la calor corporal ha servit per evaporar l’acetona.
El trànsit de líquid a gas es pot realitzar per evaporació o per ebullició. En tots dos casos s’esdevé una vaporització.
j L’evaporació és un fenomen superficial que es produeix a qualsevol temperatura. Només unes quantes partícules properes a la interfase líquidgas es poden escapar.
j En l’ebullició tot el líquid assoleix una temperatura suficient perquè les partícules puguin passar a fase gas o vapor. Si la substància és pura, la temperatura d’ebullició, Te, es manté constant.
La calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa d’una substància es vaporitzi, s’anomena calor latent de vaporització, lv.
La calor latent de vaporització és igual a la calor latent de condensació, lc, que correspon al procés de condensació o pas d’estat gasós o vapor a estat líquid.
j Punt crític. Caracterització del procés de liquació d’un gas. En comprimir un gas, la pressió augmenta, les molècules s’atansen i s’atrauen una mica (per forces de Van der Waals) en estar més properes. Així és possible que el gas es condensi, i passi de l’estat gasós al líquid. Però perquè un gas esdevingui líquid cal que estigui per sota de la temperatura crí tica. Aquesta temperatura és característica de cada compost o element. Alguns punts crítics són: H2O 647,1 K i 217,8 MPa; CO2 304,2 K i 7,8 MPa. Pel damunt de la temperatura crítica, és impossible liquar un gas per molt que el comprimim. En aquestes condicions aquests fluids s’anomenen fluids supercrítics. S’utilitzen industrialment com a solvents.
Fig. 1.5. Partícules d’un sòlid vibrant a l’entorn de posicions fixes.
Fig. 1.6. Diagrama dels canvis d’estat.
La calor de vaporització ens dóna un valor aproximat de les forces d’enllaç entre les partícules d’un líquid. En passar de sòlid a líquid la substància només es desordena una mica, i es mantenen en bona part els enllaços entre partícules. En canvi, en passar de líquid a gas aquests enllaços s’han de trencar tots. Per això la calor de vaporització és molt més gran que la calor de fusió.
01_quimica_2batx_008-030.indd 14 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
15CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
j Punt crític d’un fluid. Imaginem un recipient tancat amb un líquid i el seu vapor. A mesura que pugem la temperatura, augmenta la densitat i la concentració del gas, alhora que baixa la densitat del líquid. Si anem escalfant arriba un moment a partir del qual no és perceptible la diferència entre líquid i gas. És el punt crític.
jC. Sòlid-gas
Els líquids purs a una temperatura determinada tenen una pressió de vapor característica. En els sòlids també existeix la pressió de vapor, si bé en una magnitud que sol ser molt inferior. Si les partícules del cristall vibren prou enèrgicament, poden vèncer les forces cristal.lines de cohesió que les enllacen i les partícules perifèriques poden arribar a passar a l’estat gasós. En aquest cas, diem que el sòlid sublima.
Cada sòlid té una pressió de vapor característica a una temperatura determinada. Per exemple, l’aigua sòlida a 0 °C té una pressió de vapor de 0,00603 atm (4,58 mmHg). Si escalfem aigua sòlida que estigui a una temperatura una mica inferior als 0 °C en un recipient que estigui a una pressió per sota de 0,00603 atm —creada mitjançant el buit—, l’aigua passa directament d’estat sòlid a estat gasós. Passa el mateix si el gel està en contacte amb un aire molt sec, sempre que el vapor d’aigua sigui el que tindria si estigués sol en el mateix volum, a la pressió de 0,00603 atm o menys.
La pressió de vapor dels sòlids, com la dels líquids, creix amb la temperatura.
Un altre exemple característic de sublimació és el del gel sec, que és CO2 sòlid que es fa servir per refrigerar aliments, el qual sublima sense fondre a pressió atmosfèrica, perquè la pressió del CO2 a l’atmosfera és més baixa que la pressió de vapor del sòlid (fig. 1.8).
La quantitat de calor necessària per sublimar la unitat de massa en estat sòlid fins a l’estat gasós a pressió atmosfèrica s’anomena calor latent de sublimació.
Observeu la figura 1.4. Les corbes representen els valors simultanis de p i T en els quals dues fases d’aigua poden coexistir en equilibri. Per exemple, l’aigua sòlida coexisteix amb l’aigua en estat gasós (vapor) en tots els valors de p i T corresponents a la línia OB. Anàlogament, en els valors de p i T de la corba OC coexisteixen el glaç i l’aigua líquida. En les condicions de p i T corresponents a la línia OA coexisteixen l’aigua líquida i l’aigua gasosa.
En el punt O, anomenat punt triple, poden coexistir les tres fases en equilibri. El punt triple de l’aigua correspon a una pressió de 0,00603 atm i a una temperatura de 0,01 °C.
Les zones entre corbes corresponen a condicions de p i T en què només pot existir aigua en una sola fase.
L’aigua a una temperatura d’1 °C i a una pressió de 2 mmHg estarà en forma de gas. Caldrà aplicarhi una pressió de 810 mmHg o més per liquar (condensar) l’aigua. Si l’aigua estigués a 250 °C i 1 mmHg de pressió estaria en fase gas però no aconseguiríem la liquació per molt que comprimíssim, ja que no entraríem en la zona líquida. L’aigua es congelaria i passaria de gas a sòlid directament (sublimació regressiva).
Fig. 1.8. El diòxid de carboni dins d’un extintor es troba en estat líquid i a una pressió elevada. A uns 25 °C està a unes 62 atm. En obrir-ne l’aixeta, el CO2 líquid es descomprimeix sobtadament, i en fer-ho necessita calor, que agafa majoritàriament d’ell mateix, refredant-se molt i sortint pre-ferentment sòlid. Però a la pressió atmos-fèrica el CO2 és gas, i per tant, aquell CO2 sòlid sublima de seguida.
Fig. 1.7. Punt crític.
ACTIVITATS
8> Investiga per què:
a) S’eixuga la roba mullada tant si fa vent com si fa calor.
b) L’aigua dels càntirs i sellons de material porós es manté fresca si es col.loquen en un lloc on hi hagi corrent d’aire, sempre que es tracti d’aire sec.
9> Sabent que el cotó té moltíssims grups OH en les seves molècules i que el niló no en té cap, esbrina per què costa molt més eixugar el cotó mullat que el niló.
10> Si tenim gel a 20,5 ºC i hi apliquem un buit inferior a 0,00603 atm (4,58 mmHg), què penses que passarà?
p
punt crític
punt triple
F
E
D
A B C T
Sòlid Líquid
Gas
(Fluid supercrític)
01_quimica_2batx_008-030.indd 15 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
16 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
j1.5 Teoriacineticomoleculardelsgasos
La matèria sòlida es compon de partícules que vibren i no es traslladen.
En els líquids, en canvi, les partícules ja es mouen una mica i canvien de posició.
