interaccio radiacio materia

1

Interacci de la radiaci electromagntica amb la matria

PAU

Qumica

Radiaci electromagntica

1. Calcula la freqncia i lenergia dun fot de radiaci electromagntica de longitud dona 710-7 m.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js Soluci: 4,31014 Hz; 2,810-19 J

2. Calcula lenergia del fot associat a la llum vermella de 6 000 de longitud dona.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js; 1 = 10-10 m Soluci: 3,31310-19 J

3. Calcula la longitud dona, la freqncia i el nombre dona duna radiaci els fotons de la qual tenen una energia de 0,19 eV.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js; 1 eV = 1,60210-19 J

Soluci: 4,61013 Hz; 6,510-6 m; 1531,2 cm-1

4. La longitud dona dun fot de llum verda s 5,410-5 cm. Calcula lenergia dun mol de fotons de llum verda.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js; NAvogadro = 6,0221023 mol-1

Soluci: 221,7 kJ

5. Una font de microones t una potncia de 1,5 mW. La radiaci emesa per la font t una longitud dona de 5,710-7 m. Calcula el nombre de fotons que emet la font cada segon.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js Soluci: 4,31015 fotons

Espectres atmics

6. Lelectr dun tom dhidrogen ocupa el nivell n=3. Quantes radiacions diferents podr produir quan es desexciti? I si ocupa el nivell n=5?

7. Cada tom duna mostra dun mol toms emet un fot amb una longitud dona de 4150 . Calcula quanta energia perd la mostra i expressa-la en kJmol-1.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js; 1 = 10-10; NAvogadro = 6,0221023 mol-1

Soluci: 288,4 kJmol-1

2

8. Segons el model atmic de Bohr, lenergia dels nivells electrnics de ltom dhidrogen pot calcular-se amb la segent equaci:

eVJEn

EE o

on 6,131018,2

18

2

a) Calcula lenergia dels nivells electrnics n=2 i n=3 de ltom dhidrogen.

b) Calcula la diferncia denergia entre els dos nivells electrnics anteriors.

c) Determina la freqncia del fot de radiaci electromagntica que semet quan un electr situat en el nivell n=3 efectua una transici fins al nivell n=2.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js Soluci: (a) -3,4 eV, -1,5 eV; (b) 1,9 eV; (c) 4,61014 Hz

9. Lenergia dionitzaci de lestat fonamental del sodi s 495,8 kJmol-1.

a) Expressa aquest energia en Jtom-1.

b) Calcula la freqncia i la longitud dona de la radiaci capa dionitzar el sodi gass.

Dades: h = 6,62610-34 Js; c = 3108 ms-1; NAvogadro = 6,0221023 mol-1

Soluci: (a) 8,210-19 J; (b) 1,21015 Hz, 2,410-7 m

10. El color groc de la llum del sodi t una longitud dona de 5890 . Determina la diferncia denergia entre els dos nivells electrnics de ltom de sodi implicats en la transici electrnica que la produeix i expressa-la en eVtom-1.

Dades: c = 3108 ms-1; h = 6,62610-34 Js; 1 = 10-10; 1 eV = 1,60210-19 J Soluci: 2,11 eV

11. Lenergia dionitzaci de lestat fonamental de lhidrogen s 1310 kJmol-1. Calcula la longitud dona de la radiaci capa dionitzar un tom dhidrogen gass en el seu estat fonamental.

Dades: h = 6,62610-34 Js; c = 3108 ms-1; NAvogadro = 6,0221023 mol-1

Soluci: 9,110-8 m

Espectroscpia dinfraroig (IR)

12. En lespectre dIR dun alcohol sobserva una absorci molt forta a 3580 cm-1, associada a un mode de vibraci de lenlla O-H.

a) Calcula la longitud dona a la qual sobserva labsorci.

b) Calcula lenergia del mode de vibraci de lenlla O-H responsable de labsorci.

Dades: h = 6,62610-34 Js; c = 3108 ms-1

Soluci: (a) 2,810-6 m; (b) 7,110-20 J

13. Lenlla CC dels alquins presenta una vibraci caracterstica amb una energia de 4,3710-20 J.

a) Calcula la longitud dona de la radiaci capa dactivar aquest mode de vibraci.

b) Calcula el nombre dona previsible de la banda dabsorci associada a aquesta vibraci en lespectre dIR dun alqu.

