SantillanaSolucionsQuumica1

945335p001a004.qxd

30/12/08

15:59

Página 1

Química 1

BATXILLERAT

Biblioteca del professorat

SOLUCIONARI

El Solucionari de Química per a 1r de Batxillerat és una obra col·lectiva, concebuda, dissenyada i creada al departament d’Edicions Educatives de Grup Promotor / Santillana, dirigit per Enric Juan Redal i M. Àngels Andrés Casamiquela. En la realització han intervingut:

Núria Boixaderas Sáez Maria Jesús Ibar Roy Núria Lladó Serra María del Carmen Vidal Fernández EDICIÓ David Sánchez Gómez DIRECCIÓ DEL PROJECTE Rocío Pichardo Gómez

Grup Promotor Santillana

945335p001a004.qxd

30/12/08

15:59

Página 2

Presentació

El nostre llibre de química per Batxillerat respon al plantejament de presentar un projecte didàctic centrat en l’adquisició dels conceptes necessaris perquè els alumnes puguin conèixer i desenvolupar, d’una manera pràctica, les diferents activitats i problemes que es presenten en el llibre de l’alumne.

2

945335p001a004.qxd

30/12/08

15:59

Página 3

PRESENTACIÓ

Índex Unitat 1

La teoria atomicomolecular de la matèria

5-48

Unitat 2

Els estats de la matèria

49-80

Unitat 3

Les solucions

Unitat 4

Els àtoms

127-148

Unitat 5

La taula periòdica dels elements

149-168

Unitat 6

L’enllaç químic

169-196

Unitat 7

La reacció química

197-242

Unitat 8

La química orgànica

243-270

Unitat 9

Reaccions químiques d’interès industrial i mediambiental

271-286

81-126

3

945335p001a004.qxd

30/12/08

15:59

Página 4

Introducció En els llibres de text de química els exercicis i les qüestions són una part fonamental del contingut del llibre. En el nostre material, les activitats apareixen agrupades en dues seccions: • En cada apartat de la part teòrica. • Al final de cada unitat. En aquest llibre, que forma part dels recursos per al professorat, s’hi inclouen per a cada unitat del llibre els següents elements: • La Programació per a l’aula (objectius, continguts, criteris d’avaluació, competències…). • La Resolució de tots els exercicis del llibre de l’alumne. A més d’aquest llibre, al professor té com a material de suport la Guia amb recursos didàctics fotocopiables per a cada unitat: problemes resolts, fitxes amb aplicacions, curiositats i anècdotes, banc de dades i experiències.

1


SOLUCIONARI

1 La teoria atomicomolecular 1.

de la matèria

En general, el volum dels cossos augmenta quan s’incrementa la temperatura. Explica si la densitat dels cossos sol augmentar o bé disminuir quan la temperatura s’incrementa.

4.

La densitat d’un cos representa la seva massa per unitat de volum. Quan la temperatura augmenta, sol augmentar també el volum dels cossos, però la seva massa es manté invariable. En conseqüència, en augmentar la temperatura dels cossos, en general, en disminueix la densitat. 2.

Tenim una bola de plom i una altra d’alumini de 3 cm de diàmetre. Quina és la seva massa? Explica, a partir d’aquest resultat, per què la gent prefereix les bicicletes d’alumini que les d’altres materials. 4 3 πr . Dada: volum de l’esfera → V = 3 Com que coneixem el volum de l’esfera de 3 cm de radi, podem determinar-ne la massa tant si és plom com si és alumini. Per fer-ho necessitem la dada de la densitat que hi ha al problema 2.

Expressa en unitats del SI la densitat de les substàncies que es recullen a la taula següent: Substància

1 kg/L

Aire

1,3 g/L

Oli

Densitat =

Densitat (a 25 °C i 1 atm)

Aigua

V=

11,35 g/cm3

Alumini

2.700 kg/dm3

g ⋅ 113,1 cm3 = 1.283,7 g = 1,28 kg • mplom = 11,35 cm3 kg 10−3 dm3 = 2,7 ⋅ 113,1 cm3 = 0,31kg m • alumini dm3 1 cm3 L’alumini és un dels metalls més lleugers. Té una massa molt més petita que una bola de plom del mateix volum.

Es tracta d’expressar la densitat en kg/m3: • d aigua = 1

kg 10 3 L kg ⋅ = 10 3 3 L 1m3 m

5.

• d aire = 1,3

g 10 3L 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 1, 3 3 L 1m3 1g m

• d oli = 0,88

g 106 mL 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 880 3 mL 1m3 1g m

Col·loquem dos gots de vidre, exactament iguals, als platets d’una balança. A un hi aboquem 100 ml d’oli. Quin ha de ser el diàmetre de la bola de plom que introduirem dins l’altre vas perquè la balança estigui equilibrada? Perquè la balança estigui equilibrada els dos gots han de tenir la mateixa massa. Com que coneixem la dada de la densitat, podem calcular la massa de 100 mL d’oli i després determinar el volum (que ens permetrà conèixer el diàmetre) d’un bola de plom que tingui la mateixa massa. g Massa Densitat = ; moli = 0,88 ⋅ 100 mL = 88 g; mL Volum

kg g 106 cm3 10−3 kg = 11, 35 ⋅ 10 3 3 • dplom = 11,35 cm3 ⋅ 1m3 m 1g kg 10 3 dm3 kg • d alumini = 2,7 dm3 ⋅ 1m3 = 2.700 m3

PRESENTACIÓ 3.

Aquesta unitat se centra en el coneixement de la Química. Independentment de la manera com es presenti, els/les alumnes aprendran a aïllar les substàncies pures.

→ Vplom =

L’aigua presenta un comportament anòmal respecte a la majoria dels líquids. La seva dilatació fa que, entre 0 i 4 °C, el seu volum disminueixi quan la temperatura augmenta. Explica, a partir d’aquest fet, per què l’aigua es troba en estat líquid per sota de la capa de glaç de l’Antàrtida.

També és important que l’alumnat assumeixi el rigor que ha de sustentar el treball científic. I per aconseguir-ho, només cal seguir els passos que van permetre establir la primera teoria científica sobre la constitució de la matèria.

→V =

Entre 0 i 4 ºC l’aigua té una densitat més gran que el gel. Per això el gel sura a l’aigua i crea una capa aïllant que permet que l’aigua es mantingui líquida en una capa inferior.

5

10

PROGRAMACIÓ DE L’AULA

de la matèria

COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Diferenciar entre substància pura i mescla. • Distingir entre mescles homogènies i mescles heterogènies. • Conèixer els procediments físics que permeten separar els components d’una mescla. • Tenir coneixement de les experiències que van permetre establir les lleis que regeixen les combinacions de les substàncies expressades en massa (lleis ponderals). • Entendre la teoria atòmica de Dalton com una conseqüència de les lleis ponderals. • Conèixer les lleis que regeixen les combinacions de les substàncies gasoses expressades en unitats de volum (lleis volumètriques). • Interpretar els resultats de les lleis volumètriques mitjançant la hipòtesi d’Avogadro. • Explicar la composició de la matèria sobre la base de la teoria atomicomolecular. • Manejar amb desimboltura el mol com a unitat de mesura de la quantitat de substància. • Obtenir la fórmula d’un compost a partir de dades analítiques (composició centesimal). • Entendre la importància i el significat de la formulació i la nomenclatura química. • Conèixer i utilitzar les regles generals per a la formulació, com també les diverses formes de nomenclatura.

CONTINGUTS • La matèria i les seves propietats. • Formes de presentar-se la matèria. Substàncies pures i mescles. Elements i compostos. Mescles homogènies i mescles heterogènies. • Tècniques experimentals per separar els components d’una mescla. • Lleis ponderals de la matèria (llei de Lavoisier, llei de Proust, llei de Dalton). • Interpretació de les lleis ponderals. Teoria atòmica de Dalton. • Lleis volumètriques de la matèria (llei de Gay-Lussac). • Interpretació de les lleis volumètriques. Hipòtesi d’Avogadro. • Teoria atomicomolecular. • El mol com a unitat de mesura. • Fórmula empírica i fórmula molecular. Obtenció a partir de la composició centesimal de les substàncies. • Anomenar i formular elements i compostos químics. • Saber escollir el material de laboratori adequat per a un assaig.

6

4

88 g m = = 7,75 cm3 → g dplom 11,35 cm3

4 3V 3 ⋅ 7,75 cm3 πr 3 → r = 3 = 3 = 1,23 cm → 3 4π 4π → 2 ⋅ 1,23 = 2, 46 cm de diàmetre

11

1 La teoria atomicomolecular OBJECTIUS

→m=d⋅V;

Per tant:

0,88 g/mL

Plom

Massa Volum

4 3 4 πr = π33 cm3 = 113,1 cm3 3 3

• Competència en indagació i experimentació. Implica la capacitat de portar a terme les investigacions necessàries per tal de determinar les tècniques més adients per a la separació de mescles. • Competència en la comprensió. Implica l’ús de la formulació i la nomenclatura química per anomenar les substàncies simples i els compostos que formen part de la matèria. • Competència en la capacitat d’actuar sobre el món físic. Implica apropiar-se dels conceptes, models i principis fonamentals de la química. En aquesta unitat es treballen els conceptes de mescla i els diferents mètodes per separar-ne els components. Això permet comprendre i valorar situacions relacionades amb aspectes tecnològics i ambientals de la química: generació de residus, síntesi de nous productes, etc.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DEL BATXILLERAT • Competència comunicativa. Aprendre el llenguatge que permet anomenar i formular les substàncies químiques per tal de descriure i explicar les propietats i l’estructura de les substàncies i els fenòmens químics. • Competència en recerca. Aquesta unitat aporta les bases de les principals tècniques de separació fonamentals en una indústria o laboratori químic. Contribueix en la capacitat de realització de treballs experimentals, com també en les capacitats pròpies de la recerca; ensenya com construir models explicatius dels fenòmens, fer prediccions a partir de models, argumentar la validesa d’explicacions a la llum de les evidències experimentals i reconèixer les limitacions. • Competència en gestió i tractament de la informació i competència digital. Implica la capacitat d’escriure correctament la formulació i la nomenclatura per tal d’accedir a les fonts bibliogràfiques i els recursos que hi ha a la xarxa.

7

945335 _ 0005-0048.qxd

1

8/1/09

12:09

Página 5


PRESENTACIÓ Aquesta unitat se centra en el coneixement de la Química. Independentment de la manera com es presenti, els/les alumnes aprendran a aïllar les substàncies pures. També és important que l’alumnat assumeixi el rigor que ha de sustentar el treball científic. I per aconseguir-ho, només cal seguir els passos que van permetre establir la primera teoria científica sobre la constitució de la matèria.

5

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 6

1 La teoria atomicomolecular de la matèria

OBJECTIUS • Diferenciar entre substància pura i mescla. • Distingir entre mescles homogènies i mescles heterogènies. • Conèixer els procediments físics que permeten separar els components d’una mescla. • Tenir coneixement de les experiències que van permetre establir les lleis que regeixen les combinacions de les substàncies expressades en massa (lleis ponderals). • Entendre la teoria atòmica de Dalton com una conseqüència de les lleis ponderals. • Conèixer les lleis que regeixen les combinacions de les substàncies gasoses expressades en unitats de volum (lleis volumètriques). • Interpretar els resultats de les lleis volumètriques mitjançant la hipòtesi d’Avogadro. • Explicar la composició de la matèria sobre la base de la teoria atomicomolecular. • Manejar amb desimboltura el mol com a unitat de mesura de la quantitat de substància. • Obtenir la fórmula d’un compost a partir de dades analítiques (composició centesimal). • Entendre la importància i el significat de la formulació i la nomenclatura química. • Conèixer i utilitzar les regles generals per a la formulació, com també les diverses formes de nomenclatura.

CONTINGUTS • La matèria i les seves propietats. • Formes de presentar-se la matèria. Substàncies pures i mescles. Elements i compostos. Mescles homogènies i mescles heterogènies. • Tècniques experimentals per separar els components d’una mescla. • Lleis ponderals de la matèria (llei de Lavoisier, llei de Proust, llei de Dalton). • Interpretació de les lleis ponderals. Teoria atòmica de Dalton. • Lleis volumètriques de la matèria (llei de Gay-Lussac). • Interpretació de les lleis volumètriques. Hipòtesi d’Avogadro. • Teoria atomicomolecular. • El mol com a unitat de mesura. • Fórmula empírica i fórmula molecular. Obtenció a partir de la composició centesimal de les substàncies. • Anomenar i formular elements i compostos químics. • Saber escollir el material de laboratori adequat per a un assaig.

6

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 7


COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en indagació i experimentació. Implica la capacitat de portar a terme les investigacions necessàries per tal de determinar les tècniques més adients per a la separació de mescles. • Competència en la comprensió. Implica l’ús de la formulació i la nomenclatura química per anomenar les substàncies simples i els compostos que formen part de la matèria. • Competència en la capacitat d’actuar sobre el món físic. Implica apropiar-se dels conceptes, models i principis fonamentals de la química. En aquesta unitat es treballen els conceptes de mescla i els diferents mètodes per separar-ne els components. Això permet comprendre i valorar situacions relacionades amb aspectes tecnològics i ambientals de la química: generació de residus, síntesi de nous productes, etc.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DEL BATXILLERAT • Competència comunicativa. Aprendre el llenguatge que permet anomenar i formular les substàncies químiques per tal de descriure i explicar les propietats i l’estructura de les substàncies i els fenòmens químics. • Competència en recerca. Aquesta unitat aporta les bases de les principals tècniques de separació fonamentals en una indústria o laboratori químic. Contribueix en la capacitat de realització de treballs experimentals, com també en les capacitats pròpies de la recerca; ensenya com construir models explicatius dels fenòmens, fer prediccions a partir de models, argumentar la validesa d’explicacions a la llum de les evidències experimentals i reconèixer les limitacions. • Competència en gestió i tractament de la informació i competència digital. Implica la capacitat d’escriure correctament la formulació i la nomenclatura per tal d’accedir a les fonts bibliogràfiques i els recursos que hi ha a la xarxa.

7

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 8

1 La teoria atomicomolecular de la matèria

CONNEXIONS AMB ALTRES MATÈRIES DE BATXILLERAT • La recerca d’informació i la lectura comprensiva de textos impliquen connexió amb les llengües. • Els mètodes de separació de mescles són d’interès en els processos d’obtenció de determinants elements a partir de minerals, així, doncs, la connexió amb les ciències de la Terra és evident. • La nomenclatura i la formulació química fan servir un llenguatge específic que també s’utilitza en altres matèries, com la biologia i les ciències de la Terra.

CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Reconèixer si una mostra material és una substància pura (element o compost) o una mescla (homogènia o heterogènia). 2. Conèixer les tècniques de separació de mescles més habituals del laboratori. 3. Establir el procediment experimental adequat per separar els components d’una mescla. 4. Definir i interpretar les lleis ponderals. 5. Conèixer la teoria atòmica de Dalton i interpretar, sobre aquesta base, la composició de la matèria. 6. Definir i interpretar les lleis volumètriques. 7. Conèixer la teoria atomicomolecular i interpretar la fórmula de molècules senzilles. 8. Determinar la quantitat d’una substància en mols i relacionar-la amb el nombre de partícules dels elements que n’integren la fórmula. 9. Obtenir la composició centesimal d’un compost. 10.Trobar la fórmula empírica i la fórmula molecular d’un compost a partir de dades analítiques. 11.Utilitzar les normes de la IUPAC per anomenar i formular substàncies inorgàniques comunes.

8

945335 _ 0005-0048.qxd

14/1/09

11:52

Página 9

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 10


En general, el volum dels cossos augmenta quan s’incrementa la temperatura. Explica si la densitat dels cossos sol augmentar o bé disminuir quan la temperatura s’incrementa. La densitat d’un cos representa la seva massa per unitat de volum. Quan la temperatura augmenta, sol augmentar també el volum dels cossos, però la seva massa es manté invariable. En conseqüència, en augmentar la temperatura dels cossos, en general, en disminueix la densitat.

2.

Expressa en unitats del SI la densitat de les substàncies que es recullen a la taula següent: Substància

Densitat (a 25 °C i 1 atm)

Aigua

1 kg/L

Aire

1,3 g/L

Oli

0,88 g/mL

Plom

11,35 g/cm3

Alumini

2.700 kg/dm3

Es tracta d’expressar la densitat en kg/m3: • d aigua = 1

kg 10 3 L kg ⋅ = 10 3 3 L 1m3 m

• d aire = 1,3

g 10 3L 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 1, 3 3 3 L 1m 1g m

• d oli = 0,88

g 106 mL 10−3 kg kg ⋅ ⋅ = 880 3 mL 1m3 1g m

g 106 cm3 10−3 kg kg d = 11,35 ⋅ = 11, 35 ⋅ 10 3 3 plom • 3 3 cm 1m 1g m kg 10 3 dm3 kg • d alumini = 2,7 dm3 ⋅ 1m3 = 2.700 m3 3.

L’aigua presenta un comportament anòmal respecte a la majoria dels líquids. La seva dilatació fa que, entre 0 i 4 °C, el seu volum disminueixi quan la temperatura augmenta. Explica, a partir d’aquest fet, per què l’aigua es troba en estat líquid per sota de la capa de glaç de l’Antàrtida. Entre 0 i 4 ºC l’aigua té una densitat més gran que el gel. Per això el gel sura a l’aigua i crea una capa aïllant que permet que l’aigua es mantingui líquida en una capa inferior.

10

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 11

SOLUCIONARI

de la matèria 4.

Tenim una bola de plom i una altra d’alumini de 3 cm de diàmetre. Quina és la seva massa? Explica, a partir d’aquest resultat, per què la gent prefereix les bicicletes d’alumini que les d’altres materials. 4 3 πr . Dada: volum de l’esfera → V = 3 Com que coneixem el volum de l’esfera de 3 cm de radi, podem determinar-ne la massa tant si és plom com si és alumini. Per fer-ho necessitem la dada de la densitat que hi ha al problema 2. Densitat =

V=

Massa Volum

→m=d⋅V;

4 3 4 πr = π33 cm3 = 113,1 cm3 3 3

Per tant: g ⋅ 113,1 cm3 = 1.283,7 g = 1,28 kg cm3 kg 10−3 dm3 = 2,7 ⋅ 113,1 cm3 = 0,31kg dm3 1 cm3

• mplom = 11,35 •

malumini

L’alumini és un dels metalls més lleugers. Té una massa molt més petita que una bola de plom del mateix volum. 5.

Col·loquem dos gots de vidre, exactament iguals, als platets d’una balança. A un hi aboquem 100 ml d’oli. Quin ha de ser el diàmetre de la bola de plom que introduirem dins l’altre vas perquè la balança estigui equilibrada? Perquè la balança estigui equilibrada els dos gots han de tenir la mateixa massa. Com que coneixem la dada de la densitat, podem calcular la massa de 100 mL d’oli i després determinar el volum (que ens permetrà conèixer el diàmetre) d’un bola de plom que tingui la mateixa massa. Massa g Densitat = ; moli = 0,88 ⋅ 100 mL = 88 g; Volum mL → Vplom =

→V =

m 88 g = = 7,75 cm3 → g dplom 11,35 cm3

4 3V 3 ⋅ 7,75 cm3 πr 3 → r = 3 = 3 = 1,23 cm → 3 4π 4π → 2 ⋅ 1,23 = 2, 46 cm de diàmetre

11

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 12


Classifica els materials següents segons siguin un sistema heterogeni o un sistema homogeni: a) Plàstic

d) Granit

b) Vidre

e) Formigó

c) Acer Els materials homogenis són el plàstic, el vidre i l’acer. Els materials heterogenis són el granit i el formigó. 7.

Com definiries un sistema homogeni? Digues quines d’aquestes substàncies són mescles homogènies: a) Aigua amb sal

c) Sopa de verdures

b) Cafè

d) Fang

Un sistema homogeni és aquell en què no en podem distingir els components mitjançant procediments òptics convencionals, té una mateixa distribució de les seves partícules i qualsevol dels seus punts té la mateixa composició i les maitexes propietats. Són mescles homogènies l’aigua amb sal i el cafè. La sopa de verdures i el fang són sistemes heterogenis.

8.

Com definiries un sistema heterogeni? Digues quines d’aquestes substàncies són mescles heterogènies: a) Sal i sucre

d) Gasolina

b) Sal i sofre

e) Galeta de xocolata

c) Llet Un sistema heterogeni és aquell en què sí que podem distingir-ne els components mitjançant procediments òptics convencionals. La distribució de les partícules no és igual en totes les parts i, per tant, la composició i les propietats varien d’un punt a un altre. Són mescles heterogènies: la mescla de sal i sucre, la mescla de sal i sofre, la galeta de xocolata. La llet i la gasolina són mescles homogènies.

9.

12

Digues quines de les substàncies següents són una mescla o una substància pura: a) Aigua destil·lada

d) Aigua de mar

b) Aire

e) Llet

c) Llautó

f ) Diòxid de carboni

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 13

SOLUCIONARI

de la matèria a) Aigua destil·lada substància pura b) Aire mescla c) Llautó mescla d) Aigua de mar mescla e) Llet mescla f ) Diòxid de carboni substància pura 10.

Classifica cada substància com a element, compost o mescla. a) Cafè

d) Pintura

b) Or

e) Pasta de dents

c) Aigua oxigenada a) Cafè mescla b) Or element c) Aigua oxigenada compost 11.

d) Pintura mescla e) Pasta de dents mescla

Posa un exemple de compost i explica com s’ha format a partir dels seus elements. L’amoníac NH3 és un compost i està format a partir dels seus elements nitrogen N2 i hidrogen H2 . La síntesi d’amoníac a partir dels seus elements es realitza a baixes temperatures i altes pressions amb la presència de catalitzadors.

12.

Compara aquests conceptes:

Diferències

Semblances

Element i compost Mescla i dissolució Diferències Element

- Està format per un sol tipus d’àtom. - No es pot descompondre amb components més simples.

Compost

- Està format per àtoms de tipus diferents - Es pot descompondre en substàncies simples mitjançant procediments químics. Semblances

Element

Compost

-

Són substàncies pures. La seva composició és invariable amb les condicions físiques. Tenen propietats constants i característiques. Es representen amb una fórmula química. No es poden separar en substàncies més simples per mitjà de procediments físics.

13

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 14

1 La teoria atomicomolecular Diferències Mescla heterogènia

- Podem distingir els seus components per procediments òptics. - La composició i les propietats varien d’un punt a un altre.

Mescla homogènia o dissolució

- No podem distingir els seus components per procediments òptics. - La composició i les propietats no varien d’un punt a un altre. Semblances

Mescla heterogènia Mescla homogènia o dissolució

13.

- Són combinacions de diverses substàncies pures. - Per procediments físics es poden separar els seus components. - Les seves propietats són variables amb la seva composició.

En les seves experiències, Lavoisier va explicar l’augment de pes que experimentaven els metalls quan s’escalfaven dient que es combinaven amb algun dels components de l’aire. Dissenya un experiment que et permeti donar una explicació científica al fet que quan es crema un tros de fusta se n’obtenen cendres que pesen molt menys que la fusta original. Si fem la combustió en un recipient tancat, les fustes cremaran en reaccionar amb algun component de l’aire que hi estigui en contacte. A més de les cendres, s’hi produiran gasos que es mantindran en el recipient, ja que està tancat. Si pesem el recipient abans i després de la combustió, podrem comprovar que la massa no varia, cosa que indica que es compleix la llei de Lavoisier.

14.

Fem un intent de reproduir l’experiència de Lavoisier. Introduïm, primer, 6,3 g de coure dins un recipient i el tanquem hermèticament; després, el pesem i comprovem que conté 10 g d’aire. En escalfar-lo, comprovem que el metall s’ha transformat en 8 g d’òxid de coure. Quant pesarà l’aire que hi ha al tub? La massa del sistema s’ha de conservar: Massa del coure + massa de l’aire de la reacció = massa de l’òxid + massa de l’aire després de la reacció 6,3 g + 10 g = 8 g + massa aire després → massa aire després = 8,3 g

15.

Una mostra de sal de cuina analitzada es composa de 4,6 g de sodi i 7,1 g de clor. a) Quina és, llavors, la massa de la mostra? b) Quina quantitat de clor i quina de sodi hi haurà en una mostra de 23 g de sal?

14

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 15

SOLUCIONARI

de la matèria a) Massa mostra = massa sodi + massa clor = 4,6 g + 7,1 g = 11,7 g b) En qualsevol mostra de sal, el clor i el sodi mantenen la proporció que s’indica a l’enunciat: 4,6 g de sodi

23 g de sal ⋅

= 9 g de sodi

11,7 g de sal 7,1 g de clor

23 g de sal ⋅

= 14 g de clor

11,7 g de sal

Comprova que la suma coincideix amb la massa de la mostra de sal. 16.

En un laboratori han estat analitzades tres mostres de clor i de coure, i els resultat han estat els següents: Mostra

Massa de coure (g)

Massa de clor (g)

A

6,3

3,5

B

1,3

0,7

C

3,2

2,7

Determina si les mostres A, B i C pertanyen al mateix compost. Si pertany al mateix compost, la proporció en què es combinaran el coure i el clor serà la mateixa: Mostra

Massa de coure (g)

Massa de clor (g)

Massa de coure/massa de clor

A

6,3

3,5

1,80

B

1,3

0,7

1,86

C

3,2

2,7

1,18

Les mostres A i B pertanyen al mateix compost. 17.

A la taula inferior es recullen els resultats d’una sèrie d’experiències en les quals es fa reaccionar brom i calci per formar bromur de calci. Copia la taula i efectua els càlculs que calgui per tal de completar el contingut de les caselles buides.

Experiència

Calci (g)

Brom (g)

Bromur de calci (g)

Calci que sobra (g)

Brom que sobra (g)

A

0,4

1,6

2

0

0

B

1,5

0,8

C

1,2

D E

6 5 4,2

1,5 1,3

0

0

0

15

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 16

1 La teoria atomicomolecular • L’experiència A ens permet conèixer en quina proporció es combinen els dos elements, ja que no en sobra cap. • A l’experiència B determinem el reactiu limitant. Per les dades de l’experiència A segurament és el brom. Calculem la quantitat de bromur de calci que s’obté i la de calci que sobra: 0,8 g de brom ⋅ 0,8 g de brom ⋅

0,4 g de calci 1,6 g de brom

2 g de bromur de calci 1,6 g de brom

= 0,2 g de calci = 1 g de bromur de calci

• A l’experiència C, la quantitat de bromur de calci ens permet conèixer la quantitat que reacciona de cada element: 6 g de bromur de calci ⋅

1,6 g de brom 2 g de bromur de calci

= 4,8 g de brom

• Per diferència obtenim la quantitat de calci que reacciona: 6 g de bromur de calci − 4,8 g de brom = = 1,2 g de calci que reaccionen • A l’experiència D, la quantitat de brom que reacciona ens permet conèixer la quantitat de bromur de calci que s’obté: 5 g de brom ⋅

2 g de bromur de calci 1,6 g de brom

= 6,25 g de bromur de calci

• Per diferència obtenim la quantitat de calci que reacciona: 6,25 g de bromur de calci − 5 g de brom = = 1,25 g de calci que reaccionen • A l’experiència E, la quantitat de bromur de calci ens permet conèixer la quantitat que reacciona de cada element. Com que no en sobra cap, aquesta serà la quantitat inicial de cada element: 4,2 g de bromur de calci ⋅

1,6 g de brom 2 g de bromur de calci

= 3,36 g de brom

• Per diferència obtenim la quantitat de calci que reacciona: 4,2 g de bromur de calci − 3,36 g de brom = = 0,84 g de calci que reaccionen

16

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 17

SOLUCIONARI

de la matèria

18.

Experiència

Calci (g)

Brom (g)

Bromur de calci (g)

Calci que sobra (g)

Brom que sobra (g)

A

0,4

1,6

2

0

0

B

1,5

0,8

1

1,5 – 0,2 = = 1,3

0

C

1,2

4,8 + 1,5 = = 6,3

6

0

1,5

D

1,25 + 1,3 = = 2,55

5

6,25

1,3

0

E

0,84

3,36

4,2

0

0

El C es combina amb el O per formar dos compostos diferents, A i B. Al compost A, 3 g de C es combinen amb 4 g de O, i al compost B, 3 g de C amb 8 g de O. Raona les següents frases: a) 3 g de C no es poden combinar exactament amb 3 g de O. b) 9 g de C es combinen exactament amb 12 g de O per formar el compost B. c) 18 g de C es combinen exactament amb 12 g de O per formar el compost A. d) 24 g de O es combinen exactament amb 9 g de C per formar el compost B. e) Si la fórmula de B és CO2, quina és la fórmula de A? Argumenta la resposta. Compost

Massa C (g)

Massa O (g)

Massa C / massa O

A

3

4

0,75

B

3

8

0,375

a) No, perquè no manté la proporció del compost A ni del B. b) No, perquè és la proporció corresponent al compost A: 9 g de C = 0,75 12 g de O c) No, perquè no és la proporció del compost A: 18 g de C = 1,5 12 g de O

17

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 18

1 La teoria atomicomolecular d) Sí, perquè és la proporció del compost B: 9 g de C = 0,375 24 g de O e) CO. Perquè la mateixa quantitat de C es combina amb el doble de O tant a B com a A. 19.

El monòxid de dinitrogen (N2O) és un gas que s’utilitza con a anestèsic dental. Es pot obtenir al laboratori per mitjà de la reacció entre el nitrogen i l’oxigen. Copia la taula a la teva llibreta i completa-la omplint-ne els buits. Tingues en compte que, en tots els casos, els gasos que reaccionen i els que s’obtenen estan en les mateixes condicions de pressió i de temperatura.

Experiència

Nitrogen (L)

Oxigen (L)

Monòxid de dinitrogen (L)

Nitrogen que sobra (L)

Oxigen que sobra (L)

A

3

1,5

3

0

0

0

0

B

5

C

3

D

3

3 2

E

2,4

F G

0

1,7 6

1

1

1,5

0

3

• L’experiència A ens indica la proporció en la qual participen tots els gasos del procés, ja que no sobra cap dels reactius. El volum de N2O (3 L) que s’obté és el mateix que el de N2 (3 L) que reacciona i el doble que el de O2 (1,5 L) que reacciona. • A l’experiència B no sobra cap dels reactius. Amb les proporcions que es deriven de l’experiència A calculem el volum dels altres dos participants: 5 L de O2 ⋅

3 L de N2O 1,5 L de O2

= 10 L de N2O

• El volum de N2 és el mateix que el de N2O. • A l’experiència C només poden reaccionar 3 L de N2. El resultat de l’experiència A ens permet calcular les altres quantitats. • A l’experiència D la quantitat de N2O que s’obté indica la quantitat de N2 que reacciona; la diferència amb la quantitat que hi ha indica la quantitat de N2 que sobra. Com que no sobra gens de O2, la quantitat que hi ha inicialment és la que reacciona, un volum que és la meitat que el de N2O que s’obté.

18

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 19

SOLUCIONARI

de la matèria • A l’experiència E la quantitat de N2O que s’obté permet conèixer els volums de N2 i de O2 que reaccionen. Si sumen la quantitat de cadascun d’ells que sobra tindrem la quantitat inicial. • A l’experiència F s’indica que no sobra O2. Per tant, la quantitat inicial és la mateixa que la que reacciona. Això ens permet calcular la quantitat de N2O que s’obté i la de N2 que reacciona. Com que sobren 1,5 L de N2, els sumarem a la quantitat que reacciona per conèixer la quantitat inicial de N2. • A l’experiència G la quantitat de N2O que s’obté permet conèixer els volums de N2 i O2 que reaccionen. Suposem que no sobra gens de O2. Per tant, la quantitat inicial és la mateixa que la que reacciona. Això ens permet calcular la quantitat de N2O que s’obté i la de N2 que reacciona. Per diferència podrem conèixer la quantitat de N2 que sobra. 20.

Estudia els resultats de les reaccions entre gasos que es comenten en aquesta unitat i analitza si és possible enunciar una «llei de la conservació del volum» anàloga a la «llei de la conservació de la matèria». No es pot enunciar una llei de conservació del volum en les reaccions químiques. Només s’hi conserva la massa. Es pot citar com a exemple la reacció de formació de l’amoníac a partir del nitrogen i l’hidrogen.

21.

Tenim una mostra de 4 g de sofre. Quants mols de sofre hi ha? Quants àtoms? Dada: massa atòmica del sofre = 32 u. M (S) = 32

g 1mol de S → 4 g de S ⋅ = 0,125 mol de S → mol 32 g de S

→ 0,125 mol de S ⋅ 22.

6, 022 ⋅ 1023 àtoms de S

= 7,53 ⋅ 1022 àtoms de S

Quants grams de radi hi ha en mil bilions d’àtoms d’aquest element? I si els àtoms fossin de silici? Dades: massa atòmica del radi = 226 u; massa atòmica del silici = 28,1 u. 226 g de Ra 10 3 ⋅ 1012 àtoms de Ra ⋅ = 3,75 ⋅ 10−7 g de Ra 23 6, 022 ⋅ 10 àtoms de Ra 10 3 ⋅ 1012 àtoms de Si ⋅

23.

1 mol de S

28,1 g de Si 6, 022 ⋅ 1023 àtoms de Si

= 4,67 ⋅ 10−8 g de Si

Dins un recipient tenim 5.1018 àtoms d’un element que pesa 0,543 mg. Quina és la massa atòmica d’aquest element? De quin element es tracta? 0,543 ⋅ 10−3 g 5 ⋅ 1018 àtoms

⋅

g 6, 022 ⋅ 1023 àtoms = 65,4 1mol mol

Es tracta del zinc.

19

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 20


Determina la composició centesimal del butà (C4H10). M (C4H10 ) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58

g → mol

4 ⋅ 12 g de C ⋅ 100 = 82, 8 % de C → 58 g de C 10 ⋅ 1 g de H → ⋅ 100 = 17,2% de H 58 g

→

25.

Determina la composició centesimal del nitrat de calci Ca(NO3)2. M (Ca(NO3 )2 ) = 40,1 + 2 ⋅ 14 + 6 ⋅ 16 = 164,1 →

g → mol

40,1 g de Ca ⋅ 100 = 24,4% de Ca ; 164,1 g 2 ⋅ 14 g de N ⋅ 100 0 = 17,1% de N ; 164,1 g 6 ⋅ 16 g de O ⋅ 100 = 58,5% de O 164,1 g

26.

Alguns compostos iònics cristal·litzen amb un nombre determinat de molècules d’aigua. Aquests compostos reben el nom d’hidrats, i la seva fórmula ens indica la proporció d’aigua que contenen. Per exemple, el sulfat de coure pentahidrat té la fórmula CuSO4 · 5 H2O. Calcula el percentatge d’aigua d’aquesta substància. M (CuSO4 ⋅ 5 H2O) = 63,5 + 32 + 4 ⋅ 16 + 5 ⋅ (2 ⋅ 1 + 16) = 249,5 →

27.

5 ⋅ 18 g de H2O ⋅ 100 = 36,1% de H2O 249,5 g

El clorur amònic (NH4Cl) i el nitrat d’amoni (NH4NO3) es fan servir com a adobs. Calcula el percentatge de nitrogen de cada compost. Quin és més ric en nitrogen? g M (NH4Cl) = 14 + 4 ⋅ 1 + 35,5 = 53,5 → mol 14 g de N → ⋅ 100 = 26,2% de N 53,5 g M (NH4NO3 ) = 14 + 4 ⋅ 1 + 14 + 3 ⋅ 16 = 80 →

14 ⋅ 2 g de N ⋅ 100 = 35% de N 80 g

El nitrat d’amoni és més ric en nitrogen.

20

g → mol

g → mol

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 21

SOLUCIONARI

de la matèria 28.

A la natura hi ha minerals d’òxid de ferro (Fe2O3), com l’hematites, i de sulfur de ferro (FeS), com la pirrotina. Suposant que els dos minerals fossin igual d’abundants, determina quin és el més adequat per obtenir el metall ferro. M (Fe2O3 ) = 2 ⋅ 55, 8 + 3 ⋅ 16 = 159,6 →

g → mol

2 ⋅ 55,8 g de Fe ⋅ 100 = 69,9% de Fe 159,6 g

M (FeS) = 55, 8 + 32 = 87,8 →

g → mol

55,8 g de Fe ⋅ 100 = 63,5% de Fe 87,8 g

L’hematites conté més ferro. 29.

Escriu el nom dels següents elements: a) Na

30.

31.

d) C

b) K

e) He

c) Be

f) Ba

a) sodi

d) carboni

b) potassi

e) heli

c) beril·li

f ) bari

Escriu el símbol dels següents elements: a) Sofre

d) Calci

b) Cobalt

e) Alumini

c) Liti

f) Crom

a) S

d) Ca

b) Co

e) Al

c) Li

f ) Cr

Indica la fórmula empírica dels següents elements: a) Al2 O6

c) N2O4

b) C4H10

d) C10 O6

a) Al O3

c) NO2

b) C2H5

d) C5 O3

21

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 22


Un element A forma ions negatius A–. A quin possible grup de la taula periòdica pertany? Si l’element A forma ions negatius vol dir que té tendència a captar electrons i serà electronegatiu, es trobarà a la dreta de la taula periòdica al grup 17, anomenat Halògens.

33.

Anomena els compostos següents mitjançant la nomenclatura sistemàtica: NO2, Cl2O5, CO, H2S, SF6, ClF3, N2O4, BrCl5, SO3, Cl2O3. NO2, diòxid de nitrogen Cl2O5, pentaòxid de diclor CO, monòxid de carboni H2S, sulfur d’hidrogen SF6, hexafluorur de sofre ClF3, trifluorur de clor N2O4, tetraòxid de dinitrogen BrCl5, pentaclorur de brom SO3, triòxid de sofre Cl2O3, triòxid de diclor

34.

Formula els compostos següents: triclorur de fòsfor, pentafluorur de clor, triòxid de sofre, diclorur de sofre, heptaòxid de diclor, tribromur de iode, tetraclorur de carboni, pentaòxid de difòsfor. triclorur de fòsfor, PCl3 pentafluorur de clor, ClF5 triòxid de sofre, SO3 diclorur de sofre, SCl2 heptaòxid de diclor, Cl2O7 tribromur de iode, IBr3 tetraclorur de carboni, CCl4 pentaòxid de difòsfor, P2O5

35.

Anomena els compostos següents mitjançant la nomenclatura sistemàtica i la de Stock: Cr2O3, CuO, Al2O3, Na, Br, CaCl2, FeS, Fe2S3, AgBr, MnCl2, CrBr3, Na2 i CaI2. Nomenclatura sistemàtica Cr2O3, triòxid de dicrom Cu O, monòxid de coure Al2O3, triòxid de dialumini

22

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 23

SOLUCIONARI

de la matèria Na Br, bromur de sodi CaCl2, diclorur de calci FeS, sulfur de ferro Fe2S3, trisulfur de diferro AgBr, bromur de plata MnCl2, diclorur de manganès Cr Br3, tribromur de crom Na2S, sulfur de disodi Ca I2, diiodur de calci Nomenclatura de Stock Cr2O3, òxid de crom (III) Cu O, òxid de coure (II) Al2O3, òxid d’alumini Na Br, bromur de sodi CaCl2, clorur de calci FeS, sulfur de ferro (II) Fe2S3, sulfur de ferro (III) AgBr, bromur de plata MnCl2, clorur de manganès (II) Cr Br3, bromur de crom (III) Na2S, sulfur de sodi Ca I2, iodur de calci 36.

Formula els compostos següents: bromur de liti, bromur de calci, sulfur de coure (II), bromur de ferro (II), iodur de potassi, clorur de sodi, clorur de rubidi, bromur de zinc, bromur de coure (II), iodur de sodi, iodur de coure (I) i sulfur de plom (IV). bromur de liti, LiBr bromur de calci, CaBr2 sulfur de coure (II), CuS bromur de ferro (II), FeBr2 iodur de potassi, KI clorur de sodi, NaCl clorur de rubidi, RbCl bromur de zinc, ZnBr2 bromur de coure (I), CuBr iodur de sodi, NaI iodur de coure (II), CuI2 sulfur de plom (IV), PbS2

23

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 24


Formula els següents compostos: a) peròxid de plata b) peròxid de sodi c) peròxid de coure d) peròxid de bari a) Ag2O2 b) Na2O2 c) CuO2 d) BaO2

38.