En els gasos, les partícules tenen llibertat total de moviment. El moviment que anima aquestes partícules depèn de la temperatura. Com més elevada és la temperatura, més energia tenen les partícules i més ràpidament vibren i es mouen. L’energia cinètica de les partícules depèn, doncs, de la temperatura. Sabem que l’energia cinètica és:
1Ec 5 — m v2
2
en què m és la massa de la partícula i v és la velocitat.
Ara bé, no totes les partícules es mouen a la mateixa velocitat. Parlem, aleshores, d’una ener-gia cinètica mitjana a una temperatura determinada. Per a totes les partícules d’un gas es compleix que l’energia cinètica mitjana de cada molècula a la temperatura T és:
32Ec 5 — ? k ? T 2
en què k és la constant de Boltzmann, que val 1,38 ? 10223 J/K, i T la temperatura absoluta en kelvin.
Aquesta equació ens indica que:
j Dos gasos diferents, a la mateixa temperatura absoluta, tenen la mateixa energia cinètica mitjana.
j L’energia interna d’un gas depèn del moviment de les seves molècules; per tant, només depèn de la seva temperatura absoluta.
Si relacionem les dues equacions anteriors ens adonem que, en augmentar la temperatura, també augmenta la velocitat de les partícules i la seva velocitat mitjana. Si la temperatura és 0 K, l’energia cinètica mitjana també és zero. Això vol dir que, a mesura que la temperatura baixa, les partícules es mouen menys. Prop dels 0 K, les partícules de sòlid pràcticament no vibren.
També podem comprendre per què la pressió d’un gas augmenta en pujar la temperatura. En pujar la temperatura, l’energia cinètica de les partícules augmenta i, per tant, la seva velocitat creix; a més velocitat, hi haurà més xocs de les partícules amb les parets per unitat de temps, cosa que provoca una pressió més gran.
jA. Deducciódelalleidelsgasosidealsapartirdelamecànica
L’equació d’estat:
p ? V 5 n ? R ? T
es pot deduir a partir de l’aplicació de la mecànica clàssica a les partícules d’un gas qualsevol.
Com que les partícules dels gasos es mouen anàrquicament en totes direccions, l’estudi detallat i rigorós de la seva energia es fa des del punt de vista estadístic.
01_quimica_2batx_008-030.indd 16 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
17CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
La teoria cineticomolecular parteix del desenvolupament d’uns postulats o principis ideals. Aquests postulats són:
j Un gas està format per partícules en moviment constant, que topen constantment entre elles. Les col.lisions són perfectament elàstiques.
j No hi ha atracció ni repulsió entre les partícules (ja sabem que això no és del tot cert; tan sols és una aproximació).
El fenomen de la pressió és degut a les col.lisions de les partícules amb les parets del recipient.
Suposem N partícules, cadascuna de massa m, contingudes en un volum V de forma cúbica (fig. 1.9).
Les partícules, en moure’s, tenen associada una quantitat de moviment, que segons la mecànica és el producte de la massa per la velocitat:
L 5 m ? v(cap a la dreta)
Tanmateix, la velocitat és una magnitud vectorial i, per tant, cal tenir en compte el sentit del moviment. Així, quan la partícula en qüestió es dirigeix cap a la paret de l’esquerra (A), la quantitat de moviment que té és:
L 5 m ? (2v)(cap a l’esquerra)
En què el signe (2) indica que va en sentit contrari al positiu de l’eix de les abscisses (cap a la dreta). En col.lidir amb la paret A, es produeix un rebot completament elàstic; ara la partícula s’allunya de la paret A i té una quantitat de moviment:
L 5 m ? v
Per tant, la variació de la quantitat de moviment en aquesta col.lisió és la diferència entre les quantitats de moviment final i inicial; és a dir:
DL 5 m ? v 2 m ? (2v) 5 2 m ? v
El temps que hi ha entre dues col.lisions consecutives amb la paret A és:
desplaçament 2 lDt 5 ——————— 5 ——
velocitat v
en què l és el costat del cub elemental (desplaçament 5 2 l, ja que la partícula va i torna).
També sabem que la força, F, és la variació de la quantitat de moviment per unitat de temps; és a dir: DL 2 m ? v 2 m ? v m ? v2
F 5 —— 5 ——— 5 ——— 5 ——— Dt Dt 2 l/v l
Si la superfície de la cara elemental A del cub és S, obtindrem que en el xoc la pressió exer cida per la partícula sobre aquesta cara és:
F (m ? v2)/l m ? v2 m ? v2p 5 — 5 ———— 5 ——— 5 ———
S l2 l3 V
en què V és el volum del cub elemental de l’estudi.
Del conjunt de totes les partícules, podem suposar, des del punt de vista estadístic, que un terç de les partícules es mou en la direcció de l’eix de les X, un altre terç es mou en la de l’eix de les Y i, finalment, l’altre terç, en la de l’eix de les Z. Per tant, de tot el conjunt de les N partícules del cub elemental, només N/3 toparà amb la paret A. Com que hi ha partícules més ràpides que altres, la quantitat de moviment mitjana es correspondrà amb el que es coneix com a velocitat quadràtica mitjana de les partícules o 2v 2.
Fig. 1.9. Trajectòria d’una partícula que es dirigeix contra una paret.
01_quimica_2batx_008-030.indd 17 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
18 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
m ? 2v 2 NPer tant, podem escriure que la pressió general sobre la cara A val: p 5 ——— ? — V 3
Si NA és el nombre d’Avogadro, podem escriure qualsevol nombre N en funció de NA. És a dir: N 5 n ? NA en què n és la quantitat de matèria (en mols).
Si considerem que les N partícules en qüestió tenen una energia cinètica mitjana de:
1Ec 5 — m 2v 2
2 2podem escriure l’equació de la pressió de la manera següent: p ? V 5 — ? n ? NA ? Ec en què p és 3la pressió de totes les partícules.
L’energia cinètica de qualsevol gas és directament proporcional a la temperatura absoluta; és a dir: Ec 5 K ? T en què K és una constant.