Dades: h = 6,62610-34 Js; c = 3108 ms-1

Soluci: (a) 4,510-6 m; (b) 2200 cm-1

3

14. [model PAU 2011 1] La frmula molecular dun compost orgnic s C5H10O. Es tracta dun compost lineal que pot tenir un doble enlla C=C o un doble enlla C=O. A partir de la figura i taula segent:

Espectre dabsorci a linfraroig (IR) del compost C5H10O

Absorcions de diversos grups funcionals a linfraroig (IR)

a) Argumenteu quin dels segents compostos, X, Y o Z, s compatible amb la frmula i lespectre infraroig donat.

Compost X 3-pentanona CH3CH2COCH2CH3

Compost Y cid pentanoic CH3CH2CH2CH2COOH

Compost Z 2-penten-1-ol CH3CH2CH=CHCH2OH

b) Expliqueu, breument, en qu es basa lespectroscpia infraroja. Quina s la causa dels pics que apareixen en un espectre dinfraroig (IR)?

15. A partir de la figura i taula segent:

Regions tpiques a linfraroig (IR)

4

Absorcions de diversos grups funcionals a linfraroig (IR)

Nombre dona (cm-1)

Grup funcional Nombre dona (cm-1)

Grup funcional

3600 O-H 2150 CC

3400 N-H 1715 C=O

3000 C-H 1650 C=C

2250 CN 1100 (rang ample) C-O

Identifiqueu els grups funcionals responsables de les principals absorcions observades en els segents espectres (font: http://orgchem.colorado.edu/hndbksupport/irtutor/tutorial.html):

(a)

(b)

(c)

5

(d)

(e)

(f)

(g)

6

(h)

(i)

Espectroscpia de ressonncia magntica nuclear

16. [model PAU 2011 2] Al laboratori disposem dun dissolvent lquid incolor, dolor caracterstica i amb un punt debullici de 114 C, que correspon a un compost de frmula molecular C2H3Cl3. Per determinar-ne lestructura, es registre lespectre de ressonncia magntica nuclear de prot (RMN) daquest compost.

a) En leix dabscisses dun espectre de ressonncia magntica nuclear es representa el desplaament qumic. Definiu aquest concepte.

b) Expliqueu com es deduiria, a partir de lespectre de ressonncia magntica nuclear, si el dissolvent es correspon a l1,1,2-tricloroet o a l1,1,1-tricloroet.

17. La ressonncia magntica nuclear de prot (RMN) s una tcnica espectroscpica mpliament utilitzada en la determinaci de lestructura molecular dels compostos orgnics.

a) Expliqueu breument els principis en qu es basa aquesta tcnica.

b) Indiqueu quants senyals o grups de senyals s previsible observar en lespectre de RMN de prot dels segents compostos orgnics.

metanol (CH3OH) 2-butanona (CH3COCH2CH3) tricloromet (CHCl3) dietilter (CH3CH2OCH2CH3) propanoat de metil (CH3CH2COOCH3) 2,2-dimetilbut (CH3)3CCH2CH3

7

18. Relaciona cada compost amb el seu espectre de RMN de prot.

(Font: http://chemistry2.csudh.edu/newstuff/startnmrexplorer.html)

Espectre 1

Espectre 2

Compost A

Compost B

Espectre 1

Espectre 2

Compost A

Compost B

8

Espectre 1

Espectre 2

Compost A

Compost B

Espectre 1

Espectre 2

Compost A

Compost B

Espectrometria de masses

19. [model PAU 2011 3] Quan sanalitza la butanona, CH3CH2COCH3, per espectrometria de masses, sobtenen els segents valors del quocient massa/crrega: 72, 57, 43, 42, 29, 27 i 15.

a) Indiqueu, breument, els processos bsics que tenen lloc quan un compost s analitzat per espectrometria de masses.

b) Indiqueu a quin i poden correspondre els pics amb els valors de massa/crrega 72 i 43, suposant que la crrega s la unitat. Aquests dos pics es veurien si enlloc de la butanona shagus analitzat la propanona? Raoneu les respostes.

Dades. Masses atmiques relatives: C = 12; O = 16; H = 1.

9

20. Un compost desconegut presenta una absorci intensa en lIR a 1700 cm-1. Quan senregistra el seu espectre de masses, sobtenen pics intensos per als segents valors de la relaci massa/crrega: 86 (M+), 57 i 43.

a) Proposa una estructura per al compost desconegut que sigui compatible amb aquestes dades.

b) Explica qu s li molecular (M+).