Formula els següents compostos: a) hidròxid de calci b) hidròxid de ferro (III) c) hidròxid d’amoni d) cianur de potassi e) cianur de sodi f) hidròxid de plata a) Ca(OH)2 b) Fe(OH)3 c) NH4OH d) KCN e) NaCN f ) AgOH

39.

Anomena els següents compostos: a) Mn(OH)2 b) AgOH c) Ba(CN)2 d) Ni(OH)3 a) hidròxid de manganès (II) b) hidròxid de plata c) cianur de bari d) hidròxid de niquel (III)

40.

Corregeix les fórmules incorrectes i anomena-les: BeOH, KOH, Au(OH)2, BaOH, SrOH, CdOH, CuOH, AlOH

24

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 25

SOLUCIONARI

de la matèria BeOH (incorrecte) → Be(OH)2, hidròxid de beril·li KOH (correcte) → hidròxid de potassi Au(OH)2 (incorrecte) → Au(OH)3, hidròxid d’or (III) → AuOH, hidròxid d’or (I) BaOH (incorrecte) → Ba(OH)2, hidròxid de bari SrOH (incorrecte) → Sr(OH)2, hidròxid d’estronci CdOH (incorrecte) → Cd(OH)2, hidròxid de cadmi CuOH (correcte) → hidròxid de coure (I) AlOH (incorrecte) → Al(OH)3, hidròxid d’alumini 41.

Escriu el nom dels següents oxoàcids: HIO3, H2SeO5, H2SO4, HClO4, H2S2O3, H3PO3, H4SiO4, H2MnO4, H2S2O8, H2CO3. HIO3, àcid iòdic H2SeO5, àcid peroxomonoselènic H2SO4, àcid sulfúric HClO4, àcid perclòric H2S2O3, àcid tiosulfúric H3PO3, àcid fosforós H4SiO4, àcid silícic H2MnO4, àcid mangànic H2S2O8, àcid peroxodisulfúric H2CO3, àcid carbònic

42.

Formula els següents oxoàcids: àcid carbònic, àcid peroxofosfòric, àcid hipobromós, àcid silícic, àcid fosforós, àcid perclòric, àcid disulfurós, àcid dicròmic, àcid peroxodisulfúric i àcid tiosulfúric àcid carbònic, H2CO3 àcid peroxofosfòric, H3PO5 àcid hipobromós, HBrO àcid silícic, H4SiO4 àcid fosforós, H3PO3 àcid perclòric, HClO4 àcid disulfurós, H2S2O5 àcid dicròmic, H2Cr2O7 àcid peroxodisulfúric, H2S2O8 àcid tiosulfúric, H2S2O3

25

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 26


Anomena les sals següents: Cr2(SO4)3, MgCO3, AgNO3, Ni3(PO4)2, NaIO4, Zn(NO3)2, Li2SO4, CuSO4, FeCO3, Ba(NO3)2. Cr2(SO4)3, sulfat de crom (III) MgCO3, carbonat de magnesi AgNO3, nitrat de plata Ni3(PO4)2, fosfat de níquel (II) NaIO4, periodat de sodi Zn(NO3)2, nitrat de zinc Li2SO4, sulfat de liti CuSO4, sulfat de coure (II) FeCO3, carbonat de ferro (II) Ba(NO3)2, nitrat de bari

44.

Formula les sals següents: carbonat de sodi, iodat de mercuri (I), fosfat de calci, nitrit de cesi, hipobromit de magnesi, clorat de ferro (III), cromat de plata, sulfat de plom (IV) i sulfat de cadmi. carbonat de sodi, Na2CO3 iodat de mercuri (I), HgIO3 fosfat de calci, Ca3(PO4)2 nitrit de cesi, CsNO2 hipobromit de magnesi, Mg(BrO)2 clorat de ferro (III), Fe(ClO3)3 cromat de plata, Ag2CrO4 sulfat de plom (IV), Pb(SO4)2 sulfat de cadmi, CdSO4

45.

Formula i anomena respectivament les sals àcides següents: hidrogensulfit de potassi, hidrogenfosfat de bari, hidrogencarbonat de liti. Ca(HSO4)2, Fe(HSO4)3, KH2PO4, CsHCO3, NaHSO4 hidrogensulfit de potassi, KHSO3 hidrogenfosfat de bari, BaHPO4 hidrogencarbonat de liti, LiHCO3 Ca(HSO4)2, hidrogen sulfat de calci Fe(HSO4)3, hidrogen sulfat de ferro (III) KH2PO4, dihidrogen fosfat de potassi CsHCO3, hidrogen carbonat de cesi NaHSO4, hidrogen sulfat de sodi

26

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 27

SOLUCIONARI

de la matèria 46.

Formula i anomena respectivament les sals hidratades següents: sulfat de coure (II) pentahidrat, nitrat de níquel (III) hexahidrat, nitrat de mercuri (II) monohidrat, sulfat de níquel (III) hexahidrat, CdSO4 · 7H2O, Co(NO3)2 · 6H2O, ZnSO4 · 6H2O, BaCl2 · 3H2O. sulfat de coure (II) pentahidrat, CuSO4 · 5H2O nitrat de níquel (III) hexahidrat, Ni(NO3)3 · 6H2O nitrat de mercuri (II) monohidrat, Hg(NO3)2 · H2O sulfat de níquel (III) hexahidrat, Ni2(SO4)3 · 6H2O CdSO4 · 7H2O, sulfat de cadmi heptahidrat Co(NO3)2 · 6H2O, nitrat de cobalt (II) hexahidrat ZnSO4 · 6H2O, sulfat de zinc hexahidrat BaCl2 · 3H2O, clorur de bari trihidrat

47.

Formula i anomena respectivament les sals dobles següents: hidrogenfosfat (doble) d’amoni i liti, silicat (doble) de cadmi i níquel (II), sulfat (doble) de coure(I) i potassi, CaNaPO4, KMgF3, CaBrCl. hidrogenfosfat (doble) d’amoni i liti, LiNH4 HPO4 silicat (doble) de cadmi i níquel (II), CdNiSiO4 sulfat (doble) de coure (I) i potassi, CuKSO4 CaNaPO4, fosfat (doble) de calci i sodi KMgF3, fluorur (doble) de beril·li i potassi CaBrCl, bromur clorur de calci

48.

Dels fets que s’esmenten tot seguit, quins els estudia la física i quins la química? a) La força que es necessita per trencar un tros de marbre en fragments petits. b) L’estructura cristal·lina del marbre. c) Fins a quina temperatura es pot escalfar el marbre sense fondre’s? d) La capacitat del marbre per conduir l’electricitat. e) El comportament del marbre davant l’atac d’un àcid. f ) Fins a quina temperatura es pot escalfar el marbre abans no es descompongui? g) Com es forma el marbre a la natura? Seran estudiats per la química tots els fets que impliquin un coneixement de l’estructura de la matèria o canvis que afecten la naturalesa de les substàncies: b, e, f i g. Seran estudiats per la física els canvis que no afecten la naturalesa de les substàncies: a, c i d.

27

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 28


Copia aquesta taula a la teva llibreta i omple-la. Substància pura

Element

Compost

Mescla homogènia

Mescla heterogènia

Substància pura

Element

Compost

Mescla homogènia

Mescla heterogènia

Aire Aigua del mar Llet Acer Infusió Butà Fusta

Aire

X X

Aigua del mar Llet Acer Infusió Butà Fusta

50.

X X X X X

En un pot que contenia encenalls de ferro, algú hi ha posat una barreja de sorra i sal. Indica quin procediment faries servir per separar-los i tenir en un pot els encenalls, en l’altre la sorra i en un altre la sal. Si passem un imant per la mescla, podem separar-ne els encenalls de ferro. Si afegim aigua a la resta, dissoldrem la sal. Filtrant-la per gravetat podem separar-ne la sorra. Si n’evaporem l’aigua, podem recuperar la sal.

51.

Relaciona aquestes frases amb la llei o hipòtesi a la qual corresponen: 1. La matèria no es crea ni es destrueix. 2. Els elements A i B es combinen, a vegades, en una proporció i d’altres, en una de diferent. 3. En una reacció química es transforma la matèria. 4. Si 2,53 g de A es combinen amb 1,32 g de B per formar un compost, 2,13 g de A no es poden combinar amb 0,66 g de B. 5. La massa dels productes d’una reacció coincideix amb la massa dels seus reactius. 6. A i B es combinen sempre en la mateixa proporció. 7. En les mateixes condicions de pressió i de temperatura, un recipient que tingui el doble de volum que l’altre també tindrà el doble de molècules que l’altre.

28

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 29

SOLUCIONARI

de la matèria 8. La matèria es conserva. 9. Un litre d’un gas A no es combina mai amb 1,3792 L d’un altre gas que es trobi en les seves mateixes condicions de pressió i de temperatura. 10. Si A i B donen lloc a dos compostos diferents, pot ser que en un cas es combinin 1,57 g de A amb 2 g de B i, en l’altre, 3,14 g de A amb 2 g de B. a) Llei de proporcions múltiples. b) Hipòtesi d’Avogadro. c) Llei de les proporcions definides. d) Llei de la conservació de la massa. e) Llei dels volums de combinació. a) Llei de proporcions múltiples, 2, 10. b) Hipòtesi d’Avogadro, 7. c) Llei de les proporcions definides, 4, 6. d) Llei de la conservació de la massa, 1, 3, 5, 8. e) Llei dels volums de combinació, 9.

52.

Repassa els postulats de la teoria atomicomolecular. Marca amb vermell els que es deriven de les lleis ponderals i amb blau els que són conseqüència de les lleis volumètriques. 1. Tota la matèria està formada per àtoms molt petits que són partícules indivisibles i indestructibles. (Avui sabem que els àtoms no són realment indivisibles ni indestructibles.) 2. Tots els àtoms d’un element són exactament iguals en massa i en la resta de propietats, i diferents dels àtoms de qualsevol altre element. 3. Totes les substàncies, simples i compostes, estan formades per molècules que resulten de la unió d’àtoms del mateix element o d’elements diferents. 4. Totes les molècules d’una mateixa substàncies són iguals entre si i diferents a les de qualsevol altra substància. 5. Les molècules de les substàncies simples estan formades per àtoms del mateix element. Si la molècula està formada per un sol àtom, s’identifica amb l’àtom (per exemple, el He); si està formada per més d’un àtom, s’indica amb el símbol de l’element i un nombre que indica quants àtoms estan enllaçats en un molècula (per exemple, H2, P4, etc.). 6. Les molècules de les substàncies compostes estan formades per àtoms de dos o més elements diferents que es combinen en relacions numèriques senzilles (per exemple HCl, 2:1, H2O, 1:3, NH3, 2:3, N2O3, etc.). 7. En una reacció química els àtoms es recombinen i així unes substàncies es transformen en altres de diferents.

29

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 30

1 La teoria atomicomolecular Lleis ponderals: 1. Tota la matèria està formada per àtoms molt petits que són partícules indivisibles i indestructibles. (Avui sabem que els àtoms no són realment indivisibles ni indestructibles.) 2. Tots els àtoms d’un element són exactament iguals en massa i en la resta de propietats, i diferents dels àtoms de qualsevol altre element. 3. Totes les substàncies, simples i compostes, estan formades per molècules que resulten de la unió d’àtoms del mateix element o d’elements diferents. 7. En una reacció química els àtoms es recombinen i així unes substàncies es transformen en altres de diferents. Lleis volumètriques: 4. Totes les molècules d’una mateixa substàncies són iguals entre si i diferents a les de qualsevol altra substància. 5. Les molècules de les substàncies simples estan formades per àtoms del mateix element. Si la molècula està formada per un sol àtom, s’identifica amb l’àtom (per exemple, el He); si està formada per més d’un àtom, s’indica amb el símbol de l’element i un nombre que indica quants àtoms estan enllaçats en un molècula (per exemple, H2, P4, etc.). 6. Les molècules de les substàncies compostes estan formades per àtoms de dos o més elements diferents que es combinen en relacions numèriques senzilles (per exemple HCl, 2:1, H2O, 1:3, NH3, 2:3, N2O3, etc.).

53.

Corregeix i completa la definició següent: «La massa atòmica relativa d’un àtom indica quants cops és més gran que l’àtom de carboni-12». La massa atòmica relativa d’un àtom indica quants cops és més gran que la dotzena part de la massa de l’àtom de carboni-12.

54.

Raona si és o no és cert que la massa d’1 mol de gas hidrogen és 1 g. El gas hidrogen forma molècules diatòmiques H2. Per tant, la massa d’1 mol de gas hidrogen és 2 g. 1 g és la massa d’1 mol d’àtoms de H.

55.

Corregeix i completa aquesta afirmació: «En la fórmula d’un compost s’hi indiquen els símbols dels elements que el formen i en quina proporció es combinen». A la fórmula empírica d’un compost s’indiquen els símbols dels elements que el formen i en quina proporció s’hi combinen.

30

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 31

SOLUCIONARI

de la matèria A la fórmula molecular d’un compost s’indiquen els símbols dels elements que el formen i el nombre d’àtoms de cadascun d’ells que intervenen en una molècula del compost. 56.

Tot seguit es mostra la fórmula d’algunes substàncies moleculars. Escriu, en cada cas, les seves fórmules empírica i molecular. a) Tetròxid de dinitrogen: N2O4 b) Alcohol etílic: C2H6O c) Glucosa: C6H12O6 Tetròxid de dinitrogen

Alcohol etílic

Glucosa

Propà

Diòxid de carboni

Fórmula molecular

N2O4

C2H6O

C6H12O6

C3H8

CO2

Fórmula empírica

NO2

C2H6O

CH2O

C3H8

CO2

Compost

57.

d) Propà: C3H8 e) Diòxid de carboni: CO2

Creus que un compost pot tenir aquestes composicions centesimals? Justifica les respostes. • Ca: 25,32%

• N: 18,03%

• O: 61,05%

25,32 + 18,03 + 61,05 = 104,4 La suma de tots els percentatges ha de donar 100. Aquesta diferència d’un 4% podria estar causada per un error experimental. 58.

El magnesi és un metall que s’utilitza en la fabricació de focs artificials perquè produeix llampades fortes de llum quan crema. Durant el procés es forma òxid de magnesi, un compost en què es combinen 2,21 g de magnesi per cada 1,45 g d’oxigen. Si un coet incorpora 7 g de cinta de magnesi, quina quantitat d’òxid de magnesi es produirà quan el coet cremi? Quan formen òxid de magnesi, el magnesi i l’oxigen es combinen sempre en la mateixa proporció: 7 g de magnesi ⋅

1,45 g d’oxigen 2,21 g de magnesi

= 4,59 g d’oxigen

7 g de magnesi + 4,59 g d’oxigen = 11,59 g d’òxid de magnesi 59.

A la taula següent s’hi recullen els resultats d’una sèrie d’experiències en les quals es fa reaccionar plata i sofre per formar sulfur de plata. Copia-la a la teva llibreta i omple el contingut de les caselles buides.

31

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 32

1 La teoria atomicomolecular Experiència

Plata (g)

Sofre (g)

A

3,60

0,54

Sulfur de plata (g)

Plata que sobra (g)

Sofre que sobra (g)

0

0

B

6,3

0

0

C

5,2

0,5

0,3

1,3

0

D

1,5

E

4,20

F

7,5

2,50 8,2

1,5

• L’experiència A indica en quina proporció es combinen exactament la plata i el sofre. Com que no sobra res, podem determinar la quantitat de sulfur de plata que es forma. • A l’experiència B coneixem la quantitat de sulfur de plata. Com que no sobra res de cap element, podem calcular la quantitat inicial de cadascun d’ells. 6,3 g de sulfur de plata ⋅

3,60 g de plata 4,14 g de sulfur de plata

= 5,48 g de plata

• A l’experiència C, la quantitat de sulfur de plata ens permet conèixer la quantitat inicial de plata i de sofre que es combina. En cada cas, sumem la quantitat d’element que sobra i tindrem la quantitat inicial de plata i de sofre. 5,2 g de sulfur de plata ⋅


= 4,52 g de plata

5,2 g sulfur de plata − 4,52 g plata = 0,68 g sofre • A l’experiència D reacciona tota la quantitat de sofre present, la qual cosa ens permet conèixer la quantitat de sulfur de plata que es forma i la quantitat de plata que reacciona; sumant-hi la quantitat de plata que sobra, tindrem la quantitat de plata que hi havia inicialment. 1,5 g de sofre ⋅

4,14 g de sulfur de plata 0,54 g de sofre

= 11,5 g de sulfur de plata

11,5 g sulfur de plata − 1,5 g sofre = = 10 g de sofre que es combinen • A l’experiència E tenim les quantitats inicials dels dos elements i hem de determinar quin d’ells actua de limitant. Si ho comparem amb les quantitats de l’experiència A, sembla que és la plata; ho

32

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 33

SOLUCIONARI

de la matèria confirmem calculant la quantitat de sofre que reacciona amb 4,20 g de plata. 4,20 g de plata ⋅

0,54 g de sofre 3,60 g de plata

= 0,63 g de sofre

2,50 g de sofre inicial − 0,63 g de sofre es combinen = = 1,87 g sofre sobren • A l’experiència F, la quantitat de sulfur de plata ens permet conèixer la quantitat de plata i de sofre que es combina. Si comparem aquesta quantitat de plata amb la inicial, podrem determinar la que sobra. Sumant a la quantitat de sofre que es combina la quantitat que sobra, coneixerem la quantitat inicial de sofre: 8,2 g de sulfur de plata ⋅


= 7,13 g de plata

8,2 g de sulfur de plata − 7,13 g de plata = 1,07 g de sofre que es combina Experiència

Plata (g)

Sofre (g)

Sulfur de plata (g)

Plata que sobra (g)

Sofre que sobra (g)

A

3,60

0,54

3,60 + 0,54 = = 4,14

0

0

B

5,48

6,3 – 5,48 = = 0,82

6,3

0

0

4,52 + 0,5 = 0,68 + 0,3 = = 5,02 = 0,98

5,2

0,5

0,3

1,5

11,5

1,3

0

C D

60.

E

4,20

2,50

4,20 + 0,63 = 4,83

0

1,87

F

7,5

1,07 + 1,5 = = 2,57

8,2

7,5 – 7,13 = = 0,37

1,5

El crom i el clor formen dos compostos diferents. En un laboratori s’analitzen quatre mostres, i les quantitats que s’obtenen dels dos elements són les següents: Mostra

Quantitat de crom (g)

Quantitat de clor (g)

A

0,261

0,356

B

0,150

0,250

C

0,342

0,700

D

0,522

0,713

33

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 34

1 La teoria atomicomolecular Troba, entre aquestes mostres: a) Dues que pertanyen al mateix compost. b) Dues que pertanyen a dos compostos diferents que acompleixen la llei de les proporcions múltiples. c) La mostra d’un compost impossible. d) Si la fórmula d’un compost és CrCl2, quina és la de l’altre? En cada cas s’ha de calcular la proporció en què es combinen els elements: Mostra

Quantitat de crom (g)

Quantitat de clor (g)

Quantitat de crom / quantitat de clor

A

0,261

0,356

0,733

B

0,150

0,250

0,600

C

0,342

0,700

0,489

D

0,522

0,713

0,732

a) A i D pertanyen al mateix compost. b)

0, 489 2 ≈ La mostra A (o la D) i la C pertanyen a compostos 0,732 3 diferents que compleixen la llei de les proporcions múltiples.

c) La mostra B és d’un compost impossible. d) CrCl3. 61.

Quan 1 L de nitrogen reacciona amb 3 L d’hidrogen s’obtenen 2 L d’amoníac. Totes aquestes substàncies són gasos, i comparteixen unes mateixes condicions de pressió i de temperatura. Amb la dada que la molècula d’hidrogen és H2, dedueix les fórmules del nitrogen i de l’amoníac. La hipòtesi d’Avogadro diu que, en les mateixes condicions de pressió i temperatura, volums iguals de gasos diferents contenen el mateix nombre de partícules. Aplicat en aquest cas, si hi ha x molècules en 1 L de nitrogen, hi ha 3x molècules en els 3 L d’hidrogen i 2x molècules en el 2 L d’amoníac. Com que x molècules de nitrogen donen 2x molècules d’amoníac, cada molècula de nitrogen ha de tenir dos àtoms de nitrogen, i cada molècula d’amoníac, 1 àtom. Els àtoms de les 3x molècules d’hidrogen estan en les 2x molècules d’amoníac. Això implica que cada molècula d’hidrogen ha de tenir dos àtoms d’hidrogen i cada molècula d’amoníac, tres àtoms d’aquest element.

34

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 35

SOLUCIONARI

de la matèria + Hidrogen

→ Nitrogen

Amoníac

3 volums V d’hidrogen es combinen amb 1 volum V de nitrogen i s’obté un volum doble (2V) d’amoníac. 62.

El nitrogen i l’oxigen formen gasos diatòmics. Quan es combinen 2 L de nitrogen amb 1 L d’oxigen, en unes condicions idèntiques de pressió i de temperatura, s’hi formen 2 L d’un gas emprat com a anestèsic. Quina és la fórmula d’aquest gas nou? Explica el teu raonament. La hipòtesi d’Avogadro diu que, en les mateixes condicions de pressió i temperatura, volums iguals de gasos diferents contenen el mateix nombre de partícules. Aplicat en aquest cas, si hi ha x molècules en 1 L d’oxigen hi ha 2x molècules en els 2 L de nitrogen i 2x molècules en el 2 L de gas. Com que x molècules d’oxigen donen 2x molècules de gas, cada molècula d’oxigen ha de tenir dos àtoms d’oxigen, i cada molècula del gas, 1 àtom d’oxigen. Els àtoms de les 2x molècules de nitrogen estan en les 2x molècules de gas. Això implica que la molècula de nitrogen és diatòmica; cada molècula del gas ha de tenir dos àtoms d’aquest element. La fórmula del gas és N2O.

63.

Consulta la taula periòdica i completa les frases: a) Mig mol de molècules d’aigua oxigenada (H2O2) són 17 g, i conté 3,012 ⋅ 1023 molècules, 6,22 ⋅ 1023 àtoms d’hidrogen i un mol d’oxigen. b) 2 mols de gas clor són 142 g, i contenen 12,044 ⋅ 1023 molècules de clor i 24,088 ⋅ 1023 àtoms de clor. c) 3 mols de gas argó són 119,7 g i contenen 18,07 ⋅ 1023 àtoms d’argó.

64.

En una reacció s’obtenen 5 · 1025 àtoms de platí. Calcula: a) Quants grams de platí s’han obtingut? b) Quants mols de platí tindrem? a) i b) Llegim a la taula periòdica que 1 mol de platí són 195,1 g.

35

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 36

1 La teoria atomicomolecular 5 ⋅ 1025 àtoms de platí ⋅

195,1 g de platí 6, 022 ⋅ 1023 àtoms de platí

=

= 16,2 ⋅ 10 3 g de platí 5 ⋅ 1025 àtomsde platí ⋅

65.

1mol 6, 022 ⋅ 1023 àtoms de platí

= 83,03 mol de platí

Sabem que la massa molecular del platí és de 191,5 g. Llavors, quants grams pesarà un àtom de platí? 195,1 g = 3,24 ⋅ 10−22 g 6, 022 ⋅ 1023 àtoms

66.

En una càpsula tenim 4 · 1022 àtoms d’un metall, i pesen 4,34 g. Quin metall creus que pot ser? 4,34 g de metall 4 ⋅ 10

22

àtoms

⋅

6, 022 ⋅ 1023 àtoms g = 65,34 1mol mol

Podria ser el zinc. 67.

Tenim una mostra de 8 g de diòxid de sofre: a) Quants mols de diòxid de sofre tenim? b) Quants àtoms d’oxigen? c) Quants grams de sofre?

M (SO2) = 32 + 2 · 16 = 64 g/mol → 8 g de SO2 ⋅

1mol de SO2 64 g de SO2

= 0,125 mol de SO2

Per tant: 0,125 mol de SO2 ⋅ ⋅

6, 022 ⋅ 1023 molècules de SO2

2 àtoms O 1 molècula de SO2 0,125 mol de SO2 ⋅

68.

36

1 mol de SO2

⋅

= 1,506 ⋅ 1023 àtoms de O 32 g de S 1mol de SO2

= 4 g de S

L’alumini s’extreu d’un mineral anomenat bauxita, el component fonamental del qual és l’òxid d’alumini (Al2O3). Quina quantitat d’òxid d’alumini (en grams) necessitem per obtenir 50 g d’alumini?

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 37

SOLUCIONARI

de la matèria Massa molar de Al2O3 = 2 · 27 + 3 · 16 = 102 g/mol → 102 g de Al2O3 = 94,4 g de Al2O3 2 ⋅ 27 g de Al

50 g de Al ⋅

69.

L’arsina és un compost de fórmula AsH3. Si disposem de 0,8 · 1025 molècules d’arsina: a) Quants mols d’arsina hi tenim? b) Quants grams d’AsH3 hi ha? c) Quants àtoms d’hidrogen? d) Quants grams d’arsènic?

M (AsH3) = 74,9 + 3 ⋅ 1 = 77,9 g/mol. a) 0, 8 ⋅ 1025 molècules de AsH3 ⋅

1mol de AsH3 6, 022 ⋅ 1023 molècules de AsH3

=

= 13,28 mol de AsH3 b) 13,28 mol de AsH3 ⋅

77,9 g de AsH3

= 1, 035 ⋅ 10 3 g de AsH3

1 mol de AsH3

c) 0, 8 ⋅ 1025 molècules de AsH3 ⋅

3 àtoms de H 1 molècula de AsH3

=

= 2, 4 ⋅ 1025 àtoms de H d) 13,28 mol de AsH3 ⋅ 70.

74,9 g de As 1 mol de AsH3

= 994,7 g de As

La urea és un compost de fórmula CO(NH2)2. Si tenim 5 · 1024 molècules d’urea: a) Quants grams d’urea hi ha? b) Quants mols d’oxigen? c) Quants grams de nitrogen? d) Quants àtoms d’hidrogen?

M (CO(NH2)2) = 12 + 16 + 2 ⋅ (14 + 2 ⋅ 1) = 60 g/mol. a) 5 ⋅ 1024 molècules de CO(NH2 )2 ⋅ ⋅ ⋅

1mol de CO(NH2 )2 6,0 022 ⋅ 1023 molècules de CO(NH2 )2 60 g de CO(NH2 )2 1 mol de CO(NH2 )2

⋅

= 498,2 g de CO(NH2 )2 (urea)

37

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 38

1 La teoria atomicomolecular b) 5 ⋅ 1024 molècules d'urea ⋅

1mol de O 6, 022 ⋅ 1023 molècules d'urea

=

= 8,3 mol de O c) 5 ⋅ 1024 molècules de CO(NH2 )2 ⋅ ⋅ ⋅

1 mol de CO(NH2 )2

14 ⋅ 2 g de N 1 mol de CO(NH2 )2

= 232,5 g de N

d) 5 ⋅ 1024 molècules d'urea ⋅

71.

⋅

022 ⋅ 1023 molècules de CO(NH2 )2 6,0

4 àtoms de H

= 20 ⋅ 1024 àtoms de H

1 molècula d'urrea

La llet de magnèsia es prepara dissolent hidròxid de magnesi [Mg(OH)2] amb aigua. Per una reacció ens cal tenir en la dissolució 5 · 1022 àtoms de magnesi. Calcula quants grams d’hidròxid de magnesi haurem de dissoldre.

M (Mg(OH)2) = 24,3 + (16 + 1) ⋅ 2 = 58,3 g/mol → 5 ⋅ 1022 àtoms de Mg ⋅ 1 mol de Mg(OH)2 1 mol de Mg 72.

⋅

1 mol de Mg 6, 022 ⋅ 1023 àtoms de Mg

58,3 g de Mg(OH)2 1 mol de Mg(OH)2

⋅

= 4,84 g de Mg(OH)2

En un recipient, s’hi introdueixen 50 g de gas d’oxigen i en un altre d’igual, 50 g de CO2. A quin recipient hi ha més molècules? Quin recipient conté més àtoms?

M (O2) = 16 ⋅ 2 = 32 g/mol; M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol. 50 g de O2 ⋅ 50 g de CO2 ⋅

1 mol de O2 32 g de O2

1 mol de CO2 44 g de CO2

⋅ ⋅

6, 022 ⋅ 1023 molècules 1 mol de O2 6, 022 ⋅ 1023 molècules

9, 41 ⋅ 1023 molècules de O2 ⋅ 6, 84 ⋅ 1023 molècules de CO2 ⋅

38

1 mol de CO2 2 àtoms 1 molècula de O2 3 àtoms 1 molècula de CO2

= 9, 41 ⋅ 1023 molècules = 6,84 ⋅ 1023 molècules = 18, 82 ⋅ 1023 àtoms = 20,53 ⋅ 1023 àtoms

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 39

SOLUCIONARI

de la matèria 73.

Determina la composició centesimal de la glucosa: C6H12O6.

M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol. 6 ⋅ 12 6 ⋅ 16 ⋅ 100 = 40% de C; ⋅ 100 = 53,33% de O; 180 180 12 ⋅ 100 = 6,67% de H 180 74.

En el cas del carbonat de sodi, per cada gram de carboni es combinen 4 g d’oxigen i 3,83 g de sodi. Calcula la seva composició centesimal. 1 4 ⋅ 100 = 11,33% de C; ⋅ 100 = 45,33 3% de O; 1 + 4 + 3, 83 1 + 4 + 3, 83 3, 83 ⋅ 100 = 43,37% de Na 1 + 4 + 3, 83

75.

El sulfat de ferro (II) cristal·litza formant un hidrat, la fórmula del qual és FeSO4 · 7 H2O. Determina el percentatge d’aigua d’hidratació en aquest compost.

M (FeSO4 ⋅ 7 H2O) = 55,8 + 32 + 4 ⋅ 16 + 7 ⋅ (2 ⋅ 1 + 16) = = 277,8 g/mol →

76.

18 ⋅ 7 ⋅ 100 = 45,36% de H2O 277, 8

El sofre i l’oxigen formen un compost en què el 40 % és sofre. Determina’n la fórmula. Fórmula del compost que cerquem: SxOy. 40 g de S 60 g de O = 1,25 mol de S; = 3,75 mol de O 32 g/mol 16 g/mol Per tant: S 1,25 O 3,75 → SO3 1,25

77.

1,25

L’anàlisi d’un mineral d’alumini revela que està format pel 34,6 % d’alumini, el 3,8 % d’hidrogen i que la resta és oxigen. Determina’n la fórmula. Fórmula del compost: AlxHyOz.

39

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 40

1 La teoria atomicomolecular 100 − (34,6 + 3, 8) g de O = 3,85 mol de O 16 g/mol Per tant: Al 1,28 H 3,8 O 3,85 → AlO3H3 → Al(OH)3 1,28

78.

1,28

1,28

El nitrogen i l’oxigen formen molts compostos. N’hi ha un que té de massa molar 92 g/mol i un percentatge de nitrogen del 30,43 %. Determina’n la fórmula empírica i la fórmula molecular. Fórmula del compost: NxOy. 30,43 g de N 100 − 30,43 g de O = 2,174 mol de N; = 4,348 mol de O 14 g/mol 16 g/mol Per tant: N 2,174 O 4,348 2,174

2,174

Fórmula empírica: NO2 ; M (NO2) = 14 + 2 ⋅ 16 = 46 g/mol. 92/46 = 2 → Fórmula molecular: N2O4 79.

La sosa Solvay és un producte industrial que té una composició del 43,4 % de sodi, l’11,32 % de carboni i la resta és oxigen. Calcula la fórmula química d’aquest compost. Fórmula del compost: NaxCyOz. 43,4 g de Na 11,32 g de C = 1,887 mol de Na; = 0,943 mol de C; 23 g/mol 12 g/mol 100 − (43, 4 + 11, 32) g de O = 2,83 mol de O 16 g/mol Per tant: Na 1,887 C 0,943 O 0,943

80.

40

0,943

2,83

→ Na2C1O3 → Na2CO3

0,943

El benzè és un dissolvent orgànic format per carboni i hidrogen. I s’ha comprovat, en una anàlisi, que es combinen 3 g de carboni amb 250 mg d’hidrogen. Atès que la massa molar del benzè és de 78 g/mol, determina’n la fórmula.

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 41

SOLUCIONARI

de la matèria Fórmula del benzè: CxHy. 3 g de C 0,25 g de H = 0,25 mol de C; = 0,25 mol de H 12 g/mol 1 g/mol Fórmula empírica: CH ; M (CH) = 12 + 1 = 13 g/mol. Per tant: 78 g/mol = 6 → Fórmula molecular: C6H6 13 g/mol 81.

En escalfar-se 4 g de nitrat de crom (III) hidrat s’obté un residu de 2,38 g. Troba la fórmula de l’hidrat. En escalfar la sal hidratada, s’evapora l’aigua i queda la sal anhidra: 4 − 2,38 g d’aigua (H2O) i 2,38 g de nitrat de crom (III) anhidre (Cr(NO3)3) Fórmula de l’hidrat: x Cr(NO3)3 ⋅ y H2O ; M (Cr(NO3)3) = 52 + + (14 + 3 ⋅ 16) ⋅ 3 = 238 g/mol: M (H2O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol. 2,38 g de Cr(NO3 )3 = 0,01mol de Cr(NO3 )3 ; 238 g/mol 1,62 g de H2O = 0,09 mol de H2O 18 g/mol 0,01 0,09 Cr(NO3 )3 ⋅ H2O 0,01 0,01 . Fórmula del hidrat: Cr(NO3 )3 ⋅ 9 H2O

82.

L’alumini és un metall molt preuat que es pot obtenir de l’òxid d’alumini (Al2O3), un producte que s’extrau de la bauxita, o del fluorur d’alumini (AlF3), un producte que s’obté a partir de la fluorita. Determina quina de les dues substàncies és més rendible per obtenir alumini. S’ha de determinar el percentatge d’alumini a cadascuna de les dues substàncies:

M (Al2O3) = 2 ⋅ 27 + 3 ⋅ 16 = 102 g/mol. 2 ⋅ 27 ⋅ 100 = 52,94% de Al 102

M (AlF3) = 27 + 3 ⋅ 19 = 84 g/mol. 27 ⋅ 100 = 32,14% de Al 84 La substància més rendible és l’òxid d’alumini.

41

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 42


84.

85.

42

Escriu el símbol dels següents elements: a) Mercuri

g) Manganès

b) Magnesi

h) Ozó

c) Brom

i) Fósfor

d) Heli

j) Bor

e) Cadmi

k) Zinc

f) Platí

l) Estronci

a) Hg

g) Mn

b) Mg

h) O3

c) Br

i)P

d) He

j)B

e) Cd

k) Zn

f ) Pt

l ) Sr

a) Ar

g) Se

Anomena:

b) Ni

h) Pb

c) Cu

i ) Sn

d) I2

j ) Au

e) Ag

k) Si

f) Al

l) Ne

a) argó

g) seleni

b) níquel

h) plom

c) coure

i ) estany

d) iode

j ) or

e) plata

k) silici

f ) alumini

l ) neó

Anomena els compostos següents: a) N2O3

g) Cs2O

b) SO2

h) Cu2O

c) HCI

i ) NaCl

d) HF

j ) AgCl

e) Na2O

k) MnO2

f) Na2O2

l ) AgH

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 43

SOLUCIONARI

de la matèria Segons la nomenclatura sistemàtica: a) triòxid de dinitrogen

86.

87.

g) òxid de dicesi

b) diòxid de sofre

h) òxid de dicoure

c) clorur d’hidrogen

i ) clorur de sodi

d) fluorur d’hidrogen

j ) clorur de plata

e) òxid de disodi

k) diòxid de manganès

f ) peròxid de sodi

l ) hidrur de plata

Formula els compostos següents: a) clorur de ferro (III)

g) òxid de ferro (II)

b) hidrur de calci

h) sulfur de zinc

c) monòxid de carboni

i ) sulfur de platí (II)

d) tetraòxid de dinitrogen

j ) òxid de bari

e) òxid de calci

k) hidrur de sodi

f) òxid de mercuri (II)

l ) clorur de potassi

a) FeCl3

g) FeO

b) CaH2

h) ZnS

c) CO

i ) Pt2S3

d) N2O4

j ) BaO

e) CaO

k) NaH

f ) HgO

l ) KCl

Formula els següents compostos: a) disulfur de carboni

i) tetraclorur de carboni

b) iodur de plom (IV)

j) iodur de cesi

c) clorur de calci

k) òxid de liti

d) fluorur de liti

l ) òxid de manganès (II)

e) bromur de plata

m) òxid de rubidi

f) sulfur de ferro (II)

n) òxid de magnesi

g) sulfur de crom (II)

o) pentaòxid de difòsfor

h) iodur de magnesi a) CS2

f ) FeS

k) Li2O

b) PbI4

g) CrS

l ) MnO

c) CaCl2

h) MgI2

m) Rb2O

d) LiF

i) CCl4

n) MgO

e) AgBr

j) CsI

o) P2O5

43

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 44


Escriu el nom dels següents compostos: a) PbCl2

c) FeO

b) PCl3

d) K2O

e) PbO2

l ) AgCN

f ) CaO

m) Fe2O3

g ) Al2O3

n) NH4OH

h) Br2O5

o) NH3

i ) MnO2

p) Ni2O3

j ) HCl (aq)

q) KI

k) H2S (aq)

r ) MgH2

a) diclorur de plom - clorur de plom (II) b) triclorur de fòsfor c) monòxid de ferro - òxid de ferro (II) d) òxid de dipotassi e) diòxid de plom - òxid de plom (IV) f ) òxid de calci g) triòxid de dialumini - òxid d’alumini (III) h) pentaòxid de dibrom - òxid de brom (V) i ) diòxid de manganès - òxid de manganès (IV) j ) àcid clorhídric k) àcid sulfhídric l ) cianur de plata m) triòxid de diferro - òxid de ferro (III) n) hidròxid d’amoni o) amoníac p) triòxid de diníquel - òxid de níquel (III) q) iodur de potassi r ) hidrur de magnesi

89.

44

Escriu el nom dels següents oxoàcids: a) H2S2O3

f ) H2SO3

b) H2SO5

g) H2Cr2O7

c) H3PO4

h) HBrO4

d) H4P2O7

i) HIO

e) HIO4

j) H3 BO3

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 45

SOLUCIONARI

de la matèria

90.