2Podem escriure, per tant: p ? V 5 — ? n ? NA ? K ? T en què NA és el nombre d’Avogadro. 3 2 2El producte — ? NA ? K és una constant i correspon a la dels gasos ideals (R): R 5 — ? NA ? K 3 3I, en conseqüència, l’equació dels gasos es pot escriure d’aquesta manera:
p ? V 5 n ? R ? T
Aquesta fórmula s’aplica en la resolució d’exercicis pràctics sobre gasos i cal treballar en les unitats adients. En el SI, la pressió s’expressa en Pa, el volum en m3, la constant dels gasos és R 5 8,31 J/(K?mol) i la temperatura s’expressa en K. També és molt freqüent utilitzar les unitats següents: la pressió en atm, el volum en L, la constant dels gasos R 5 0,082 atm?L/(K?mol) i la temperatura en K.
hLleideGraham.VelocitatdedifusiódelsgasosLa interpretació de les velocitats de difusió dels gasos es pot fer a partir de la seva massa molecular. Així, la llei de Graham estableix que «el quocient entre les velocitats de difusió de dos gasos és inversament proporcional al quocient entre les arrels quadrades de les densitats respectives». És a dir, si d1 i d2 són les densitats i v1 i v2 les velocitats:
v1 fvvvvv d2— 5 —— v2 fvvvvv d1
Si expressem la densitat com la massa molar dividida entre el volum molar V, resulta:
v1 M2 M1— 5 fvv —— @ fvv —— v2 V2 V1
I com que el volum molar de dos gasos sotmesos a les mateixes condicions de pressió i temperatura és el mateix, v1 5 v2, podem escriure:
v1 fvvvvv M2— 5 —— v2 fvvvvv M1
Així, doncs, podem afirmar que: «el quocient entre les velocitats de difusió de dos gasos sotmesos a les mateixes condicions de pressió i temperatura és inversament proporcional al quocient entre les arrels quadrades de les seves masses molars».
Comparem, per exemple, les velocitats de difusió del diòxid de carboni i l’oxigen. Les masses molars respectives són 44 g/mol i 32 g/mol.
vO2 fvvvvvvvv MCO2 fvvvvv 44Per tant: —— 5 ——— 5 ——— 5 1,17 vCO2 fvvvvvvv MO2 fvvvvv 32
1Segons l’equació Ec 5 — m v2, en 2una barreja de gasos, a la mateixa energia cinètica les molècules del gas més lleuger tindran una velocitat mitjana més alta. A més, no totes les molècules del mateix gas van a igual velocitat; per tant, cal parlar d’una velocitat i una energia cinètica mitjanes.
01_quimica_2batx_008-030.indd 18 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
19CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
ACTIVITATS
3 111> A partir de les dues equacions 2Ec 5 — ? k ? T i Ec 5 — m v2 dedueix si les mo 2 2 lècules de dos gasos de masses di ferents tindran igual velocitat mitjana a la
mateixa temperatura absoluta. Considera, per exemple, el N2 i el CO2.
Dades: massa del nitrogen 5 28 uma; massa del diòxid de carboni 5 44 uma.
L’oxigen, doncs, es difon a una velocitat 1,17 vegades major que la del CO2.
Però si en lloc de comparar la velocitat de difusió de l’oxigen amb la del diòxid de carboni, la comparem amb la del monòxid de carboni (que té una massa molar de 28 g/mol), el resultat és un altre. Vegemho: vO2 fvvvvvvv MCO fvvvvv 28
—— 5 ——— 5 ——— 5 0,94 vCO fvvvvvvv MO2 fvvvvv 32
La velocitat de difusió de l’oxigen és 0,94 vegades la del monòxid de carboni.
hElaboraciódelmodeldegasrealperexplicarlesdesviacionsrespectealcomportamentdegasideal
En condicions de pressió i temperatura baixes, les molècules no estan properes entre elles i el gas es comporta aproximadament com ideal. Quan la pressió o la temperatura augmenten ens allunyem del comportament ideal.
Per tal d’explicar perquè es produeix aquesta desviació cal revisar els principis en què es fonamenta la teoria cinètica dels gasos ideals:
j Els gasos estan formats per partícules (àtoms o molècules) que es mouen constantment.
j La grandària de les partícules és negligible comparada amb el volum del recipient.
j Les forces d’atracció i repulsió de les partícules són negligibles perquè estan prou separades.
j Els xocs de les partícules són perfectament elàstics.
j L’energia cinètica de les molècules és directament proporcional a la temperatura absoluta.
j A la mateixa temperatura, l’energia cinètica mitjana de les partícules es manté constant al llarg del temps.
Però gairebé tots els gasos es desvien d’aquest comportament. Això ho podem entendre a partir dels principis que hem esmentat. Així:
j A altes pressions, la grandària de les molècules no és negligible respecte del recipient.
j Les forces d’atracció entre les molècules no es poden negligir.
Aquestes diferències es recullen en la fórmula de Van der Waals dels gasos reals:
a n2
3p 1 ——4 (V 2 n b) 5 n R T V2
on a i b són les constants de Van der Waals, determinades experimentalment.
a està relacionada amb les forces intermoleculars. S’expressa en (L2 ? atm)/mol2.
b està relacionada amb el volum de les partícules del gas. S’expressa en L/mol.
Constants de Van der Waals d’alguns gasos determinades experimentalment (Taula 1.2).
H2 a 5 0,24 b 5 0,0266
N2 a 5 1,39 b 5 0,0391
O2 a 5 1,36 b 5 0,0318
CH4 (metà) a 5 2,28 b 5 0,0428
CO2 a 5 3,59 b 5 0,0427
Taula 1.2
01_quimica_2batx_008-030.indd 19 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
20 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
j1.6 Calorintercanviadaenelscanvisd’estatPerquè una substància en estat sòlid passi a estat líquid, cal aplicarhi una certa quantitat de calor, que depèn de la massa i de la calor latent de fusió, lf. Cal recordar que no tots els cossos sòlids, en ser escalfats, es fonen. Alguns, com la fusta o el paper, es descomponen o es cremen. D’altres, com ara els cautxús, les gomes, els polímers orgànics, els betums i els asfalts, no tenen un canvi d’estat definit.
A la taula 1.3 podem observar els valors d’algunes calors latents de fusió o solidificació. Cal destacar la gran quantitat de calor necessària per fondre l’aigua glaçada, sobretot si es compara amb alguns metalls.
Perquè una substància en estat líquid passi a estat gasós, cal aplicarhi una certa quantitat de calor, que també depèn de la massa i de la calor latent de vaporització, lv.
A la taula 1.4, podem observar els valors d’algunes calors latents de vaporització o condensació. Cal destacar la gran quantitat de calor que necessita l’aigua per vaporitzarse per comparació a les altres substàncies. Aquest fet té una importància cabdal en el transport de calor, ja que l’aiguavapor permet traslladar grans quantitats d’energia, cosa que amb un altre fluid no seria tan rendible econòmicament.
Substància lv (kJ/kg) Te (K)
Aigua 2 252,1 373
Èter 380,9 308
Mercuri 284,6 633
Etanol 870,7 351,5
La calor de canvi d’estat d’una massa m de substància, es calcula, evidentment, amb les expressions següents:
Qv 5 m lv Qf 5 m lf
en què m és la massa en kg, i lv i lf són les calors latents de canvi d’estat en kJ/kg.
Taula 1.4. Calors latents de vapo-rització o condensació d’algunes substàncies a la pressió d’1 atm.
12> a) Calcula la calor que cal aplicar, a pressió atmosfèrica, a 3 kg de plom a 327 °C per fondre’l completament.
b) Calcula la calor que cal aplicar a 2 L de mercuri a 360 °C, per vaporitzarlo.
Dades: densitat del mercuri: 13,6 kg/L.