Dades. Masses atmiques relatives: C = 12; N = 14; O = 16; H = 1.

21. En analitzar l1-propanol, CH3CH2CH2OH, per espectrometria de masses, sobtenen uns pics molt intensos en els segents valors de la relaci massa/crrega: 60, 45 i 31. Indiqueu a quins ions poden correspondre aquests pics, suposant que la crrega s la unitat.


22. En analitzar el dietilter, CH3CH2OCH2CH3, per espectrometria de masses, sobtenen uns pics molt intensos en els segents valors de la relaci massa/crrega: 74, 45 i 29. Indiqueu a quins ions poden correspondre aquests pics, suposant que la crrega s la unitat.


23. En lespectre de masses dels cids carboxlics sacostuma a observar li molecular (M+) i pics intensos en els segents valors de la relaci massa/crrega: M-45 i 45. Indica a quins ions poden correspondre aquests dos pcs.


Exercicis de les PAU

24. [0102 2A4] Anomenem A i B dos tipus dtoms amb els nombres atmics 16 i 19, respectivament.

a) Escriviu les configuracions electrniques fonamentals dA i B.

b) Justifiqueu quin dels dos toms tindr el valor ms petit de lenergia dionitzaci.

c) Raoneu quin tipus de compost poden formar aquests dos toms.

d) Suposant que la ionitzaci dun tom t lloc per absorci dun fot de radiaci ultraviolada, de longitud dona = 2856 , trobeu lenergia dionitzaci daquest tom (en

kJmol-1) sabent que lenergia del fot s

hcE .

Dades: h = 6,6210-34 Js; c = 3108 ms-1; 1 = 10-10 m; NAvogadro = 6,0221023 mol-1

Soluci: (d) 418,75 kJmol-1

25. [0203 2B5] Dos toms dhidrogen es troben en els estats excitats corresponents als nivells n = 2 i n = 4, respectivament. Si aquests toms tornen directament al seu estat fonamental:

a) Justifiqueu si els toms emetran o absorbiran energia en forma de radiaci.

b) Raoneu per a quin dels dos toms la radiaci electromagntica implicada tindr ms energia i per a quin la longitud dona ser ms gran.

c) Definiu energia dionitzaci dun tom i discutiu com varia amb la seva grandria.

Dades: nombres atmics: H = 1; C = 6; N = 7; O = 8; Cl = 17; Br = 35

10

26. [0506 4A5] Lenergia dionitzaci de lestat fonamental del sodi s 495,8 kJmol-1.

a) Calculeu lenergia necessria per ionitzar 10 g de sodi gass des del seu estat fonamental.

b) Expresseu el valor de lenergia dionitzaci del sodi en eVtom-1.

c) Calculeu la longitud dona de la radiaci capa dionitzar el sodi gass.

Dades: velocitat de la llum en el buit (c) = 3,000108 ms-1 crrega de lelectr (e) = 1,60210-19 C nombre dAvogadro (NA) = 6,02210

23 mol-1 constant de Planck (h) = 6,62610-34 Js massa atmica del Na = 23,00

Soluci: (a) 215,57 kJ; (b) 5,14 eVtom-1; (c) 2,4110-7 m

27. [0910 model B 4] Les molcules daigua absorbeixen intensament una radiaci electromagntica de freqncia 5,41013 s-1.

a) Calculeu la longitud dona (en m) i el nombre dona (en cm-1) de la radiaci absorbida per laigua.

b) Tenint en compte la taula segent, indiqueu quin tipus de canvi produir aquesta radiaci en les molcules daigua. Expliqueu a nivell molecular i atmic aquest tipus de canvi.

Interacci de la radiaci electromagntica i les molcules

Tipus de radiaci Tipus de canvi Intrval denergia / J

Microones Nivells denergia de rotaci 110-22 a 110-20

Infraroig Nivells denergia de vibraci 110-20 a 110-19

Visible i ultraviolat Nivells denergia electrnica 110-19 a 110-16

Dades: velocitat de la llum c = 3,0108 ms-1 constant de Planck h = 6,6310-34 Js

Soluci: (a) 5,5610-6 m, 1800 cm-1

28. [0910 47] Una radiaci electromagntica es pot definir mitjanant qualsevol dels parmetres segents: energia, longitud dona, freqncia o nombre dona.

a) Apliquem a una determinada molcula les radiacions electromagntiques que sindiquen a la taula segent. Ordeneu-les de ms a menys energia i justifiqueu la resposta.