91.

a) àcid tiosulfúric

f) àcid sulfurós

b) àcid peroxomonosulfúric

g) àcid dicròmic

c) àcid fosfòric

h) àcid perbròmic

d) àcid difosfòric

i ) àcid hipoiodós

e) àcid periòdic

j ) àcid bòric

Escriu la fórmula dels següents oxoàcids: a) àcid fosforós

f) àcid bròmic

b) àcid permangànic

g) àcid disulfúric

c) àcid hipoclorós

h) àcid nitrós

d) àcid bòric

i ) àcid clòric

e) àcid peroxonítric

j ) àcid mangànic

a) H3PO3

f) HBrO3

b) HMnO4

g) H2S2O7

c) HClO

h) HNO2

d) H3BO3

i ) HClO3

e ) HNO4

j ) H2MnO4

Escriu la fórmula de les següents oxosals: a) perclorat de sodi

f ) sulfat d’amoni

b) clorit de cadmi

g) disulfat de sodi

c) silicat de sodi

92.

h) disulfat de platí (IV)

d) clorat de mercuri (I)

i) perclorat de plata

e) nitrat de calci

j) carbonat de beril·li

a) NaClO4

f) (NH4)2SO4

b) Cd (ClO2)2

g) Na2S2O7

c) Na4SiO4

h) Pt(S2O7)2

d) HgClO3

i ) AgClO4

e) Ca(NO3)2

j ) BeCO3

Escriu el nom de les següents oxosals: a) Ca (ClO)2

d) Pb(ClO2)2

b) Ba(NO2)2

e) K2CO3

c) FeSO4

f) Li4SiO4

45

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 46

1 La teoria atomicomolecular

93.

g) KMnO4

n) Al2(CO3)3

h) Ag2SO3

o) Na2S2O3

i) Cu SO3

p) Hg(NO3)2

j) Co PO4

q) Ca(ClO4)2

k) FeSO3

r) Zn CO3

l) Li NO2

s) CuIO3

m) Zn(ClO4)2

t) FePO4

a) hipoclorit de calci

k) sulfit de ferro (II)

b) nitrit de bari

l) nitrit de liti

c) sulfat de ferro (II)

m) perclorat de zinc

d) clorit de plom (II)

n) carbonat d’alumini

e) carbonat de potassi

o) tiosulfat de sodi

f ) silicat de liti

p) nitrat de mercuri (II)

g) permanganat de potassi

q) perclorat de calci

h) sulfit de plata

r) carbonat de zinc

i ) sulfit de coure

s) iodat de coure (I)

j) fosfat de cobalt (III)

t) fosfat de ferro (III)

Formula les expressions en negreta de les següents reaccions químiques: a) L’àcid sulfhídric reacciona amb l’hidròxid de liti per donar sulfur de liti i aigua. b) El ferro metall s’oxida amb l’oxigen de l’aire per donar lloc a l’òxid de ferro (III). c) A la reacció de neutralització de l’àcid clorhídric amb hidròxid potàssic s’obté la sal clorur potàssic i aigua. d) El brom es combina amb l’hidrogen gas i dóna lloc a l’àcid bromhídric. e) L’àcid nítric l’obtenim per reacció del diòxid de nitrogen amb aigua en presència d’oxigen. f) L’oxidació del sulfur de plom (II) dóna lloc a òxid de plom (II) i òxid de sofre (II). g) El carbonat de calci amb l’àcid clorhídric ha donat lloc a clorur de calci, diòxid de carboni i aigua. h) Del clorur de sodi amb àcid sulfúric s’obté sulfat de sodi i àcid clorhídric. i ) En tractar carboni amb òxid de ferro (III) s’ha obtingut ferro i diòxid de carboni.

46

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

12:09

Página 47

SOLUCIONARI

de la matèria a) El H2S reacciona amb el LiOH per donar Li2S i H2O. b) El Fe metall s’oxida amb el O2 de l’aire per donar lloc al Fe2O3. c) A la reacció de neutralització del HCl(aq) amb KOH s’obté la sal KCl i aigua. d) El Br2 es combina amb H2(g) i dóna lloc al HBr(aq). e) El HNO3 l’obtenim per reacció del NO2 amb H2O en presència de O2. f ) L’oxidació del PbS dóna lloc a PbO i SO. g) El CaCO3 amb el HCl ha donat lloc a CaCl2, CO2 i aigua. h) De la combinació de NaCl amb H2SO4 s’obté Na2SO4 i HCl. i ) Per tractament de C amb Fe2O3 s’ha obtingut Fe i CO2.

47

945335 _ 0005-0048.qxd

8/1/09

NOTES

48

12:09

Página 48

945335 _ 0049-0080.qxd

2

8/1/09

12:10

Página 49

Els estats de la matèria

PRESENTACIÓ En aquesta unitat es pretén conèixer els diferents estats en què es troba la matèria al nostre entorn, com també les principals característiques d’aquests estats. Ens adonarem que tot el que ens envolta és matèria i que l’objectiu de la química com a ciència és el seu estudi.

49

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 50

2 Els estats de la matèria OBJECTIUS • Reconèixer les característiques dels sòlids, els líquids i els gasos per diferenciar els estats d’agregació de la matèria. • Conèixer la teoria cinètica i la seva interpretació de les característiques de cadascun dels estats físics de la matèria. • Conèixer les lleis experimentals que regeixen les transformacions dels gasos. • Emprar la teoria cinètica per interpretar el comportament dels gasos i les lleis experimentals que en regeixen les transformacions. • Deduir lleis generals que expliquin qualsevol transformació que experimentin els gasos. • Relacionar la quantitat d’un gas amb mesures indirectes com ara el volum del recipient, la temperatura a la qual està i la pressió que exerceix. • Obtenir algunes característiques d’un gas a partir de mesures directes com ara la seva densitat o la massa molar. • Estudiar el comportament de mescles de gasos mitjançant les lleis dels gasos ideals. • Apreciar la diferència entre allò que representa la composició d’una mescla de gasos expressada com a percentatge en massa i el que representa expressada com a percentatge en volum.

CONTINGUTS • Els estats d’agregació de la matèria. • La teoria cinètica de la matèria. • Interpretació de les característiques dels estats físics de la matèria a partir de la teoria cinètica. • Les lleis experimentals que regeixen les transformacions dels gasos. • Interpretació que fa la teoria cinètica de les lleis experimentals dels gasos. • Les lleis generals que expliquen el comportament dels gasos. • Relació entre la quantitat d’un gas i la mesura d’altres propietats físiques. • Les lleis que regeixen el comportament de les mescles de gasos. • La composició d’una mescla de gasos i la seva relació amb altres propietats físiques. • Les fases del mètode científic.

50

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 51


COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en la comprensió i capacitat d’actuar sobre el món físic. En aquesta unitat es desenvolupen conceptes bàsics com les característiques i les propietats dels diferents estats de la matèria amb els seus canvis d’estat i les lleis dels gasos. Aquests conceptes permeten a l’alumne iniciar-se en el coneixement integral dels models, procediments i valors de la química per poder comprendre i valorar situacions relacionades amb aspectes tecnològics, ètics, socials i ambientals de la química, tant pel que fa a l’entorn més proper com al món i a la humanitat en el seu conjunt, alhora que per prendre decisions científicament fonamentades.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DE BATXILLERAT • Competència comunicativa. Aprendre a comunicar ciència significa saber escriure fets, i explicar-los, justificar-los i argumentar-los utilitzant els models científics que es construeixen en el marc escolar. Aquesta unitat hi contribueix en la capacitat de descriure els estats de la matèria, les seves característiques, els canvis d’estat i les lleis dels gasos. També hi contribueix en promoure el diàleg sobre cadascun dels models proposats, la lectura i la interpretació de textos i il·lustracions, la realització de mapes conceptuals i diagrames il·lustratius dels processos, l’explicació oral o escrita de la resolució d’un problema o de la realització d’una investigació entre altres. • Competència personal i interpersonal. L’assoliment d’aquesta competència es fa a través de donar pautes per gestionar el treball personal i el treball en grup, i afavorir l’autoavaluació i l’autoregulació dels aprenentatges. • Competència en el coneixement i interacció amb el món. Aquesta unitat hi contribueix en ajudar els alumnes a apropiar-se d’aquells models que permeten comprendre el món material i físic que els envolta.

CONNEXIÓ AMB ALTRES MATÈRIES DE BATXILLERAT • La lectura comprensiva de textos i la recerca d’informació implica una relació amb qualsevol de les matèries de llengües, en funció de l’idioma que s’utilitzi.

51

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 52

2 Els estats de la matèria • Aquesta unitat connecta amb les matemàtiques en la utilització de factors de conversió, l’ús de la calculadora, la construcció i l’anàlisi de taules i gràfiques, etc. • També connecta amb la física quan es treballa amb el comportament dels gasos, l’estructura de les substàncies i les seves propietats físiques.

CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Conèixer els postulats de la teoria cinètica i interpretar, sobre aquesta base, les característiques dels estats de la matèria. 2. Conèixer les lleis experimentals que regeixen les transformacions dels gasos. 3. Interpretar gràfiques P-V, V-T i P-T, i deduir les lleis físiques i matemàtiques corresponents. 4. Interpretar les lleis experimentals dels gasos basant-se en la teoria cinètica. 5. Resoldre problemes numèrics que facin referència a qualsevol transformació que experimenti un gas, utilitzant equacions generals. 6. Calcular la massa d’un gas a partir de la mesura d’altres propietats, com ara el volum del recipient, la temperatura a la que es troba i la pressió que exerceix. 7. Relacionar algunes propietats d’un gas, com ara la seva densitat o la seva massa molar, amb altres mesures físiques (P, V o T). 8. Fer càlculs relatius a una mescla de gasos (pressió que exerceix un dels components, proporció d’aquest component, etc.). 9. Distingir, mitjançant càlculs, entre composició en massa i composició en volum d’una mescla de gasos.

52

945335 _ 0005-0048.qxd

14/1/09

11:52

Página 9

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 54

2 Els estats de la matèria 1.

Digues quina d’aquestes característiques té un cos en els diferents estats:

sòlid

líquid

X

La seva forma i volum és variable

És incompressible

X

X

El seu volum no varia

X

X X

Es pot expandir

Té una forma constant

Té una forma variable

X X

Es pot comprimir fàcilment

2.

gas

X X

Analitza les afirmacions següents: a) Els gasos i els líquids es poden barrejar fàcilment, però els sòlids no. b) Si sotmetem un gas a una pressió elevada el podem arribar a convertir en un líquid. c) Un fluid és una substància que sempre té la mateixa forma. a) Els gasos i els líquids es poden barrejar fàcilment, però els sòlids no. Les partícules dels gasos i les partícules dels líquids tenen una mobilitat considerable a causa del fet que en més o menys grau es troben separades entre elles i això facilitat que es puguin barrejar fàcilment.

54

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 55

SOLUCIONARI

En canvi les partícules dels sòlids tenen un moviment molt limitat a causa del fet que les partícules estan molt properes i això dificulta que es puguin barrejar. b) Si sotmetem un gas a una pressió elevada el podem arribar a convertir en un líquid. En sotmetre un gas a altes pressions el que provoquem és que s’aproximin les partícules limitant-ne el moviment i el podem arribar a comprimir fins a convertir-lo a estat líquid. c) Un fluid és una substància que sempre té la mateixa forma. Aquesta afirmació és falsa, les partícules del fluid es mouen amb prou llibertat per poder adaptar-se a la forma del recipient que les conté.

3.

Justifica per què els gasos es poden comprimir? Els gasos es comprimeixen fàcilment perquè les partícules que els componen estan molt separades comparades amb la seva mida i les interaccions entre elles són molt dèbils.

4.

Justifica per què el butà que és un gas es troba en estat líquid en els encenedors. Els encenedors contenen el butà en estat líquid perquè aquest està sotmès a una pressió superior a l’atmosfèrica.

5.

Justifica per què quan obrim una ampolla de perfum notem la seva olor a una certa distància. El perfum conté partícules volàtils (estat gasós) i quan obrim el recipient aquestes tenen tendència a expandir-se (característica pròpia de l’estat gasós) i les detectem a certa distància.

55

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 56


En quin estat físic estaran les substàncies següents a 70 °C: a) Sofre

d) Octà

b) Èter etílic

e) Acetona

c) Butà

f ) Alcohol etílic

Si tenim en compte la taula de punts de fusió i d’ebullició de la pàgina 44: a) Sofre: sòlid. b) Èter etílic: gas. c) Butà: gas. d) Octà: líquid. e) Acetona: gas. f ) Alcohol etílic: líquid. 7.

Una tècnica culinària consisteix a col·locar damunt el foc una planxa metàl·lica i rostir-hi els aliments. Observa la taula del costat i dóna alguna raó per la qual aquestes planxes solen ser de ferro i no són mai de plom. A la pressió d’1 atmosfera, el plom fon a 327 ºC, mentre que el ferro ho fa a 1.538 ºC. Això permet cuinar els aliments a una temperatura més alta i en menys temps.

8.

En alguns treballs s’uneixen peces soldant-les amb un metall. A les vidrieres, els vidres de colors s’uneixen emmarcant-los i soldant-los amb plom. Dóna una raó de per què s’utilitza aquest metall i no un altre d’un preu semblant, com ara el ferro. A la pressió d’1 atmosfera el plom fon a 327 ºC, mentre que el ferro ho fa a 1.538 ºC. Això permet unir les peces de vidre per mitjà del metall fos sense necessitat d’escalfar a temperatures molt altes, cosa que podria esquerdar el vidre.

9.

Indica quina de les gràfiques següents representa la variació de la pressió d’un gas quan es modifica el volum del recipient, tot mantenint però la temperatura constant. a)

b)

1/V

c)

V

PV

P

P

A temperatura constant, P ⋅ V = constant

56

P

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 57

SOLUCIONARI

1 • La gràfica a) indica que P és directament proporcional a –– . V Dóna una representació correcta de la llei. • La gràfica b) indica que P i V són inversament proporcionals. Dóna una representació correcta de la llei. • La gràfica c) indica que el producte PV és constant a qualsevol pressió. També és coherent amb la llei. Les tres gràfiques representen de manera coherent la variació de la pressió d’un gas en modificar el volum del recipient, mantenint la temperatura constant. 10.

En un cilindre d’èmbol mòbil tenim un gas a temperatura constant que exerceix una pressió de 350 mm Hg quan el volum del cilindre és de 2 L. Quina pressió exercirà els gas si desplacem l’èmbol fins que el volum sigui de 250 cm3? V1 = 2 L

V2 = 250 cm3

P1 = 350 mm Hg

D’acord amb la llei de Boyle-Mariotte, a temperatura constant: P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 → 350 mm Hg ⋅ 2 L = P2 ⋅ 0,25 L → → P2 =

11.

350 mm Hg ⋅ 2 L = 2800 mm Hg 0,25 L

Quant varia la pressió d’un gas, tot mantenint el seu volum constant, si la seva temperatura passa de 20 a 40 °C? D’acord amb la llei de Gay-Lussac, a volum constant: P1 P P1 P2 = 2 → = → T1 T2 (20 + 273) K (40 + 273) K → P2 =

12.

313 K ⋅ P1 = 1, 07P1 293 K

Dupliquem la pressió d’un gas mentre mantenim el seu volum constant. Què passarà, aleshores, amb la temperatura? D’acord amb la llei de Gay-Lussac, a volum constant: P1 P P 2P1 2 ⋅ P1 ⋅ T1 = 2 → 1 = → T2 = = 2T1 → T1 T2 T1 T2 P1 → Es duplica la temperatura absoluta.

57

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 58


Indica quina de les següents gràfiques representa la variació de la temperatura d’un gas en modificar el volum del recipient, tot mantenint constant la pressió. a)

b)

c)

Segons la llei de Charles, quan la pressió es manté constant, el volum és directament proporcional a la temperatura absoluta d’un gas. V = cte. T La gràfica a) indica que la temperatura és directament proporcional 1 a –– . No dóna una representació correcte de la llei. V La gràfica b) indica que la temperatura és inversament proporcional al volum. Tampoc no dóna una representació correcte de la llei. La gràfica c) indica que el producte P · V és constant a qualsevol temperatura. Tampoc no resulta coherent amb la llei. Cap de les tres gràfiques no representa de manera coherent la variació de la temperatura d’un gas en modificar el volum d’un recipient que el conté quan la pressió és constant. 14.

Dins un recipient de paret mòbil hi ha una quantitat determinada de gas que ocupa 500 mL i és a 10 °C. Quin volum ocuparà el gas si es refreda fins a –10 °C sense que la pressió variï ? T1 = 10 °C

T2 = −10 °C

V1 = 500 mL

P = constant

V2 = ?

Segons la llei de Charles, quan la pressió d’un gas ideal es manté constant, el volum és directament proporcional a la seva temperatura absoluta. V1 V V2 500 mL = 2 → = → T1 T2 (273 + 10) K (273 − 10) K → V2 =

58

500 mL ⋅ 263 K = 464,7 mL 283 K

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 59

SOLUCIONARI

15.

Dedueix, d’una manera semblant, la llei de Charles. L’equació d’estat dels gasos ideals diu: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 T1 T2 A P = constant: P1 ⋅ V1 T1

16.

=

P2 ⋅ V2 T2

→

V1 V = 2 T1 T2

Dedueix l’equació d’estat dels gasos ideals pressuposant que el gas passa de l’estat 1 → a en un procés a volum constant i de a → 2 en un procés a temperatura constant. Estat 2 P2, V2, T2 F

Estat 1 P1, V1, T1

F

1 → a, V = constant V1 = Va

Estat a Pa, Va, Ta

a → 2, T = constant Ta = T2

• Transformació 1 → a, V = constant. Es compleix la llei Gay-Lussac: P1 P = a T1 Ta • Transformació a → 2, a T = constant. Es compleix la llei de BoyleMariotte: Pa ⋅ Va = P2 ⋅ V2 Tenint en compte que V1 = Va i Ta = T2, aquestes expressions es transformen: P1 P = a → Pa ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 T1 T2 Aïllem Pa en les dues expressions i les igualem: P1 P = a T1 Ta Reordenem l’expressió posant tot el que fa referència a l’estat 1 en un membre i el que fa referència a l’estat 2 en l’altre: P1 P = a → Pa ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 → Equació general dels gasos ideals. T1 T2 17.

És possible que un gas experimenti una transformació en la qual es mantingui constant el volum que ocupa i la pressió que exerceix? Perquè això succeeixi també ha de romandre constant la temperatura, amb la qual cosa el gas no experimentarà cap transformació.

59

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 60


Dins un recipient de 15 L s’hi ha posat un gas a 50 °C que exerceix una pressió de 2 atmosferes. Determina quin serà ara el volum del recipient si l’escalfem fins a 100 °C i deixem que la pressió arribi fins a 3 atm. Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V 2 atm ⋅ 15 L 3 atm ⋅ V2 = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 50) K (273 + 100) K → V2 =

19.

2 atm ⋅ 15 L ⋅ (273 + 100) K (273 + 50) K ⋅ 3 atm

= 34,64 L

Una bombona de 3 L conté CO2 que a temperatura ambient (20 °C) exerceix una pressió de 2 atm. Per una badada, la bombona s’ha acostat a un foc i assoleix els 800 °C. Pot arribar a explotar? La bombona està feta d’un material que pot suportar fins a 15 atm. Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V 2 atm ⋅ 3 L P2 ⋅ 3 L = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 20) K (273 + 800) K P2 =

2 atm ⋅ (273 + 800) K (273 + 20) K

= 7, 32 atm

La bombona no explota.

20.

Per dur a terme una experiència ens cal introduir un gas inert (l’argó) en una cambra d’1,5 m de llarg, 1 m d’amplada i 2 m d’alçada, fins que la seva pressió sigui d’1 atm a 20 °C. N’hi haurà prou amb l’argó que tenim dins una bombona de 50 L si la seva pressió és de 70 atm a 20 °C?

Vcambra = 1,5 m ⋅ 1 m ⋅ 2 m = 3 m3 = 3000 L. Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V 70 atm ⋅ 50 L P ⋅ 3000 L = 2 2 → = 2 → T1 T2 (273 + 20) K (273 + 20) K → P2 =

70 atm ⋅ 50 L 3000 L

= 1,167 atm

Sí, i sobra argó. 21.

60

En una xeringa de 50 mL s’hi ha recollit gas hidrogen a 1.500 mm Hg i a 50 °C. Assenyala quina posició marcarà l’èmbol de la xeringa si deixem que la pressió al seu interior sigui d’1 atm i la temperatura es redueixi a la meitat.

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 61

SOLUCIONARI

Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 T1 T2 Si la temperatura centígrada es redueix a la meitat: 1500 mm Hg ⋅ 50 mL 760 mm Hg ⋅ V2 = → (273 + 50) K (273 + 25) K → V2 =

1500 mm Hg ⋅ 50 mL ⋅ 298 K 760 mm Hg ⋅ 323 K

= 91mL

Si la temperatura Kelvin es redueix a la meitat: 1500 mm Hg ⋅ 50 mL 760 mm Hg ⋅ V2 = → (273 + 50) K 161,5 K → V2 =

22.

1500 mm Hg ⋅ 50 mL ⋅ 161,5 K 760 mm Hg ⋅ 323 K

= 49,34 mL L

En una ampolla amb èmbol s’hi ha recollit 300 mL de gas nitrogen a la pressió de 3 atm i a 40 °C. Quina serà la pressió del gas a l’interior si l’èmbol s’expandeix fins a 450 mL i la temperatura es duplica? Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 T1 T2 Si la temperatura centígrada es duplica: 3 atm ⋅ 300 mL P ⋅ 450 mL = 2 → (273 + 40) K (273 + 80) K → P2 =

3 atm ⋅ 300 mL ⋅ 353 K 450 mL ⋅ 313 K

= 2,256 atm

Si la temperatura Kelvin es duplica: 3 atm ⋅ 300 mL P ⋅ 450 mL = 2 → (273 + 40) K 626 K → P2 =

23.

3 atm ⋅ 300 mL ⋅ 626 K 450 mL ⋅ 313 K

= 4 atm

Com a resultat d’una reacció química, s’ha generat un gas que ocupa un volum de 10 L a una pressió de 2.500 mm Hg. Quina serà la temperatura d’aquest gas si, quan es refredi fins a –10 °C, exerceix una pressió de 2,5 atm i ocupa 7 L?

61

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 62

2 Els estats de la matèria Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 → T1 T2 →

2500 mm Hg ⋅ 10 L 2,5 ⋅ 760 mm Hg ⋅ 7 L = → T1 (273 − 10) K

→ T1 =

24.

2500 mm Hg ⋅ 10 L ⋅ 263 K = 494,4 K = 221,4 °C 2,5 ⋅ 760 mm Hg ⋅ 7 L

Dins un recipient de 5 L hi ha un gas que exerceix una pressió de 600 mm Hg a 35 °C. És possible que experimenti una transformació en la qual es dupliquin la pressió i el volum del gas? Què passarà amb la temperatura? Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V 2 ⋅ P1 ⋅ 2V1 = 2 2 → 1 1 = → T2 = 4T1 T1 T2 T1 T2 La temperatura absoluta del gas es multiplica per quatre.

25.

Dins un recipient de 5 L hi ha un gas que exerceix una pressió de 600 mm Hg a 35 °C. És possible que experimenti una transformació en la qual la temperatura i el volum del gas es dupliquin? I amb la pressió, què passarà? Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V P ⋅ 2V1 = 2 2 → 1 1 = 2 → P1 = P2 T1 T2 T1 2T1 La pressió del gas no varia.

26.

Calcula la pressió que exerciran 3 mol de gas oxigen que estiguin en un recipient de 5 L a 50 °C. Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: PV = nRT → P ⋅ 5 L = 3 mol ⋅ 0, 082

→P =

27.

62

3 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L ⋅ (273 + 50) K → mol ⋅ K

atm ⋅ L ⋅ (273 + 50) K mol ⋅ K = 15, 89 atm 5L

¿Quants mols de CO2 tindrem en un recipient de 10 L si la pressió és de 3 atm i a la temperatura de 70 °C?

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 63

SOLUCIONARI

a) Quantes molècules de CO2 hi ha? b) Quants àtoms d’O2? c) Quants mols d’O2? Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals:

P · V = n· R· T → 3 atm ⋅ 10 L = n ⋅ 0, 082 →n=

atm ⋅ L ⋅ (273 + 70) K → mol ⋅ K

3 atm ⋅ 10 L atm ⋅ L 0, 082 ⋅ (273 + 70) K mol ⋅ K

a) 1,067 mol de CO2 ⋅

= 1,067 mol de CO2

6, 022 ⋅ 1023 molècules de CO2 1mol de CO2

=

= 6, 423 ⋅ 1023 molècules de CO2 b) 6, 423 ⋅ 1023 molècules de CO2 ⋅

2 àtoms de O 1 molècula de CO2

=

= 1, 285 ⋅ 1024 àtoms de O c) 1,067 mol de CO2 ⋅

28.

2 mol de O 1 mol de CO2

= 2,134 mol de O

S’introdueixen 10 g de gas hidrogen i 10 g de gas clor en dos recipients iguals i a temperatures idèntiques. Indica en quin dels recipients la pressió és més gran. Si tenim en compte l’equació d’estat dels gasos ideals: PV = nRT Amb el mateix volum i la mateixa temperatura, la pressió serà més gran on sigui més gran el nombre de mols. 1mol de H2 10 g de H2 ⋅ = 5 mol de H2 → (2 ⋅ 1) g de H2 10 g de Cl2 ⋅

1mol de Cl2 = 0,14 mol de Cl2 (2 ⋅ 35,5) g de Cl2

La pressió és més gran en el recipient d’hidrogen. 29.

Dins un recipient hi ha 5 g de gas hidrogen i 5 g de gas nitrogen, i la mescla exerceix una pressió de 800 mm Hg. Calcula: a) La pressió parcial que exerceix cada component de la mescla. b) La composició de la mescla expressada com a percentatge en massa i com a percentatge en pes.

63

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 64

2 Els estats de la matèria a) Segons la llei de Dalton de les pressions parcials, per a cada component. P1 = PT ⋅ X1 Per calcular les fraccions molars hem de conèixer el nombre de mols de cada component. El calculem dividint la massa en grams de cadascun entre la seva massa molar: M (H2) = 2 ⋅ 1 = 2 g/mol; M (N2) = 2 ⋅ 14 = 28 g/mol

PH2

PN2

5 nH2 2 = PT ⋅ X H2 = PT ⋅ = 800 mm Hg ⋅ = nH2 + nN2 5 5 + 2 28 = 746,7 mm Hg 5 nN2 28 = PT ⋅ X N2 = PT ⋅ = 800 mm Hg ⋅ = nHe + nN2 5 5 + 2 28 = 53,33 mm Hg

b) Composició de la mescla com a percentatge en massa: 50% de cadascun ja que tenim la mateixa massa. Composició de la mescla com a percentatge en volum: coincideix amb el percentatge en nombre de partícules. 5 nH2 2 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 93,33% de H2 nH2 + nN2 5 5 + 2 28 5 nN2 28 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 6,67% de N2 nHe + nN2 5 5 + 2 28 30.

En tres recipients diferents d’1 L de capacitat hi tenim H2, CO2 i N2, cadascun a la pressió d’1 atm i tots a la mateixa temperatura. Si posem els tres gasos en un recipient d’1 L a la mateixa temperatura, quin valor tindrà ara la pressió? D’acord amb la llei de Dalton: 1 + 1 + 1 = 3 atm.

31.

64

En un recipient d’1 L introduïm gas H2 a la pressió d’1 atm i en un altre de 3 L hi posem CO2 també a 1 atm de pressió; tots dos recipients estan a temperatures idèntiques. Introduïm el dos gasos en un recipient de 3 L, també, a la mateixa temperatura. Quin valor té ara la pressió?

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 65

SOLUCIONARI

A la mescla, el diòxid de carboni segueix exercint una pressió d’1 atm. Calculem la pressió que exerceix l’hidrogen en les noves condicions: P1 ⋅ V1 P ⋅V 1 atm ⋅ 1L P ⋅ 3L = 2 2 → = 2 → T1 T2 T T → P2 =

1 atm ⋅ 1 L 3L

= 0,33 atm

Segons la llei de Dalton, la pressió de la mescla de gasos: PT = PH2 + PCO2 = 1 atm + 0,33 atm = 1,33 atm

32.

Dins una ampolla s’hi introdueixen 20 g de gas H2 i 50 g de gas N2. Si el manòmetre indica que la pressió a l’ampolla és de 1.200 mm Hg, quina pressió exerceix cada gas? Segons la llei de Dalton de les pressions parcials: PH2 = PT ⋅ X H2

nH2 = PT ⋅ = 1200 mm Hg ⋅ nH2 + nN2

= 1018 mm Hg PN2 = PT ⋅ X N2

nN2 = PT ⋅ = 1200 mm Hg ⋅ nHe + nN2

= 182 mm Hg

33.

20 2⋅1 50 20 + 2⋅1 2 ⋅ 14 20 2 ⋅ 14 50 20 + 2⋅1 2 ⋅ 14

=

=

D’acord amb la teoria cinètica, com es comporten les partícules que formen la matèria quan aquesta és en estat sòlid, líquid o gasós? D’acord amb la teoria cinètica, la matèria està formada per partícules. • En estat sòlid, les partícules estan unides per forces bastant fortes, que les obliguen a romandre en posicions relativament fixes. Només tenen un petit moviment de vibració entorn d’una posició d’equilibri. Aquest moviment és més gran com més alta és la temperatura del cos. • En estat gasós, les forces entre les partícules són gairebé inexistents. Per això es mouen en total llibertat per tot el recipient que ocupen. • En estat líquid, les forces que mantenen unides les partícules són mitjanes, fet que permet que tinguin una certa mobilitat i puguin lliscar unes sobre les altres.

65

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 66


Utilitza la teoria cinètica per explicar per què, quan escalfem un cos, algunes vegades canvia la seva temperatura i d’altres no. La calor que comuniquem a un cos fa que augmenti el moviment de les partícules que el formen. Si el cos es troba a la temperatura d’un canvi d’estat, la calor s’inverteix a modificar el tipus d’interacció entre les partícules i es produeix el canvi d’estat. Mentre es produeix el canvi d’estat, la temperatura no varia. Si el cos es troba a una temperatura allunyada de la del canvi d’estat, la calor fa que augmenti el moviment de les partícules i, en conseqüència, també augmenta la temperatura del cos.

35.

Les frases següents contenen un error o no són ben bé certes. Completa-les perquè siguin correctes: a) L’aigua té un punt d’ebullició de 100 °C. b) Totes les substàncies tenen un punt de fusió característic. c) Com més alt sigui el punt de fusió d’una substància, més alt serà el seu punt d’ebullició. a) A la pressió d’1 atmosfera, l’aigua té un punt d’ebullició de 100 ºC. b) Totes les substàncies pures tenen un punt de fusió característic. c) No sempre es compleix que com més alt és el punt de fusió d’una substància, més alt és també el seu punt d’ebullició. Se’n poden veure exemples a la taula de la pàgina 44 del llibre, com ara l’alcohol etílic o el metílic.

36.

Raona si són certes o no ho són les afirmacions següents: a) A 25 °C les forces entre les molècules d’oxigen són més petites que entre les molècules d’aigua. b) A 25 °C les forces entre les molècules d’oxigen són més petites que les que hi ha a 75 °C. c) A 25 °C les forces de les molècules d’aigua són més petites que les que hi ha a 75 °C. d) A 25 °C les molècules d’aigua vibren menys que a –25 °C. e) A 3 °C les molècules d’aigua són més a prop que a –3 °C. f) A 25 °C les molècules d’oxigen es mouen a més velocitat que a 80 °C. a) Cert. A 25 ºC l’oxigen és un gas, i l’aigua, un líquid. b) Fals. A totes dues temperatures, l’oxigen és un gas ideal i entre les seves molècules no hi ha forces d’interacció. c) Cert. Per això l’aigua s’evapora més a 75 ºC que a 25 ºC.

66

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 67

SOLUCIONARI

d) Fals. La vibració de les molècules d’aigua és més gran com més gran és la seva temperatura. e) Cert. L’aigua és una substància anòmala i a 3 ºC té una densitat més gran que a –3 ºC. Això es deu al fet que les molècules d’aigua estan més a prop de 3 ºC que de –3 ºC. f) Fals. Quant més alta és la temperatura d’un gas, més gran és l’energia cinètica de les seves molècules i més gran és la velocitat amb què es mouen. 37.

Les bombones de butà que fem servir a les cuines contenen aquest combustible en estat líquid. Observa la taula de la pàgina 44 i explica com pot ser que el butà es mantingui líquid a la temperatura de casa nostra. Perquè es manté la pressió elevada i en aquestes condicions el punt d’ebullició augmenta.

38.

Explica per què el punt d’ebullició de les substàncies baixa quan la pressió exterior disminueix. Les substàncies entren en ebullició quan la seva pressió de vapor coincideix amb la pressió exterior. Si disminueix la pressió exterior, baixa la temperatura a la qual es produeix aquesta coincidència.

39.

Raona si creus que és possible augmentar el volum d’un gas sense escalfar-lo. Segons l’equació d’estat dels gasos ideals, això és possible si disminueix la pressió del gas en la mateixa proporció. P· V = n· R· T

40.

Quant ha de canviar el volum d’un recipient que conté un gas si volem que la seva pressió es quadrupliqui sense que la temperatura variï? El volum s’ha de reduir a la quarta part. Efectivament: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V 4P1 ⋅ V2 V = 2 2 → 1 1 = → 1 = V2 T1 T2 T1 T1 4

41.

Tenim un gas dins un cilindre d’èmbol mòbil. Hi ha alguna manera de reduir el volum sense variar la pressió ni empènyer l’èmbol? Perquè es redueixi el volum sense que s’alteri la pressió, cal disminuir la temperatura del gas: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅V P ⋅V V V = 2 2 → 1 1 = 1 2 → 1 = 2 T1 T2 T1 T2 T1 T2

67

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 68


Són certes aquestes afirmacions? Argumenta-ho: a) Quan un gas que ocupa 300 cm3 es comprimeix fins a ocupar-ne només 100 cm3, sense que la temperatura variï, triplica la pressió que exerceix. b) Quan un gas que és a 10 °C s’escalfa fins als 20 °C, sense que la seva pressió variï, el seu volum es duplica. c) Quan un gas que ocupa 300 cm3 es comprimeix fins a ocupar-ne només 100 cm3, sense que la seva pressió variï, triplica la seva temperatura. a) Cert: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅ 300 cm3 P ⋅ 100 cm3 = 2 2 → 1 = 2 T1 T2 T1 T1 b) Fals. Això passaria si es dupliqués la temperatura absoluta. c) Fals: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅ 300 cm3 P ⋅ 100 cm3 = 2 2 → 1 = 1 T1 T2 T1 T2 La temperatura absoluta s’ha de reduir a la tercera part.

43.

Les tres gràfiques següents poden representar la relació que hi ha entre la pressió i la temperatura d’un gas quan experimenta transformacions a volum constant. Indica quina magnitud s’ha de representar a cada eix. a)

b)

c)

Per a un gas ideal que experimenta transformacions a volum constant, la pressió és directament proporcional a la seva temperatura absoluta: P1 P = 2 = cte. T1 T2 • A la gràfica a), s’hi representa en un eix P, i en l’altre, T (temperatura absoluta). • A la gràfica b), s’hi representen dues magnituds inversament proporcionals. En un eix s’ha de posar P, i en l’altre, 1/T (o viceversa). • A la gràfica c), s’hi representen dues magnituds directament proporcionals amb ordenada a l’origen. A l’eix d’ordenades, s’hi ha

68

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 69

SOLUCIONARI

de posar P, i al d’abscisses, la temperatura centígrada. P tendeix a 0 quan T = –273 ºC. 44.

La major part dels termòmetres que fem servir al laboratori mesuren les temperatures en °C i permeten mesurar valors positius i negatius. Quan es crema fusta s’assoleixen temperatures properes als 350-400 °C. Se t’acut algun procés que tingui lloc a temperatures similars però negatives? No. Segons la teoria cinètica, la temperatura més baixa possible és −273,15 °C.

45.

Explica per què l’escala Kelvin de temperatures comença a –273,15 °C. Perquè a aquesta temperatura el moviment de les partícules és nul i ja no es pot reduir més. (En rigor, no és completament nul pels requisits de la mecànica quàntica.)

46.

Justifica, mitjançant la teoria cinètica del gasos, per què si un gas experimenta transformacions a pressió constant, quan es redueix a la meitat el volum del recipient, la pressió es duplica. Segons la teoria cinètica, la velocitat de les partícules és directament proporcional a la seva temperatura absoluta. Si el gas experimenta una transformació a temperatura constant, la velocitat de les seves partícules no canvia. Si es redueix el volum a la meitat, les partícules, que es mouen a la mateixa velocitat que abans, arribaran el doble de vegades a les parets del recipient i duplicaran el nombre de col·lisions entre elles. En conseqüència, es duplicarà la pressió que exerceix el gas.

47.

Utilitza la teoria cinètica dels gasos per explicar que si un gas experimenta transformacions a pressió constant, quan la seva temperatura absoluta es duplica, el volum també es duplica. Si la pressió del gas es manté constant, ha de romandre constant el nombre de xocs de les partícules contra les parets del recipient. La velocitat de les partícules del gas és directament proporcional a la seva temperatura absoluta, de manera que, si la temperatura es duplica, també es duplica la velocitat. Si volem que el nombre de col·lisions contra les parets del recipient es mantingui constant, cal duplicar el volum del recipient que allotja el gas.

48.

En un recipient de volum variable hi ha un gas que exerceix una pressió de 600 mm Hg quan el volum és d’1,2 L. Si la pressió assoleix els 1.000 mm Hg sense que la temperatura canviï, quin serà el volum? Segons l’equació d’estat dels gasos ideals:

69

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 70

2 Els estats de la matèria P1 ⋅ V1 P ⋅V 600 mm Hg ⋅ 1,2 L 1000 mm Hg ⋅ V2 = 2 2 → = → T1 T2 T T 600 mm Hg ⋅ 1,2 L

→ V2 =

49.

1000 mm Hg

Dins una ampolla de 750 mL hi ha un gas que exerceix una pressió de 1,25 atm a 50 °C. Si el connectem a una ampolla buida de 2 L, quina pressió llegirem ara al manòmetre si la temperatura no canvia?

= 0,72 L

750 mL 2L

Tenim: P1 ⋅ V1 P ⋅V 1,25 atm ⋅ 0,75 L P ⋅ (2 + 0,75) L = 2 2 → = 2 T1 T2 T T → P2 =

50.

1,25 atm ⋅ 0,75 L

= 0,34 atm

2,75 L

Un gas exerceix una pressió de 800 mm Hg a una temperatura de 50 °C. Quina temperatura ha d’assolir si volem que exerceixi una pressió d’1,5 atm sense que es modifiqui el volum del recipient on és? Com abans: 800 atm ⋅ V P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 1,5 atm ⋅ V 760 → = → = T1 T2 T (273 + 50) K →T =

51.

1,5 atm ⋅ (273 + 50) K 800 atm 760

= 460 K = 187 ºC

Un gas està tancat dins un recipient de 5 L. Quant variarà la seva temperatura si la seva pressió passa de 300 mm Hg a 600 mm Hg. Tenim: P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 → T1 T2 →

52.

70

300 mm Hg ⋅ 5 L T1

=

600 mm Hg ⋅ 5 L T2

→ T2 = 2T1

Una peça d’una màquina està formada per un pistó que conté un gas al seu interior. En un moment determinat, el volum del pistó és de 225 mL

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 71

SOLUCIONARI

i la temperatura del gas de 50 °C. Quant ha calgut que canviï la temperatura perquè el volum sigui de 275 mL, si la pressió no varia? Una altra vegada: P1 ⋅ V1 P ⋅V P ⋅ 225 mL P ⋅ 275 mL = 2 2 → = → T1 T2 T2 (273 + 50) K → T2 =

53.

275 mL ⋅ (273 + 50) K 225 mL

= 395 K = 122 ºC

P (atm)

Un gas ideal està, en les condicions que corresponen al punt A, a una temperatura de 27 °C. Calcula quina serà la seva temperatura als punts B i C.

A

2

C

1

B 0,5

Pas de A → B: P1 ⋅ V1 P ⋅V 2 atm ⋅ 0,5 L 1 atm ⋅ 0,5 L = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 27) K TB → TB =

1 atm ⋅ (273 + 27) K 2 atm

1,5 V (L)

= 150 K = −123 ºC

Pas de B → C: 1 atm ⋅ 0,5 L 1 atm ⋅ 1,5 L = → 150 K TC → TC =

54.

1,5 L ⋅ 150 K 0,5 L

= 450 K = 177 ºC

Dins un recipient de 500 mL hi ha un gas que exerceix una pressió de 1.500 mm Hg a 80 °C de temperatura. Calcula quin volum ocuparà el gas si el refredem fins a 40 °C i fem que la pressió sigui de 0,9 atm.

P1 ⋅ V1 P ⋅V = 2 2 → T1 T2

1500 atm ⋅ 500 mL 0, 9 atm ⋅ V 760 → = (273 + 40) K (273 + 80) K

1500 atm ⋅ 500 mL ⋅ (273 + 40) K 760 →V = = 972 mL (273 + 80) K ⋅ 0,9 atm 55.

En un recipient de 2 L s’hi ha col·locat un gas a 50 °C que exerceix una pressió de 4 atm. Calcula la pressió que exercirà el gas si l’escalfem fins a 100 °C i fem que el volum del recipient es redueixi a 500 mL.