R: a) Qf 5 69 kJ; Qv 5 7 741,12 kJ
ACTIVITATS
Només les substàncies pures tenen un valor de calor latent fix durant un canvi d’estat. A més, si aquestes substàncies són sòlides, cal que estiguin en estat cristal.lí. Per exemple, els polímers orgànics encara que siguin purs no acostumen a ser cristal.lins, sinó sòlids amorfs o semicristal.lins. No tenen un punt de fusió definit, sinó que està inclòs dins un marge de valors.
Subs
tànc
ia
lf (
kJ/k
g)
T f (
K)
Aigua 330,7 273
Coure 175,8 1 356
Plom 23,0 600
Ferro 200,9 1 813
Taula 1.3. Calors latents de fusió o solidificació d’algunes substàncies a la pressió d’1 atm.
Calcula la quantitat de calor que cal aplicar a 5 kg d’aigua glaçada a 210 °C per durla a l’estat líquid i a una temperatura de 60 ºC.
Dades: Ce (gel) 5 2,09 kJ?kg21?K21; Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21;lf (glaç) 5 330,7 kJ?kg21
Resolució
La calor necessària per dur l’aigua glaçada de 210 °C a 0 °C es calcula per mitjà de l’expressió:
Q1 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 2,09 kJ?kg21?K21 ? 10 K 5 104,5 kJ
La calor necessària per fondre el gel a 0 °C es calcula així:
Qf 5 m ? lf 5 5 kg ? 330,7 kJ?kg21 5 1 653,5 kJ
La calor necessària per dur l’aigua líquida de 0 °C a 60 °C es calcula amb aquesta expressió:
Q2 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 4,18 kJ?kg21?K21 ? 60 K 55 1 254 kJ
Per tant, la calor total necessària és:
Q1 1 Qf 1 Q2 5 104,5 1 1 653,5 1 1 254 5 3 012 kJ
EXEMPLE1
01_quimica_2batx_008-030.indd 20 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
21CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
j1.7 Lesactivitatsindustrialsielmediambient
La indústria consumeix una gran quantitat de matèries primeres i energia per obtenir productes molt elaborats i de molta utilitat. En aquest procés, també s’obtenen subproductes de menys valor econòmic, que sovint es llencen, ja que no se’ls troba una aplicació prou rendible econòmicament. Aquests subproductes s’han de neutralitzar químicament abans de llençarlos i posteriorment s’han de portar a abocadors controlats. La tecnologia química permet elaborar productes reciclables nous.
La inquietud ecològica ha obligat a revisar alguns aspectes de la producció química. Tota empresa química moderna ha de tenir en compte l’impacte ambiental de les seves activitats productives i ha de saber com avaluar aquest impacte. Actualment, totes les empreses químiques haurien de disposar d’instruments de gestió ambiental i saber com minimitzar, gestionar i regular la producció de residus. Finalment, l’Administració governamental hauria d’impulsar la promoció de l’ecodisseny i la fabricació d’ecoproductes. Alguns criteris molt importants que cal tenir en compte són:
j Que els reactius no pol.lueixin.
j Que els productes obtinguts siguin reciclables.
j Que es minimitzin els productes de poc valor.
j Que s’optimitzi el balanç energètic del procés. El gran consum energètic exigeix en l’aspecte ecològic:
— Limitar i optimitzar el consum dels combustibles fòssils.
— Limitar l’abocament d’efluents líquids calents als rius: la contaminació tèrmica fa minvar el contingut d’oxigen de les aigües fluvials.
Tot seguit analitzarem els principals components contaminants segons que siguin gasos, líquids o sòlids.
jA. Contaminantsgasososidel’aire
Cal controlar les emissions gasoses nocives, especialment els gasos nitrosos, NxOy, el monòxid de carboni, CO, els òxids de sofre, SO2 i SO3, i les macropartícules en suspensió —aglomerats de sòlids i líquids que contenen Al, Ca, Fe, Pb, Mg, Na, Be, Hg i asbest combinats amb nitrats, NO3
2, sulfats, SO422, i clorurs, Cl2.
Fig. 1.10. Els tubs d’escapament dels automòbils tenen catalitzadors de platí-rodi (Pt-Rh) que eliminen els gasos nitrosos i els transformen en N2 i O2, inno-cus. La reacció és: NxOy f x/2 N2 1 y/2 O2
La corrosió i el tractament de metalls pesants perillosos, especialment del mercuri, el plom, el cadmi i l’arsènic, són un altre camp en què la química intervé per millorar el medi ambient.
La química pot ajudar a reduir els aspectes negatius que acompanyen tota activitat industrial.
01_quimica_2batx_008-030.indd 21 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
22 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
La taula 1.5 mostra alguns exemples de contaminants gasosos i del seu origen o ús.
Producte contaminant Origen/Ús
Alcans Refineries de petroli
Hidrocarburs del benzè (aromàtics) Evaporació de dissolvents industrials
Diòxids de sofre (SO2 i SO3) Combustió de certs combustibles fòssilsFosa i obtenció de metallsRefineries de petroli
Sulfur d’hidrogen (H2S) Refineries, indústria paperera i adobera
Halometans: clorometà i bromometà Incineració de plàstics halogenats (PVC)Fumigacions
Monòxid de carboni (CO) Elaboració d’acerRefinatge del petroliEliminació de residus sòlids
Hidrocarburs clorats Evaporació de dissolvents clorats
Freons (CF2Cl2 i CFCl3) (ja prohibits)
Macropartícules Benzina amb plom
Òxids de nitrogen (NxOy) CombustionsObtenció d’àcid nítric
Taula 1.5. Contaminants gasosos i el seu origen o ús.
Els freons són un exemple d’estabilitat: la poca reactivitat que tenen amb els agents atmosfèrics els permet migrar fins a les capes altes de l’estratosfera, on es difonen lentament i es descomponen donant clor atòmic, Cl•, a causa de les radiacions solars. El clor atòmic reacciona immediatament amb l’ozó, O3, i el destrueix. L’ozó estratosfèric ens és imprescindible perquè és el filtre natural dels raigs ultraviolats solars. Per això fa anys que els freons estan prohibits.
Els productes gasosos tenen una mobilitat elevada. Imaginemnos una barreja de gasos. Per saber quines molècules es mouen més de pressa en la barreja, si les de N2 o les de CO2, cal recórrer a la teoria cineticomolecular que, com hem vist, explica les desviacions respecte del comportament ideal dels gasos reals a baixes temperatures i altes pressions.