Radiacions electromagntiques

Radiaci radiaci 1 radiaci 2 radiaci 3

Valor i unitat 2,6510-17 J 2,7010-7 m 5,101014 s-1

b) Les molcules doz (O3) de lestratosfera absorbeixen certes radiacions ultraviolades i ajuden a protegir els ssers humans a patir cncer de pell. Daltra banda, les molcules de dixid de carboni (CO2) de la troposfera absorbeixen certes radiacions infraroges emeses per la superfcie de la Terra i provoquen lescalfament de latmosfera per lefecte dhivernacle. Expliqueu quins tipus de canvis es produeixen en les molcules doz i de dixid de carboni en aquests processos dabsorci de radiaci electromagntica.

DADES: Velocitat de la llum = c = 3,0108 ms-1 Constant de Planck = h = 6,6310-34 Js

Soluci: (a) radiaci 1 > radiaci 2 > radiaci 3

11

29. [0910 16] El dixid de carboni, un dels gasos de latmosfera, absorbeix part de la radiaci infraroja emesa per la superfcie de la Terra.

a) Expliqueu qu li succeeix a la molcula de dixid de carboni quan absorbeix un fot de radiaci infraroja. Per qu les molcules de dixid de carboni absorbeixen noms certes freqncies de radiaci infraroja?

b) Calculeu la freqncia i la longitud dona dun fot de radiaci infraroja que t una energia d1,3310-20 J.

DADES: Constant de Planck = h = 6,6310-34 Js Velocitat de la llum = c = 3108 ms-1

Soluci: (b) 2,011013 s-1, 1,4910-5 m

30. [0910 24] Per a passar un mol de molcules de HCl des del nivell ms baix de vibraci (estat fonamental) fins al nivell de vibraci segent es requereix una energia de 32,7 kJ.

a) Calculeu lenergia, expressada en J, que es necessita per a passar una molcula de HCl des de lestat fonamental fins al nivell de vibraci segent. Quin tipus de radiaci electromagntica hauria dabsorbir una molcula de HCl per a realitzar aquest procs?

b) Calculeu la freqncia i la longitud dona de la radiaci electromagntica que hauria dabsorbir una molcula de HCl per a passar de lestat fonamental al nivell de vibraci segent.

DADES: Constant dAvogadro = NA = 6,0210

23 mol-1. Constant de Planck = h = 6,6310-34 Js. Velocitat de la llum = c = 3,0108 ms-1.

Soluci: (a) 5,43210-20 J; (b) 8,191013 s-1, 3,6610-6 m

31. [1011 17] Per a determinar lestructura de les molcules, la qumica utilitza diferents tcniques, com ara lespectroscpia infraroja, la ressonncia magntica nuclear o lespectrometria de masses. En la figura segent, es mostra lespectre infraroig (IR) duna molcula:

Espectre infraroig duna molcula

a) Indiqueu quina magnitud es representa en cadascun dels eixos dun espectre infraroig. Expliqueu breument el procs que experimenta un compost qumic quan s irradiat amb radiaci infraroja.

b) Considereu les substncies qumiques segents:

He CH4 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2OH NH2CH2COOH

Indiqueu quin o quins compostos no produeix cap pic en un espectre infraroig i quin en produeix ms. Justifiqueu les respostes.

12

32. [1011 24] Dos elements tenen les configuracions electrniques segents en lestat fonamental:

element X: (1s)2(2s)2(2p)2 element Y: (1s)2(2s)2(2p)4

La primera energia dionitzaci dun dels elements s 1310 kJmol-1, mentre que la de laltre es 1090 kJmol-1.

a) Quin dels dos elements t un radi atmic ms gran? Assigneu els valors de la primera energia dionitzaci a cadascun dels elements, X i Y. Justifiqueu les respostes utilitzant el model atmic de crregues elctriques.

b) Indiqueu, a partir de la figura segent, quin tipus de radiaci electromagntica caldria utilitzar per a provocar la ionitzaci de lelement que t la primera energia dionitzaci de 1310 kJmol-1.

DADES: Constant dAvogadro, NA = 6,021023 mol-1.

Constant de Planck, h = 6,6310-34 Js. Velocitat de la llum, c = 3,00108 ms-1.

interaccio radiacio materia

Documents