71

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 72

2 Els estats de la matèria Tenim: P1 ⋅ V1 P ⋅V 4 atm ⋅ 2 L P ⋅ 0,5 L = 2 2 → = → T1 T2 (273 + 50) K (273 + 100) K →P =

56.

4 atm ⋅ 2 L ⋅ (273 + 100) K (273 + 50) K ⋅ 0,5 L

= 18,48 atm

Un gas ocupa un volum de 20 L, exerceix una pressió de 850 mm Hg i està a 27 °C. A quina temperatura estarà si es redueix el volum del recipient a 8 L i passa a exercir una pressió de 2,5 atm? Ara: 850 atm ⋅ 20 L P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 2,5 atm ⋅ 8 L 760 = → = → T1 T2 (273 + 27) K T →T =

57.

2,5 atm ⋅ 8 L ⋅ (273 + 27) K 850 atm ⋅ 20 L 760

= 268 K = −4,7 ºC

Utilitza l’equació d’estat dels gasos ideals per calcular el volum que ocupa 1 mol de gas hidrogen en condicions normals. a) I si el gas fos oxigen?

b) I si es tractés de diòxid de carboni?

Utilitzem l’equació d’estat dels gasos ideals:

PV = nRT → 1 atm ⋅ V = 1 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

mol ⋅ K → V = 22,4 L, sigui el gas que sigui

58.

⋅ 273 K →

Quina temperatura hi haurà en un recipient de 8 L que conté 2,5 mols de gas nitrogen a una pressió de 650 mm Hg? A partir de l’equació dels gasos ideals:

P·V=n·R·T→

→T =

59.

650 atm ⋅ L atm ⋅ 8 L = 2,5 mol ⋅ 0, 082 ⋅T → 760 mol ⋅ K

650 atm ⋅ 8 L 760 atm ⋅ L 2,5 mol ⋅ 0, 082 mol ⋅ K

Quina massa de gas metà (CH4) hi haurà en un recipient de 8 L si està a 117 °C i la pressió és de 140 mm Hg? a) Quantes molècules de gas metà tindrem?

72

= 33, 4 K = −239,6 ºC

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 73

SOLUCIONARI

b) Quants àtoms d’hidrogen? c) Quants mols de carboni? A partir de l’equació de los gasos ideals:

P·V=n·R·T→ 1140 atm ⋅ L atm ⋅ 8 L = n ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 117) K → 760 mol ⋅ K

→

1140 atm ⋅ 8 L 760

→n=

atm ⋅ L

0, 082

mol ⋅ K

= 0,375 mol

⋅ (273 + 117) K

M (CH4) = 12 + 4 ⋅ 1 = 16 g/mol → → 0,375 mol de CH4 ⋅

16 g de CH4 1 mol de CH4

= 6 g de CH4

a) Ara: 0,375 mol de CH4 ⋅

6, 022 ⋅ 1023 molècules de CH4 1 mol de CH4

=

= 2, 258 ⋅ 1023 molècules de CH4 b) Tenim: 2, 258 ⋅ 1023 molècules de CH4 ⋅

4 àtoms de H 1 molècula de CH4

=

= 9, 03 ⋅ 1023 àtoms de H c) A partir de l’estequiometria de la reacció: 0,375 mol de CH4 ⋅

60.

1mol de C 1 mol de CH4

= 0,375 mol de C

La bombona de butà (C4H10) té una capacitat de 26 L. Quan és plena pesa 12,5 kg més que quan és buida. Quina pressió exerciria el butà que hi ha a l’interior si estigués en fase gasosa? Considerem que la temperatura és de 20 °C.

M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol. P· V = n· R· T → P ⋅ 26 L =

12,5 ⋅ 10 3 g atm ⋅ L ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 20) K → g mol ⋅ K 58 mol

73

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 74

2 Els estats de la matèria →P =

58

61.

0, 082

12,5 ⋅ 10 3 g

⋅

g

atm ⋅ L

⋅ (273 + 20) K mol ⋅ K = 199,2 atm 26 L

mol

Diem que una bombona de butà s’ha acabat quan ja no en surt gas de l’interior, i això passa quan la pressió a l’interior és igual que la pressió atmosfèrica. Quina massa de butà resta a dins d’una bombona buida si la temperatura a la cuina és de 20 °C? Dades: capacitat de la bombona = 26 L, pressió atmosfèrica = 1 atm. atm ⋅ L ⋅ (273 + 20) K → P· V = n· R· T → 1 atm ⋅ 26 L = n ⋅ 0, 082 mol ⋅ K 1 atm ⋅ 26 L

→n=

atm ⋅ L 0, 082 ⋅ (273 + 20) K mol ⋅ K

= 1,082 mol

M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → 58 g de C4H10 → 1,082 mol de C4H10 ⋅ = 62,8 g de C4H10 1 mol de C4H10 62.

En un globus hem introduït 5 g de gas heli (He). Quin serà el volum del globus si la pressió a l’interior és d’1,5 atm i la temperatura és de 20 °C ?

M (He) = 4 g/mol. P · V = n · R· T → 1,5 atm ⋅ V =

5 g

→V = 4

63.

g

5g atm ⋅ L ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 20) K → g mol ⋅ K 4 mol

0, 082 ⋅

atm ⋅ L ⋅ (273 + 20) K mol ⋅ K 1,5 atm

= 20,02 L

mol

Tenim un volum de 500 mL de diòxid de carboni en condicions normals: a) Quin volum ocuparà a 80 °C i 375 mm Hg? b) Quantes molècules hi haurà al recipient? a) En aquest cas: 375 atm ⋅ V P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 1 atm ⋅ 500 mL 760 = → = → T1 T2 273 K (2 273 + 80) K

74

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 75

SOLUCIONARI

→V =

1 atm ⋅ 500 mL ⋅ (273 + 80) K

= 1310 mL = 1,31L

375 273 K ⋅ atm 760

b) Sustituint els valors coneguts:

P· V = n· R· T → 1 atm ⋅ 0,5 L = n ⋅ 0, 082 →n=

1 atm ⋅ 0,5 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

→ 0,0223 mol de CO2 ⋅

= 0,0223 mol →

⋅ 273 K

6, 022 ⋅ 1023 molècules de CO2

1mol de CO2 22 = 1, 345 ⋅ 10 molècules de CO2

64.

atm ⋅ L ⋅ 273 K → mol ⋅ K

=

Calcula la massa de 10 L de gas hidrogen en condicions normals. I si el gas fos oxigen? En condicions normals (c.n.) 1 mol d’un gas ideal ocupa 22,4 L: 1mol de H2 10 L de H2 ⋅ = 0,45 mol de H2 22,4 L de H2

M (H2) = 2 ⋅ 1 = 2 g/mol → 2 g de H2 → 0,45 mol de H2 ⋅ = 0,9 g de H2 1 mol de H2 Si el gas fos O2, també tindríem 0,45 mol. M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 g/mol → 32 g de O2 → 0,45 mol de O2 ⋅ = 14,4 g de O2 1 mol de O2 65.

A dos recipients iguals i amb temperatures idèntiques s’hi introdueixen 5 g de gas heli i 5 g de diòxid de carboni. A quin dels dos recipients la pressió és més alta?

P· V = n· R· T Segons l’equació d’estat dels gasos ideals, si V i T són iguals, exercirà més pressió el gas que tingui un nombre de mols més gran. 1mol de He = 1,25 mol de He M (He) = 4 g/mol → 5 g de He ⋅ 4 g de He M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → 1mol de CO2 → 5 g de CO2 ⋅ = 0,114 mol de CO2 44 g de CO2 La pressió serà més alta en el recipient d’heli.

75

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 76


L’acetilè és un gas que es fa servir com a combustible dels bufadors de soldadura. La seva composició és del 92,3 % de carboni i del 7,7 % d’hidrogen. Determina la fórmula de l’acetilè (C2H2), sabent que quan se n’introdueixen 4,15 g en una ampolla d’1,5 L a 70 °C de temperatura exerceixen una pressió de 3 atm. La composició centesimal ens permetrà conèixer la fórmula empírica. Les dades que fan referència a l’estat del gas ens permeten conèixer la seva massa molar i, amb això, la seva fórmula molecular. Fórmula del tipus CxHy. 92,3 g de C 12 g de C 1mol de C

7,7 g de H

= 7,692 mol de C →

1 g de H 1mol de H

= 7,7 mol de H

Fórmula empírica: CH. Càlcul de la massa molar:

P· V = n· R· T → 3 atm ⋅ 1,5 L = n ⋅ 0, 082

atm ⋅ L ⋅ (273 + 70) K → mol ⋅ K

3 atm ⋅ 1,5 L

→n= 0, 082

atm ⋅ L ⋅ (273 + 70) K mol ⋅ K

= 0,16 mol

4,15 g g = 25,9 → Massa molar de l’acetilè 0,16 mol mol

M (CH) = 12 + 1 = 13 g/mol. 25, 9 ≈2 13 Fórmula molecular de l’acetilè: C2H2. 67.

Sabem que la densitat d’un gas en condicions normals és 1,25 g/L. Indica si el gas és monòxid de carboni, monòxid de sofre o amoníac. A la pàgina 58 es dedueix la fórmula que permet conèixer la densitat d’un gas: P ⋅M d = → R ⋅T

→M =

d ⋅ R ⋅T = P

1,25

g L

⋅ 0, 082

atm ⋅ L

mol ⋅ K 1 atm

⋅ 273 K = 27 7,98

M (CO) = 12 + 16 = 28 g/mol; M (SO) = 32 + 16 = 48 g/mol; M (NH3) = 14 + 3 ⋅ 1 = 17 g/mol. El gas del problema és el CO.

76

g mol

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 77

SOLUCIONARI

68.

La densitat d’un gas en condicions normals és 1,42 g/L. Calcula quant pesaran 750 mL d’aquest gas a 1,8 atm de pressió i 17 °C de temperatura. La densitat del gas en condicions normals ens permet conèixer la seva massa molar. Amb ella podrem esbrinar la densitat del gas en les noves condicions i determinar la massa corresponent a 750 mL.

M =

d ⋅ R ⋅T = P

1, 42

P ⋅M d = = R ⋅T

d =

69.

g atm ⋅ L ⋅ 0, 082 ⋅ 273 K L mol ⋅ K 1 atm 1, 8 atm ⋅ 31,79

g mol

⋅L 0, 082 atm ⋅ (273 + 17) K mol ⋅ K

= 31,79

= 2,4

g mol

g L

g m → m = d ⋅ V = 2,4 ⋅ 0,75 L = 1,8 g V L

Calcula la densitat del monòxid de dinitrogen en condicions normals. Dins una ampolla hi ha monòxid de dinitrogen a una pressió de 1.000 mm Hg. A quina temperatura estarà quan la seva densitat sigui de 2,15 g/L?

M (N2O) = 2 ⋅ 14 + 16 = 44 g/mol. P ⋅M d = = R ⋅T

P ⋅M T = = R ⋅d

70.

1 atm ⋅ 44 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

1 atm ⋅ 44 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

g mol

= 1,9 97

⋅ 273 K

g L

g mol ⋅ 2,15

g

= 249,6 K = −23,43 ºC

L

S’introdueixen 5 g d’heli, 5 g de diòxid de carboni i 5 g d’oxigen en una bombona. Si el manòmetre ens indica que la pressió dins la bombona és de 700 mm Hg, quina pressió exerceix cada gas? Segons la llei de Dalton de les pressions parcials, per a cada component: P1 = PT ⋅ X1 Per calcular les fraccions molars cal conèixer el nombre de mols de cada component.

77

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 78

2 Els estats de la matèria Ho calculem dividint la massa en grams de cadascun d’ells entre la seva massa molar:

M (He) = 4 g/mol; M (CO2) = 12 +2 ⋅ 16 = 44 g/mol; M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 g/mol. Per tant: • PHe = PT ⋅ X He = PT ⋅

= 700 mm Hg ⋅

n He = n He + nCO2 + nO2 5 4 5 5 5 + + 4 44 32

• PCO2 = PT ⋅ X CO2 = PT ⋅

= 575,7 mm Hg

nCO2 = nHe + nCO2 + nO2

5 44 = 52,34 mm Hg = 700 mm Hg ⋅ 5 5 5 + + 4 44 32 • PO2 = PT ⋅ X O2 = PT ⋅

= 700 mm Hg ⋅

71.

n O2 = n He + nCO2 + nO2 5 32 5 5 5 + + 4 44 32

= 71,96 mm Hg

Indica la composició en forma de percentatge en massa i com a percentatge en volum de la mescla de gasos de l’exercici anterior. Composició de la mescla com a percentatge en massa: mHe

m He 5 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 33, 33% de He → + mCO2 + mO2 5+5+5 → 33,33 % de CO2 i 33,33 % de O2

Composició de la mescla com a percentatge en volum: coincideix amb el percentatge en nombre de partícules.

nHe

78

5 nHe 4 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 82,24% de He + nCO2 + nO2 5 5 5 + + 4 44 32

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 79

SOLUCIONARI

nHe

nHe

72.

5 nCO2 44 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 7, 48 % de CO2 + nCO2 + nO2 5 5 5 + + 4 44 32 5 n O2 32 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 10,28 % de O2 + nCO2 + nO2 5 5 5 + + 4 44 32

Un recipient conté 3,2 g d’oxigen que exerceixen una pressió de 500 mm Hg. Sense variar la temperatura, hi afegim 4,2 g de gas hidrogen. Quina pressió exercirà ara? La pressió de l’oxigen en aquesta mescla continua sent 500 mm Hg. Segona la llei de Dalton de les pressions parcials:

P1 = PT ⋅ X1 → PO2 = PT ⋅ X O2 = PT ⋅

n O2 nH2 + nO2

M (H2) = 2 ⋅ 1 = g/mol; M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 g/mol. Per tant: 4,2 3,2 + nH2 + nO2 2 32 PT = PO2 ⋅ = 500 mm Hg ⋅ = n O2 3,2 32 = 1,1 ⋅ 10 4 mm Hg = 14,47 atm 73.

La composició de l’aire en massa és 79% de nitrogen i 21% d’oxigen. Un dia la pressió atmosfèrica és de 720 mm Hg. Quina pressió exerceix el nitrogen aquest dia? La composició en volum d’una mescla de gasos coincideix amb la composició en nombre de partícules. Com que coneixem aquesta composició i la pressió total, la llei de Dalton de les pressions parcials ens permetrà conèixer la pressió que exerceix el nitrogen. PN2 = PT ⋅ X N2 = 720 mm Hg ⋅

74.

79 = 568,8 mm Hg 100

Un tub de 36,8 cm3 de volum conté oxigen (O2) a la pressió de 120 atm i a la temperatura de 343 ºC. Calcula els grams d'oxigen que conté el tub. En primer lloc calculem el nombre de mols d’oxigen amb la relació: n=

P ·V R ·T

79

945335 _ 0049-0080.qxd

8/1/09

12:10

Página 80

2 Els estats de la matèria Mentre utilitzem les unitats adequades: V = 36, 8 cm3 ·

1L = 0, 0368 L 1.000 cm3

P = 120 atm

R = 0,082

atm · L mol · K

T = 343 ºC + 273 = 616 K n =

120 · 0, 0368 0, 082 · 616

= 0, 087 mol

1 mol d’oxigen = 32 g

0,087 mol ·

80

32 g 1 mol

= 2,784 g oxigen

945335 _ 0081-0126.qxd

3

30/12/08

16:39

Página 81

Les solucions

PRESENTACIÓ Un aspecte molt important de la unitat rau en el fet que l’alumnat aprengui a fer càlculs relacionats amb les solucions, tant des del punt de vista del seu ús al laboratori (unitats químiques per expressar la concentració) com pel seu ús en articles quotidians com ara cremes, xarops, etc. (unitats físiques per expressar-ne la concentració). El segon aspecte que volem destacar de la unitat fa referència al coneixement i el maneig de les propietats de les solucions per adaptar-ne l’ús a diferents necessitats científiques i de la vida quotidiana (aspectes relacionats amb la solubilitat i les propietats col·ligatives).

81

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 82

3 Les solucions OBJECTIUS • Comprendre el concepte «concentració de la solució» com una magnitud extensiva. • Manejar amb desimboltura les diferents maneres d’expressar la concentració de la solució. • Reconèixer les situacions en què és adequat expressar la concentració en unitats físiques i en quines cal fer-ho en unitats químiques. • Ser capaç de preparar al laboratori una solució d’una concentració determinada, a partir d’un producte comercial habitual. • Manejar amb desimboltura el material de laboratori necessari per preparar solucions. • Saber llegir i interpretar les gràfiques de solubilitat de substàncies diverses. • Conèixer els factors que intervenen en la solubilitat d’una substància i ser capaç d’utilitzar-los segons convingui. • Saber distingir entre una solució concentrada, una de diluïda i una de saturada. • Conèixer i manejar les fórmules que permeten avaluar les propietats col·ligatives d’una solució. • Relacionar les propietats col·ligatives d’una solució amb la seva utilitat pràctica. • Diferenciar entre mescla homogènia (dissolució) i mescla heterogènia (suspensió i dispersió col·loïdal).

CONTINGUTS • Característiques d’una solució i de les substàncies que la integren. • Formes d’expressar la concentració d’una solució (unitats físiques i unitats químiques). • Solubilitat d’una substància. • Factors que influeixen en la solubilitat (aplicar-ho a les dissolucions aquoses amb solut i gasos). • Propietats col·ligatives: – Descens de la pressió de vapor. – Augment del punt d’ebullició. – Descens del punt de congelació. – Osmosi. • Tipus de dissolucions i dispersions.

82

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 83


COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en indagació i experimentació. Adquisició de les habilitats necessàries per a les tècniques més habituals al laboratori: preparació de diferents tipus de solucions, anàlisi de dispersions, etc. Implica la capacitat d’enregistrar i analitzar dades, i treure’n conclusions, entre altres. • Competència en la comprensió i capacitat d’actuar sobre el món físic. Implica apropiar-se dels conceptes, els models i els principis fonamentals de la química. En aquesta unitat es treballen els conceptes i les diferents maneres d’expressar la concentració d’una solució; això implica que cal saber discernir en quines situacions s’usa una forma o l’altra.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DE BATXILLERAT • Competència comunicativa. Aprendre a descriure de manera correcta la preparació d’una solució, com també algunes de les seves propietats és una mostra d’aprendre a comunicar ciència. • Competència en recerca. Aquesta unitat aporta capacitats per reconèixer les dissolucions i les dispersions, conceptes fonamentals per a la recerca d’aquesta ciència que és la química. • Competència personal i interpersonal. En aquesta unitat, mitjançant les pràctiques al laboratori, es promou la gestió del treball personal i el treball en grup. • Competència en el coneixement i interacció amb el món. Els diferents exemples de dissolucions i dispersions permeten comprendre d’una manera més propera el món material i físic que ens envolta. Manejar amb facilitat el concepte concentració permetrà a l’alumnat llegir d’una manera efectiva les etiquetes d’alguns productes i escollir-ne els més adients segons la seva riquesa en un component determinat. A més, conèixer les propietats col·ligatives els ajudarà a utilitzar algunes solucions en benefici propi, com ara l’ús del sèrum fisiològic en lloc d’aigua per netejar-se els ulls i les mucoses, les solucions salines per assolir banys a temperatures molt baixes, la fabricació d’anticongelants, etc.

83

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 84

3 Les solucions CONNEXIONS AMB ALTRES MATÈRIES DE BATXILLERAT • La lectura comprensiva de textos i la recerca d’informació és indispensable per a l’assoliment de les competències d’aquesta unitat. • Molts dels continguts d’aquesta unitat són compartits amb la biologia: l’estudi de la concentració de les solucions, les propietats col·ligatives com l’osmosi, etc. • La connexió d’aquesta unitat amb les matemàtiques es basa en la resolució d’equacions, la interpretació de gràfics com els de les corbes de solubilitat, etc. • En el cas de la física, són continguts compartits la utilització de diferents unitats i els factors de conversió que les relacionen.

CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Aplicar correctament les fórmules per calcular la concentració d’una solució en les seves diferents unitats. 2. Distingir entre densitat d’una solució i concentració del solut expressat en unitats de massa/volum. 3. Expressar la concentració d’una solució concreta en unitats diferents. Transformar les unitats de concentració. 4. Preparar una quantitat determinada de solució d’una concentració establerta a partir d’un producte comercial. 5. Utilitzar gràfiques de solubilitat per determinar la solubilitat d’una substància en concentracions diferents. 6. Calcular les propietats col·ligatives d’una solució. 7. Determinar les característiques d’una solució a fi que una de les seves propietats col·ligatives assoleixi un valor. 8. Interpretar qualitativament el comportament d’una solució en relació amb la del dissolvent respecte a una propietat col·ligativa. 9. Saber distingir un col·loide, o dispersió col·loïdal, i identificar-ne la tipologia.

84

945335 _ 0005-0048.qxd

14/1/09

11:52

Página 9

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 86

3 Les solucions 1.

Busca informació que et permeti identificar els soluts i el dissolvent en cadascuna d’aquestes solucions: a) Aigua de l’aixeta.

d) Bronze.

b) Sèrum fisiològic.

e) Gas natural.

c) Contingut del bufador oxhídric.

f ) Núvol.

Aigua d’aixeta Sals minerals

Solut

Oxigen Dissolut

2.

Aigua

Sèrum fisiològic

Bufador oxhídric

Bronze

Gas natural

Núvol

Clorur de sodi

Oxigen

Estany

Nitrogen, età, H2S, etc.

Oxigen, CO2, Ar, etc.

Hidrogen

Coure

Metà

Nitrogen

Aigua

Esmenta dos exemples de solucions de sòlids en líquids que es puguin preparar. Per exemple, podria ser: a) La preparació d’una solució de sal en aigua. b) La solució d’hidròxid de sodi (NaOH) en aigua.

3.

Els nutricionistes recomanen prendre 0,8 g de calci al llarg dels àpats que fem durant el dia. En el supòsit que només prenguem calci amb la llet, quanta llet haurem de beure per assolir la quantitat recomanada? Dada: la llet conté, per terme mitjà, un 0,12 % de calci. La quantitat de llet seria: 0,8

4.

g de calci dia

⋅

100 g de llet 0,12 g de calci

= 666,7

g de llet dia

La cervesa «sense alcohol» té fins a l’1 % d’alcohol. Calcula la quantitat de cervesa «sense alcohol» que ha de beure una persona per consumir 25 mL d’alcohol. En aquest cas: 25 mL d'alcohol ⋅

5.

86

100 mL de cervesa 1 mL d'alcohol

= 2500 mL de cervesa

Ens podem preparar un bon refresc posant dins un got gran: 4 g de cafè soluble descafeïnat (2 sobrets), 20 g de sucre (2 sobrets) i aigua fins a completar 200 mL (el got gran ple). Ja només falta remenar i posar-ho a la nevera una bona estona. Calcula la concentració en massa de les substàncies que componen el refresc.

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 87

SOLUCIONARI

La concentració en massa és: mcafè

• c cafè =

Vdissolució

• c sucre = 6.

msucre Vdissolució

4g

=

0,2 L

=

20 g 0,2 L

g

= 20

L

= 100

g L

Per preparar un licor es van afegir 200 g de sucre a mig litre d’un aiguardent de brisa d’1,05 kg/L de densitat. La solució resultant tenia un volum de 550 mL. Calcula el % de sucre, la concentració en g/L i la densitat del licor obtingut. Ara tenim: m → maiguardent = d aiguardent ⋅ Vaiguardent = V kg ⋅ 0,5 L = 0,525 kg = 525 g = 1,,05 L

d =

msucre

%(sucre) = → %(sucre) = c sucre = dlicor = 7.

mdissolució 200 g

⋅ 100 →

525 g + 200 g

msucre Vdissolució

=

200 g 0,55 L

⋅ 100 = 27,59% = 363,6

g L

mlicor kg 525 g + 200 g g = 1,318 = = 1,318 Vlicor L 550 mL mL

Volem preparar 250 mL d’una solució aquosa 1,5 M de clorur de potassi. Calcula la quantitat de solut que ens cal i explica com l’hem de preparar. La quantitat de solut és: M =

nsolut Vdissolució

→ 1, 5 M =

nsolut 0, 25 L

→ nsolut = 1, 5 ⋅ 0, 25 = 0,375 mol

I, a més:

M (KCl) = 39,1 + 35,5 = 74,6 g/mol → 0,375 mol de KCl ⋅

74,6 g de KCl 1 mol de KCl

= 27,98 g de KCl

El procediment s’indica a la pàgina 81 del llibre. 8.

Quin volum de solució 1,25 M de sulfur de sodi hem d’utilitzar per obtenir 0,5 mol de sulfur de sodi? Quants grams de sulfur de sodi tindrem, llavors?

87

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 88

3 Les solucions El volum és: M =

nsolut

→ 1,25 M =

Vdissolució

0,5 mol

→ Vdissolució =

1,25 M

0,5 mol Vdissolució

→

= 0,4 L = 400 mL

Llavors:

M (Na2S) = 2 ⋅ 23 + 32 = 78 g/mol → 0,5 mol de Na2S ⋅

9.

78 g de Na2S 1 mol de Na2S

= 39 g de Na2S

Quina serà la concentració d’una solució que es prepara afegint aigua a 50 mL d’una solució 1,5 M de HNO3 fins a obtenir un volum de 250 mL? En primer lloc hem de calcular el nombre de mols de solut que hi haurà a la dissolució resultant: M =

nsolut n → 1,5 M = solut → Vdissolució 0,05 L

→ nsolut = 1,5 M ⋅ 0,05 L = 0,075 mol Aquests seran els mols de solut que tindrem a la dissolució final. En calculem la concentració: M = 10.

nsolut Vdissolució

→M =

0,075 mol = 0,3 M 0,25 L

Calcula la molaritat de la solució que resulta si afegim 3 g de Mg(OH)2 a 150 mL de solució 0,5 M de Mg(OH)2. Cal suposar que el volum total no varia. Calculem els mols de solut que hi ha a la dissolució resultant. Són els que hi ha en 3 g més els que hi havia en els 150 mL de la dissolució 0,5 M. M =

nsolut Vdissolució

→ 0,5M =

nsolut → nsolut = 0,5 ⋅ 0,15 = 0, 075 mol 0,15 L

Llavors:

M [Mg(OH)2] = 24,3 + 2 ⋅ (16 + 1) = 58,3 g/mol → 1mol de Mg(OH)2 → 3 g de Mg(OH)2 ⋅ = 0,051mol de Mg(OH)2 58,3 g de Mg(OH)2 Calculem la molaritat de la dissolució resultant: M =

88

nsolut Vdissolució

→M =

0,075 mol + 0,051mol = 0,84 M 0,15 L

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 89

SOLUCIONARI

11.

Determina la molaritat de l’àcid sulfúric comercial, que és del 96 % de riquesa i té 1,85 g/mL de densitat. La concentració és una propietat intensiva. Per tant, n’hi ha prou d’agafar una quantitat qualsevol d’àcid comercial i referir-nos-hi per fer tots els càlculs. Partim de 100 g de H2SO4 comercial → 96 g de H2SO4 pur. Cal determinar els mols de solut que representa aquesta quantitat i el volum que ocupen els 100 g de l’àcid comercial:

M (H2SO4) = 2 ⋅ 1 + 32 + 4 ⋅ 16 = 98 g/mol → 96 g de H2SO4 ⋅

1mol de H2SO4 98 g de H2SO4

= 0,98 mol de H2SO4

La densitat és: d =

m m 100 g →V = = = 54,05 mL g V d 1,85 mL

I la molaritat: M =

12.

nsolut Vdissolució

→M =

0,98 mol = 18,15 M 0,054 L

Respon: a) Quina quantitat de glucosa (C6H12O6) hem de barrejar amb mig litre d’aigua per obtenir una solució 1,2 m? b) I amb 2 L d’aigua? Suposem que la densitat de l’aigua és 1 g/mL. a) m =

nsolut mdissolvent (kg)

→ 1,2 m =

nsolut → 0,5 kg

→ nsolut = 1,2 m ⋅ 0,5 kg = 0,6 mol

M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol → 180 g de glucosa 0,6 mol de glucosa ⋅ = 108 g de glucosa 1 mol de glucosa b) m =


→ 1,2 m =

nsolut → 2 kg

→ nsolut = 1,2 m ⋅ 2 kg = 2,4 mol 2,4 mol de glucosa ⋅

180 g de glucosa 1 mol de glucosa

= 432 g de glucosa

89

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 90

3 Les solucions 13.

Quina quantitat de glucosa (C6H12O6) hem de barrejar amb mig litre d’aigua perquè la seva fracció molar sigui 0,2? nglucosa nglucosa → 0,2 = → 500 g nglucosa + naigua nglucosa + g 18 mol → 0,2 ⋅ nglucosa + 0,2 ⋅ 27,28 mol = nglucosa

X glucosa =

→ 0,2 ⋅ 27,28 mol = nglucosa − 0,2 ⋅ nglucosa = 0, 8nglucosa → → nglucosa =

0,2 ⋅ 27,28 mol = 6,94 mol 0, 8

M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol → → 6,94 mol de glucosa ⋅

180 g de glucosa mol de glucosa

=

= 1.249 g de glucosa = 1,249 kg de glucosa 14.

Tenim una solució d’àcid clorhídric (HCl) 9 molal i de densitat 1,15 g/mL. Calcula’n la concentració en g/L, la molaritat i la fracció molar. La concentració és una propietat intensiva. Per tant, n’hi ha prou d’agafar una quantitat qualsevol del HCl 9 m i referir-nos-hi per fer tots els càlculs. Partim d’1 L d’aquest àcid. La dada de la densitat ens permet conèixer la massa equivalent: d =

m g → m = d ⋅ V = 1,15 ⋅ 10 3 mL = 1150 g V mL

La concentració molal permet establir una relació entre la massa del solut i la del dissolvent: msolut MHCl m= = mdissolvent (kg) mdissolvent (kg ) nsolut

M (HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 g/mol. Per tant: msolut msolut 36,5 9= = → mdissolvent (kg ) 36,5 ⋅ mdissolvent (kg) → msolut = 9 ⋅ 36,5 ⋅ mdissolvent (kg) = 328,5mdissolvent (kg)

90

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 91

SOLUCIONARI

Tenint en compte la massa corresponent a 1 L de dissolució: msolut + mdissolvent (g) = 1.150 g 328,5mdissolvent (kg) + mdissolvent ⋅ 10 3 = 1.150 g → 1150 → mdissolvent = = 0,8656 kg → 328,5 + 10 3 → msolut = 328,5mdissolvent (kg) = 328,5 ⋅ 0, 8656 = 284,4 g → g mHCl 284,4 g g → cHCl ( ) = = = 284,4 → L Vdissolució 1L L Llavors:

M =

X HCl =

15.

nsolut Vdissolució

284,4 g 36,5 g/mol →M = = 7,79 9M 1L

nHCl → X HCl nHCl + naigua

284,4 g 36,5 g/mol = 0,14 = 865,6 g 284,4 g + 36,5 g/mol 18 g/mol

Per garantir la qualitat sanitària d’una aigua de piscina un dels paràmetres que es controla és la concentració de clor lliure que s’ha de trobar entre 0,5 i 2,0 ppm. Sabries expressar aquestes concentracions en g per kg de dissolució? Per dissolucions molt diluïdes podem considerar que la densitat de la dissolució és igual a la densitat de l’aigua, que és 1 kg/L, de manera que un litre té una massa d’1 kg. Així per 1 L d’aigua de piscina: 0,5 ppm 0,1 g 1L dissolució ⋅ ⋅ = 0,00005 g clor lliure / kg de dissolu ució 1L dissolució 100 ppm 1 kg dissolució 2 ppm 0,1 g 1L dissolució = 0,002 g clor lliure / kg de dissolució ⋅ ⋅ 1L dissolució 100 ppm 1kg dissolució

16.

En les aigües minerals la concentració se sol expressar en mg/L a causa de la dilució de la substància present. L’etiqueta d’una aigua mineromedicinal indica que la seva composició química en mg/L és: Calci (Ca): 49,3 Magnesi (Mg): 7,1 Sodi (Na): 6,5 Clorurs (Cl–): 4,0

91

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 92

3 Les solucions Sulfats (SO42 ): 30,4 Bicarbonats (HCO3– ): 149,3 Indica aquests valors en unitats de ppm. 1L dissolució 49,3 mg Ca 1 g Ca ⋅ ⋅ ⋅ 1L dissolució 1.000 mg Ca 1kg dissolució

1.000.000 g dissolució ⋅

1kg dissolució = 49,3 ppm Ca 1.000 g dissolució

⋅

1.000.000 g dissolució ⋅ ·

1L dissolució 7,1mg Mg 1 g Mg ⋅ ⋅ ⋅ 1L dissolució 1.000 mg Mg 1kg dissolució

1kg dissolució = 7,1ppm Mg 1.000 g dissolució


1kg dissolució = 6,5 ppm Na 1.000 g dissolució


1L dissolució 6,5 mg Na 1 g Na ⋅ ⋅ ⋅ 1L dissolució 1.000 mg Na 1kg dissolució

1L dissolució 4,0 mg Cl– 1 g Cl– ⋅ ⋅ 1L dissolució 1.000 mg Cl– 1kg dissolució

1 kg dissolució = 4,0 ppm Cl– 1.000 g dissolució –


1kg dissolució = 30,4 ppm SO4 1.000 g dissolució


17.

92

–

30,4 mg SO4 2 1 g SO4 2 1L dissolució ⋅ ⋅ – ⋅ 1L dissolució 1.000 mg SO4 2 1kg dissolució 2–

149,3 mg HCO3 – 1L dissolució

⋅

1 g HCO3 –

1L dissolució ⋅ ⋅ 1.000 mg HCO3- 1kg dissolució

1kg dissolució = 149,3 ppmHCO3 – 1.000 g dissolució

Llegeix la gràfica de la solubilitat del sucre en un medi aquós i calcula la quantitat màxima de sucre que es podrà dissoldre en 50 mL d’aigua a 20 °C. Però, i si estigués a 80 °C?

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 93

SOLUCIONARI

Solubilitat (g/100 mL aigua) 600 sucre

500 400 300 200 100

sal

0 0

20

40

60

80 100 120 Temperatura (°C)

100 g; 187,5 g. 18.

Imagina’t que amb 200 mL d’aigua has preparat una solució saturada de sucre a 70 °C. Quina quantitat de sucre se n’anirà cap al fons del vas si la refredes fins a 20 °C ? A 70 ºC, la quantitat de sucre en 200 mL d’una dissolució saturada: 660 g. A 20 ºC, la quantitat de sucre en 200 mL d’una dissolució saturada: 400 g. En refredar de 70 ºC a 20 ºC, 260 g de sucre aniran cap al fons.

19.

La temperatura de l’aigua d’un riu solia ser d’uns 15 °C, però un vessament industrial la va fer pujar fins als 35 °C. Observa la gràfica d’aquesta pàgina i explica en quina proporció aquest dany ecològic va fer variar la quantitat d’oxigen de l’aigua. Quines conseqüències va tenir per als peixos que vivien al riu? Solubilitat (mg/L) 16 14 12 10 8 6 4 2 0

O2

0

10

20

30

40 T (°C)

93

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 94

3 Les solucions Solubilitat del O2 a 15 ºC: 10 mg/L; Solubilitat del O2 a 35 ºC: 7 mg/L. Proporció en la qual es va reduir l’oxigen dissolt: 3 ⋅ 100 = 30 % 10 Els peixos tindran dificultat per respirar i és probable que morin. 20.

La pressió de vapor de l’acetona (CH3-CO-CH3) a 50 °C és de 603 mm Hg. Si dissolem 15 g d’una substància en 100 g d’acetona, la pressió de vapor de la solució en aquella temperatura passa a ser de 473 mm Hg. Aleshores, quina és la massa molar de la substància? Segons la llei de Raoult: ΔP = P0 ⋅ XS → 603 − 473 = 603 ⋅ XS → X s =

Xs =

603 − 473 = 0,216 603

ns n s + nd

Podem calcular els mols d’acetona, CH3-CO-CH3 (dissolvent):

→ nacetona

M (acetona) = 3 ⋅ 12 + 6 ⋅ 1 + 16 = 58 g/mol → 1mol d'acetona = 100 g d'acetona ⋅ = 1,724 mol d'acetona 58 g d'acetona

0,216 =

ns → 0,216 ⋅ ns + 0,216 ⋅ 1,724 = ns → ns + 1,724 → 0, 372 = ns − 0,216 ⋅ ns = 0,784 ⋅ ns 0, 372 = 0,475 mol → 0,784 15 g solut → Mmolar solut = = 31,61 g/mol 0,475 mol ns =

21.

Quin serà el punt d’ebullició d’una solució que es prepara dissolent 150 g de glucosa (C6H12O9) en 250 g d’aigua? Agafa les dades que necessitis de la taula de la part superior de la pàgina 90. Ke (°C ⋅ kg/mol)

Teb a 1 atm (°C)

Aigua

0,51

100

Benzè

2,64

80

Etilenglicol

2,26

197

Àcid acètic

3,22

118

3,5

161

Dissolvent

Ciclohexanol

94

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 95

SOLUCIONARI

La variació en la temperatura d’ebullició és: Δt = K e ⋅ m = K e ⋅ Llavors:

ns mdissolvent (kg)

M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol → 150 g ºC ⋅ kg 180 g/mol → Δt = 0,51 ⋅ 0,25 kg mol El punt d’ebullició de la dissolució serà 100 ºC + 1,7 ºC = 101,7 ºC. 22.

Quina massa molar tindrà una substància si quan se’n dissolen 90 g en un quart de litre d’aigua s’obté una solució que bull a 102 °C. Agafa les dades que et calguin de la taula que hi ha a la part superior de la pagina 90. En aquest cas: Δt = K e ⋅ m = K e ⋅ → ns =

23.

ns ns ºC ⋅ kg ⋅ → → 2 ºC = 0,51 mdissolvent (kg) mol 0,25 kg

2 ⋅ 0,25 90 g solut = 0,98 mol → Mmolar solut = = 91,84 g/mol 0,51 0,98 mol

Quin serà el punt de congelació d’una solució que es prepara dissolent 150 g de glucosa (C6H12O9) en 250 g d’aigua? Agafa les dades que et calguin de la taula que hi ha a la part superior de la pàgina 91. Ara: Δt = K c ⋅ m = K c ⋅

ns mdissolvent (kg)

K c (°C ⋅ kg/mol)

Tf a 1 atm (°C)

Aigua

1,86

0

Benzè

5,07

6

Etilenglicol

3,11

−13

Àcid acètic

3,63

17

Dissolvent

I tenim:

M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol → 150 g ºC ⋅ kg 180 g/mol → Δt = 1, 86 ⋅ = 6,2 ºC 0,25 kg mol El punt de congelació de la dissolució serà 0 ºC – 6,2 ºC = − 6,2 ºC.

95

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 96

3 Les solucions 24.

Si volem preparar un anticongelant que es mantingui líquid a 25 graus sota zero, quina quantitat d’etilenglicol (CH2OH-CH2OH) hem d’afegir a mig litre d’aigua per aconseguir-ho? Agafa les dades que et calguin de la taula que hi ha a la part superior de la pagina 91. Ara: Δt = K c ⋅ m = K c ⋅ → 25 ºC = 1, 86

ºC ⋅ kg mol

⋅

ns 0,25kg

ns mdissolvent (kg) → ns =

→

25 ⋅ 0, 25 1, 86

= 3,36 mol

M (etilenglicol, CH2OH−CH2OH) = 2 ⋅ 12 + 1 ⋅ 6 + 2 ⋅ 16 = 62 g/mol. 62 g d'etilenglicol = 208,3 g d'etilenglicol 3,36 mol d'etilenglicol ⋅ 1 mol d'etilenglicol 25.

Quina pressió osmòtica exercirà una solució que s’aconsegueix en dissoldre amb aigua 30 g de glucosa (C6H12O6) per obtenir mig litre de mescla a 25 °C.