Les macropartícules més petites són molt nocives: travessen les narius, es dipositen als alvèols pulmonars i provoquen malalties respiratòries serioses. Els òxids de sofre i de nitrogen són letals per a les plantes, i en presència d’humitat ataquen els revestiments dels edificis.
jB. Contaminantsdel’aigua
Els abocaments industrials més nocius (fig. 1.11) són els que contenen ions de metalls pesants com ara el plom, el zinc, el cadmi, el mercuri, el crom, el níquel o el coure. La matèria orgànica dissolta, l’alcalinitat o l’acidesa fortes, o l’alta temperatura també són pol.luents. La depuració de les aigües es pot fer de diverses maneres:
j Separació dels sòlids en suspensió col.loïdal: decantació, flotació, filtració i floculació per obtenir grups de coàguls de partícules que precipiten o suren més ràpidament.
j Biodegradació de restes orgàniques. Les restes orgàniques acostumen a ser biodegradables i es poden descompondre biològicament. Es fan reaccionar aeròbicament (amb aire) o anaeròbicament (sense aire). En el primer cas es produeix CO2 com a subproducte, i en el segon cas, metà, CH4. Certa matèria orgànica és difícilment biodegradable i cal eliminarla per altres mitjans. Si després de depurar l’aigua, encara té color, olor o gust, cal fer una adsorció amb carbó actiu, que reté moltes de les molècules contaminants. El carbó es pot
Les emissions de gasos àcids com el SO2 de les centrals tèrmiques es poden minimitzar amb tractaments alcalins.
01_quimica_2batx_008-030.indd 22 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
23CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
regenerar posteriorment per reutilitzarlo, mitjançant l’escalfament a alta temperatura sense oxigen.
j Eliminació de substàncies inorgàniques. Les substàncies inorgàniques es poden eliminar de diferents maneres: precipitació, bescanvi iònic, electrodiàlisi, etc. La precipitació —que és el sistema més usual i econòmic— implica l’ús d’un reactiu que formi un compost insoluble en el medi (que generalment és aquós). Un exemple de precipitació senzill és l’eliminació del crom(iii) procedent de l’adobament de la pell. Els efluents líquids amb crom es tracten amb calç apagada (hidròxid de calci, Ca(OH)2) i es forma hidròxid de crom(iii), Cr(OH)3, força insoluble i que precipita. Posteriorment, aquest precipitat s’asseca parcialment i, finalment, es du a un abocador controlat. En aquestes condicions, el crom de l’hidròxid de crom(iii) és innocu si no se’l modifica a un estat superior d’oxidació.
j Els bacteris, els protozous i altres microorganismes patògens s’eliminen generalment per oxidació amb clor gasós.
j Compostatge. En tot procés de depuració d’aigües s’obtenen fangs de productes sedimentats o flotants, que, de vegades, estan carregats de productes nocius. Si aquests llots són de matèria orgànica biodegradable i no contenen metalls pesants (Pb, Hg, Cd, Cr, etc.) o elements i compostos nocius (As, productes clorats orgànics, etc.) en quantitat apreciable, se’n pot obtenir fertilitzant mitjançant el compostatge.
Les aigües residuals que es depuren solen ser col.loïdals.
Les concentracions dels contaminants químics generalment són molt petites i es poden expressar de diverses maneres. Per exemple:
j En parts per milió o ppm: parts de contaminant per milió de parts de dissolució, que equival a mil.ligrams de contaminant per quilogram de solució.
j En parts per bilió o ppb: una ppb és la milionèsima part d’una ppm. En els països anglosaxons, una ppb és la mil.lèsima part d’una ppm.
j Unitats de terbolesa: mesuren la transparència de la solució col.loïdal.
j Unitats de pH: mesuren el comportament àcid o bàsic de la solució.
j DBO5, DBO7 (demanda biològica d’oxigen) i DQO (demanda química d’oxigen): s’utilitzen quan els contaminants són productes orgànics degradables bioquímicament o químicament. DBO i DQO estan relacionades amb la quantitat d’oxigen necessària per oxidar la matèria orgànica mitjançant bacteris o oxidants químics.
L’anàlisi de les aigües exigeix la preparació al laboratori de solucions de diferents reactius.
Fig. 1.11. Abocament industrial nociu.
EXEMPLE2
Per analitzar la sílice, SiO2, d’una aigua destinada a turbines de vapor, cal preparar una dissolució aquosa de molibdat d’amoni de concentració 0,4 mg/L. Expressa la concentració d’aquesta dissolució en mol/L (M) i parts per milió (ppm).
Resolució
La fórmula del molibdat d’amoni és (NH4)2MoO4, i la seva massa molecular, 196 g/mol. Calculem la molaritat de la dissolució:
0,4 ? 1023 g (NH4)2MoO4 1 mol (NH4)2MoO4——————————— ? ———————— 5 2,04 ? 1026 mol/L 5 2,04 ? 1026 M 1 L (NH4)2MoO4 196 g (NH4)2MoO4
En una dissolució tan diluïda com aquesta, podem considerar que la densitat és pràcticament la de l’aigua, és a dir, 1 g/mL. En aquestes condicions, els mg/L coincideixen numèricament amb les ppm:
0,4 mg/L 5 0,4 ppm
01_quimica_2batx_008-030.indd 23 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
24 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
jC. Contaminantssòlids
Els residus sòlids, des del punt de vista químic, els podem classificar segons el seu origen, urbà o industrial, o segons el que contenen:
j Radioactius.
j Explosius.
j Miners: poden ser inerts, com ara terres (generalment amb un fort impacte visual), o perillosos, si contenen un percentatge elevat de metalls nocius (recordeu la catàstrofe del parc nacional de Doñana a causa de l’arsènic).
j Provinents de laboratoris químics i de recerca.
j Llots de residus de pintures, de colorants, de rentats i buidats industrials, brossa domèstica i industrial.
j Embalatges difícils de biodegradar, plàstics, elastòmers (cautxú), pells, ferralla, encenalls, runes i fangs de tractament d’aigües.
En un laboratori tenim una dissolució aquosa d’àcid sulfúric de densitat 1,813 kg/L i del 91,3 % en massa. Calcula’n la molaritat.
Resolució
Les dades que coneixem de la dissolució ens informen que:
La massa d’1 L de dissolució és 1,813 kg 5 1 813 g.
100 g de dissolució estan formats per 91,3 g d’àcid sulfúric i 8,7 g d’aigua.
91,3 g H2SO4 1 813 g H2SO4(aq) 1 mol H2SO4———————— ? ———————— ? —————— 5 16,89 mol/L 100 g H2SO4(aq) 1 L H2SO4(aq) 98 g H2SO4
La dissolució d’àcid sulfúric és 16,89 M.
Es tracta, per tant, d’una dissolució força concentrada.
EXEMPLE3
13> Les calderes són generadors de vapor industrials que poden tenir aigua a temperatures de 200 ºC en estat líquid. Com és possible?
14> L’ozó és un contaminant important de l’aire que respirem. Quantitats molt petites són suficients perquè sigui el responsable de molts processos de degradació per oxidació de biopolímers. Què volem dir quan parlem de parts per bilió d’ozó en una atmosfera contaminada? Explicaho amb detall.
15> Els mol.luscs, entre altra fauna marina, són especialment sensibles a la presència del mercuri. Les cloïsses, escopinyes, navalles, musclos i ostres no es desen volupen només que hi hagi 1 mg de mercuri per 100 t d’aigua. Com expressaries adequadament aquesta concentració de mercuri?
R: [Hg] 5 10 ppb
ACTIVITATS
L’eliminació dels residus sòlids sovint és complicada i segueix una classificació de perillositat. Hi ha abocadors de diferents tipus segons el residu. Per exemple, els productes radioactius s’han d’abocar en llocs especials extremament protegits i controlats, mentre que els residus hospitalaris perillosos cal eliminarlos per cremació a alta temperatura. Tots els abocadors oficials estan molt controlats.
Si els residus són molt perillosos, de vegades se’ls inertitza per vitrificació introduintlos en vidre fos, que posteriorment és solidificat en refredarse. Aquest és un procediment car. El vidre és un material extremament inert i els productes perillosos que conté hi resten bloquejats.
01_quimica_2batx_008-030.indd 24 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
25CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
Activitatsfinals
1> Classifica els materials següents com a elements, mescles, substàncies pures, compostos
argent calç guix
alcohol tinta cautxú natural
llautó benzina estany
bronze cristall de quars sucre
sabó aspirina sal
pintura detergent diamant
2> Quin procés fa possible que el fet de ventarse refresqui la cara?
3> Tant la condensació com la solidificació alliberen calor. Quin procés allibera més calor? Per què?
4> Observa la figura del punt triple de l’aigua.
a) Et sembla que és possible que es mantingui en estat líquid a una pressió de 2,5 mmHg?
b) I a una pressió de 6 mmHg?
5> És possible teòricament tenir aigua líquida a una pressió inferior a 0,00603 atm (4,58 mmHg)?
6> En quines condicions ha d’estar l’aigua perquè es mantingui en estat líquid a una temperatura inferior a 0 °C?
7> Com es pot aconseguir que un filferro ben prim, del qual pengen uns pesos grans, travessi una barra de glaç industrial gruixuda sense que la barra es trenqui? Explica per què. (Vegeu la figura 1.12.)
Fig. 1.12
8> Com extrauries l’aigua del suc d’una taronja sense haverla d’esprémer ni trinxar?
9> Per què el butà que hi ha a l’interior de les bombones es troba principalment en estat líquid i quan crema està en estat gasós?
10> Si connectem a una bombona de butà un bufador pistola apte per escalfar industrialment i l’encenem,
observarem que l’envàs taronja de la bombona es glaça per la part de fora. A què és degut aquest efecte?
11> El CO2 sublima a temperatura ambient. Quan el CO2 sòlid sublima a 760 mmHg (pressió atmosfèrica), manté una temperatura de 195 K (278 °C). El seu punt triple es troba a 5,11 atm i a 256,4 °C.
a) Si volem fondre el CO2 sòlid, quina és la pressió mínima necessària perquè passi a l’estat líquid?
b) A quina temperatura mínima ho farà? (El diagrama de fases del CO2 té una forma anàloga al de l’aigua; vegeu la figura 1.13.)
p (mmHg)
3880
sòlid
punt triple
760
195
líquid
gas
216,4 T (K)
Fig. 1.13. Diagrama de fases del CO2.
12> És possible que les substàncies es trobin en estat sòlid, líquid i gasós alhora?
13> En les condicions de vida habitual, quina és aproximadament la pressió de vapor del gel quan fon? (Observa detingudament el gràfic de la figura 1.4 del punt triple de l’aigua.)
14> Un procediment per refrigerar l’aigua calenta en els processos industrials és mitjançant les torres de refrigeració. Aquestes torres consisteixen en uns recintes per on baixa aigua i es fa circular sobre materials sòlids apilats, de manera que formi una pel.lícula fina. En sentit ascendent s’impulsa un corrent d’aire. A la part inferior es recull l’aigua que s’ha refre dat. L’aire que surt per dalt té un alt contingut d’aigua en forma de gas. Explica per què es refreda l’aigua líquida.
01_quimica_2batx_008-030.indd 25 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
26 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
15> Calcula la quantitat de calor necessària per dur 3 kg d’aigua líquida a 80 °C fins a vapor d’aigua sobreescalfat a 110 °C a pressió atmosfèrica.
Dades: Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21; Ce (vapor aigua) 5 1,92 kJ?kg21?K21; lv 5 2 252,1 kJ?kg21
R: 7 064,7 kJ
16> La taula 1.6 recull algunes temperatures i pressions crítiques de liquació:
Tcrítica pcrítica
Diòxid de carboni 31 °C 73 atm
Oxigen 2119 °C 50 atm
Nitrogen 2147 °C 34 atm
Hidrogen 2240 °C 13 atm
Taula 1.6
Algun dels gasos que apareixen a la taula es podria liquar a temperatura ambient, 20 °C?
17> Una de les innovacions culinàries dels darrers temps és la introducció de la gelatina calenta en l’elaboració de plats. La gelatina calenta s’obté fent bullir filaments d’agaragar fins que es dissolen.
Si per dissoldre l’agaragar cal escalfar 1 200 g d’aigua des dels 18 °C fins a la temperatura d’ebullició, respon les qüestions següents:
a) Calcula la quantitat de calor que necessita l’aigua per assolir el punt d’ebullició.
b) Si en acabar el procés queden 1 050 g d’aigua, calcula la quantitat d’energia que ha necessitat l’aigua que s’ha evaporat.
c) Podem considerar la gelatina calenta com a matèria homogènia? I com a substància pura? Raona la resposta.
R: a) 411,312 kJ; b) 337,815 kJ
18> Per reciclar els metalls cal seleccionarlos i fondre’ls després per poder reutilitzarlos.
Si tenim 2,13 tones de ferro a 1 813 K, que és la temperatura de fusió del metall, quina quantitat d’energia cal aplicar per fondre’l totalment?
Dades: lf (ferro) 5 200,9 kJ/kg
R: 427 917 kJ
19> L’alcohol etílic té una temperatura d’ebullició de 78,5 °C. Tenim 1,8 L d’aquest producte, de puresa del 96 % i densitat de 0,807 g/mL, a aquesta temperatura.
a) Quin pictograma porten els recipients d’alcohol etílic?
b) Què podries fer si volguessis eliminar aquesta quantitat d’alcohol etílic?
c) Calcula l’energia que es necessitaria per vaporitzar aquesta quantitat d’etanol.
d) Calcula l’energia que es necessitaria per escalfar i vaporitzar la quantitat d’aigua que hi ha en els 1,8 L d’etanol del 96 % de puresa.
Dades: lv (etanol) 5 870,7 kJ/kg; lv (aigua) 5 2 252,1 kJ/kg; Ce (aigua) 5 4,18 kJ/kg?K
R: c) 1 214,19 kJ; d) 139,59 kJ
20> Segons la teoria cineticomolecular dels gasos, és possible que dos gasos a la mateixa temperatura puguin tenir diferent energia cinètica mitjana segons la seva fórmula molecular?