M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol. Llavors: π = M ⋅ R ⋅T =

ns Vdissolució(L)

⋅ R ⋅T =

30 g atm ⋅ L 180 g/mol = ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K = 8,15 atm 0,5 5L mol ⋅ K 26.

Si la temperatura en graus centígrads es duplica, quina serà la pressió osmòtica de la solució anterior? En aquest cas: 30g atm ⋅ L 180g/mol π = M ⋅ R ⋅T = ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 50) K = 8,83 atm 0,5L mol ⋅ K

27.

Tenim una substància semitransparent i volem determinar si és una dissolució o un col·loide, explica quin procés seguiries per esbrinar-ho. Per determinar si aquesta substància és una dissolució o un col·loide comprovarem si presenta l’efecte Tyndall. La introduirem en un recipient de vidre transparent i farem passar un raig de llum a través de la solució. Si el raig de llum es difon i es veu (efecte Tyndall), direm que es tracta d’un col·loide. Si al contrari la llum no es veu, es tractarà d’una dissolució autèntica o vertadera.

96

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 97

SOLUCIONARI

28.

29.

Classifica les següents mescles segons siguin dissolucions, suspensions o col·loides: a) tinta

e) salfumant

b) pols de l’aire

f ) anticongelant

c) la boira

g) pintura

d) cacau amb llet

h) flam

a) tinta - col·loide (sol)

e) salfumant - dissolució

b) pols de l’aire - suspensió

f ) anticongelant - dissolució

c) la boira - col·loide (aerosol)

g) pintura - col·loide (sol)

d) cacau amb llet - col·loide (sol)

h) flam - col·loide (gel)

Indica quin o quins són els soluts, i quin és el dissolvent en les solucions següents: a) Refresc amb gas

30.

b) Beguda isotònica

c) Vi

d) Acer

Refresc amb gas

Beguda isotònica

Vi

Acer

Solut

CO2 sucre, saboritzants, etc.

Sal, sucre, susbtàncies saboritzants

Tanins, colorants, alcohol

Carboni

Dissolvent

Aigua

Aigua

Aigua

Ferro

Omple el quadre amb les maneres que saps d’expressar la concentració d’una solució i indica les unitats en què es mesura cada cas. Forma d’expresar la concentració massa de solut ⋅ 100 massa de dissolució volum de solut ⋅ 100 % en volum de solut = volum de dissolució massa de solut concentració en massa de solut = volum de dissolució mols de solut concentració molal de solut = massa (kg) de dissolvent n M = V mols de solut concentració molal de solut = massa (kg) de dissolvent n m= mdissolvent (kg ) mols de solut ns Xs = = mols de solut + mols de dissolvent n s + nd % en massa de solut =

Unitat Adimensional Adimensional g/L

mol/L

mol/kg

Adimensional

97

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 98

3 Les solucions 31.

Explica la diferència entre aquestes dues expressions: a) Una solució d’hidròxid de sodi amb aigua té una concentració d’1,5 g/L. b) Una solució d’hidròxid de sodi amb aigua té una densitat d’1,5 g/L. concentració = densitat =

32.

massa de solut volum de dissolució

massa de dissolució massa solut + massa dissolvent = volum de dissolució volum de dissoluciió

Una solució saturada és el mateix que una solució concentrada? No. Una dissolució saturada en determinades condicions no admet més quantitat de solut amb relació a una quantitat de dissolvent. Una dissolució concentrada té una proporció elevada de solut amb relació al dissolvent. Una dissolució saturada pot ser diluïda si el solut és poc soluble.

33.

Explica per què la cervesa se serveix en un vas molt fred. Les cerveses són dissolucions en les quals un dels soluts és un gas (CO2) i el dissolvent és aigua. La solubilitat dels gasos en líquids disminueix en augmentar la temperatura. La cervesa se serveix en gots ben freds per tal de mantenir la major quantitat de gas dissolt.

34.

Raona si són certes o falses aquestes afirmacions: a) Quan la temperatura s’incrementa, la solubilitat de les substàncies augmenta. b) Una solució sobresaturada és una mescla heterogènia. c) La solubilitat de l’oxigen en aigua s’incrementa quan augmenta la pressió. d) Una solució saturada també por ser una solució diluïda. e) Per eliminar el clor de l’aigua, una bona recomanació és posar-la a la nevera. f ) L’agitació augmenta la solubilitat d’un solut. a) Això és cert en la majoria dels casos en els quals el solut és un sòlid i el dissolvent és un líquid, per bé que hi ha excepcions com ara la dissolució de la sal a l’aigua. Si el solut és un gas, la seva solubilitat disminueix en augmentar la temperatura. b) Una dissolució sobresaturada és un estat inestable de la matèria. Mentre es manté la dissolució, és una mescla homogènia. Quan s’hi produeix algun canvi que fa que precipiti l’excés de solut, és una mescla heterogènia. c) Cert. La solubilitat dels gasos en aigua augmenta en augmentar la pressió.

98

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 99

SOLUCIONARI

d) Cert. Això passa quan el solut és poc soluble en el dissolvent. e) Fals. La solubilitat dels gasos en aigua augmenta en disminuir la temperatura. Per eliminar el clor de l’aigua convé escalfar-la. f) Fals. L’agitació únicament augmenta la velocitat de solubilització del solut en el dissolvent. La solubilitat tan sols varia amb la temperatura i la pressió. 35.

Recolza’t en la teoria cinètica de la matèria per tal d’explicar per què la pressió de vapor d’una substància augmenta quan s’eleva la temperatura. Quan la temperatura augmenta, augmenta també l’energia cinètica de les partícules, cosa que facilita que les molècules que estan en estat líquid s’alliberin de les forces que les mantenen unides a les veïnes i puguin passar a la fase gasosa. En augmentar la proporció de partícules que poden estar en fase gasosa en equilibri amb un líquid, augmenta la pressió que aquestes fan, que és la pressió de vapor.

36.

Indica algun procediment que et permeti escalfar aigua per damunt dels 100 °C i es mantingui en estat líquid. Escalfar-la a una pressió per damunt d’1 atmosfera. També es pot aconseguir això dissolent en aigua un solut no volàtil.

37.

Quan fa molt de fred, les carreteres es glacen, i això representa un perill greu per a la circulació. A fi d’evitar-lo, s’hi escampa sal. Què s’aconsegueix amb aquesta acció?

La dissolució de sal en aigua té un punt de fusió inferior que el de l’aigua en estat pur. La sal aconsegueix que l’aigua es mantingui líquida per sota dels 0 ºC i evita la formació de gel, que redueix el fregament i fa perillosa la conducció de vehicles.

99

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 100

3 Les solucions 38.

Explica per què s’inflen les panses quan es posen en remull. L’interior del raïm és hipertònic respecte de l’aigua. Com que la pell del raïm és una membrana semipermeable, l’aigua passarà al seu través fins que la pressió de dins del raïm sigui igual a la pressió de fora. El resultat és que les panses s’inflen.

39.

Per què és perillós injectar directament aigua destil·lada a una persona? Les cèl·lules sanguínies es troben en un medi extern isotònic respecte al medi intracel·lular. Si injectem aigua destil·lada a la sang d’una persona, disminueix la concentració en el medi extracel·lular i, com que les membranes cel·lulars són semipermeables, passarà aigua de fora a dins fins que les dues pressions osmòtiques de tots dos costats s’igualin. Si injectem molta quantitat d’aigua destil·lada, les cèl·lules poden arribar a esclatar.

40.

Els dies de molta calor, les persones més sensibles corren el risc de deshidratar-se. Per què se’ls recomana que prenguin begudes isotòniques? Perquè es mantingui en equilibri osmolar. (Vegeu la resposta de la pregunta anterior.)

41.

Probablement hauràs sentit a dir que els nàufrags es poden morir de set. Com és possible això, si el mar conté més del 90% d’aigua?

La pressió osmòtica de l’aigua del mar és més elevada que la dels líquids intracel·lulars. Si bevem aigua de mar, les cèl·lules es trobaran en un medi hipertònic i sortirà aigua del seu interior amb la intenció d’igualar les pressions de tots dos costats de la membrana cel·lular. El resultat serà que les cèl·lules es deshidrataran.

100

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 101

SOLUCIONARI

42.

Explica en què es diferencia una dissolució d’una dispersió col·loïdal. La diferència entre una dissolució i una dispersió col·loïdal està en funció de la mida de les partícules del component minoritari de la mescla. La mida d’una partícula d’una dispersió col·loïdal es troba entre 1-100 nm. La mida d’una partícula d’una dissolució és < 1 nm.

43.

Explica per què només podem observar a l’aire el raig de llum d’un làser quan hi ha fum o pols. Les partícules sòlides de fum i de pols són les responsables de la dispersió (reflexió i refracció) del raig de llum làser i la seva trajectòria es fa visible. Si aquestes no hi fossin no hi hauria cap partícula per desviar el raig i per tant aquest no es podria observar.

44.

Determina les diferències entre: sol, gel, emulsió, escuma i aerosol. Digues algun exemple diferent de cadascun dels que surten a la taula de la pàgina 96. Sol: la substància dispersa del sol és sòlida i el medi dispersor és un líquid. Té consistència líquida. Exemple: clara d’ou crua. Gel: és un sol amb consistència sòlida. Exemple: clara d’ou dur. Emulsió: la substància dispersa de l’emulsió és líquida i si el medi dispersor és líquid té consistència líquida, si el medi dispersor és sòlid té consistència sòlida. Exemple: llet. Escuma: la substància dispersa de l’escuma és un gas i el medi dispersor pot ser un sòlid o un líquid. Exemple: nata muntada. Aerosol: el medi dispersor d’un aerosol sempre és un gas. Exemple: insecticida.

45.

L’alcohol és irritant per a la pell dels nadons. Per això, si cal, s’utilitza una mescla d’alcohol i aigua al 70 %. Si a casa tens 100 g d’alcohol al 90 %, què has de fer perquè es pugui fer servir amb nadons? En 100 g d’alcohol al 90 % tindrem 90 g d’alcohol i 10 g d’aigua. Calculem la quantitat d’aigua que hem d’afegir perquè es converteixi en alcohol al 70 %: 70 g d'alcohol 90 g d'alcohol = → 100 g de dissolució 100g dissolució + x g d'aigua 90 ⋅ 100 → x g d'aigua = − 100 = 28,57 g 70 A 100 g d’alcohol al 90 %, cal que hi afegim 28,57 g d’aigua.

101

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 102

3 Les solucions 46.

L’etiqueta d’una aigua mineral diu que conté sodi (50,5 mg/L), fluor (0,4 mg/L) i calci (9,2 mg/L). Si sabem que la quantitat diària recomanada (QDR) per a una persona de cadascun d’aquests elements és: • Sodi → 200 mg. • Fluor → 2 mg. • Calci → 800 mg. a) Quina quantitat d’aigua hauríem de beure per aconseguir la QDR de cadascun dels elements? b) Es pot dir que aquesta aigua és una bona font de calci? Tenim: • 200 mg de sodi ⋅ • 2 mg de fluor ⋅

1L 50,5 mg de sodi 1L

0,4 mg de fluor

• 800 mg de calci ⋅

= 3,96 L

= 5L

1L 9,2 mg de sodi

= 86,96 L

L’aigua no és una bona font de calci. 47.

L’anàlisi de sang d’una persona diu: Glucosa → 89 mg/100 mL Si una persona adulta conté, al seu interior, uns 5 litres de sang. Quanta glucosa hi té, a la sang? En aquest cas: 5 L de sang ⋅

89 mg de glucosa 0,1 L de sang

=

= 4, 45 ⋅ 10 3 mg de glucosa = 4,45 g de glucosa 48.

Calcula la concentració en g/L d’un àcid clorhídric comercial del 37 % de riquesa en pes i 1,18 g/mL de densitat. La concentració és una propietat intensiva. Per tant, n’hi ha prou a agafar una quantitat qualsevol del HCl comercial i referir-nos-hi per fer tots els càlculs. Partim d’1 L d’aquest àcid. La dada comercial ens permet conèixer la massa equivalent:

102

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 103

SOLUCIONARI

d àcid comercial =

mHCl comercial → mHCl comercial = VHCl comercial

= d àcid comercial ⋅ VHCl comercial = 1,18

g mL

⋅ 10 3 mL = 1,18 ⋅ 10 3 g

La dada de la riquesa ens permet conèixer la quantitat de HCl que hi ha en aquesta quantitat: 1,18 ⋅ 10 3 g de HCl comercial ⋅ = 436,6 g de HCl → cHCl = 49.

37 g de HCl 100 g de HCl com mercial

=

436,6 g g mHCl = 436,6 = 1L L Vdissolució

Al laboratori hi tenim un àcid clorhídric del 37 % de riquesa en pes i 1,18 g/mL de densitat. Si agafem 70 mL del contingut de l’ampolla, quant d’àcid clorhídric estem utilitzant? El procediment és el mateix que el del problema anterior, però ara treballem amb 70 mL de HCl comercial: mHCl comercial = d àcid comercial ⋅ VHCl comercial = 1,18

g mL

⋅ 70 mL = 82,6 g

La dada de la riquesa ens permet conèixer la quantitat de HCl que hi ha en aquesta quantitat: 82,6 g de HCl comercial ⋅

50.

12 g alcohol = 30 g alcohol 100 g beguda alcohòlica

En una ampolla de llet d’1,5 litres hi ha 45 ml de greix. Calcula el percentatge en volum de greix que hi ha a la llet. %volum =

% volum greix =

52.

= 30,56 g de HCl

Una beguda alcohòlica conté un 12 % en massa d’alcohol. Si en bevem 250 g, quina quantitat d’alcohol ingerim? 250 g beguda alcohòlica ⋅

51.

37 g de HCl 100 g de HCl comercial

ml solut ⋅ 100 ml dissolució

45 ml greix ⋅ 100 = 3 % greix 1.500 ml llet

Determina el percentatge en massa del greix de la llet sabent que la seva densitat és de 0,865 kg/L i que 1 litre de llet té una massa de 1.032 g.

103

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 104

3 Les solucions En primer lloc calculem l’equivalent en massa del volums de llet i greix. Aprofitem les dades de l’exercici anterior. 1,5 L llet ⋅

60 ml greix ⋅

1.032 g llet = 1.548 g 1L llet

0,865 g greix = 51,9 g greix 1ml greix

I ara calculem el % en massa del greix contingut en la llet. 51,9 g greix ⋅100 = 3,35 % greix 1.548 g llet

% massa greix =

53.

Tot sabent que l’aire conté un 21 % en volum d’oxigen, calcula la quantitat d’aire necessària per tenir 20 litres d’oxigen. 20 L d'oxigen ⋅

54.

100 L d'aire = 95,24 L d'aire 21L d'oxigen

Un whisky porta a l’etiqueta de l’ampolla el percentatge següent: 40% vol. Si s’adulteren 5 litres d’aquesta beguda amb 1 L d’aigua, quin serà el percentatge d’alcohol ara? En primer lloc calculem els litres d’alcohol que contenen els 5 L de whisky: 5 L de whisky ⋅

40 L d'alcohol = 2 L d'alcohol 100 L de whisky

Si aquests 5 L els adulterem amb 1 L d’aigua, el volum total de dissolució és: 5 L whisky + 1 L d’aigua = 6 L dissolució. Aleshores calculem el % d’alcohol d’aquesta nova dissolució: % volum alcohol = 55.

2 L alcohol ⋅100 = 33, 3 % vol. 6 L dissolució

Calcula quin volum d’àcid clorhídric comercial del 37 % de riquesa i 1,18 g/mL de densitat hem d’emprar per obtenir 20 g d’àcid clorhídric. Començarem calculant la quantitat d’àcid comercial que cal agafar per tenir 20 g de HCl. La dada de la densitat ens permetrà conèixer-ne el volum equivalent:

104

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 105

SOLUCIONARI

20 g de HCl ⋅

100 g de HCl comercial 37 g de HCl

d àcid comercial = = 56.

mHCl comercial

mHCl comercial dHCl comercial

VHCl comercial =

= 54,05 g de HCl comercial → VHCl comercial =

54,05 g

= 45,81mL

1,18 g/mL

Tenim 15 mL d’una solució de iodur de potassi amb aigua 0,5 M. Calcula els mols i els grams de iodur de potassi que tenim. Ara: M =

nsolut Vdissolució

→ 0,5M =

nsolut → 0,015 L

→ nsolut = 0,5 ⋅ 0, 015 = 0,0075 mol Llavors:

M (KI) = 39,1 + 126,9 = 166 g/mol → → 0,0075 mol de KI ⋅

57.

166 g de KI 1 mol de KI

= 1,245 g de KI

Explica com preparar al laboratori 250 cm3 d’una solució de KCl, 0,1 M. El clorur potassi és un sòlid; al laboratori en tenim un envàs químicament pur. En primer lloc calculem la quantitat de solut (KCl) necessària: M =

n n → 0,1 = → n = 0,1 ⋅ 0,25 = 0,025 mol KCl V 0,25

Calculem la massa molar de KCL per conèixer la quantitat equivalent en grams M (KCl) = 39,1 + 35,5 = 74,6 g/mol. 0,025 mol KCl ⋅

74,6 g KCl = 1,865 g KCl 1mol KCl

Pesem 1,865 g KCl en una balança prèviament tarada amb un vidre de rellotge. Dissolem el KCl pesat amb 25 ml d’aigua destil·lada en un vas de precipitats. Remenem amb una vareta fins a obtenir una dissolució. Aboquem la dissolució obtinguda en un matràs aforat de 250 cm3, acabem d’omplir amb aigua destil·lada fins a l’enràs. Tapem i remenem bé fins a obtenir una dissolució completa.

105

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 106

3 Les solucions 58.

Hem de preparar 500 mL d’una solució d’hidròxid de sodi 2 M. Calcula quina quantitat de solut necessites i explica com la prepararàs si tens un producte comercial del 95 % de riquesa en NaOH. Amb les dades de l’enunciat, calculem la quantitat de producte comercial que necessitem: M =

nsolut n → 2 M = solut → nsolut = 2 M ⋅ 0,5 L = 1mol Vdissolució 0,5 L

M (NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 g/mol → → 1 mol de NaOH ⋅

40 g de NaOH 1 mol de NaOH

= 40 g de NaOH

Com que el producte comercial té una riquesa del 95%, necessitarem agafar: 40 g de NaOH ⋅

100 g de NaOH comercial 95 g de NaOH

= 42,11 g de NaOH comercial


Ens cal preparar 500 mL d’una solució d’àcid clorhídric 2 M. Calcula quina quantitat de solut necessites i explica com la prepararàs si tens un àcid comercial del 37 % de riquesa en pes i 1,18 g/mL de densitat. Amb les dades de l’enunciat, calculem la quantitat de producte comercial que necessitem: M =

nsolut Vdissolució

→ 2M =

nsolut 0,5 L

→ nsolut = 2 M ⋅ 0, 5 L = 1mol

Llavors:

M (HCl) = 35,5 + 1 = 36,5 g/mol → → 1 mol de HCl ⋅

36,5 g de HCl 1 mol de HCl

= 36,5 g de HCl

Com que el producte comercial té una riquesa del 37 %, necessitarem agafar: 36,5 g de HCl ⋅

100 g de HCl comercial 37 g de HCl

= 98,65 g de HCl comercial

En tractar-se d’un líquid, utilitzarem la dada de la densitat per calcular-ne el volum equivalent:

106

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 107

SOLUCIONARI

d àcid comercial = =

mHCl comercial → VHCl comercial = VHCl comercial

mHCl comercial 98,65 g = = 83,6 mL dHCl comercial 1,18 g/mL


Preparem una solució barrejant aigua i àcid sulfúric comercial fins a obtenir un volum de 500 mL. Calcula la concentració de la solució que en resulta si s’han utilitzat 15 mL d’un àcid sulfúric del 96 % de riquesa i 1,85 g/mL de densitat. Calculem la quantitat de solut que hi ha en els 15 mL de l’àcid comercial: d àcid comercial =

màcid comercial → màcid comercial = d àcid comercial ⋅ Vàcid comercial

g ⋅ 15 mL =→ 27,75 g d'àcid comercial ⋅ mL 96 g de H2SO4 = 26,64 g de H2SO4 ⋅ 100 g d'àcid comercial

⋅ Vàcid comercial = 1,85

Llavors:

M (H2SO4) = 2 ⋅ 1 + 32 + 4 ⋅ 16 = 98 g/mol → → 26,64 g de H2SO4 ⋅ →M = 61.

1mol 98 g de H2SO4

= 0,27 mol →

0,27 mol mol nsolut →M = = 0,54 Vdissolució 0,5 L L

Indica com prepararàs 100 mL d’una solució d’hidròxid de calci 0,5M si disposes de 500 mL de solució d’hidròxid de calci 2,5M. Inicialment hem de calcular els mols de solut que necessitem per preparar la dissolució 0,5 M. Després calcularem la quantitat de dissolució 2,5 M que necessitem per obtenir aquests mols de solut: M =

nsolut Vdissolució

2,5 M =

→ 0,5 M =

nsolut → nsolut = 0,5 M ⋅ 0,1 L = 0,05 mol 0,1L

0,05 mol 0,05 mol → Vdissolució = = 0,02 L = 20 mL Vdissolució 2,5 M

Necessitem agafar 20 mL de la dissolució 2,5 M i diluir-la fins a tenir 100 mL.

107

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 108

3 Les solucions 62.

Quina és la quantitat mínima de HNO3 5M que ens cal per preparar 250 mL de solució de HNO3 0,5M? Inicialment hem de calcular els mols de solut que necessitem per preparar la dissolució 0,5 M. Després calcularem la quantitat de dissolució 5 M que necessitem per obtenir aquests mols de solut. M =

nsolut n → 0,5 M = solut → Vdissolució 0,25 L

→ nsolut = 0,5 M ⋅ 0,25 L = 0,125 mol → 5 M = 0,125 mol 0,125 mol = → Vdissolució = = 0,025 L = 25 mL Vdissolució 5M Necessitem agafar 25 mL de la dissolució 5M i diluir-la fins a tenir 250 mL. 63.

Quina és la quantitat màxima de HNO3 0,5M que es pot preparar a partir de 15 mL de HNO35M? Calculem els mols de solut que tenim en els 15 mL de dissolució 5M i veiem el volum de dissolució 0,5 M que contenen aquests mols: M = =

0,5 M =

nsolut Vdissolució

→ 5M =

nsolut → nsolut = 5 M ⋅ 0, 015 L = 7,5 ⋅ 10−3 mol 0,015 L

0,075 mol 0,075 mol → Vdissolució = = 0,15 L = 150 mL Vdissolució 0,5 M

Es podem preparar fins a 150 mL. 64.

Calcula quina quantitat de sulfat de coure (II) pentahidrat necessites per preparar 250 mL d’una solució que sigui 0,8M en sulfat de coure (II). A partir de l’expressió de la molaritat: M =

nsolut Vdissolució

→ 0, 8 M =

nsolut → nsolut = 0, 8 M ⋅ 0,25 L = 0,2 mol 0,25 L

Fórmula del sulfat de coure (II): CuSO4. Fórmula del sulfat de coure (II) pentahidratat: CuSO4 · 5 H2O. Per tenir 1 mol de sulfat de coure (II) necessitem 1 mol de sulfat de coure (II) pentahidratat, que és la substància que tenim per preparar la dissolució:

108

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 109

SOLUCIONARI

M (CuSO4 ⋅ 5 H2O) = 63,5 + 32 + 4 ⋅ 16 + 5 ⋅ (2 ⋅ 1 + 16) = = 249,5 g/mol → 0,2 mol de CuSO4 ⋅ 5 H2O ⋅ ⋅

65.

249,5 g de CuSO4 ⋅ 5 H2O 1 mol de CuSO4 ⋅ 5 H2O

= 49,9 g de CuSO4 ⋅ 5 H2O

Calcula la molaritat de la solució que resulta d’afegir 10 mL de HNO3 comercial, del 67 % de riquesa i 1,4 g/mL de densitat, a 80 mL de HNO3 0,8 M. Cal suposar que els volums són additius. Calculem els mols de solut que hi ha a cadascuna de les fraccions que afegim: • 10 mL de HNO3 comercial, del 67% de riquesa i 1,4 g/mL de densitat: d àcid comercial =

màcid comercial → Vàcid comercial

→ màcid comercial = d àcid comercial ⋅ Vàcid comercial = 1, 4 = 14 g d'àcid comercial ⋅

67 g de HNO3 100 g d'àcid comercial

g ⋅ 10 mL = mL = 9,38 g de HNO3

Llavors:

M (HNO3) = 1 + 14 + 3 ⋅ 16 = 63 g/mol → → 9,38 g de HNO3 ⋅

1mol de HNO3 63 g de HNO3

= 0,15 mol

• 80 mL de HNO3 0,8 M: M =

nsolut Vdissolució

→ 0, 8 M =

nsolut → nsolut = 0, 8 M ⋅ 0, 08 L = 0,064 mol 0,08 L

Llavors: M =

66.

nsolut 0,15 + 0, 064 mol →M = = 2, 38 Vdissolució (10 + 80) ⋅ 10−3 L L

Quina molaritat té un àcid clorhídric comercial del 37 % de riquesa i 1,18 g/mL de densitat? La concentració és una propietat intensiva. Per tant, n’hi ha prou d’agafar una quantitat qualsevol d’àcid comercial i referir-nos-hi per fer tots els càlculs. Partim de 100 g de HCl comercial 37 g de HCl pur.

109

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 110

3 Les solucions Cal determinar els mols de solut que representa aquesta quantitat i el volum que ocupen els 100 g de l’àcid comercial:

M (HCl) =1 + 35,5 = 36,5 g/mol → → 37 g de HCl ⋅

1mol de HCl = 1,014 mol de HCl 36,5 g de HCl

Per tant: 100 g m m →V = = = 84,75 mL → g V d 1,18 mL nsolut 1,014 mol →M = = 11,93 M →M = Vdissolució 0,085 L

d =

67.

Si barregem 3,7 L de NaCl 0,1 M amb 5,1 L 0,2 M, suposant que els volums són additius, és a dir que el volum final és de 8,8 L. Quina serà la concentració de la dissolució final? 3,7 L de NaCl 0,1 M són: 3,7 L ⋅ 0,1

mol = 0,37 mol de NaCl L

5,1 L de NaCl 0,2 M són: 5,1L ⋅ 0,2

mol = 1,02 mol de NaCl L

El total de mols de NaCl són: 0,37 + 1,02= 1,39 mol. El volum total de la dissolució és 8,8 L. Per tant, la concentració final és: 1,39 mol NaCl = 0,158 M 8,8L 68.

Quina quantitat d’aigua hem d’afegir a 15 mL de metanol (CH3OH) per tenir una solució 0,9 m? Dada: la densitat del metanol és 0,8 g/mL. nsolut m= mdissolvent (kg) Calculem la massa equivalent als 15 mL de metanol: d =

110

m g → m = d ⋅ V = 0,8 ⋅ 15 mL = 12 g V mL

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 111

SOLUCIONARI

Calculem els mols de metanol que representa aquesta quantitat:

M (CH3OH) = 12 + 4 ⋅ 1 + 16 = 32 g/mol → 12 g de metanol ⋅

1mol de metanol 32 g de metanol

= 0,375 mol de metanol

Llavors: m=

nsolut 0,375 mol → → 0,9 m = mdissolvent (kg) mdissolvent (kg)

→ mdissolvent (kg) =

0,375 mol = 0,417 kg 0,9 m

Suposem que la densitat de l’aigua és 1 g/mL → 417 mL d’aigua. 69.

Calcula la molalitat d’una solució que conté 25,0 g de sucre de canya, C12H22O11 , dissolts en 150 g d’aigua. molalitat =

mols solut kg dissolvent

Primer calculem la massa molar del sucre de canya C12H22O11 M (C12H22O11) = 12 ·12 + 22 · 1 + 11 · 16 = 342 g/mol Després calculem els mols de solut equivalents: 25 g C12H22O11 ⋅

1mol C12H22O11 = 0,073 mol C12H22O11 342g C12H22O11

Aleshores, la molalitat és igual a: m =

70.

0,073mol C12H22O11 = 0,48 m 0,150kg H2O

Quanta aigua hem d’afegir a 15 mL de metanol (CH3OH) per tenir una solució en què la fracció molar del dissolvent sigui de 0,9? Dada: la densitat del metanol és 0,8 g/mL. Calculem els mols que representen els 15 mL de metanol d’aquestes característiques. Per fer-ho calculem la massa equivalent als 15 mL de metanol: d =

m m g →d = → m = d ⋅ V = 0,8 ⋅ 15 mL = mL V V

Calculem els mols de metanol que representa aquesta quantitat:

111

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 112

3 Les solucions M (CH3OH) = 12 + 4,1 + 16 = 32 g/mol → → 12 g de metanol ⋅

1mol de metanol 32 g de metanol

= 0,375 mol de metanol

Llavors: nd nd → 0, 9 = → 0, 9 ⋅ 0, 375 + 0, 9 ⋅ nd = nd → n s + nd 0, 375 + nd 0, 3375 → 0, 9 ⋅ 0, 375 = nd − 0, 9 ⋅ nd = 0,1 ⋅ nd → nd = = 3,375 mol 0,1

Xd =

Calculem la massa d’aigua equivalent: 3,375 mol de H2O ⋅ 71.

18 g de H2O = 60,75 g de H2O 1mol de H2O

En una solució que conté 20 g d’etanol, C2H6O per cada 100 g d’aigua. Calcula la molalitat i la fracció molar. Primer calculem la molalitat: molalitat =

mols solut kgdissolvent

Necessitem saber la massa molar de l’etanol C2H6O. M (C2H6O) = 2 ·12 + 6 · 1 + 1 · 16 = 46 g/mol. Després calculem els mols de solut equivalents: 20 g C2H6O ⋅

1mol C2H6O = 0,43 mol C2H6O 46 g C2H6O

Aleshores, la molalitat és igual a:

m=

0,43mol C2H6O = 4,3 m 0,100kg H2O

Ara calculem la fracció molar: Xs =

mols solut mols solut + molsdissolvent

Xd =

molsdissolvent mols solut + molsdissolvent

mols de solut = 0,43 mols d’etanol C2H6O mols dissolvent:

112

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 113

SOLUCIONARI

Calculem la massa molar del dissolvent H2O M (H2O) = 2 · 1 + 1 · 16 = 18 g/mol. Després calculem els mols equivalents: 100 g H2O ⋅

1mol H2O = 5,5 mol H2O 18 g H2O

Aleshores, la fracció molar és igual a:

72.

Xs =

0,43 0,43 mol solut = = 0,072 nt 5,93 0,43 mol solut + 5,5 molsdissolven

Xd =

5,5 5,5 mol dissolvent = = 0,927. 5,93 0,43 mol solut + 5,5 molsdissoolvent

Tenim un àcid nítric (HNO3) comercial del 67% de riquesa i 1,4 g/mL de densitat. Calcula’n la concentració i expressa-la com a molaritat, molalitat i fracció molar. La concentració és una propietat intensiva. Per tant, n’hi ha prou d’agafar una quantitat qualsevol de l’àcid comercial i referir-nos-hi per fer tots els càlculs. Partim de 100g de HNO3 comercial → 67 g de HNO3 pur + 33 g d’aigua. Hem de determinar els mols de solut que representa aquesta quantitat i el volum que ocupen els 100 g de l’àcid comercial:

M (HNO3) = 1 + 14 + 3 ⋅ 16 = 63 g/mol → 67 g de HNO3 ⋅

1mol de HNO3 63 g de HNO3

= 1,063 mol de HNO3

Llavors: 100 g m m →V = = = 71,43 mL → g V d 1,4 mL nsolut 1,063 mol mol →M = = 14,88 → →M = −3 Vdissolució L 71, 43 ⋅ 10 L d =

→m=


=

1,063 mol = 32,21m 33 ⋅ 10−3 kg

I resta: Xs =

ns 1,063 mol = = 0, 367 33 g n s + nd 1,063 mol + 18 g/mol

113

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 114

3 Les solucions 73.

Tenim un solució d’àcid sulfúric (H2SO4) 2 M d’1,15 g/mL de densitat. Expressa la seva concentració com a molalitat, fracció molar i percentatge en massa. La concentració és una propietat intensiva. Per tant, n’hi ha prou amb agafar una quantitat qualsevol de l’àcid comercial i referir-nos-hi per fer tots els càlculs. Partim d’1 L de H2SO4 2 M. Calculem la massa de solut i de dissolvent que hi ha en ell. Per fer-ho ens cal utilitzar la densitat de la dissolució: M =

nsolut → nsolut = M ⋅ V = 2 M ⋅ 1 L = 2 mol Vdissolució

Amb la massa molar: M (H2SO4) = 2 ⋅ 1 + 32 + 4 ⋅ 16 = 98 g/mol → 2 mol de H2SO4 ⋅

98 g de H2SO4 1 mol de H2SO4

= 196 g de H2SO4

I resta: m m →d = → mdissolució = V V g ⋅ 1.000 mL = 1.150 g ⋅ Vdissolucció = 1,15 mL

d = = d dissolució Llavors:

mdissolvent = mdissolució − msolut = 1.150 g − 196 g = 954 g • m= • Xs =

•

74.


=

2 mol = 2,1m 0,954 kg

ns 2 mol = = 3,64 ⋅ 10−2 954 g n s + nd 2 mol + 18 g/mol

massa solut 196 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 17, 04 % massa dissolució 1.150

S’ha preparat una solució de Na2SO4 2 M en aigua. Quina quantitat n’hauríem d’agafar per estar segurs que tenim 500 mg de Na? Segons l’estequiometria del compost, 1 mol de Na2SO4 té 2 mols d’àtoms de Na. Si calculem els mols de Na que hi ha a 500 mg, podem determinar els mols de Na2SO4 equivalents. Amb això podrem determinar el volum de la dissolució que cal agafar per tenir aquesta

114

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 115

SOLUCIONARI

quantitat de solut: 0,5 g de Na ⋅

1mol de Na 23 g de Na

→ 2,17 ⋅ 10−2 mol de Na ⋅ M = → Vdissolució

75.

= 2,17 ⋅ 10−2 mol de Na →

1mol de Na2SO4 2 mol de Na

nsolut

→ 2M =

= 1, 09 ⋅ 10−2 mol de Na2SO4

1, 09 ⋅ 10−2 mol → Vdissolució

Vdissolució 1, 09 ⋅ 10−2 mol = = 5, 45 ⋅ 10−3 L = 5,45 mL 2M

Es prepara una solució dissolent 20 g de CaCl2 en aigua, fins a obtenir 250 mL. Quina és la concentració de cadascun dels ions que resulten d’aquesta sal? Calculem la concentració de la sal i, per la seva estequiometria, calculem la concentració de cadascun dels seus ions:

M (CaCl2) = 40,1 + 2 ⋅ 35,5 = 111,1 g/mol → → 20 g de CaCl2 ⋅ →M =

1mol de CaCl2 111,1 g de CaCl2 nsolut Vdissolució

=

= 0,18 mol de CaCl2 →

0,18 mol = 0,72 M 0,25 L

• CaCl2 → Ca2+ + 2 Cl1− 0,72 mol de CaCl2 ⋅

2 mol de Cl 1 mol de CaCl2

→ 0,72 mol de CaCl2 ⋅

76.

= 1,44 M en Cl →

1mol de Ca 1 mol de CaCl2

= 0,72 M en Ca

S’ha preparat una solució barrejant 100 mL de CaCl2 2 M amb 150 mL de NaCl 1,5 M. Quina concentració dels ions clorur hi haurà a la solució obtinguda? Cal suposar que els volums són additius. Segons l’estequiometria dels compostos, la dissolució que és 2 M en CaCl2 és 4 M en C −. La dissolució que és 1,5 M en NaCl és 1,5 M en ions C −. Calculem els mols d’ions clorur que hi ha en cadascuna de les dissolucions que barregem: • Per la dissolució de CaCl2:

115

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 116

3 Les solucions nsolut = M ⋅ V = 4 M ⋅ 0,1 L = 0,4 mol • Per la dissolució de NaCl: nsolut = M ⋅ V = 1,5 M ⋅ 0,15 L = 0,225 mol Per tant: M =

77.

(0, 4 + 0,225) mol nsolut = = 2,5 M Vdissolució (0,1 + 0,15) L

Intentem dissoldre 50 g de nitrat de potassi en 50 mL d’aigua. Com ens ho farem si la temperatura al laboratori és de 25 °C? Pots obtenir la informació que et calgui a la gràfica de la pàgina 86. A 25 ºC la solubilitat del nitrat de potassi és 65 g/100 mL d’aigua. Per tal que es pugin dissoldre 100 g/100 mL cal escalfar-ho per damunt de 47 ºC.

78.

Observa la figura 3.11 de la pàgina 86 que mostra la solubilitat del sucre en aigua i respon les qüestions següents: a) Què passarà si intentem dissoldre 250 g de sucre en 100 mL d’aigua a 20 ºC? I si escalfem a 50 ºC? b) Quina és la màxima quantitat de sucre que podem dissoldre en 200 mL d’aigua a 60 ºC? c) Què passarà quan la solució anterior es refredi a 20 ºC? d) Quina quantitat de sucre quedarà sense dissoldre si tirem 1 kg de sucre en 200 mL d’aigua a 60 ºC? a) La solubilitat del sucre a 20 ºC és aproximadament 200 g/100 ml d’aigua. La quantitat màxima que es dissoldrà serà 200 g i la resta (250 g – 200 g = 50 g) quedarà sense dissoldre’s dins el recipient. Si escalfem a 50 ºC com que la solubilitat augmenta i aproximadament és 270 g/ 100 ml d’aigua, els 250 g de sucre quedaran totalment dissolts. b) La solubilitat del sucre a 60 ºC és aproximadament 300 g/100 ml d’aigua, per tant la màxima quantitat de sucre que es podrà dissoldre en 200 ml d’aigua és de 600 g. c) La solubilitat disminueix en baixar la temperatura i com que la solubilitat a 20 ºC és aproximadament 200 g/100 ml d’aigua, en 200 ml d’aigua es dissoldran un màxim de 400 g de sucre i restaran 200 g de sucre sense dissoldre dins el recipient. d) La solubilitat del sucre a 60 ºC és aproximadament 300 g/100 ml d’aigua. En 200 ml d’aigua es dissoldran un màxim de 600 g, i per tant quedaran sense dissoldre 400 g.

116

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 117

SOLUCIONARI

79.

Observa atentament el gràfic de la figura 3.14 de la pàgina 87 i determina en quant disminueix la quantitat de diòxid de carboni dissolt en cada litre d’aigua quan la temperatura passa de 20 a 60 ºC. La solubilitat en aigua del diòxid de carboni a 20 ºC és aproximadament de 0,7 mg/L i a 60 ºC és de 0,3 mg/L. Aleshores per cada litre d’aigua quan la temperatura augmenta de 20 ºC a 60 ºC la solubilitat del CO2 disminueix en 0,7 – 0,3 = 0,4 mg/L.

80.

Observa la figura 3.12 de la pàgina 86. Determina al més aproximadament possible la solubilitat de les següents sals a la temperatura de 40 ºC: a) NaClO3

d) K2CrO4

b) KNO3

e) NaCl

c) Pb(NO3)2

f ) KCl

a) A 40 ºC la solubilitat del NaClO3 és aproximadament 128 g/100 g H2O. b) A 40 ºC la solubilitat del KNO3 és aproximadament 85 g/100 g H2O. c) A 40 ºC la solubilitat del Pb(NO3)2 és aproximadament 82 g/100 g H2O. d) A 40 ºC la solubilitat del K2CrO4 és aproximadament 69 g/100 g H2O. e) A 40 ºC la solubilitat del NaCl és aproximadament 38 g/100 g H2O. f ) A 40 ºC la solubilitat del KCl és aproximadament 33 g/100 g H2O. 81.

A la taula següent s’indiquen algunes propietats físiques de diferents substàncies a pressió atmosfèrica.