21> Si la velocitat quadràtica mitjana es pot avaluar a partir
3 R T de l’equació 2v 5 fvvvvvvv ———, on R 5 8,314 J?mol21?K21, M T és la temperatura absoluta en kelvin i M és la massa
molar en kg?mol21, calcula la velocitat quadràtica mitjana de les molècules d’heli, de massa molecular 4 g?mol21 a 273 K de temperatura.
R: 2v < 1 305 m?s21
22> Entre els diferents contaminants gasosos podem inclourehi els freons.
a) Què són aquests compostos?
b) Quina problemàtica mediambiental creaven?
23> Cada dia es liqüen grans quantitats d’aire. Quina es podria considerar la temperatura crítica d’aquest procés?
24> L’anàlisi de l’aigua d’un riu ens indica la presència de 2 mg de Hg per cada tona analitzada. Si la normativa internacional permet una presència, com a màxim, de 0,05 ppm de mercuri, estem dins la normativa mediambiental internacional?
25> Per fer una anàlisi d’aigües, cal preparar 500 mL d’una dissolució d’àcid clorhídric 0,3 M. L’ampolla d’àcid clorhídric que tenim al laboratori ens indica que és del 36 % i de densitat 1 180 kg/m3.
01_quimica_2batx_008-030.indd 26 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
27CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
a) Quants mL de HCl calen per fer la preparació?
b) Com ho faries al laboratori?
R: 12,89 mL
26> En l’aigua de mar hi ha una proporció de 0,003 g d’àcid ortosilícic (H4SiO4) per cada litre d’aigua. Sabries expressar aquesta concentració en molaritat?
R: 3,12 ? 1025 M
27> L’alumini és un element tòxic en determinades aigües. La quantitat d’alumini permesa és de 5 ? 1026 g/L. Expressa aquesta concentració en molaritat, tenint en compte que la molècula present en l’aigua és Al(OH)3.
R: 1,85 ? 1027 M
28> Explica les semblances i diferències entre punt crític i punt triple. El clor és un gas que té un punt crític a 144 °C. Tenim clor a 425 K i el volem liquar. Què haurem de fer?
29> Saps explicar de manera qualitativa què li passa a una solució d’aigua una mica salada quan la refredem molt?
30> Observa el diagrama de fases de la Fig. 1.14. Tenim CO2 a temperatura ambient. El comprimim a poc a poc (quasi a temperatura constant) fins a 6 100 kPa (61 atm aproximadament).
p (kPa)
Punt crític7385
517,6
101,3
194,7 216,6 304,2 T (K)
Sòlid
Líquid
Gas
Fig. 1.14. Diagrama de fases del CO2.
a) Què li passa?
b) Un cop comprimit i a temperatura ambient el descomprimim sobtadament fins a la pressió atmosfèrica (101,3 kPa); ho fem de forma molt ràpida. En ferho la temperatura del CO2 baixa dràsticament.
Respon què passarà:
I) Sortirà directament gas.
II) Sortirà directament líquid.
III) Sortirà directament líquid que es vaporitzarà al cap de poc.
IV) Sortirà un sòlid amb una miqueta de gas, i el sòlid sublimarà progressivament.
Raonaho mitjançant el diagrama de fases del CO2.
c) És possible liquar el CO2 a una temperatura inferior a 216,6 K? Raonaho.
d) Tenim CO2 a 315 K (a ple sol d’estiu) i 100 kPa. Què et sembla que passarà si el comprimim moltíssim? Raonaho.
31> Una concentració de 3 mg per litre de solució equival a:
a) 0,3 %.
b) 3 ppm.
c) 30 ppm.
d) 0,3 ppb.
e) Cap de les anteriors.
R: b) 3 ppm.
32> Disposem d’un pot de coure de 0,300 kg de massa. Hi aboquem 0,400 kg d’aigua. El pot i l’aigua estan a 288 K. A continuació hi afegim 0,200 kg d’un altre líquid que està a 333 K. Finalment la temperatura del conjunt és de 293 K. Les calors específiques del coure i de l’aigua són, respectivament, 389 i 4 186 J/(kg?K). Calcula la calor específica del segon líquid.
R: Ce 5 1 119,4 J/(kg?K)
33> Tenim dos recipients a 300 K. Un conté heli i l’altre conté nitrogen. Les pressions d’un i altre són, respectivament, 200 kPa i 300 kPa. Coneixem les equacions que fan referència a l’energia cinètica de les molècules:
3 1 2Ec 5 — ? k ? T i 2Ec 5 — m v2 en què v és la velocitat 2 2 mitjana de les molècules i k és la constant universal
de Boltzmann, que val 1,38 ? 10223 J/K. Considerem els dos gasos amb comportament ideal. L’heli té una massa atòmica de 4 uma i el nitrogen, diatòmic, té una massa molecular de 28. Indica quin dels dos gasos té les molècules amb una energia cinètica més alta. Raonaho.
01_quimica_2batx_008-030.indd 27 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
28 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
Preparalaselectivitat
1> A partir de la figura, on es mostra el diagrama de fases de l’aigua, contesteu raonadament les qüestions.
p (atm)
Punt crític218
1
0,006
273,15 373273,16 624 T (K)
Sòlid Líquid
Gas
Punt triple
Diagrama de fases de l’aigua
Fig. 1.15. Diagrama de fases de l’aigua.
a) Quin és el significat del punt triple? A quina temperatura congela l’aigua a 1 atm de pressió? Si augmentem la pressió, la temperatura de congelació serà més alta o més baixa?
b) En quines condicions de pressió sublima l’aigua sòlida? A quina temperatura bull l’aigua a 1 atm de pressió? Si augmentem la pressió, la temperatura d’ebullició serà més alta o més baixa?
2> [Curs 1011] Un dels gasos més presents en la nostra vida és el metà, component principal del gas natural, que és un bon combustible. A partir de les dades de la taula 1.7, responeu a les qüestions.
Reacció Entalpia de combustió de combustió (kJ?mol21)
CH4(g) 1 2 O2(g) f CO2(g) 1 2 H2O(l) 2890,3
C(s) 1 O2(g) f CO2(g) 2393,5
H2(g) 1 1/2 O2(g) f H2O(l) 2285,8
Taula 1.7. Entalpies de combustió en condicions estàndard i a 298 K.
a) Imagineu que us voleu dutxar amb l’aigua a una temperatura de 45 °C. Tenint en compte que l’aigua entra a l’escalfador a 10 °C i que en gastareu 30 L, digueu quina massa de metà cal cremar, a pressió constant, per escalfarla.
b) Escriviu la reacció corresponent a l’entalpia estàndard de formació del metà, i calculeune el valor a 298 K.
Dades:
Densitat de l’aigua (entre 10 °C i 45 °C) 5 1 kg L21.
Capacitat calorífica específica de l’aigua (entre 10 °C i 45°C) 5 4,18 (J K21 g21).
Massa molecular relativa del metà 5 16,0 g/mol
3> Mitjançant el procés d’electròlisi de l’aigua es poden obtenir hidrogen i oxigen gasosos.
a) Indiqueu el material que necessitaríeu per dur a terme aquest procés al laboratori i feu un esquema del muntatge experimental.
b) Escriviu les equacions de les semireaccions que tenen lloc en cadascun dels elèctrodes.
4> [Curs 0910] En fer l’electròlisi de clorur de liti fos, LiCl, s’obté Cl2 a l’ànode i Li al càtode.
a) Escriviu el procés que té lloc en cadascun dels elèctrodes i indiqueu quin és el procés d’oxidació i quin el de reducció.
b) Quina polaritat tenen els elèctrodes?
5> [Curs 1112] Els diagrames de fases són representacions gràfiques de les condicions de pressió i temperatura que fan que una substància estigui en estat sòlid, líquid o vapor. Els perfils d’aquests diagrames per a l’aigua i per al diòxid de carboni són els següents:
p
T
Aigua
SòlidLíquid
Vapor
p
T
Diòxid de carboni
SòlidLíquid
Vapor
p
T
Aigua
SòlidLíquid
Vapor
p
T
Diòxid de carboni
SòlidLíquid
Vapor
Punt triple: T 5 273 K Punt triple: T 5 216 Ki p 5 0,611 kPa i p 5 517,6 kPa
Fig. 1.16a. Diagrama de Fig. 1.16b. Diagrama de fasesfases de l’aigua. del diòxid de carboni.
a) Què representen les línies que apareixen en un diagrama de fases? Expliqueu raonadament com varia la temperatura de fusió de les dues substàncies en augmentar la pressió.
b) Justifiqueu el fet que, a pressió atmosfèrica (101,3 kPa), l’aigua pot passar de sòlid a líquid i de líquid a vapor, modificant la temperatura, mentre que amb el diòxid de carboni no passa el mateix.
01_quimica_2batx_008-030.indd 28 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
29CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 01
Pràctiques
Les pràctiques proposades es poden fer a casa o al laboratori del centre.
Lacristal.litzaciódel’aiguasalada(a casa)
Objectiu
Observar com es comporta una dissolució en baixarne la temperatura. Què els passa al dissolvent i al solut.
Material
— Un got no gaire gran i de base ampla.
— Aigua i sal de cuina.
— Un congelador de magatzem o bé una nevera combi, que tinguin tres o quatre estrelles de fred (cal assolir i encara millor si aconseguim temperatures inferiors a 222 °C).
Procediment
j En un gotet poseuhi aigua. Pot ser destil.lada de la planxa; si no, aigua de l’aixeta. Poseuhi una culleradeta de sal. Remena i dissol la sal.
j Poseu aquesta dissolució en un gotet de base ampla i deseulo al calaix del congelador. Procureu tancar amb cura el calaix. Si és una nevera tipus combi, assegureuvos que està treballant a la màxima potència de fred, que acostuma a ser de 223 °C.
j Observeu què ha passat al cap d’unes quantes hores.
Anàlisi de resultats
j Observeu que el got està tot glaçat amb gel (d’aigua sola) adherit a les parets. Si teniu una mica de sort (de vegades no surt bé), veureu que al centre hi ha uns cristallets diferents del glaç d’aigua. Aquests cristalls són de sal de cuina cristal.litzada, no pas d’aigua. Exactament són de NaCl 2 H2O.
j Quan una dissolució es congela, el dissolvent i el solut solidifiquen per separat l'un de l’altre. L’aigua i la sal solidifiquen, però ho fan separadament.
j Cerca a la bibliografia a quina temperatura se solidifica una dissolució saturada d’aigua salada.
Els residus d’aquesta pràctica no són tòxics. Es poden abocar pel desguàs.
Gestió de residus
El risc és mínim. No hi ha cap norma de seguretat específica per realitzar aquesta pràctica.
Normes de seguretat
01_quimica_2batx_008-030.indd 29 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
30 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES01
L’electròlisidel’aigua(al laboratori)
Objectiu
Separar els elements d’un compost mitjançant l’electròlisi. L’aigua es compon d’hidrogen i oxigen. L’electricitat subministra l’energia suficient per separar aquests dos components.
Material
— Vas de precipitats de 500 mL
— Una pila de 4,5 V o una font d’alimentació
— Una mica de sal de cuina
— Dos elèctrodes de carbó
— Pinces de cocodril
— Cable conductor
— Aigua destil.lada
Procedimentj Aboqueu una mica d’aigua destil.lada al vas de precipitats.
j Dissoleuhi una mica de sal i remeneuho.
j Connecteu un conductor a cada born de la pila.
j Introduïu els altres dos extrems dels conductors a la solució aquosa.
j Si treballeu amb font d’alimentació, apliqueuhi uns quatre volts i mig de tensió en corrent continu. Podeu graduar la intensitat segons la resistència que la solució ofereix a la conducció elèctrica.
Anàlisi de resultatsj Observeu que es formen petites bombolles al voltant de cada elèctrode, que es van acu
mulant dins dels tubs d’assaig. A l’elèctrode negatiu, càtode, es desprèn hidrogen gasós, i al born positiu, ànode, es forma oxigen. Com comprovaries si realment s’acumulen aquests gasos en els borns que s’han especificat?
j Per què el volum d’hidrogen és el doble que el d’oxigen?
j Per què s’afegeix sal a l’aigua destil.lada del vas de precipitats?
Els residus d’aquesta pràctica es poden abocar per la pica amb aigua abundant, perquè no són tòxics.
Gestió de residus
Cal anar amb molt de compte, ja que l’hidrogen és explosiu. Per tant, cal vetllar perquè no se’n produeixi gaire quantitat i perquè no hi hagi cap flama a prop.
Normes de seguretat
càtodeànode
dissolucióde NaCl
e–
e–
O2H2
Fig. 1.17. Electròlisi de l’aigua.
01_quimica_2batx_008-030.indd 30 04/03/13 10:37
www.mcg
raw-h
ill.es
Telf. contacto: 902 656 439 www.mghbooks.com
McGraw-Hill te facilita disponer de tus eBooks y libros
¡No ¡No ¡No ¡No esperes más para tenerlosesperes más para tenerlosesperes más para tenerlosesperes más para tenerlos!!!!
Un sistema rápido y cómodo al recibirlo en tUn sistema rápido y cómodo al recibirlo en tUn sistema rápido y cómodo al recibirlo en tUn sistema rápido y cómodo al recibirlo en tuuuu domicilio domicilio domicilio domicilio
Contacta con MGHbooksContacta con MGHbooksContacta con MGHbooksContacta con MGHbooks www.mghbooks.com
DBM – MGHbooks: Distribuidor de ebook y venta tradicional McGraw-Hill y DBM Logistic colaboran gestionando la librería virtual www.mghbooks.com
En esta página web puedes disponer de nuestro fondo actualmente activo
www.mcg
raw-h
ill.es