Substància

Punt de fusió (ºC)

Punt d’ebullició (ºC)

Solubilitat en aigua (g/100 g)

Densitat (kg/L)

benzè

5,5

80,1

0,07

0,879

brom

–7,1

58,8

3,51

3,12

metà

–182,5

–161,5

0,0022

6,7 · 10–4

oxigen

–218,8

–183,0

0,0040

1,3 · 10–3

clorur de sodi

801

1.473

36,5

2,16

aigua

0

100

–

1,00

117

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 118

3 Les solucions Raona les qüestions següents: a) Identifica l’estat en què es troben cadascuna d’aquestes substàncies a la temperatura de 25 ºC Substància

Estat físic

benzè

líquid

brom

líquid

metà

gas

oxigen

gas

clorur de sodi

sòlid

aigua

líquid

b) Si el benzè està a una temperatura de 0 ºC, en quin estat es troba? El benzè a la temperatura de O ºC és un sòlid. c) Es poden dissoldre 400 g de sal en un litre d’aigua? No es poden dissoldre perquè un litre d’aigua admet 365 g de NaCl com a màxim; per tant quedaran al fons sense dissoldre’s 35 g. d) Justifica per què un recipient tancat amb dissolució de brom no es pot exposar al sol. El brom té un punt d’ebullició molt baix (58 ºC) si s’exposa al sol on li tocaran temperatures ben altes, el brom pot passar a estat gasós, fer augmentar la pressió interna del recipient i trobar-se en perill d’una explosió. e) Sovint a les mines s’acumula gas metà, on creus que s’acumula, al fons o a la part superior del túnel? Tenint en compte que la densitat de l’aire és semblant a la de l’oxigen i donat que la densitat del metà (6,7 · 10–4 kg/L) és inferior a la densitat de l’oxigen (1,3 · 10 –3 kg/L), el gas metà acumulat a les mines es trobarà a la part superior del túnel.

82.

Calcula la pressió de vapor d’una solució que conté 150 g de sacarosa, C12H22O11, en 100 g d’aigua a 25 °C, tot sabent que la pressió de vapor de l’aigua pura a aquesta temperatura és de 23,8 mm de Hg. Segons la llei de Raoult: ΔP = Po ⋅ X s

118

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 119

SOLUCIONARI

En el nostre cas, el solut és la sacarosa i el dissolvent és l’aigua. Per saber la fracció molar del solut: Xs =

150 g C12H22O11 ·

1mol C12H22O11 = 0, 44 mol C12H22O11 342 g C12H22O11

100 g H2O ·

Xs =

ns n s + nd

1mol H2O = 5,5 mol H2O 18 g H2O

0,44 mol C12H22O11 = 0,074 0,44 mol C12H22O11 + 5,5 mol H2O

La pressió de vapor del dissolvent P0, correspon a la pressió de vapor de l’aigua a 25 ºC.

P0 = 23,8 mmHg Substituint a l’expressió: ΔP = P0 ⋅ X s ΔP = 23,8 mm Hg · 0,074 = 1,76 mm Hg I aleshores P = P0 – ΔP = 23,8 mmHg – 1,76 mm Hg = 22,04 mm Hg

83.

A 80 °C la pressió de vapor del benzè (C6H6) és d’1 atm. Calcula la quantitat d’hexà (C6H14) que hem d’afegir a 200 g de benzè perquè la seva pressió de vapor sigui de 700 mm de Hg. Segons la llei de Raoult: ΔP = P0 ⋅ X s → 760 − 700 = 760 ⋅ X s → 760 − 700 → Xs = = 0, 079 760 Podem calcular els mols de benzè (dissolvent):

→ nbenzè

M (benzè) = 6 ⋅ 12 + 6 ⋅ 1 = 78 g/mol → 1mol de benzè = 200 g de benzè ⋅ = 2,56 mol de benzè 78 g de benzè

119

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 120

3 Les solucions Per tant: ns ns → 0, 079 = → n s + nd ns + 2,56 → 0, 079 ⋅ ns + 0, 079 ⋅ 2,56 = ns → 0,202 = ns − 0, 079 ⋅ ns = 0,202 = 0,219 mol = 0, 921 ⋅ ns → ns = 0, 921 Xs =

Llavors:

M (hexà) = 6 ⋅ 12 + 14 ⋅ 1 = 86 g/mol → → 0,219 mol d'hexà ⋅

84.

86 g d'hexà 1 mol d'hexà

= 18,83 g d'hexà

Calcula la pressió de vapor a 80 °C d’una solució que es prepara dissolent 30 mL de glicerina (C3H803) en 70 mL d’aigua. Dades: pressió de vapor de l’aigua a 80 °C = 355 mm de Hg; densitat de la glicerina = 1,26 g/mL; densitat de l’aigua = 1 g/mL. Segons la llei de Raoult: ΔP = P0 ⋅ X s → P0 − P = P0 ⋅

ns ns → P = P0 − P0 ⋅ n s + nd n s + nd

Amb la dada de la densitat, calculem la massa de cadascuna de les substàncies i, amb la massa molar, els mols equivalents a aquesta massa: m m →d = → mglicerina = d glicerina ⋅ Vglicerina = V V g = 1,26 ⋅ 30 mL = 37,8 g → mL g ⋅ 70 mL = 70 g → maigua = d aigua ⋅ Vaigua = 1 mL

d =

M (glicerina) = 3 ⋅ 12 + 8 ⋅ 1 + 3 ⋅ 16 = 92 g/mol M (H2O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol Per tant: 37,8 g 92 g/mol = 209 mm Hg P = 355 mm Hg − 355 mm Hg ⋅ 70 g 37,8 g + 18 g/mol 92 g/mol 85.

120

Troba la pressió de vapor d’una dissolució de 9 g de glucosa (C6H12O6) en 180 g d’aigua a 20 ºC, si la pressió de l’aigua a aquesta temperatura és de 18 mm de Hg.

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 121

SOLUCIONARI

Per calcular el nombre de mols de cada substància ens cal saber la massa molar. Per a la glucosa M (C6H12O6 ) = 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 180 g/mol n = 9 g glucosa ⋅

1 mol glucosa = 0,05 mol de glucosa 180 g glucosa

Per a l’aigua M (H2O ) = 2 · 1 + 1 · 16 = 18 g/mol n = 180 g H2O ⋅

1 mol H2O = 10 mol H2O 18 g H2O

Aleshores: ΔP = Po ⋅ X s = Po ⋅

0, 05 mol ns = 18 mm Hg · = 0,05 mol +1 0 mol ns + nd

= 0,089 mm Hg

I la pressió de vapor serà:

P = P0 – ΔP= 18 mmHg – 0,089 mm Hg = 17,91 mm Hg P = 17, 91 mm Hg.

86.

Calcula la temperatura a la que es congela i bull la dissolució del problema anterior a la pressió atmosfèrica. Per calcular la temperatura d’ebullició: º C ⋅ kg 0, 05 mol n = 0,14 º C ΔT = K e ⋅ m = K e ⋅ = 0,52 · 0,18 kg mdissolvent (kg) mol

I la temperatura d’ebullició de la solució serà:

T = T0 + ΔT = 100 ºC + 0,14 ºC = 100,14 ºC Per calcular la temperatura de congelació: ΔT = K c ⋅ m = 0 K c ⋅

n º C ⋅ kg 0, 05mol = 0,52 º C = 1,86 · 0,18 kg mdissolvent (kg) mol

I la temperatura a la qual la solució es congela serà: T = T0 – ΔT = 0 ºC – 0,52 ºC = – 0,52 ºC 87.

Si es dissolen 4 g d’una substància en 50 g de benzè, s’obté una solució que bull a 85 °C. Esbrina si la substància que s’hi ha dissolt és metanal (HCHO) o etanal (CH3-CHO). Tens les dades necessàries a la taula de la pàgina 90.

121

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 122

3 Les solucions Ara tenim: Δt = K e ⋅ m = K e ⋅ = 2,64 4

ns → (85 − 80) ºC = mdissolvent (kg)

ºC ⋅ kg ns 5 ⋅ 0, 05 ⋅ → ns = = mol 0,05 kg 2,64

= 0,0947 mol → M (molar solut) =

4 g solut = 42,24 g/mol 0,0947 mol

M (metanal): 2 ⋅ 1 + 12 + 16 = 30 g/mol M (etanal): 4 ⋅ 1 + 2 ⋅ 12 + 16 = 44 g/mol La substància dissolta és etanal. 88.

Quin seria el punt d’ebullició de la solució que s’ha obtingut l’exercici anterior si el solut que es dissol en benzè fos una altra substància? Δt = K e ⋅ m = K e ⋅

ns mdissolvent (kg)

→

4g ºC ⋅ kg 30 g/mol → Δt = 2,64 ⋅ = 7 ºC 0,05 kg mol Punt d’ebullició del benzè = 80 ºC + 7 ºC = 87 ºC 89.

Quin serà el punt d’ebullició d’una solució de 4,7 g de glucosa (C6H12O6) en 88 g d’aigua. La glucosa no es dissocia en dissolució. Tens les dades necessàries a la taula de la pàgina 90. 1 mol de glucosa (C6H12O6) pesa 180,16 g 4,7 g de C6H12O6 ⋅

1 mol = 0,026 mol C6H12O6 180,16 g C6H12O6

Trobem la molalitat: m=

0,026 mol C6H12O6 = 0,295 m 0,088 kg H2O

ΔT = T – Te = Ke · m = 0,51 · 0,295 = 0,150 ºC I el punt d’ebullició de la solució serà:

T = T0 + ΔT = 100 ºC + 0,150 ºC = 100,150 ºC 90.

122

Calcula el descens de la temperatura de congelació i l’augment de la temperatura d’ebullició d’una dissolució d’urea en aigua de concentració 0,2 molal.

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 123

SOLUCIONARI

La temperatura de congelació: ΔT = K c ⋅ m = 1,86 · 0 ,2 = 0 ,372 º C

T = T0 – ΔT = 0 ºC – 0,372 ºC = – 0,372 ºC La temperatura d’ebullició: ΔT = K e ⋅ m = 0,52 ⋅ 0,2 = 0,1 04 º C

T = T0 + ΔT = 100 ºC + 0,104 ºC = 100,104 ºC 91.

Determina la massa molar d’una substància si en dissoldre’n 17 g en 150 g de benzè s’obté una mescla que es congela a –4 ºC. Cerca les dades que necessitis a la taula de la pàgina 91. ΔT = K c ⋅ m = K c ⋅ → (6 − (−4)) ºC = 5, 07

ns mdissolvent (kg)

→

ºC ⋅ kg ns ⋅ → mol 0,15 kg

10 ⋅ 0,15 = 0,296 mol → 5, 07 17 g solut → Mmolar solut = = 57,43 g/mol 0,296 mol → ns =

92.

S’ha preparat una dissolució A formada per 1,8 g de glucosa (C6H12O6) en 100 g d’aigua i una dissolució B formada per 1,8 g de sacarosa (C12H22O11) també en 100 g d’aigua. Esbrina quina de les dues dissolucions es congelarà a temperatura més baixa. En primer lloc calculem la molalitat d’aquestes dues solucions: molalitat =

mols solut kgd issolvent

Per a la solució A:

M (C6H12O6) = 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 180 g/mol n = 1,8 g C 6H12 O6 ⋅

1 mol C6H12 O6 180 g C6H12 O6

= 0,01 mol C 6H12 O6


0,01 mol C 6H12O 6 0,100 kg H 2O

= 0,1 m

123

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 124

3 Les solucions Per a la solució B:

M (C12H22O11) = 12 · 12 + 22 · 1 + 11 · 16 = 342 g/mol n = 1,8 g C12H22O11 ⋅

1 mol C12H22O11 = 5,2 ⋅ 10-3 mol C12H22O11 342 g C12H22O11


5,2 ⋅ 10 –3 mol C12H22O11 = 0,052 m 0,100 kg H2O

Calculem ara la temperatura de congelació: Per a la solució A: ΔT = K c ⋅ m = 1,86

º C ⋅ kg 0,1 mol · = 0,186 º C mol kg

T = T0 – ΔT = 0 ºC – 0,186 ºC = – 0,186 º Per a la solució B: ΔT = K c ⋅ m = 1,86

º C ⋅ kg 0,052 mol · = 0,097 º C mol kg

T = T0 – ΔT = 0 ºC – 0,097 ºC = – 0,097 ºC Per tant, la solució A de glucosa (C6H12O6) es congelarà a temperatura més baixa. 93.

Una substància A es dissol en aigua i s’obté una dissolució que conté 4,7 g de A per 287 g d’aigua. Si aquesta solució té un punt de solidificació de 0,153 ºC sota zero, quina serà la massa molecular de A? Sabem que el Kc = 1,86 ºC · kg/mol i que el descens del punt de fusió és de 0,153 ºC, per tant podem trobar la molalitat de la dissolució resultant substituint a: ΔT = K c ⋅ m 0,153 º C = 1,86

º C ⋅ kg · m mol

m = 0,0822 Ara hem de trobar la massa molecular, és a dir, la massa d’un mol de substància: 1 mol de A ⋅

M = 199,2 g/mol

124

1 kg H2O 4,7 g A = 199,2 g A ⋅ 0,0822 mol A 0,287 kg H2O

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 125

SOLUCIONARI

94.

L’albúmina és una proteïna de l’ou. Calcula la massa molar de l’albúmina si una solució de 50 g d’albúmina per litre d’aigua exerceix una pressió osmòtica de 27 mm Hg a 25 °C. Tenim: π = M ⋅ R ⋅T =

ns Vdissolució (L)

⋅ R ⋅T →

atm ⋅ L n 27 mm Hg = s ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K → mm Hg 1L mol ⋅ K 760 atm 27 mm Hg = 1,4 454 ⋅ 10−3 mol → ns = mm Hg atm ⋅ L 760 ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K mol ⋅ K atm →

Per tant: 50 g g = 34 390 → massa molar de l’albúmina. 1, 454 ⋅ 10−3 mol mol

95.

Un recipient té dos compartiments iguals separats per una membrana semipermeable. En un d’ells s’hi col·loca una solució que s’ha preparat dissolent 50 g de sacarosa (C12H22O11) en aigua fins a obtenir mig litre de mescla, i en l’altre, una solució que s’ha preparat en dissoldre 50 g de glucosa (C6H12O6) en aigua fins a obtenir mig litre de mescla. Com estaran, l’endemà, els nivells de líquid als dos compartiments? Hem de determinar la pressió osmòtica de totes dues dissolucions. Si són isotòniques, no hi haurà trànsit de molècules de dissolvent a través de la membrana semipermeable; però si no és així, passarà dissolvent des de la dissolució hipotònica a la hipertònica fins que s’igualin les pressions. Les dues dissolucions estaran a la mateixa temperatura. Per tal d’obtenir un resultat numèric comparable, suposarem que estan a 20 ºC. M (glucosa, C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol 50 g π = M ⋅ R ⋅ T → π glucosa = ⋅ 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

ns 180 0 g/ mol ⋅ R ⋅T = ⋅ Vdissolució (L) 0,5 L

⋅ (273 + 20) K = 13,35 atm → 50 g

→ π glucosa =

ns 180 g/ mol ⋅ R ⋅T = ⋅ Vdissolució (L) 0,5 L

125

945335 _ 0081-0126.qxd

30/12/08

16:39

Página 126

3 Les solucions M (sacarosa, C12H22O11) = 12 ⋅ 12 + 22 ⋅ 1 + 11 ⋅ 16 = 342 g/mol Per tant: 50 g π sacarosa = ⋅ 0, 082

ns 342 g/ mol ⋅ R ⋅T = ⋅ Vdissolució (L) 0,5 L

atm ⋅ L mol ⋅ K

⋅ (273 + 20) K = 7,03 atm

El nivell de líquid a la dissolució de glucosa haurà augmentat, perquè passarà aigua de la dissolució de sacarosa a la de glucosa. 96.

El sèrum fisiològic té una pressió osmòtica de 7,7 atm a 37 °C. a) Creus que es pot injectar a una persona un sèrum glucosat que s’ha preparat afegint 20 g de glucosa (C6H12O6) a l’aigua destil·lada fins a obtenir un volum de 200 mL? b) Explica per què. Es tracta de determinar si el sèrum glucosat té una pressió osmòtica similar a la del sèrum fisiològic: π = M ⋅ R ⋅T

M (glucosa, C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol Per tant: π = M ⋅ R ⋅ T → π glucosa =

ns Vdissolució (L)

⋅ R ⋅T =

20 g =

atm ⋅ L 18 80 g/ mol ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 37) K = 14,12 atm 0,2 L mol ⋅ K

Aquest sèrum glucosat és hipertònic respecte del sèrum fisiològic. Això vol dir que sortirà aigua de l’interior de les cèl·lules.

126

945335 _ 0127-0148.qxd

4

8/1/09

12:12

Página 127

Els àtoms

PRESENTACIÓ En aquesta unitat s’estudia l’àtom com a l’element bàsic que conforma la matèria. A la unitat 1 ha estat introduït el model atòmic de Dalton. S’hi estudia el procés històric que, a partir de l’evidència de la naturalesa elèctrica de la matèria i el descobriment de partícules subatòmiques, va portar a la formulació d’altres models atòmics diferents. Aquests models van sorgir arran dels descobriments científics que s’anaven produint. L’alternança entre observacions experimentals i hipòtesis (models) com a explicació dels fets observats, permet donar a conèixer a l’alumnat com s’ha construït el coneixement científic sobre l’àtom. S’introdueix el model ondulatori i corpuscular de la llum i es justifica el model atòmic de Bohr com a model explicatiu de l’espectre de l’àtom d’hidrogen. És important que l’alumnat entengui que l’estudi del problema que ens ocupa va motivar la necessitat de formular novament les bases de la mateixa física, que adopta una dimensió nova en l’àmbit de la física quàntica. Finalment, s’introdueix de forma qualitativa el model atòmic actual.

127

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 128

4 Els àtoms OBJECTIUS • Reconèixer el caràcter creatiu del treball científic, en particular en la fase d’elaboració d’hipòtesis i construcció de models, analitzant i comparant hipòtesis i teories contraposades, amb la finalitat de desenvolupar un pensament crític. • Conèixer els fets experimentals que van servir de base per establir cadascun dels models atòmics (de Thomson, de Rutherford i de Bohr). • Analitzar, de manera crítica, la consistència de cada model amb noves troballes experimentals i modificar-los en conseqüència. • Conèixer de manera qualitativa els principis teòrics que van servir de base per establir el model atòmic mecanoquàntic. • Comprendre i interpretar espectres atòmics senzills. • Comprendre el significat dels nombres quàntics com a determinants de l’estat en què es troba un electró en un àtom.

CONTINGUTS • Interpretació de les experiències que van portar al descobriment de la naturalesa elèctrica de la matèria i en concret de les partícules subatòmiques. • Representació d’un àtom d’acord amb els models de Thomson i de Rutherford • Evidències experimentals que justifiquen cadascun d’aquests models o que obliguen a la seva reformulació. • Evidenciació experimental dels isòtops a través de l’espectroscòpia de masses. • Caracterització del nombre atòmic com a criteri per identificar els elements. • Descripció del model ondulatori i corpuscular de la llum. • Estudi dels diferents tipus d’espectres i la seva obtenció. • Interpretació qualitativa de l’espectre atòmic d’emissió de l’hidrogen mitjançant el model atòmic de Bohr. • Ampliació del model atòmic de Bohr amb la introducció dels orbitals atòmics.

128

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 129


COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en indagació i experimentació, que implica la capacitat de fer-se preguntes i portar a terme investigacions per obtenir respostes. • Comprensió de la naturalesa de la ciència, que implica saber distingir entre ciència i d’altres formes de coneixement. En concret, l’elaboració de models que expliquen uns fets, que són contrastats per uns altres i que impliquen l’elaboració de nous models. El coneixement científic és susceptible de ser revisat i modificat si es troben evidències que no encaixen en les teories vigents. • Competència en la comprensió, en apropiar-se dels conceptes, models i principis fonamentals de la química per tal d’utilitzar-los per explicar i interpretar el món fisicoquímic.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DE BATXILLERAT • Competència comunicativa, que implica saber descriure fets, explicar-los, justificar-los i argumentar-los. Això suposa promoure discusions sobre les evidències experimentals, la idoneïtat dels models proposats per interpretar els fets químics i la lectura i interpretació de textos i il·lustracions. • Competència en gestió i tractament de la informació i competència digital, que implica la utilització de fonts bibliogràfiques i els recursos que hi ha a la xarxa per trobar informació sobre el desenvolupament històric dels diferents models atòmics.

CONNEXIONS AMB ALTRES MATÈRIES DE BATXILLERAT • L’ús del llenguatge per comunicar per escrit i oralment la construcció i compartició del coneixement químic, com també la lectura comprensiva de textos i la recerca d’informació impliquen una connexió necessària amb les llengües. • En aquesta unitat les connexions amb la física són nombroses: els models atòmics, les propietats de les partícules elementals i les interaccions entre matèria i les radiacions electromagnètiques.

129

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 130

4 Els àtoms CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Conèixer i saber descriure els experiments que van portar al descobriment de les partícules subatòmiques. 2. Conèixer i saber descriure els diferents models atòmics i justificar-los a partir dels fets experimentals. 3. Caracteritzar els àtoms a partir del seu nombre atòmic i el nombre de massa. 4. Definir el concepte d’isòtop i calcular la massa atòmica d’un element a partir de les masses dels seus isòtops i les seves abundàncies relatives. 5. Saber descriure i identificar els diferents tipus d’espectres i la seva obtenció. 6. Fer càlculs de la freqüència, longitud d’ona i energia d’una radiació electromagnètica. 7. Descriure el model atòmic de Bohr i utilitzar-lo per explicar l’espectre discontinu de l’hidrogen. 8. Comprendre els conceptes de probabilitat electrònica, núvol electrònic i orbital. 9. Conèixer els tipus d’orbitals i els nombres quàntics que els determinen.

130

945335 _ 0005-0048.qxd

14/1/09

11:52

Página 9

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 132

4 Els àtoms 1.

Amb el que ara saps del model atòmic de Thomson, explica per què quan uns cossos es freguen adquireixen electricitat positiva, i d’altres, negativa. Per què s’atrauen els cossos que tenen un tipus diferent d’electricitat i es repel·len els que la tenen del mateix tipus? Segons el model de Thompson, els àtoms estan formats per una massa de càrrega positiva en què hi ha inserides partícules petites de càrrega negativa: els electrons. Els àtoms són neutres i la càrrega positiva que duen coincideix amb el nombre d’electrons. Quan es frega un cos pot produir-se un moviment d’electrons. Mentre que uns cossos guanyen electrons per fregament i, per tant, es carreguen positivament, n’hi ha d’altres que en perden i, per tant, es carreguen negativament. Quan els cossos amb càrrega diferent s’apropen, s’atrauen perquè els electrons tracten de distribuir-se un altre cop per recuperar la neutralitat inicial de la matèria. Per aquest motiu, quan els cossos amb càrrega del mateix signe s’apropen, es repel·leixen, ja que no hi ha cap manera possible de recuperar la neutralitat interna entre ells.

2.

Al model atòmic de Thomson, se’l coneix en alguns llibres com el model del «púding de panses». Per què et sembla que li han posat aquest nom? El púding és un pastís amb una massa que s’assembla força a la del bescuit i amb panses a dintre. Recorda els àtoms de Thompson, formats per una massa de càrrega positiva en què hi havia partícules petites de càrrega negativa (els electrons).

3.

Si el nucli d’un àtom tingués 1 metre de radi, quin seria el radi de l’àtom? Com que el radi de l’àtom és unes 10.000 vegades més gran que el del nucli, si el radi del nucli tingués 1 m, el de l’àtom tindria 10.000 m, és a dir, 10 km.

4.

Per què diem que l’àtom és buit? Diem que l’àtom és buit perquè pràcticament tota la massa està concentrada en el nucli, que té una mida molt petita comparada amb la de tot l’àtom.

5.

La figura 4.21 mostra el resultat que s’ha obtingut de l’espectrometria de masses del magnesi natural: a) Quants ions hi ha? b) Quina és la massa atòmica relativa d’aquests ions? c) Quina és la proporció relativa dels ions? d) Calcula la massa atòmica relativa del magnesi. a) Hi ha tres ions. b) Les masses atòmiques relatives dels ions són, respectivament, 24, 25 i 26. c) La proporció relativa és 80 % de Mg-24, 10 % de Mg-25 i 10% de Mg-26.

132

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 133

SOLUCIONARI

d) La massa atòmica relativa del magnesi és: 24 · 0,80 + 25 · 0,10 + 26 · 0,10 = 24,3 6.

La massa atòmica de l’element potassi és 39,10. Hi ha tres isòtops d’aquest element: un de massa 38,96, un altre de 39,96 i un tercer de 40,96. El de massa 39,96 és tan escàs que el podem considerar irrellevant. Quina abundància hi ha de cadascun dels altres isòtops? Pressuposem que l’abundància de l’isòtop de massa 38,96 és x, la del de massa 40,96 és (100 − x), ja que l’abundància del de massa 39,96 és negligible: massa atòmica mitjana = massa del 1r isòtop ⋅ percentatge + massa del 2n isòtop ⋅ percentatge → 100 38, 96 ⋅ x + 40, 96 ⋅ (100 − x ) → → 39,10 = 100 → 39,10 ⋅ 100 = 38, 96 ⋅ x + 40, 96 ⋅ (100 − x ) = = 38, 96 ⋅ x + 4096 − 40, 96 ⋅ x → 186 → −38, 96 ⋅ x + 40, 96 ⋅ x = 4096 − 3910 → x = = 93 2 • Abundància de l’isòtop de massa 38,96: 93 %. • Abundància de l’isòtop de massa 40,96: 100 − 93 = 7 %.

7.

Indica quants protons, neutrons i electrons tenen les partícules següents. Identifica quines són isòtops del mateix element i quines són ions d’algun dels àtoms presents: a) b) c)

16 8

B C 2+ 17 8D 16 8

d) 167 E 1− e) 169 F 2− f) 167 G 16 8

B

16 8

C 2+

17 8

D

16 7

E−

16 9

F 2−

16 7

G

Protons

8

8

8

7

9

7

Neutrons

8

8

9

9

7

9

Electrons

8

6

8

8

11

7

Són isòtops del mateix element: 168 B, 178 D Són ions d’algun dels àtoms que hi ha presents: És catió del • 168 C 2+, és catió del a) 168 B • 167E −, és anió del f) 167 G

133

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 134

4 Els àtoms 8.

Quina longitud d’ona té una radiació d’una freqüència de 5 · 1015 Hz? c 3 · 108 m · s–1 λ = —— = ——————— = 6 · 10–8 m ν 5 · 1015 s–1

9.

Calcula els radis de les cinc òrbites primeres per a l’àtom d’hidrogen. Dada: a = 0,529 Å (1 Å = 10–10 m). Segons el model atòmic de Bohr el radi de l’òrbita és r = a · n 2. Radi (m)

Núm. d’òrbita

10.

1

0,529 · 10−10

2

2,116 · 10–10

3

4,761 · 10–10

4

8,464 · 10–10

5

13,225 · 10–10

Explica per què hi ha 5 orbitals d i 7 orbitals f. Els orbitals d tenen l = 2 com a valor del nombre quàntic (l ). Quan l = 2, el nombre quàntic magnètic pot tenir els valors −2, −1, 0, +1 i +2, i això vol dir que hi ha 5 orbitals del tipus d. Els orbitals f tenen de nombre quàntic l = 3. Quan l = 3, el nombre quàntic magnètic pot tenir els valors −3, −2, −1, 0, +1, +2 i +3, la qual cosa indica que hi ha 7 orbitals del tipus f.

11.

Indica si són possibles els conjunts de nombres quàntics següents. Si no ho són, fes les correccions necessàries perquè ho siguin (n, l, m, s): • (3, 0, 0, +1/2) • (4, 2, 2, 1/2) • (2, 1, 1, −1/2)

• (7, 2, 3, −1/2) • (0, 1, 0, 1/2 ) • (3, 0, 0, −1/2)

Els valors possibles dels nombres quàntics vénen determinats per les regles que s’especifiquen a la pàgina 121 del llibre de text. • (3, 0, 0, −1/2 ): és possible. • (4, 2, 2, 1/2 ): és possible. • (2, 1, 1, −1/2 ): és possible. • (7, 2, 3, −1/2 ): no és possible ja que, si l = 2, m només pot adoptar els valors 2, 1, 0, −1 i −2. • (0, 1, 0, 1/2 ): no és possible ja que el nombre quàntic n no pot valer 0. • (3, 0, 0, −1/2 ): és possible.

134

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 135

SOLUCIONARI

12.

Identifica l’orbital en què es troba cadascun dels electrons definits pels nombres quàntics de l’exercici anterior. • (3, 0, 0, +1/2): orbital 3s. • (4, 2, 2, 1/2): orbital 4d. • (2, 1, 1, −1/2): orbital 2p. • (3, 0, 0, −1/2): orbital 3s.

13.

Explica quants electrons hi pot haver en tots els orbitals del nivell n = 3. n

3

l

m

s

0

0

1

1

−1, 0, +1

3

2

−2, −1, 0, +1, +2

5

Nombre total d’orbitals

9

En el nivell n = 3 hi ha un orbital s, tres orbitals p i cinc orbitals d; en total, 9 orbitals. A cada orbital hi poden haver 2 electrons; per tant, en total hi haurà 18 electrons. 14.

Quan es provoca una descàrrega en un tub de buit es forma un feix lluminós entre el càtode i l’ànode. Com podríem esbrinar si són raigs catòdics o bé raigs canals? L’hem de sotmetre a l’acció d’un camp elèctric perpendicular al tub. Si el raig es desvia cap a la placa positiva, està format per partícules amb càrrega negativa, es tracta d’un raig catòdic (és a dir, procedeix del càtode). En cas contrari, seran raigs canals.

15.

Respon: a) Què vol dir que a totes les experiències efectuades en tubs de raigs catòdics, independentment del gas que hi hagués al seu interior, s’hi detectés la mateixa partícula? b) Què vol dir que a les experiències fetes en tubs de raigs canals s’hi detectés un partícula diferent, segons el gas que hi hagués a l’interior del tub? a) Que les partícules que formaven els raigs catòdics no depenien del gas que estava a dins del tub ni del material que formava el càtode, és a dir, que la partícula està present a tots els àtoms. b) Les partícules que componien els raigs canals depenien del gas de dins del tub, ja que aquestes partícules les formaven els ions positius originats en xocar els electrons que provenien del càtode amb les molècules del gas.

135

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 136

4 Els àtoms 16.

Explica per què l’experiència de la làmina d’or és una prova que l’àtom té un nucli molt petit i una «escorça» molt gran. El fet que una part molt petita de les partícules reboti quan topa amb la làmina d’or vol dir que la làmina té alguns punts on la càrrega positiva està molt concentrada. Aquests punts són els nuclis dels àtoms. I que la major part de les partícules travessin la làmina sense desviar-se vol dir que, majoritàriament, travessen l’àtom per zones on no hi ha càrregues: l’escorça de l’àtom, on hi ha els electrons girant, i que és molt més gran que el nucli.

17.

Rutherford va deduir que els àtoms tenen un nucli amb càrrega positiva i un embolcall amb electrons, de càrrega negativa. Com pot ser que els electrons es mantinguin a l’entorn del nucli i no en siguin atrets? Perquè estan girant al voltant del nucli. La velocitat de gir que duen fa que la força centrífuga compensi l’atracció gravitatòria.

18.

Tot seguit es mostren algunes característiques d’un conjunt d’espècies químiques. Completa la taula i respon: Element

Z

A

B

11

C

11

D

5

E

11

F

5

Nombre de neutrons

5

Nombre d’electrons

Càrrega

5

0

6

6

−2

6

0

20

8

+3

a) Quins pertanyen al mateix element químic? b) Quins són isòtops? Quins són anions? c) Quins representen espècies impossibles?

136

Element

Z

A

Nombre de neutrons


Càrrega

B

5

11

6

5

0

C

6

11

5

6

0

D

5

11

6

7

−2

E

11

5

6

F

11

20

9

0 8

+3

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 137

SOLUCIONARI

a) B i D pertanyen al mateix element químic perquè tenen el mateix Z. b) No hi ha isòtops perquè els que tenen el mateix Z també tenen un A idèntic. D és un anió de B. c) E representa una espècie impossible perquè A = Z + nombre de neutrons. 19.

Explica la frase següent: «Si l’energia no estigués quantificada, una radiació d’energia 4 i intensitat 10 produiria el mateix efecte que una altra d’energia 8 i intensitat 5». L’energia d’una radiació és l’energia de cadascun dels seus fotons. La seva intensitat ve determinada pel nombre de fotons que la integren. Si l’energia no estigués quantificada, una radiació d’energia 4 (cada fotó té energia 4) i intensitat 10, tindria una energia total de 4 · 10 = 40. Per tant, tindria la mateixa energia i produiria el mateix efecte que una altra radiació d’energia 8 i intensitat 5, ja que 8 · 5 = 40.

20.

Explica la frase següent: «L’energia mínima que ha de tenir la llum amb la qual s’il·lumina el càtode perquè s’hi produeixi un efecte fotoelèctric és diferent si el càtode és de ferro que si és d’alumini». Aquesta energia depèn de l’atracció que exerceixi el nucli sobre l’electró perifèric que es pretén arrencar, i que ve determinada per la càrrega nuclear i la distribució electrònica que és específica de cada element químic.

21.

Explica si són certes o no les afirmacions següents: a) Un electró que es troba en una òrbita de n = 2 és a una distància doble del nucli que un altre que és en una òrbita de n = 1. b) Un electró que es troba en una òrbita de n = 2 té la meitat d’energia que un altre que està en una òrbita de n = 1. c) Perquè un electró d’un àtom passi de l’òrbita de n = 2 a la de n = 3, cal que absorbeixi la mateixa quantitat d’energia que per passar de l’òrbita de n = 4 a la de n = 5. a) Fals. Segons Bohr, el radi de l’òrbita depèn de n (r = a · n2). Per tant, l’electró que està a l’òrbita 2 es troba a una distància del nucli quatre vegades més gran que la distància que separa l’electró que està a l’òrbita 1. b) Fals. Segons Bohr, l’energia d’un electró depèn de 1/n2 (E = b/n 2). Per tant, l’electró que està a l’òrbita 2 té una energia que és la quarta part de l’energia que té l’electró que està a l’òrbita 1. c) Fals. Perquè si tenim en compte la fórmula que permet calcular l’energia d’un electró en una òrbita:

137

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 138

4 Els àtoms E5 − E4 = −

⎛ b ⎞ b b b 9b − ⎜⎜− 2 ⎟⎟⎟ = − = 2 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 5 4 16 25 400

E3 − E2 = − 22.

⎛ b ⎞ b b b 5b − ⎜⎜− 2 ⎟⎟⎟ = − = 2 ⎜⎝ 2 ⎟⎠ 3 4 9 36

A partir del model atòmic de Bohr, explica per què l’espectre d’emissió d’un element és complementari del seu espectre d’absorció. L’espectre d’absorció el constitueixen totes les radiacions que absorbeixen els electrons d’un àtom quan passen d’un nivell d’energia a un altre de superior. Per obtenir-lo, s’il·lumina la mostra amb llum blanca i es recullen les radiacions després de passar per la mostra, en què hi faltaran les que han absorbit els àtoms de l’element en qüestió i es veuran ratlles negres sobre un fons de color. L’espectre d’emissió el constitueixen totes les radiacions que emeten els electrons d’un àtom que ha estat excitat quan tornen al nivells de menys energia fins que arriben al nivell fonamental. Aquest espectre el formen línies de color i cada una correspon a un trànsit. L’espectre d’absorció és el complementari del d’emissió perquè, a fi que un electró d’un àtom concret passi del nivell 1 al nivell 2, necessita absorbir la mateixa energia (E2 − E1) que la que emet quan passa del nivell 2 al nivell 1 (E1 − E2).

23.

S’ha excitat una mostra d’hidrogen, de manera que en tots els àtoms l’electró ha passat fins al nivell de n = 4. Estudia, amb l’ajut d’un esquema, quantes ratlles tindrà l’espectre d’emissió. Resposta:

n=4 n=3 n=2 n=1

A l’espectre d’emissió s’hi detectaran 5 ratlles. 24.

Explica si en un àtom poden haver-hi els nivells d’energia: a) 2d

c) 3p

e) 1p

g) 5d

b) 7s

d) 3f

f) 5f

h) 4d

a) Els orbitals d impliquen que l = 2. El valor màxim que el nombre quàntic l pot admetre és (n −1). Si n = 2, l només pot adoptar els valors 0 i 1; per consegüent, no poden existir orbitals d al nivell 2. b) Els orbitals s impliquen que l = 0. A tots els nivells d’energia hi ha orbitals s i, per tant, l’orbital 7s sí que existeix.

138

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 139

SOLUCIONARI

c) Els orbitals p impliquen que l = 1. Hi ha orbitals p a partir del segon nivell d’energia, ja que si n = 2, l només pot adoptar els valors 0 i 1. Per tant, l’orbital 3p sí que existeix. d) Els orbitals f impliquen que l = 3. Al nivell n = 3, l només pot adoptar els valors 0, 1 i 2; per consegüent, no pot existir l’orbital 3f. e) L’orbital 1p no existeix. Si n = 1, l només pot adoptar el valor 0, que és compatible amb els orbitals del tipus s. f) Els orbitals f impliquen que l = 3. Al nivell n = 5, l pot adoptar els valors 0, 1, 2, 3 i 4. Per tant, sí que pot existir l’orbital 5f. g) Els orbitals d impliquen que l = 2. El valor màxim que el nombre quàntic l pot admetre és (n − 1). Si n = 5, l pot adoptar els valors 0, 1, 2, 3 i 4; per consegüent, sí que poden existir orbitals en el nivell 5. h) Com ja s’ha explicat a l’apartat g), sí que hi poden haver orbitals 4d. 25.

Explica la diferència entre els conceptes d’òrbita i d’orbital. L’òrbita és un concepte del model atòmic de Bohr. I fa referència a la línia que l’electró traça quan descriu el moviment al voltant del nucli. L’orbital és un concepte del model mecanoquàntic de l’àtom. I fa referència a la regió de l’espai en què hi ha una probabilitat de trobar un electró superior al 90 %.

26.

Relaciona les frases següents amb el model o els models atòmics corresponents: a) b) c) d) e)

Model de Dalton Model de Thomson Model de Rutherford Model de Bohr Model mecanoquàntic

• Massa de càrrega positiva. b) • Electró amb moviment ondulatori. e) • Explica l’espectre de l’àtom d’hidrogen. d) • Nombre quàntic n. d) • Electrons als orbitals. e) • Partícula indivisible. a)

• • • • • • •

Nombre quàntic m. e) Explica tots els espectres atòmics. e) Quantificació de l’energia. e) Electrons girant al voltant d’un nucli. c) Nivell d’energia. d) Electrons descrivint òrbites. d) Probabilitat de trobar un electró. e)

139

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 140

4 Els àtoms 27.

Omple les caselles del quadre corresponents als models atòmics estudiats al llarg d’aquesta unitat: Model

Esquema

Fets que explica

Fets que no explica

Dalton Thomson Rutherford Bohr Shrödinger

Model

140

Esquema

Fets que explica

Fets que no explica

Dalton

• Les lleis ponderals.

• L’electrització de la matèria. • Fenòmens produïts en tubs de descàrrega.

Thomson

• L’electrització de la matèria. • Fenòmens produïts en tubs de descàrrega.

• L’experiència de la làmina d’or.

Rutherford

• L’experiència de la làmina d’or.

• Que els electrons no acabin caient damunt el nucli. • Els espectres atòmics.

Bohr

• L’efecte fotoelèctric. • L’espectre dels àtoms • Que els electrons no polielectrònics. acabin caient damunt • La configuració el nucli. electrònica • L’espectre de l’àtom de H. dels àtoms. • La complementarietat de l’espectre d’absorció i d’emissió. • L’espectre és característic de cada element.

Shrödinger

• L’espectre dels àtoms polielectrònics. • Els quatre nombres quàntics. • La configuració electrònica dels àtoms.

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 141

SOLUCIONARI

28.

L’electró d’un àtom d’hidrogen prèviament excitat ocupa el nivell n = 3. Justifica quantes radiacions diferents podrà emetre quan retorni al seu estat fonamental. Només pot emetre 3 radiacions que corresponen als salts energètics: de n = 3 a n = 2, de n = 3 a n = 1, i de n = 2 a n = 1.

29.

L’isòtop més comú d’un element A té de massa atòmica 20 i el d’un element B també. Quina d’aquestes hipòtesis és correcta? a) A i B són isòtops. b) A i B tenen el mateix nombre de protons. c) A i B tenen el mateix nombre de protons més el nombre de neutrons. d) A i B tenen el mateix nombre d’electrons. La solució c), ja que en tenir la mateixa massa, només podem assegurar que tenen el mateix nombre de protons més el nombre de neutrons. Són elements diferents, per tant, no poden tenir el mateix nombre de protons ni ser isòtops.

30.

Ordena el següents fets per ordre cronològic: a) Descobriment dels neutrons. b) Model atòmic de Rutherford. c) Descobriment dels electrons. d) Model atòmic de Bohr. e) Descobriment del nucli atòmic. f) Model atòmic de Thomson. g) Descobriment dels protons. 1) Descobriment dels electrons. 2) Model atòmic de Thomson. 3) Descobriment dels protons. 4) Descobriment del nucli atòmic. 5) Model atòmic de Rutherford. 6) Descobriment dels neutrons. 7) Model atòmic de Bohr.

141

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 142

4 Els àtoms 31.

Els llums de neó consisteixen en un tub de vidre a l’interior del qual hi ha aquest gas a baixa pressió. Explica perquè: a) Aquests llums necessiten una font de corrent elèctric. b) La llum que emeten és diferent a la que s’obtindria si en lloc de neó hi hagués un altre gas, per exemple argó. a) Quan el gas és sotmès a una diferència de potencial elèctric, els electrons absorbeixen energia i salten a nivells superiors. Aquests electrons excitats tornen a saltar a nivells inferiors desprenent energia en forma de radiació electromagnètica. b) La configuració electrònica de cada gas és diferent; per tant, també seran diferents tots els possibles salts electrònics d’un nivell a un altre.

32.

A partir de la seva situació a la taula periòdica, indica el nombre atòmic, el nombre de massa i el nombre de protons, electrons i neutrons dels àtoms següents: 35

Cl, 37Cl, 65Cu, 214Pb, 12C, 13C , 235U, 210Tl 35

Cl Z = 17 A = 35, electrons = 17, protons = 17, neutrons = 18

37

Cl Z = 17 A = 37, electrons = 17, protons = 17, neutrons = 20

65

Cu Z = 29 A = 65, electrons = 29, protons = 29, neutrons = 36 Pb Z = 82 A = 214, electrons = 82, protons = 82, neutrons = 132

214 12

C

Z = 6 A = 12, electrons = 6, protons = 6, neutrons =

6

13

C

Z = 6 A = 13, electrons = 6, protons = 6, neutrons =

7

U Z = 92 A = 235, electrons = 92, protons = 92, neutrons = 143

235

Tl Z = 81 A = 210, electrons = 81, protons = 81, neutrons = 129

210

33.

L’hidrogen natural està format per dos isòtops, el proti de nombre de massa 1 (que és el més abundant) i el deuteri de massa 2. a) Indica el nombre de protons, neutrons i electrons de cada d’aquests àtoms. b) L’òxid del deuteri rep el nom d’aigua pesant i és utilitzat en reactors atòmics. Per què creus que rep aquest nom? a) El proti té 1 electró, 1 protó i 0 neutrons. El deuteri té 1 electró, 1 protó i 1 neutró. b) S’anomena aigua pesant perquè els àtoms d’hidrogen que formen aquest òxid tenen el doble de massa que els que hi ha a les molècules d’aigua.

34.

Explica quants electrons hi poden haver en el conjunt d’orbitals 3s, 2p i 4f. A cada nivell energètic només hi ha un orbital s, que correspon a l = 0; per tant, en el 3s poden haver-hi 2 electrons.

142

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 143

SOLUCIONARI

D’orbitals p n’hi ha 3 que corresponen a l = 1; per tant, m = −1, 0, 1. Això vol dir que a 2p poden haver-hi 6 electrons, 2 a cada orbital. El nombre d’orbitals f de cada nivell és 7, que correspon a l = 3; per tant, m = −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3. El nombre total d’electrons a 4f serà 14. 35.

Explica el significat d’aquests termes: núvol electrònic, òrbita i orbital Un núvol electrònic és una representació tridimensional de les posicions que ocupa un electró en un àtom. Una òrbita és la línia que suposava Bohr que descrivia un electró en girar al voltant del nucli. Orbital és una zona de l’àtom on la probabilitat de trobar un electró és màxima.

36.

Explica per què en un àtom no hi ha 5 orbitals 2d ni 7 orbitals 3f. En el nivell n = 2 els valors del nombre quàntic l només poden ser l = 0 (orbital s) i l = 1 (orbital p); per tant, no hi ha orbitals d que corresponguin a l = 2. En el nivell n = 3 els valors del número quàntic l són l = 0 (orbital s), l = 1 (orbital p) i l = 2 (orbital d); per tant, no hi ha orbitals f que corresponguin a l = 3.

37.

Indica si són possibles el conjunts de nombres quàntics següents i, si no ho són, fes les correccions que calgui perquè siguin possibles. a) (2, 1, 0, +1/2)

d) (6, 4, 5, −1/2)

b) (3, 3, 0, −1/2)

e) (1, 1, 0, 1/2)

c) (4, 0, 0, −1/2)

f) (5, 2, 2, 1/2)

a) (2, 1, 0, +1/2): és possible b) (3, 3, 0, −1/2): no és possible, ja que si n = 3, els valors de l només poden ser 0, 1, i 2. El (3, 2, 0, −1/2): és possible. c) (4, 0, 0, −1/2): és possible. d) (6, 4, 5, −1/2): no és possible, ja que si l = 4, els valors de m només poden ser: −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3 i 4. Seria possible el (6, 4, 4, −1/2). e) (1, 1, 0, 1/2): no és possible, ja que si n = 1, la l només potser 0, seria el (1, 0, 0, 1/2). f) (5, 2, 2, 1/2): és possible.

143

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 144

4 Els àtoms 38.

Identifica l’orbital en què es troba cadascun dels electrons definits pels nombres quàntics de l’exercici anterior. a) 2 p (2, 1, 0) d) 6f (6, 4, 4)

39.

c) 4s (4, 0, 0) f ) 5d (5, 2, 2)

Quins nombres quàntics pots aplicar, sense dubtar-ho, als orbitals següents? a) 3d

c) 4s

b) 7f

d) 2p a) (3, 2)

40.

b) 3d (3, 2, 0) e) 1s (1, 0, 0)

b) (7, 3)

c) (4, 0)

d) (2, 1)

Explica quants electrons hi pot haver en tots els orbitals de la capa 2. I de la capa 4? A n = 2 poden haver-hi 1 orbital s i 3 orbitals p, en total 4 orbitals i per tant 8 electrons. A la capa n = 4 poden haver-hi 1 orbital s, 3 p, 5 d i 7 f. En total 16 orbitals i 32 electrons. També podem aplicar la fórmula: N = 2n2; per a n = 2 resulten N = 8 electrons, i per a n = 4 obtenim N = 32 electrons.

41.

Què vol dir que no podem tenir una probabilitat del 100 % que l’electró estigui en un punt determinat de l’àtom? El principi d’incertesa (Heisenberg, 1927) diu que és impossible saber amb exactitud la posició d’un electró, ja que per conèixer-la necessitaríem il·luminar l’electró, que, en rebre el fotó, sortiria disparat i canviaria de posició.

42.

Un àtom té un radi d’uns 10–10 m. Quants àtoms es poden col·locar, l’un darrere l’altre, per cobrir una longitud d’un centímetre? 1 cm = 10–2 m diàmetre d’un àtom = 2 · 10–10m 10–2 m nombre d’àtoms = ————— = 5 · 107 àtoms –10 2 · 10 m

43.

Suposant l’àtom i el nucli de forma esfèrica, quantes vegades és més gran el volum de l’àtom que el del nucli? Recorda que el volum d’una esfera és 4/3π r3. Suposem que el radi del nucli és r, el radi de l’àtom serà r · 104 Volum de l’àtom 4/3 p · r3 · 1012 ———————— = ——————— = 1012 volum del nucli 4/3 p · r3 El volum de l’àtom és 1012 vegades més gran que el del nucli.

144

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 145

SOLUCIONARI

44.

L’element bor el componen dos isòtops: un anomenat 10B, que té de massa 10,013 i hi és present en un 19,6 %, i l’altre, anomenat 11B, que té de massa 11,009 i hi és en un 80,4 %. Quina és la massa atòmica de l’element bor? Massa atòmica = 19,6 · 0,10013 + 80,4 · 0,11009 = 1,96 + 8,85 = =10,81.

45.

Quan l’electró d’un àtom d’hidrogen, prèviament excitat, fa la transició electrònica dels nivells principals n = 5 a n = 4, emet radiació electromagnètica de freqüència ν = 7,4 · 1013 s–1. Calcula la diferència d’energies entre aquests nivells quàntics.

E = h · ν = 6,62 · 10–34J · s · 7,4 · 1013 s–1= 4,89 · 10–20 J 46.

A partir de les dades de l’apartat 3.1, calcula: a) La massa en kg d’un mol de protons, un mol d’electrons i un mol de neutrons. b) La càrrega en coulombs d’un mol de cada una d’aquestes partícules 1,673 · 10–27 kg a) 1 mol de protons = 6,02 · 1023 protons · ————————— = 1 protó = 10,07 · 10–4 kg 1,675 · 10–27 kg 1 mol de neutrons = 6,02 · 1023 neutrons · ————————— = 1 neutró = 10,08 · 10–4 kg La massa dels protons i dels neutrons és pràcticament igual. 9,110· 10–31 kg 1 mol d’electrons = 6,02 · 1023 electrons · ————————— = 1 electró = 5,48 · 10–7 kg 1,6 · 10–19 coulombs b) 1 mol de protons = 6,02 · 1023 protons · —————————— = 1 protó = 9,63 · 104 coulombs Els protons i els electrons tenen la mateixa càrrega, els neutrons són neutres (càrrega 0).

47.

Un llum vermell emet una radiació de 680 nm. Calcula: a) L’energia de cada fotó corresponent a aquesta radiació. b) L’energia d’un mol d’aquests fotons.

145

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 146

4 Els àtoms a) λ = 680 nm = 680 · 10–9 m c 3 · 108 ms–1 ν = —— = ——————— = 4,4 · 1014s–1 λ 680 · 10–9m E = h · ν = 6,62 · 10–34Js · 4,4 · 1014s–1 = 2,9 · 10–19 J. b) 6,02 · 1023 fotons · 2,9 · 10–19 J/fotó = 17,45 · 104 J. 48.

L’oxigen té tres isòtops. a) Calcula la massa atòmica relativa de l’oxigen a partir de les dades següents: Isòtops

Massa (u)

Abundància (%)

16

O

15,9949

99,759

17

O

16,9991

0,037

18

O

17,9992

0,204

b) Explica com es poden determinar els isòtops que forma l’oxigen natural i les seves respectives masses atòmiques. a) massa atòmica relativa = 15,9949 · 0,99759 + 16,9991 · 0,00037 + + 17,9992 · 0,00204 = 15,9564 + 0,006289 + 0.03671 = 15,9994 b) L’aparell que permet determinar els isòtops d’un element i la seva abundància és l’espectròmetre de masses. 49.

El silici natural conté el 92 % d’àtoms de silici-28, el 5 % de silici-29 i el 30 % de silici-30. a) Calculeu la massa atòmica relativa del silici. b) Indiqueu el nombre de protons, neutrons i electrons que té cada un dels isòtops. c) L’espectròmetre de masses permet calcular la massa i la abundància dels isòtops d’un element. Explica el seu funcionament. a) El primer que veiem a l’enunciat del problema és que els percentatges de les quantitats indicades no sumen 100, per això cal suposar que en lloc de un 30 % de Si-30, el que conté el silici natural és un 3% de Si-30. Massa atòmica relativa del Si = 0,92 · 28 + 0,05 · 29 + 0,030 · 30 = = 25,76 + 1,45 + 0, 9 = 28,1. El nombre atòmic del silici és 14. Si-28 14 electrons, 14 protons i 14 neutrons Si-29 14 electrons, 14 protons i 15 neutrons Si-30 14 electrons, 14 protons i 16 neutrons

146

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

12:12

Página 147

SOLUCIONARI

c) En principi es vaporitza la mostra que es vol analitzar (vegeu figura 4.20 del llibre de text). El gas passa a una cambra d’ionització, on rep un feix d’electrons que n’ionitza els àtoms. A continuació, els ions són accelerats per mitjà d’un camp elèctric i desviats per un camp magnètic. Les trajectòries que segueixen els ions depenen de les seves masses i de les seves càrregues, i, en ser detectats, es poden calcular aquests valors.

50.

El neó té dos isòtops de 20 i 22 unitats de massa. Si el percentatge d’abundància és del 90 % i 10 % respectivament, calcula: a) El nombre de protons, neutrons i electrons de cadascun d’ells. b) La massa atòmica relativa del neó. a) Ne-20, 10 electrons, 10 protons i 10 neutrons. Ne-22, 10 electrons, 10 protons i 12 neutrons. b) Massa atòmica relativa del Ne = 0,90 · 20 + 0,1 · 22 = 20,2.

51.

Suposem que un àtom de fluor (Z = 9, A = 19) és una esfera de 10–10 metres de diàmetre i que el seu nucli és una esfera de 10–14 m de diàmetre. Calcula: a) El nombre de protons, neutrons i electrons d’un àtom de fluor. b) El volum d’un àtom i el volum del nucli. c) A partir de la massa de cada una de les partícules (vegeu l’apartat 3.1), la densitat d’un àtom i la densitat del nucli. a) 9 electrons, 9 protons i 10 neutrons. ⎛ –10 4 π · r3 = — 4 ⋅ 3,14 ⋅ ⎜⎜ 10 b) Volum de l’àtom = — ⎜⎝ 2 3 3

⎞⎟ ⎟⎟ = 5,2 ⋅ 10 –31 m3 ⎟⎠

–14 4 ⋅ 3,14 ⋅ ⎛⎜⎜ 10 4 π · r3 = — Volum del nucli = — ⎜ 3 3 ⎝ 2

⎞⎟ ⎟⎟ = 5, 2 ⋅ 10 –43 m3 ⎟⎠

3

3

Massa dels electrons = 9 · 9,110 · 10–31 = 8,199 · 10–30 kg Massa del nucli = 19 · 1,67 · 10–27 = 3,17 · 10–26 kg massa dels electrons + massa del nucli Densitat de l’àtom = ———————————————————— = 5,2 · 10–31 m3 8,199 · 10–30 kg + 3,17 · 10–26 kg = ———————————————— = 6,09 · 104 kg/m3 5,2 · 10–31 m3 3,17 · 10–26 kg Densitat del nucli = ———————— = 6,09 · 1017 kg/ m3 5,2 · 10–43 m3

147

945335 _ 0127-0148.qxd

8/1/09

4 NOTES

148

12:12

Página 148

945335 _ 0149-0168.qxd

5

8/1/09

12:13

Página 149

La taula periòdica dels elements

PRESENTACIÓ Aquesta unitat tracta d’un dels principals descobriments científics: la taula periòdica. S’inicia amb el desenvolupament històric de la classificació dels elements químics a partir de les seves propietats, des dels primers intents fins a la taula periòdica actual. A la unitat anterior s’ha estudiat l’àtom com a entitat; en aquesta es procedeix a l’estudi dels diferents àtoms i es prediuen o bé es justifiquen les propietats que presenten, tot analitzant-ne la relació amb la distribució dels electrons al voltant del nucli. En aquest sentit, es mostrarà l’evidència experimental de l’existència de nivells i subnivells energètics que a la unitat 4 s’havien introduït de manera teòrica. Finalment, la taula periòdica construïda a partir de les propietats dels elements químics es veurà íntimament lligada a l’estructura interna dels àtoms.

149

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 150

5 La taula periòdica dels elements OBJECTIUS • Reconèixer el caràcter creatiu del treball científic, en particular en l’ elaboració de la classificació dels elements químics.

• Conèixer els fets experimentals que demostren l’existència de nivells i subnivells d’energia dins l’àtom.

• Ser capaç d’elaborar de manera raonada la configuració electrònica d’un àtom i conèixer els principis en què es basa.

• Reconèixer el sistema periòdic com una conseqüència de la configuració electrònica dels àtoms

• Relacionar el valor de les propietats periòdiques d’un conjunt d’elements amb la configuració electrònica.

• Saber extraure tota la informació continguda a la taula periòdica sobre les diferents propietats dels elements i la seva variació.

CONTINGUTS • Descripció dels primers intents de classificació periòdica dels elements i establiment de la taula periòdica de Mendelejev i del concepte de periodicitat dels elements a partir de les seves propietats.

• Desenvolupament posterior de la taula periòdica fins a arribar a l’actual. • Evidència experimental de l’existència de nivells i subnivells d’energia a partir de la variació de les successives energies d’ionització.

• Distribució dels electrons en els diferents àtoms. • Relació entre la distribució dels electrons per nivells i subnivells i la posició dels elements a la taula periòdica.

• Definició de les diferents propietats i la seva variació periòdica. • Relació d’aquestes propietats i la seva variació amb la situació dels elements a la taula periòdica.

COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en indagació i experimentació, que implica la capacitat de fer-se preguntes i portar a terme investigacions per obtenir resposta.

• Comprensió de la naturalesa de la ciència, que implica saber distingir entre ciència i altres formes de coneixement. En concret, l’elaboració de mètodes empírics i arguments lògics per contrastar les hipòtesis i validar les teories proposades. El coneixement científic és susceptible de ser revisat i modificat si es troben evidències que no encaixen en les teories vigents.

• Competència en la interpretació de gràfics, en aquest cas dels que mostren la variació d’una propietat dels elements químics en funció d’una altra propietat o la seva situació a la taula periòdica.

150

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 151


CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DE BATXILLERAT • Competència comunicativa, que implica saber descriure fets, explicar-los, justificar-los i argumentar-los. Això suposa promoure discussions sobre les evidències experimentals, la idoneïtat dels models proposats per interpretar els fets químics i la lectura i la interpretació de textos i il·lustracions.

• Competència en gestió i tractament de la informació i competència digital, que implica la utilització de fonts bibliogràfiques i els recursos que hi ha a la xarxa per trobar informació sobre el desenvolupament històric dels diferents models atòmics.

CONNEXIONS AMB ALTRES MATÈRIES DE BATXILLERAT • L’ús del llenguatge per comunicar per escrit i oralment la construcció i la compartició del coneixement químic, igual com la lectura comprensiva dels textos i la recerca d’informació impliquen una connexió necessària amb les llengües.

• El coneixement de la classificació dels elements, de les seves propietats i de la relació amb la seva estructura interna es relaciona amb la biologia, en particular amb la bioquímica.

• A les ciències de la Terra i el medi ambient s’estudia l’obtenció d’elements químics a partir dels seus minerals.

CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Conèixer els criteris amb els quals es van elaborar els diferents intents de classificació dels elements fins a arribar a la taula periòdica actual. 2. Saber justificar l’existència de nivells i subnivells d’energia a partir dels valors de les diferents energies d’ionització d’un àtom. 3. Interpretar gràfics i saber treure’n conclusions sobre la variació de les propietats. 4. Fer configuracions electròniques i a partir d’elles situar els corresponents elements a la taula periòdica. 5. Definir les diferents propietats dels elements i conèixer-ne la variació a la taula periòdica. 6. Relacionar les propietats dels elements i les seves variacions amb l’estructura interna dels àtoms.

151

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 152

5 La taula periòdica dels elements 1.

Observa la figura 5.4. Creus que realment els elements d’una mateixa columna tenen propietats semblants? Es troben en aquestes columnes les tríades de Döbereiner? No tots els elements que formen una columna tenen propietats semblants. Així, a la primera columna hi ha fonamentalment els halògens, que són no-metalls, però també hi trobem el Co i el Ni que són metalls i tenen unes propietats molt diferents. A la segona columna tenim els metalls alcalins, però també hi ha el coure, que, malgrat tenir valència 1 com els altres, té unes propietats químiques i físiques diferents de les del grup. És a dir, els elements que actualment anomenem metalls de transició estan col·locats entre els elements dels grups principals. Es troben elements de les tríades de Döbereiner en una mateixa columna: el calci amb l’estronci, el clor amb el brom i el sofre amb el seleni.

2.

Al gràfic de la figura 5.6, on són els metalls alcalins?

Si unim amb una línia els metalls alcalins en el gràfic, es veu com aquests elements ocupen posicions semblants, és a dir, els seus punts de fusió són molt similars. El mateix succeeix amb els halògens. L’element amb la temperatura de fusió més alta és el carboni, després tenim el silici i els metalls de transició com Sc, Ti, V i Cr.

punts de fusió (ºC)

On són els halògens? Ocupen posicions semblants, els elements d’aquestes famílies químiques? Quins són els elements amb el punt de fusió més alt? 4.000 C 3.750 3.500 3.250 3.000 2.750 2.500 2.250 B 2.000 1.750 Sc Si 1.500 1.250 Be 1.000 750 500 250 Li Na K 0 −250 Cl F −500 0 10 20 30 40

V

Cr

Ti Mn

Ge As

Zn Ga Br 50

60

masses atòmiques relatives

3.

Observa la taula de la figura 5.10: • Com varia la temperatura de fusió i d’ebullició en el període? Quin element té aquests valors de temperatura més alts? • Com varia la densitat? Quin element té la densitat més baixa? Quin element la té més alta? • On se situen els elements que són gasos a temperatura ambient?

152

70

80

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 153

SOLUCIONARI

Els elements dels primers grups tenen punts de fusió i d’ebullició alts, i van augmentant fins al carboni. Els elements dels quatre últims grups tenen valors negatius i molt semblants d’aquestes temperatures. El carboni és l’element que té valors més alts d’aquestes temperatures. Amb la densitat passa el mateix, l’element que té la densitat més baixa és el liti i el que la té més alta és el carboni (diamant). Del liti al carboni augmenta i en els últims quatre grups també augmenta encara que els valors són molt semblants. Els elements que són gasos a temperatura ambient se situen a la dreta (grups 15,16,17 i 18). 4.

El nombre màxim d’electrons que hi pot haver en un nivell energètic ve donat per la fórmula, N = 2n2. a) Indica quants electrons hi ha en cada un dels tres primers nivells energètics. b) Indica els subnivells energètics i el nombre d’electrons de cadascun dels que hi ha al nivell n = 4. a) Per a:

b) n = 4

5.

Escriu la configuració electrònica dels elements següents: a) Ca

b) Sn a) b) c) d) e) f) g) h)

6.

n = 1 N = 2 · 12 = 2 electrons n = 2 N = 2 · 22 = 8 electrons n = 3 N = 2 · 32 = 18 electrons l = 0 subnivell s 2 electrons l = 1 subnivell p 6 electrons l = 2 subnivell d 10 electrons l = 3 subnivell f 14 electrons

c) Cs

Ca (Z = 20): Sn (Z = 50): Cs (Z = 55): N (Z = 7): I (Z = 53): Ba (Z = 56): Al (Z = 13): Xe (Z = 54):

d) N 2

2

6

e) I 2

6

f) Ba

g) Al

h) Xe

2

1s 2s 2p 3s 3p 4s 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p2 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s1 1s22s22p3 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p5 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2 1s22s22p63s23p1 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6

Estudia si les configuracions electròniques següents corresponen a un àtom en estat fonamental, en estat prohibit o en estat excitat: a) 1s22s22p64s1 b) 1s22s22p5

c) 1s22s22p73s2 d) 1s22s22p7

153

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 154

5 La taula periòdica dels elements a) Correspon a un àtom en estat excitat, ja que l’electró que es troba a l’orbital 4s no està situat a l’orbital de menys energia possible (aleshores seria el 3s). b) Correspon a un àtom en estat fonamental. Tots els electrons es troben a l’orbital de menys energia possible, i a cada orbital hi ha 2 electrons com a màxim (a conseqüència del principi d’exclusió). c) Correspon a un àtom en estat prohibit. És impossible que hi hagi 7 electrons als tres orbitals 2p. Perquè si fos així, en un dels orbitals hi hauria 3 electrons, la qual cosa indicaria que dos haurien de tenir els quatre nombres quàntics iguals. I això va contra el principi d’exclusió. d) Correspon també a un electró en estat prohibit. Igual que en el cas c) , no hi poden haver 7 electrons en els orbitals p. 7.

Les configuracions electròniques següents pertanyen a àtoms que no estan en estat fonamental. Explica el perquè i escriu la configuració que correspon a l’àtom en l’estat de menys energia possible: a) 1s22p3 b) 3s2

c) 1s22s22p63s23d2 d) 1s22s12p6

a) Hi ha electrons als orbitals 3p, i l’orbital 2s, que té menys energia, està buit (1s2 2s22p1). b) Si l’àtom només té dos electrons, han d’estar a l’orbital 1s i no pas al 3s, que té més energia (1s2 ). c) Segons el diagrama de Moeller, l’orbital 3d té més energia que el 3p i el 4s (1s2 2s22p6 3s23p2). d) L’orbital 2s té menys energia que els orbitals 2p. Per tant, abans que els electrons se situïn als orbitals 2p, cal omplir l’orbital 2s amb 2 electrons (1s2 2s22p5). 8.

Escriu la configuració electrònica del germani i indica els nombres quàntics que defineixen els seus electrons de l’últim nivell. Ge (Z = 32): 1s22s22p63s23p64s23d104p2 L’últim nivell del Ge és el 4, i en aquest nivell té 2 electrons a l’orbital 4s i els altres 2 als orbitals 4p (un a cadascun i desaparellats). Els conjunts de nombres quàntics que defineixen aquests electrons són: (4, 0, 0 +1/2); (4, 0, 0 −1/2); (4, 1, 1 +1/2); (4, 1, 0 +1/2) Nota: els dos últims electrons han de tenir el mateix espín (podria ser −1/2) i han d’estar a orbitals p diferents. (El nombre quàntic magnètic ha de ser diferent.)

154

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 155

SOLUCIONARI

9.

Escriu la configuració electrònica del calci i digues quants electrons hi ha en aquest àtom que tinguin el nombre quàntic l =1, i quants, l = 2. Ca (Z = 20): 1s22s22p63s23p64s2 El nombre quàntic l = 1 indica orbitals del tipus p. El Ca té 12 electrons d’aquesta mena (2p6 3p6). El nombre quàntic l = 2 indica orbitals del tipus d. El Ca no té electrons en aquests orbitals.

10.

Escriu la configuració electrònica d’un àtom excitat de sofre en el qual un electró de l’últim nivell ha saltat a l’orbital 4s. 1s2 2s22p6 3s23p34s1

11.

Què vol dir que un àtom està en un estat excitat? Doncs que no tots els seus electrons es troben a l’orbital amb menys energia possible. Algun ha absorbit energia i ha passat a un altre orbital amb més energia i, llavors, es diu que està en un estat excitat.

12.

Escriu la configuració electrònica del clor, prediu la seva valència i escriu la configuració electrònica de l’ió potassi. Cl (Z = 17): 1s22s22p63s23p5 València = −1, ja que si capta un electró assoleix la configuració del gas noble Ar: Cl−: 1s22s22p63s23p6

13.

Un ió té càrrega −3 i la configuració electrònica del Ne. De quin ió parlem? Del N3–, ja que el seu nombre atòmic és tres unitats més petit que el del Ne, i quan capta tres electrons adquireix càrrega −3 i la configuració del Ne.

14.

Tot observant la seva col·locació a la taula periòdica, especifica la configuració del nivell de valència de: a) Ar

c) Sn

b) Ga

d) Ba 2

e) Fe f) Br 6

a) Ar (3s 3p ); b) Ga (4s24p1); c) Sn (5s2p2); d) Ba (6s2); e) Fe (4s2 ); f) Br ( 4s24p5)

155

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 156

5 La taula periòdica dels elements 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

s1

s2

d1

d2

d3

d4

d5

d6

d7

d8

d9

d 10

p1

p2

p3

p4

p5

p6

ORBITALS

PERÍODE

GRUP Configuració electrònica

18

1

* 1 1S

1,0

H

1

He

Hidrogen 6,9

3

2s 2p

2

Li Liti

11

3s 3p

3

23,0

19

4

39,1

K Potassi

37

5s 4d 5p

5

6s 4f 5d 6p

6

85,5

Rb Rubidi

55

132,9

Cs Cesi

87

7s 5f 6d 7p

7

13

2 9,0

4

Be

B

Beril·li

12

Bor

24,3

(223)

40,1

Al 3

Calci 87,6

Bari (226)

138,9

(227)

Niobi

178,5

180,9

73

Ta

Hafni

104

Tàntal

(267)

Fr

Ra

Ac

Rf

Franci

Radi

Actini

Rutherfordi

105

(268)

Dubni

6

140,1

Ce Ceri

90

ACTÍNIDS

Crom

7

95,9

42

Molibdè 183,8

74

W Tungstè

106

(271)

Seaborgi

232,0

140,9

Ruteni

Pr

Os

Reni

Osmi

(272)

108

231,0

Ni

Cobalt

Níquel

102,9

45

(270)

Pal·ladi

192,2

195,1

78

Pt

Ir

Hassi

f3 61

(145)

Plata

(276)

110

f5 62

Gal·li

112,4

48

(281)

63

152,0

In Indi

Tl

Mercuri

Or

111

(280)

112

(285)

Tal·li

113

92

238,0

93

(237)

Europi

Samari

94

(244)

95

(243)

Ununbi

f7 64

65

28,1

Nitrogen

P

72,6

33

Germani 118,7

50

Estany 207,2

121,8

Pb Plom (289)

114

17 19,0

9

Seleni 127,6

52

F Fluor 35,5

17

Cl Clor 79,9

35

Br Brom 126,9

53

Te

Antimoni 209,0

83

79,0

34

Se

Sn Sb 82

32,1

Sofre

74,9

Arsènic

51

Oxigen

16

S

Fòsfor

Silici

32

31,0

15

Si

Tel·luri

84

(209,0)

I Iode

85

(210,0)

Bi

Po

At

Bismut

Poloni

Àstat

115

Heli 20,2

10

Ne Neó 39,9

18

Ar Argó 83,8

36

Kr Criptó 131,3

54

Xe Xenó

86

(222,0)

Rn Radó

(288)

Gadolini

96

Terbi

(247)

97

(247)

U

Np Pu Am Cm Bk

Tori

Protoactini

Urani

Neptuni

Berkeli

Curi

Ununquadi Ununpenti

f9

158,9

Pa

Americi

(284)

Ununtri

f8

157,2

Th

Plutoni

Carboni

16,0

8

O

N

C 14

16

14,0

Rg Uub Uut Uuq Uup

66

Nd Pm Sm Eu Gd Tb Prometi

204,4

81

Au Hg

f6

150,4

200,6

80

114,8

49

Cadmi

197,0

79

69,7

31

Zinc

107,9

Meitneri Darmstadti Roentgeni

f4

144,2

65,4

30

15 7

Zn Ga Ge As

Coure

47

Alumini

12

63,5

Cu

Platí

Iridi

109

11 29

Pd Ag Cd

Rodi

77

106,4

46

Hs Mt Ds

Bohri

Praseodimi Neodimi

91

190,2

76

Re

60

Co

Ru Rh

186,2

107

101,1

44

Tecneci

75

f2 59

162,5

f 10 67

164,9

f 11 68

f 12

167,3

168,9

69

f 13 70

173,0

f 14 71

175,0

Dy Ho

Er Tm Yb

Lu

Disprosi

Erbi

Luteci

98

(251)

Cf Californi

Holmi

99

(252)

100

Tuli

(257)

101

(258)

Iterbi

102

(259)

Es Fm Md No Einsteini

Fermi

Mendelevi

Nobeli

103

(262)

Lr Laurenci

Sn

Ba

Fe

Br

Grup

18

13

14

2

8

17

Període

3

4

5

6

4

4

6s2

4s23d6

4s23d104p5

3s23p6

4s23d104p1 5s24d105p2

En quin grup i en quin període estaran els elements la configuració del nivell de valència dels quals és: e) 5s24d9 f) 4s1 5s2

4s23d5

3s23p2

4s24p6

5s24d9

4s1

Grup

2

7

14

18

11

1

Període

5

4

3

4

5

4

Configuració del nivell de valència

156

(97,9)

58,7

28

12,0

Ga

a) 5s2 c) 3s23p2 2 5 b) 4s 3d d) 4s24p6

16.

Ferro

Manganès

43

10 58,9

27

14 6

Ar


15.

F

9 55,8

26

Cr Mn Fe

f1

F

8 54,9

25

Db Sg Bh

58

LANTÀNIDS

7 52,0

24

Nb Mo Tc

Hf

Lantani

92,9

41

Zirconi

72

La 89

Vanadi

91,2

Zr

Itri

57

6 50,9

23

V

Titani

40

Y

Ba 88

88,9

5 47,9

Ti

Escandi

39

Estronci 137,3

22

Sc

Sr 56

4 45,0

21

Ca 38

27,0

13

Magnesi

20

10,8

5

Na Mg Sodi

4s 3d 4p

4,0

2

Per què disminueix la mida dels àtoms d’un període a mesura que el seu nombre atòmic augmenta, si tots tenen els electrons de valència al mateix nivell?

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 157

SOLUCIONARI

A mesura que el nombre atòmic augmenta, van col·locant-se electrons en el mateix nivell de valència i, per tant, també augmenta la càrrega nuclear i, amb ella, l’atracció que sofreixen els electrons d’aquest nivell. 17.

Ordena els àtoms següents segons la seva mida: a) Si b) Ca c) F

d) O e) Rb f) I El volum atòmic (la mida) és una propietat periòdica. Per estudiar-lo en elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència: Si

Z

Ca

14 2

Configuració del nivell de valència 3s 3p

20 2

2

4s

F

O

9 2

2s 2p

8 5

2

2s 2p

4

Rb

I

37

53

1

5s

5s25p5

Els elements de més volum són els que tenen el nivell de valència més alt, perquè els electrons de valència estan més allunyats del nucli. En el mateix període, els que tinguin el nombre atòmic més gran tindran menys volum, ja que la seva càrrega nuclear serà més gran i atrauran amb més força els electrons de valència. L’ordre d’aquests elements és: Rb > I > Ca > Si > O > F Nota: segons el valor real d’aquesta propietat, l’ordre seria: Rb > Ca > I > Si > O > F. Aprofundir en la justificació de la seqüència exacta s’escapa del grau de coneixements d’aquest curs. Es manté, doncs, un raonament coherent, com el que s’ha estudiat a la unitat. 18.

Per què disminueix l’energia d’ionització dels àtoms d’un grup a mesura que el seu nombre atòmic augmenta? A mesura que el nombre atòmic augmenta, els àtoms dels elements del mateix grup tenen els seus electrons de valència a nivells més allunyats del nucli. Això fa que l’atracció que el nucli exerceix damunt d’ells disminueixi i que sigui més fàcil arrencar-los, cosa que implica menys energia d’ionització.

19.

Ordena, en ordre creixent de la seva energia d’ionització, els elements següents: a) Si b) Ca c) F

d) O e) Rb f ) Sr

157

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 158

5 La taula periòdica dels elements L’energia d’ionització és una propietat periòdica. Per estudiar-la en elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència: Si

Z

Ca

14 2


F

20 2

2

4s

O

9 2

2s 2p

8 5

2

2s 2p

4

Rb

Sr

37

38

1

5s2

5s

És més fàcil arrencar els electrons de valència als elements que tenen menys energia d’ionització. Dins un grup, això passarà més com més gran sigui el nombre atòmic, ja que aquests electrons cada cop estaran més allunyats del nucli. Dins un període succeirà com més petit sigui el nombre atòmic, perquè llavors exercirà menys atracció damunt els electrons de valència. L’ordre d’aquests elements és: Rb < Sr < Ca < Si < O < F 20.

Ordena els elements següents en ordre creixent d’afinitat electrònica: a) Cl c) F e) C

b) Si d) P f) Al L’afinitat electrònica és una propietat periòdica. Per estudiar-la en elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència:

Z Configuració del nivell de valència

Cl

Si

F

P

C

Al

17

14

9

15

6

13

3s23p5 3s23p2 2s22p5

3s23p3 2s22p2 3s23p1

Els elements de més afinitat electrònica són els que desprenen més energia quan capten un electró. Són els elements que, quan el capten, més s’apropen a la configuració del gas noble; és a dir, els elements del grup 17. Dins el grup, el Cl té més afinitat electrònica que el F, perquè el volum més petit d’aquest últim fa que les repulsions interelectròniques del nivell de valència prenguin importància, i per tant és més estable l’ió clorur que el fluorur. Com més gran és l’energia despresa més estable és l’anió format. L’ordre d’aquests elements és: Cl > F > C > P > Si > Al Nota: segons el valor real d’aquesta propietat, l’ordre seria: Cl > F > Si > C > P > Al. Aprofundir en la justificació de la seqüència exacta s’allunya del grau de coneixements d’aquest curs. 21.

158

Explica per què els elements que tenen una energia d’ionització elevada tenen una electronegativitat alta, i a l’inrevés.

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 159

SOLUCIONARI

Els elements amb una electronegativitat alta són aquells que exerceixen una forta atracció sobre els electrons d’enllaç. Això determina que siguin elements amb molta facilitat per captar electrons i molta dificultat per perdre’ls, fet que vol dir que tenen una energia d’ionització elevada.

22.

Ordena, en ordre creixent d’electronegativitat, els elements següents: a) Si

b) Ca

c) F

d) O

e) Rb

L’electronegativitat és una propietat periòdica. Per estudiar-la en uns elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència: Si

Z

Ca

14

20

2


F

3s 3p

2

O

9

2

2

4s

2s 2p

Rb

8 5

2

37

2s 2p

4

5s1

Els elements més electronegatius són els que tenen més energia d’ionització i més afinitat electrònica; per tant, són els que estan a la part superior i a la dreta de la taula periòdica, i a l’inrevés. L’ordre d’aquests elements és: F > O > Si > Ca > Rb

23.

Ordena, en ordre creixent del seu caràcter metàl·lic, els elements següents: a) Si c) F e) Rb b) Ca d) O f) Ga Justifica l’ordre que has triat a partir de la seva configuració electrònica. El caràcter metàl·lic d’un element té a veure amb la seva capacitat per formar ions positius; tenen, per tant, energies d’ionització baixes (electropositius). També es pot plantejar que els elements seran tant més metàl·lics com menys electronegatius siguin. Per estudiar-lo en uns elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència. Si

Z

Ca

14 2


20 2

2

4s

F

O

9 2

2s 2p

Rb

8 5

2

2s 2p

Ga

37 4

1

5s

31 2

4s 3d104p1

L’ordre d’aquests elements és: F < O < Si < Ga < Ca < Rb

159

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 160


Tot considerant que els metalls són conductors de l’electricitat i que els no-metalls no ho són, explica: a) Per què el carboni, en la seva presentació com a diamant, és aïllant? b) Per què el silici i el germani es fan servir com a semiconductors, a la indústria electrònica? c) Per què l’estany i el plom són materials conductors de l’electricitat? Tots aquests elements pertanyen al grup 14. Dins un grup, el caràcter metàl·lic augmenta a mesura que s’incrementa el nombre atòmic, perquè disminueix l’energia d’ionització i l’afinitat electrònica. El grup 14 ocupa una posició intermèdia a la taula periòdica. De manera que els primers elements del grup tenen un caràcter no-metàl·lic (el C), els del mig (Si i el Ge) són considerats semimetalls, i els últims (Sn, Pb) són clarament metàl·lics. Respecte al seu comportament elèctric, els metalls permeten el moviment dels electrons i el no-metalls no, i per això són aïllants. Els elements semimetàl·lics seran semiconductors. És a dir, segons les circumstàncies, es pot aconseguir que condueixin l’electricitat o bé que no ho facin.

25.

L’energia d’ionització de l’estat fonamental del sodi és 495,8 kJ· mol–1. Calcula l’energia necessària per ionitzar 10 g de sodi des del seu estat fonamental. 1 mol 495, 8 kJ 10 g de Na · ———— · ————— = 215,56 kJ 23 g 1 mol

26.

Les energies d’ionització del beril·li són: 900, 1.760, 14.900 i 21 kJ · mol–1. Què es pot dir sobre els nivells d’energia de l’àtom de beril·li? Primer de tot cal dir que el quart valor de les energies d’ionització està equivocat, ha de ser 21.000 kJ · ml–1 El beril·li té 4 electrons. Si observem els 4 valors de l’energia d’ionització, veurem que els dos primers són molt semblants, però hi ha molta diferència entre el segon i el tercer, que a la vegada no és tant diferent del quart. Això suposa que el beril·li té 2 electrons en un nivell més extern i 2 electrons en un nivell més intern. La seva configuració electrónica és, per tant: 1s22s2.

27.

Explica quants electrons hi pot haver en tots els orbitals de la capa 2. I de la capa 4? Hem de tenir en compte els valors possibles dels diferents nombres quàntics per determinar quants orbitals hi pot haver a cada capa, on hi poden haver dos electrons amb un nombre quàntic d’espín diferent:

160

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 161

SOLUCIONARI

n

Valor de l

Valor de m

Nombre d’orbitals

0

0

1

1

−1, 0, +1

3

2

28.

Nombre total d’orbitals

4

Nombre total d’electrons

8

Què vol dir que no podem tenir el 100 % de probabilitats que l’electró estigui en un punt determinat de l’àtom? El principi d’incertesa (Heisenberg, 1927) diu que és impossible saber amb exactitud la posició d’un electró, ja que per conèixer-la necessitaríem il·luminar l’electró, que, en rebre el fotó, sortiria disparat i canviaria de posició.

29.

Escriu la configuració electrònica de: a) Ar

b) Fe c) Sm Per a cada cas, cal localitzar el nombre atòmic de l’element i seguir les regles que s’especifiquen a la pàgina 139 del llibre de text. a) Ar (Z = 18): 1s22s22p63s23p6. b) Fe (Z = 26): 1s22s22p63s23p64s23d6. c) Sm (Z = 62): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f6. Nota: la configuració electrònica del Sm es fa seguint el diagrama de Moeller. Si el professorat ho considera oportú, pot explicar que la configuració real és 6s25d14f5

30.

Estudia si les configuracions electròniques següents corresponen a un àtom en estat fonamental, prohibit o excitat: a) 1s22s22p54s2 b) 1s22s22p63s23p3 c) 1s22s22p63s23p64s23d144p6 a) 1s2 2s22p5 4s2 correspon a un àtom en estat excitat, ja que els dos electrons últims no es troben al nivell de menys energia possible, que seria: 1s22s22p63s1. b) 1s2 2s22p6 3s23p3 correspon a un àtom en estat fonamental, i cal suposar que els electrons que hi ha als tres orbitals 3p estan desaparellats. c) 1s2 2s22p6 3s23p6 4s2 3d14 4p6 correspon a un àtom en estat prohibit, ja que als cinc orbitals 3d només hi entren fins a 10 electrons, i no pas 14 com aquí s’indica.

161

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 162


Les configuracions electròniques següents pertanyen a àtoms que no estan en un estat fonamental. Explica per què, i escriu la configuració que correspon a l’àtom en l’estat de menys energia possible. a) 1s22s22p63s23p64s23d104f14 b) 1s12s22p6 c) 1s22s22p33s2 a) 1s2 2s22p6 3s23p6 4s2 3d10 4f14 Seguint l’ordre d’energia, després dels orbitals 3d no hi ha els 4f. La configuració de l’àtom en un estat fonamental serà: 1s2 2s22p6 3s23p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d6. b) 1s1 2s22p6 L’orbital 1s no està complert, la configuració de l’àtom en un estat fonamental serà: 1s22s22p5. c) 1s2 2s22p3 3s2 Els orbitals 2p estan ocupats parcialment i hi ha electrons en un nivell d’energia superior. La configuració de l’àtom en un estat fonamental serà: 1s2 2s22p5.

32.

Escriu la configuració electrònica de la plata i anota els conjunts de nombres quàntics que defineixen els seus electrons de l’última capa. Cal localitzar el nombre atòmic de l’element i seguir les regles que s’especifiquen a la pàgina 90 del llibre de text: Ag (Z = 47): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d9 Els electrons de l’última capa es troben a l’orbital 5s, i els seus nombres quàntics són: (5, 0, 0 +1/2), (5, 0, 0, −1/2) Nota: la configuració electrònica de la plata es fa seguint el diagrama de Moeller. Si el professorat ho considera oportú, pot explicar que la configuració real d’aquest element és: 5s1 4d10.

33.

Escriu la configuració electrònica del silici i indica quants electrons d’aquest àtom tenen espín −1/2. Cal localitzar el nombre atòmic de l’element i seguir les regles que s’especifiquen a la pàgina 139 del llibre de text. Si (Z = 14): 1s22s22p63s23p13p1 A cada orbital, només un dels electrons pot tenir espín −1/2. I com que els electrons que es troben als orbitals 3p han de tenir el mateix espín, 6 o 8 electrons tindran un espín −1/2 en el Si.

34.

162

Escriu la configuració electrònica del bari, i digues quants electrons hi ha en aquest àtom que tinguin nombre quàntic l = 1, i quants, l = 2.

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 163

SOLUCIONARI

Cal localitzar el nombre atòmic de l’element i seguir les regles que s’especifiquen a la pàgina 139 del llibre de text. Ba (Z = 56): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2 • l = 1 indica que és un orbital del tipus p. Hi ha 24 electrons als orbitals p. • l = 2 indica que és un orbital del tipus d. Hi ha 20 electrons als orbitals p.

35.

Escriu la configuració electrònica del bari, i digues a més quants electrons hi ha en aquest àtom que tinguin nombre quàntic

m = 1. Cal localitzar el nombre atòmic de l’element i seguir les regles que s’especifiquen a la pàgina 139 del llibre de text. Ba (Z = 56): 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2

m = 1 ens indica que l ≥ 1. Per al bari, un dels orbitals p de cada capa i un dels orbitals d té m = 1. En total hi ha 12 electrons amb m = 1, ja que tots els orbitals d’aquesta mena tenen 2 electrons.

36.

Localitza a la taula periòdica actual els elements que formen cadascuna de les tríades de Dobëreiner. En què s’assemblen aquestes localitzacions? Grup

2

16

17

Element

Calci

Sofre

Clor

Z

20

16

17

Element

Estronci

Seleni

Brom

Z

38

34

35

Element

Bari

Tel·luri

Iode

Z

56

52

53

Els elements de cada tríada ocupen posicions seguides dins un mateix grup de la taula periòdica actual.

37.

Localitza alguns elements de la taula periòdica que no acompleixin la regla d’ordenació de Mendelejev. Ar (massa = 39,9) i K (massa = 39,1); Co (massa = 59,9) i Ni (massa = 58,7); Te (massa = 127,6) i l (massa = 126,9); Th (massa = 232) i Pa (massa = 231).

163

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 164


Observa la localització d’aquests elements a la taula periòdica i especifica’n la configuració de la capa de valència: a) Kr b) Cs

c) Ag d) Ba

e) Cu f) Pb

Grup Període

Kr

Cs

Ag

Ba

Cu

Pb

18

1

11

2

11

14

4 2

6


39.

6s

2

5s 4d

6 9

4 2

6s

2

6 9

2

14

4s 3d 6s 4f 5d106p2

4e– 2e–

2e– 10e– 18e– 8e– 2e–

8e– 2e–

En quin grup i en quin període estaran els elements que tenen una configuració de la capa de valència de: a) 2s22p4 b) 6s2 4f145d5

41.

5 1

Fes un dibuix que representi les capes dels àtoms que tenen 20, 6, 10 i 40 electrons. 2e– 8e– 8e– 2e–

40.

6

c) 3s23p6 d) 7s1

e) 1s2 f) 4s23d10

Configuració del nivell de valència 2s22p4 6s24f145d5 3s23p6 7s1

1s2

4s23d10

Grup

12

7

18

1

18

12

Període

2

6

3

7

1

4

Escriu la configuració electrònica del calci, prediu la seva valència i anota la configuració electrònica de l’ió calci. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 En tenir 2 electrons en el seu últim nivell, l’ió més probable és Ca2+. La configuració electrònica d’aquest ió és: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.

42.

Un ió té càrrega +3 i la configuració electrònica del Ne. Quin ió creus que pot ser? És un element que té 3 protons més que el Ne. Es tracta de l’alumini.

164

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 165

SOLUCIONARI

43.

Explica per què la major part dels elements de transició tenen valència +2. La configuració del nivell de valència d’aquests elements és ns2 (n−1)dx. La majoria es converteixen en ions positius i perden els dos electrons del seu nivell de valència, i per això actuen amb valència +2.

44.

L’hidrogen forma hidrurs, uns compostos que contenen l’ió H1–, i hidràcids, compostos amb l’ió H1+. Com pot ser? El H només té 1 electró. Pot comportar-se com tots els àtoms que tenen un electró en el seu nivell de valència, perdre’l i convertir-se en ió H1+. Si guanya un electró, el H adquireix la configuració del gas noble més proper, el He, per tant, es pot comportar com tots els àtoms als quals els manca un electró per assolir la configuració d’un gas noble i convertir-se en un ió amb valència −1(H–).

45.

Si tots tenen el mateix nombre d’electrons a la seva capa de valència, per què la mida dels àtoms d’un grup augmenta a mesura que també ho fa el seu nombre atòmic? Doncs perquè, a mesura que el nombre atòmic augmenta, el nivell de valència cada vegada es troba més allunyat del nucli.

46.

Ordena, en base a la seva mida, els àtoms següents a) H b) Sn

c) Be e) N d) Na f) O La mida dels àtoms, és a dir el volum que ocupen, és una propietat periòdica. Per estudiar-la en elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència: H


Sn

Be

1

50

4

1s1

5s24d105p2

2s2

Na

N

O

11

7

8

3s1 2s22p3 2s22p4

Els elements de més volum són els que tenen el nivell de valència més alt, perquè els electrons de valència estan més allunyats del nucli. En el mateix període, els que tinguin el nombre atòmic més gran tindran menys volum, ja que la seva càrrega nuclear serà més gran i atrauran amb més força els electrons de valència. L’ordre d’aquests elements és: Sn > Na > Be > N > O > H. Nota: segons el valor real d’aquesta propietat, l’ordre seria: Na > Sn > Be > N > O > H. Aprofundir en la justificació de la seqüència exacta s’escapa del grau de coneixements d’aquest curs. Es manté, doncs, un raonament coherent, com el que s’ha estudiat a la unitat.

165

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 166


Les espècies que tenen el mateix nombre d’electrons s’anomenen isoelectròniques. Comprova que aquestes espècies ho siguin i ordena-les segons la seva mida: a) S2− b) Cl−

c) Ar d) K+

e) Ca2+ f) P3− S2−

Cl−

Ar

K+

Ca2+

P3−

Z

16

17

18

19

20

15


18

18

18

18

18

18

Com que tots tenen el mateix nombre d’electrons, 18, tindran la mateixa configuració de valència, la de l’àtom d’argó. Com més gran sigui la carrega nuclear, més petit serà el volum, ja que això farà que l’atracció del nucli sobre els electrons de valència sigui més gran. L’ordre per aquestes espècies és: Ca2+ < K+ < Ar < Cl− < S2− < P3−

48.

Per què s’incrementa l’energia d’ionització dels àtoms d’un període a mesura que el seu nombre atòmic augmenta, si tots tenen els electrons de valència a la mateixa capa? Tots els àtoms d’un mateix període tenen el mateix nivell de valència. A mesura que el nombre atòmic augmenta, també ho fa la càrrega nuclear i, consegüentment, l’atracció que els àtoms exerceixen sobre aquests electrons de valència. Com més gran sigui l’atracció, més difícil serà arrencar els electrons de valència i l’energia d’ionització serà més gran.

49.

Ordena, en ordre creixent de la seva energia d’ionització, els elements següents: a) H

b) Cs

c) Be

d) Na

e) N

L’energia d’ionització és una propietat periòdica. Si volem estudiar-la en uns elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència:


H

Cs

Be

Na

1

55

4

11

1

1s

1

6s

2

2s

1

3s

N 7 2

2s 2p3

És més fàcil arrencar els electrons de valència als elements que tenen menys energia d’ionització. Dins un grup, això passarà més com més gran sigui el nombre atòmic, ja que aquests electrons cada cop

166

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 167

SOLUCIONARI

estaran més allunyats del nucli. Dins un període, succeirà com més petit sigui el nombre atòmic, perquè llavors exercirà menys atracció sobre els electrons de valència. L’ordre d’aquests elements és: Cs < Na < Be < N < H Nota: segons el valor real d’aquesta propietat, l’ordre seria: Cs < Na < Be < H < N. Aprofundir en la justificació de la seqüència exacta s’escapa del grau de coneixements d’aquest curs. Es manté, doncs, un raonament coherent, com el que s’ha estudiat a la unitat. 50.

Explica per què els gasos nobles tenen l’energia d’ionització anormalment elevada. Els gasos nobles tenen una configuració electrònica de capa tancada que és molt estable, i perdre un electró voldria dir perdre aquesta estabilitat. Per això tenen una energia d’ionització anormalment elevada.

51.

Raona els motius pels quals els elements que tenen l’energia d’ionització baixa també hi tenen l’electronegativitat, i a l’inrevés. Els elements que tenen l’energia d’ionització baixa es desprenen fàcilment dels seus electrons de valència. Això ens indica que tenen poca tendència a atraure els electrons d’enllaç, i que, per tant, tenen una baixa electronegativitat. I a l’inrevés.

52.

Ordena, en ordre creixent d’electronegativitat, els elements següents: a) H

b) Cs c) Be d) Na e) N L’electronegativitat és una propietat periòdica. Per estudiar-la en elements concrets, cal conèixer-ne el nombre atòmic i la configuració de valència:


H

Cs

Be

Na

N

1

55

4

11

7

1s1

6s1

2s2

3s1

2s22p3

Els elements més electronegatius són els que tenen menys energia d’ionització i més afinitat electrònica. Per tant, són els que estan a la part superior i a la dreta de la taula periòdica. L’ordre d’aquests elements és: Cs < Na < Be < H < N El H té una electronegativitat intermèdia perquè només té un electró de valència, i solament n’hi falta un altre per assolir la configuració del gas noble He.

167

945335 _ 0149-0168.qxd

8/1/09

12:13

Página 168


El plom és un dels metalls coneguts des de l’antiguitat. Forma part del grup 14, que encapçala el carboni, un element no metàl·lic i que és el constituent més important dels compostos orgànics. Explica com pot ser que el plom i el carboni estiguin en el mateix grup, si un és un metall, i l’altre, un no-metall. El plom i el carboni formen part del mateix grup (14) perquè tenen la mateixa configuració de valència: C: 2s22p2; Pb: 6s26p2 Tots dos tenen 4 electrons a la seva capa de valència. I això vol dir 4 electrons més que els gas noble anterior i 4 electrons menys que el gas noble següent. Com que el nivell de valència del plom (6è) està molt més allunyat del nucli que el del carboni (2n), té una energia d’ionització molt més petita, i per tant pot perdre aquests 4 electrons amb facilitat: té un comportament metàl·lic. El C té una electronegativitat intermèdia. De manera que, més que guanyar o perdre electrons, compartirà els 4 electrons amb altres àtoms, tot manifestant un comportament no metàl·lic.

54.

Les energies d’ionització del beril·li són: 900, 1.760, 14.900 i 21.000 kJ · mol–1 d’acord amb aquestes dades, què pots dir sobre els nivells d’energia de l’àtom de beril·li ? Escriu-ne la configuració electrònica. El nombre atòmic del beril·li és 4, per tant, té 4 electrons. Si observem els valors de les seves energies d’ionització, veurem com les dues primeres tenen valors bastant semblants, entre la segona i la tercera hi ha un augment important, i entre la tercera i la quarta els valors són semblants. Això fa pensar que els àtoms de beril·li tenen només dos nivells energètics amb 2 electrons cadascun d’ells. La seva configuració electrònica serà, per tant: 1s2 2s2

168

945335 _ 0169-0196.qxd

6

8/1/09

12:15

Página 169

L’enllaç químic

PRESENTACIÓ En aquesta unitat l’alumnat estudiarà els enllaços químics que es produeixen entre les espècies diferents que hi ha en una substància, per justificar les propietats que s’hi observen. L’estudi serà ben exhaustiu, i comprendrà tant l’enllaç entre àtoms com entre qualsevol altra espècie que hi hagi (molècules o bé molècules amb ions). Les substàncies mostren una estructura interna que és conseqüència dels àtoms que la formen. Es comença, doncs, a partir de les característiques dels àtoms que hem estudiat en la unitat anterior, per comprendre els diferents nivells d’organització estructural responsables del comportament macroscòpic que observem. I més que centrar-nos en l’enumeració exhaustiva de les característiques de cada tipus d’enllaç, l’esforç s’orientarà a justificar per què certs elements s’enllacen d’una manera tal que formen substàncies amb unes característiques concretes.

169

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 170

6 L’enllaç químic OBJECTIUS • Comprendre els models de l’enllaç químic que s’utilitzen per explicar les propietats de les substàncies. • Comprendre l’enllaç químic com un recurs de la naturalesa per evolucionar cap a estats energèticament més favorables. • Distingir l’enllaç entre àtoms de l’enllaç entre altres espècies químiques (molècules, molècules i ions, etc.). • Relacionar el tipus d’enllaç entre àtoms amb les característiques electròniques dels àtoms que hi estan compromesos. • Conèixer l’estructura interna que proporciona un tipus determinat d’enllaç a les substàncies que en resulten. • Ser capaç de relacionar les propietats macroscòpiques que s’aprecien en una substància amb l’enllaç que té lloc entre els seus àtoms. • Ser capaç de predir el comportament d’una substància davant d’altres analitzant els enllaços que presenta.

CONTINGUTS • Interpretació de l’enllaç entre les diferents espècies químiques com a interaccions elèctriques. • Investigació experimental de les propietats dels diferents sòlids (moleculars, covalents reticulars, iònics i metàl·lics). • Modelització de l’estructura d’enllaç per entendre les propietats de les substàncies. • Caracterització de l’enllaç covalent a través de les estructures de Lewis. • Predicció de la geometria de les molècules senzilles, mitjançant el model de repulsió dels parells d’electrons de la capa de valència. • Interpretació de la polaritat d’una molècula en funció de la polaritat dels seus enllaços i de la seva geometria. • Evidència experimental de les forces intermoleculars. • Diferenciació entre forces dipol-dipol i forces de dispersió. • Caracterització del comportament anòmal de l’aigua i explicació a partir de l’enllaç d’hidrogen.

COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en indagació i experimentació, que implica la capacitat de fer-se preguntes i portar a terme investigacions per obtenir respostes. • Comprensió de la naturalesa de la ciència, que implica saber distingir entre ciència i altres formes de coneixement. En concret, l’elaboració de mètodes empírics i arguments lògics per contrastar les hipòtesis i validar les teories proposades.

170

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 171


COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT (continuació) El coneixement científic és susceptible de ser revisat i modificat si es troben evidències que no encaixen en les teories vigents. • Competència en la utilització de models, en aquests cas els diferents tipus d’enllaços entre les espècies químiques (àtoms, ions i molècules) com a models que expliquen les propietats de les substàncies.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DE BATXILLERAT • Competència comunicativa, que implica saber descriure fets, explicar-los, justificar-los i argumentar-los. Això suposa promoure discussions sobre les evidències experimentals, la idoneïtat dels models proposats per interpretar els fets químics i la lectura i la interpretació dels textos i les il·lustracions. • Competència en gestió i tractament de la informació i competència digital, que implica la utilització de les fonts bibliogràfiques i els recursos que hi ha a la xarxa per trobar informació sobre el desenvolupament històric dels diferents models atòmics.

CONNEXIONS AMB ALTRES MATÈRIES DE BATXILLERAT • L’ús del llenguatge per comunicar per escrit i oralment la construcció i la compartició de coneixement químic, igual com la lectura comprensiva de textos i la recerca d’informació impliquen una connexió necessària amb les llengües. • El coneixement de les diferents formes d’enllaç químic es relaciona amb la biologia, en particular amb la bioquímica. • A Ciències de la Terra i el medi ambient s’estudia l’obtenció d’elements a partir de minerals i la composició química de les roques i els minerals.

CRITERIS D’AVALUACIÓ • L’ús del llenguatge per comunicar per escrit i oralment la construcció i la compartició de coneixement químic, com també lectura comprensiva de textos i la recerca d’informació impliquen una connexió necessària amb les llengües. • El coneixement de les diferents formes d’enllaç químic es relaciona amb la biologia, en particular amb la bioquímica. • A les ciències de la Terra i el medi ambient s’estudia l’obtenció d’elements a partir de minerals i la composició química de les roques i els minerals.

171

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 172

6 L’enllaç químic 1.

A l’aigua: a) Quins enllaços hem de trencar perquè passi de l’estat líquid a l’estat gasós? b) Quins enllaços ens cal trencar perquè els seus àtoms se separin? c) Aquests dos processos són canvis químics o físics? a) Perquè canviï d’estat, els enllaços intermoleculars (enllaços de H). b) Què els seus àtoms se separin, els enllaços intramoleculars (enllaços covalents). c) El procés a) serà estudiat per la física, i el b), per la química, perquè origina substàncies noves (H2 i O2).

2.

A partir de la seva configuració electrònica i situació a la taula periòdica, indiqueu la valència iònica (càrrega del ions) dels àtoms que formen els següents compostos iònics: CaCl2, CaO, KBr, Na2S. CaCl = Ca2+ + 2Cl− KBr = K+ + Br−

3.

Escriu la configuració electrònica dels següents àtoms, i indica quants electrons han de guanyar, o bé perdre, els àtoms dels elements següents per tal d’adquirir la configuració de gas noble, i quin gas noble s’obté: a) S

4.

b) Al c) Li d) Sr e) I f ) Cs Ens caldrà conèixer el nombre d’electrons que hi ha en el seu nivell de valència, que vindrà donat pel grup de la taula periòdica al qual pertanyin: Element

S

Al

Li

Sr

I

Cs

Electrons de valència

6

3

1

2

7

1

Per assolir la configuració de gas noble cal...

Guanyar 2e

Perdre 3e

Perdre 1e

Perdre 2e

Guanyar 1e

Perdre 1e

Es converteix en el gas noble...

Ar

Ne

He

Kr

Xe

Xe

Tot tenint en compte la taula d’electronegativitats que s’il·lustra a la pàgina 148, indica si es formarà enllaç iònic o no en unir-se les següents parelles d’àtoms. a) Ag–Au

172

CaO = Ca2+ + O2− Na2S = 2Na+ + S2−

b) N–H

c) S–Cl

d) Al–Cl

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 173

SOLUCIONARI

Enllaç

Ag−Au

Element

EN Enllaç

5.

N−H

S−Cl

Ag

Au

N

H

S

Cl

Al

Cl

1,93

2,54

3,04

2,20

2,58

3,16

1,50

3,16

Metàl·lic: es combinen dos metalls.

Covalent: EN semblants i altes.


Iònic: EN molt dispars (metall i no-metall).

A les fórmules següents hi ha un error. Corregeix-lo. a) Rb2S b) Al2O3 c) CaO a) Rb2S b) Al2O3 c) CaO La fórmula errònia és la d).

6.

Al−Cl

d) LiF2

d) LiF

Relaciona les substàncies i els valors de punts de fusió següents: Com més gran sigui l’energia de la xarxa, més gran serà el punt de fusió. L’assignació correcta és:

7.

Substància

NaF

KBr

RbI

Energia de xarxa (kJ/mol)

923

682

630

Punt de fusió (°C)

996

734

642

Observa la taula i completa la frase. L’energia de xarxa a mesura que

la diferència de mida entre l’anió i el catió.

Substància Energia de xarxa (kJ/mol)

LiF

NaF

KF

RbF

1.036

923

821

785

L’energia de la xarxa disminueix a mesura que augmenta la diferencia de mida entre l’anió i el catió.

8.

A part del clor, l’oxigen i el nitrogen, hi ha d’altres elements formats per molècules diatòmiques. Escriu l’estructura de Lewis de les molècules: H2, F2, I2, Br2. H2 H − H

9.

F2 F −F

I2 I − I

Br2 Br − Br

Escriu la representació de Lewis de les molècules següents i determina si n’hi ha cap que incompleixi la regla de l’octet. a) NO

b) SF4

c) NH3

d) CHCl3

173

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 174

6 L’enllaç químic Les molècules a) i b) incompleixen la regla de l’octet:

• •

• •

— N•• •• O—

• • • • • •• •

• •• •

c)

• •

• •• • • • • •• • • • • • •• • •

N

• • • •

NN——HH

H

— —

H

b)

10.

F

F

• •

S

• •• • • • •• • • • • •• •

F

• •

H

d)

F

H

• • • •• • • • • •• • • • • • • • •• • • • • •• • • • • •• • • • • • • • • • • • •• •

Cl

C

—

• •• • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • •• • • •• • • • • • • • • • • •• •

HH

• • • • • •

Cl — C — Cl

Cl

—

• •

a) • • O•• •• •• •• N•• ••

HH

— —

H • • • • • • • •

Cl

Cl

El BF3 reacciona amb el NF3 i forma un sòlid blanc. Explica aquesta reacció com a resultat de la formació d’un enllaç covalent datiu. Identifica el donador i l’acceptor. L’explicació: Donador Acceptor • •

• •

• •

H

• •

F

• •

H — N ••

• • • •

H

• •

11.

• • • •

B—F • •

F

• •

• • • •

• •

A partir de la configuració de Lewis, indiqueu la geometria de les molècules següents: NF3, CO2, BeH2, CCl4, PCl3 NF3 (piramidal) C Cl4 (tetraèdrica)

12.

F

—

—

—

H — N •• + B — F

• •

—

H

—

• •

—

F

—

• •

—

H

CO2 (linea) Be H2 (lineal) P Cl3 (piramidal)

Utilitza els valors de l’electronegativitat per ordenar els següents enllaços en funció del seu caràcter iònic creixent: a) C–H, C–S, C–Br, Si–Br, Si–H b) Li–F, Li–H, Li–Li, Li–S, Li–O Indica en cada cas quin és l’element que duu la càrrega parcial negativa i quin du la càrrega positiva. (+) (−)

(−) (+)

(+) (−)

(+) (−)

(+) (−)

a) C − S < C − H < Si − H < C − Br < Si − Br b) Li − Li < Li − H < Li − S < Li − O < Li − F El liti és l’element que du la càrrega positiva en tots el casos.

174

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 175

SOLUCIONARI

13.

La molècula de BeCl2 és apolar, mentre que la molècula de Cl2O és polar. Què ens pots dir de la geometria dels enllaços? Com que els enllaços són polars per tots dos casos, BeCl2 és una molècula lineal, mentre que la molècula Cl20 és angular.

14.

En els següents parells de molècules una és polar i l’altra és apolar. Indica quina és quina en cada cas i explica’n el perquè. a) CH2Cl2 , CH4 b) CF4, CH3F

c) SnCl2, BeCl2

a) CH2Cl2 és polar, tetraèdrica i no tots els enllaços són iguals. CH4 és apolar, tetraèdrica i no tots els seus enllaços són iguals. b) CF4 és apolar, tetraédrica i tots els seus enllaços són iguals. CH3F és polar, tetraédrica i no tots els seus enllaços són iguals. c) SnCl2 és polar i angular. BeCl2 és apolar i lineal. 15.

Explica per què la major part de les substàncies covalents que es troben a la naturalesa són aïllants elèctrics. Els electrons de la majoria de les substàncies covalents estan localitzats o bé en un àtom o bé en un enllaç. No hi ha mobilitat d’electrons i, en conseqüència, no hi ha conducció elèctrica.

16.

Pensa en quina mena d’enllaç s’estableix entre els seus àtoms, i determina quines de les fórmules següents són empíriques i quines són fórmules moleculars: a) NH3 b) AlCl3

c) NLi3

e) PCl3

d) CO

f ) CaO

Són fórmules empíriques les de les substàncies iòniques, i moleculars les de les substàncies covalents. Fórmules empíriques: AlCl3, NLi3, CaO. Fórmules covalents: NH3, CO, PCl3. 17.

Explica si són certes les afirmacions següents: a) L’enllaç covalent és més dèbil que l’enllaç iònic, atès que els compostos iònics tenen punts de fusió més alts que la major part dels compostos covalents. b) Els sòlids covalents cristal·lins són capaços de conduir el corrent elèctric perquè els electrons que formen l’enllaç covalent es mouen d’una banda a l’altra del cristall amb facilitat.

175

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 176

6 L’enllaç químic a) Fals. Quan una substància covalent molecular canvia d’estat, els enllaços que es trenquen són els intermoleculars, molt més dèbils que els enllaços covalents entre els seus àtoms. b) Això succeeix en alguns sòlids covalents cristal·lins, com ara el grafit. Però no té lloc en els sòlids en què tots els electrons formen part d’enllaços covalents localitzats, com en el diamant.

18.

Explica els fets següents: a) El diamant i el grafit estan formats per àtoms de carboni; el diamant és un cristall molt dur i en canvi el grafit s’utilitza per fer mines de llapis. b) En escalfar una barra d’un metall per un extrem, l’energia es propaga per tota la barra. c) El coure es pot estendre en forma de fils que s’utilitzen per construir cables elèctrics. d) Els cristalls de sal es trenquen fàcilment; en canvi els metalls aguanten els cops sense trencar-se. a) El diamant està format per una estructura tridimensional en què cada àtom de C està unit amb altres quatre àtoms de C mitjançant enllaços covalents. En canvi, al grafit cada àtom de C només està unit a altres tres formant una estructura de capes. b) En escalfar un metall, els electrons que formen el núvol electrònic d’un extrem adquireixen energia que comuniquen als altres electrons donat que es mouen per tota la barra. c) El coure es pot estendre en forma de fils ja que la seva estructura de cations no es modifica. És conductor perquè té electrons lliures. d) La sal és un cristall iònic format per cations i anions. En rebre un cop és possible que s’ajuntin ions del mateix signe i el cristall es trenca. En canvi, el metalls estan formats per cations cohesionats pel núvol electrònic.

19.

El punt d’ebullició de l’aigua a la pressió atmosfèrica és de 100 °C, mentre que el del metanol (CH3OH) és de 65 °C. Estudia les molècules de les dues substàncies i explica aquest fet. Cada molècula d’aigua està unida amb les veïnes per dos enllaços de H, mentre que cada molècula de metanol només ho està per un enllaç de H. Això determina que sigui més fàcil trencar les forces que mantenen unides les molècules de metanol en estat líquid, i per això té un punt d’ebullició més baix que l’aigua.

176

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 177

SOLUCIONARI

20.

Indica en quines de les substàncies següents hi poden haver enllaços d’hidrogen: a) H2O2 e) CH3 −COH

b) SH2 f ) CH3 −COOH

c) CH3 −CH2OH g) NH3

d) CH3 −O −CH3

L’enllaç d’hidrogen el formen les molècules en què hi ha un enllaç −O−H o −N−H. Formen l’enllaç de H: a) H2O2, c) CH3−CH2OH, f) CH3−COOH, g) NH3. No formen l’enllaç de H: b) SH2, d) CH3−O−CH3, e) CH3−COH. 21.

El iode (I2) no es dissol en aigua, però en canvi es pot dissoldre en acetona (CH3 − CO − CH3). Estudia les molècules d’aquestes substàncies i explica

per què succeeix això. La molècula de iode és una molècula apolar, ja que hi té lloc un enllaç covalent entre àtoms iguals. El volum de la molècula de iode és tan gran que permet que els electrons s’acumulin en un extrem i es formi un dipol, bé de forma instantània o bé induït per una altra espècie polar. La molècula d’aigua és una molècula polar en què pot tenir lloc l’enllaç de H. La molècula d’acetona és una molècula polar, però sense possibilitat de formar enllaços de H. Perquè una substància es dissolgui en una altra, s’han de formar enllaços entre les molècules de totes dues substàncies que no siguin molt diferents dels que hi ha entre les molècules de cada substància. Els enllaços de H entre les molècules d’aigua són molt més grans que els que es puguin establir entre les molècules de iode; per això no es dissolen. Les molècules de iode es dissolen en acetona perquè els enllaços entre elles són molt més dèbils i d’un ordre similar al que s’estableix entre les molècules de iode. 22.

Per què són durs els sòlids iònics? La duresa és la resistència a la ratllada. Perquè un cristall iònic es pugui ratllar cal trencar la xarxa cristal·lina, i això requereix molta força.

23.

Com és que els sòlids covalents moleculars són tous i els sòlids covalents cristal·lins són molt durs? Quan es produeix una ratllada en un sòlid covalent, es trenquen enllaços intermoleculars; aquests enllaços són molt més dèbils que els enllaços covalents entre àtoms que s’estableixen a les xarxes cristal·lines dels sòlids covalents.

177

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 178


Com és que el punt de fusió dels metalls és molt alt? Perquè els metalls tenen una estructura interna cristal·lina en què molts ions positius ocupen posicions perfectament determinades, estabilitzada pels electrons del nivell de valència. Per fondre un metall cal trencar aquesta estructura cristal·lina, i això demana molta energia.

25.

Per què els sòlids iònics no condueixen l’electricitat, si estan formats per ions? Perquè, en estat sòlid, els ions ocupen posicions molt determinades de la xarxa cristal·lina, sense possibilitat de moviment. Per tant, no hi ha cap possibilitat de conducció elèctrica.

26.

Per què els metalls condueixen molt bé l’electricitat? Doncs perquè l’estructura interna dels metalls està formada per ions positius estabilitzats pels electrons de valència, que deixen d’estar units al nucli de l’àtom corresponent per gaudir d’una certa llibertat de moviment. I aquesta llibertat permet la conducció elèctrica.

27.

Com és que els cristalls covalents són durs? Són durs perquè per ratllar la substància cal trencar la xarxa cristal·lina, i això implica trencar enllaços covalents molt forts.

28.

Explica per què els gasos nobles són els únics elements de la taula periòdica que hi ha a la naturalesa en forma d’àtoms aïllats. Perquè tenen l’estructura atòmica més estable que un àtom pot tenir. Els altres guanyen, perden o comparteixen electrons per tenir una estructura electrònica semblant a la d’un gas noble.

29.

Els àtoms són neutres. Imagina que estan formats per partícules com ara els neutrons. Es podria explicar la formació d’enllaços entre ells? Les forces d’enllaç són de naturalesa elèctrica. Són forces d’atracció entre espècies amb càrrega positiva i d’altres amb càrrega negativa. Si totes les partícules que formen l’àtom fossin similars als neutrons no hi hauria càrregues elèctriques, i els enllaços entre àtoms s’haurien d’explicar per mitjà d’un altre tipus de forces.

30.

Si els àtoms s’atrauen quan s’apropen, per què els seus nuclis no s’arriben a superposar? Perquè les repulsions entre els nuclis (tots dos amb càrrega positiva) assoliran molta importància abans que això succeeixi.

178

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 179

SOLUCIONARI

31.

Explica la diferència entre els enllaços intramoleculars i els enllaços intermoleculars. Pensa en l’amoníac, i explica com són els uns i els altres. Els enllaços intramoleculars són aquells que es produeixen entre els àtoms que formen un compost. Els àtoms comparteixen electrons que ara són atrets pels nuclis de tots dos i els mantenen units. Quan aquests enllaços es trenquen, la substància es transforma en una altra de diferent; és un procés químic. Els enllaços intermoleculars es produeixen entre molècules d’una substància i són molt més dèbils que els intramoleculars. Quan aquests enllaços es trenquen o es formen, la substància canvia d’estat, tot i que continua essent la mateixa. La substància experimenta un procés físic. Enllaç de H intermolecular

• •

— • •

H—N —

H—N —

H—N —

• •

H

—

H

—

H

H

H

H

Molècula Molécula Enllaç covalent intramolecular

Respon: a) Els àtoms d’hidrogen acompleixen la regla de l’octet a la molècula H2? b) És una excepció semblant a la que té lloc a la molècula de CO? A la molècula H2, els àtoms de H assoleixen la configuració del gas noble més pròxim, el He, tot compartint un parell d’electrons. El nivell de valència de He només té un orbital (1s), i per això s’omple amb 2 electrons. El C i el O són elements del segon període. Al seu nivell de valència hi ha un orbital s i 3 orbitals p, de manera que s’ha d’omplir amb 8 electrons (regla de l’octet). El CO no acompleix la regla de l’octet perquè és una molècula amb dèficit d’electrons. És un cas diferent del H2, que assoleix la configuració del gas noble més proper i té 2 electrons (2 e) al seu nivell de valència. 33.

Indica quants electrons han de guanyar o perdre els àtoms dels elements següents per adquirir la configuració del gas noble, i digues quin és aquest gas: a) C

b) N

c) Rb

d) Te

e) Br

f ) Be

179

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 180

6 L’enllaç químic Ens caldrà conèixer el nombre d’electrons que hi ha en el seu nivell de valència, que vindrà donat pel grup de la taula periòdica al qual pertanyin: Element

Ca

N

Rb

Te

Br

Be


2

5

1

6

7

2

Per assolir la configuració de gas noble cal...

Perdre Guanyar Perdre Guanyar Guanyar Perdre 2e 3e 1e 2e 1e 2e

Es converteix en el gas noble...

34.

Ar

Ne

Kr

Xe

Kr

He

Tingues en consideració la taula d’electronegativitats de la pàgina 148, per indicar quin tipus d’enllaç es forma quan es combinen les parelles d’àtoms següents: a) C i H

b) O i K

Enllaç

CiH

Element

EN Enllaç

c) Fe i Ni

d) Bi i O OiK

Fe i Ni

Bi i O

C

H

O

K

Fe

Ni

Bi

O

2,55

2,20

3,44

0,82

1,83

1,91

2,01

3,44


Iònic: EN molt dispars (metall i no-metall).

Metàl·lic: EN semblants i baixes.

Iònic: EN dispars (metall i no-metall).

El Bi − O no serà un iònic pur, tindrà un % de covalent. 35.

Dedueix la fórmula dels compostos que resultin de la combinació d’aquests elements: a) Cl i Ba b) Sb i Sr c) N i Al d) Rb i Te Consisteix a veure la càrrega que guanyen quan es converteixen en gas noble. El compost resultant ha de ser neutre. Element

Cl

Ba

Sb

Sr

N

Al

Rb

Te


7

2

5

2

5

3

1

6

Per assolir la configuració de gas noble cal... Es converteix en el gas noble... Fórmula del compost

180

Guanyar Perdre Guanyar Perdre Guanyar Perdre Perdre Guanyar 1e 2e 3e 2e 3e 3e 1e 2e Cl−

Ba2+

BaCl2

Sb3−

Sr2+

Sr3Sb2

N3−

Al3+ AlN

Rb+

Te2−

Rb2Te

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 181

SOLUCIONARI

36.

Defineix què s’entén per índex de coordinació (IC). Per als compostos següents es dóna l’índex de coordinació de l’anió. Ara, tu anota el del catió: NaCl

ZnS

CaF2

TiO2

IC anió

6

4

2

3

IC catió

6

4

4

6

Compost

L’índex de coordinació és el nombre d’ions d’un signe que n’envolten un de signe contrari al seu entorn més proper d’un cristall iònic.

37.

Com pot ser que els cristalls iònics siguin durs, si són fràgils? Doncs per l’estructura pròpia de la xarxa cristal·lina, en què els ions positius s’alternen amb el negatius, de manera que les atraccions siguin màximes, i les repulsions, mínimes. La duresa és la resistència a la ratllada. Els cristalls iònics són durs perquè per ratllar-los cal trencar la xarxa cristal·lina, cosa que requereix una força important. També són fràgils perquè, quan se’ls dóna un cop i un pla de la xarxa es desplaça damunt l’altre la distància de la mida d’un ió, queden enfrontats els ions del mateix signe. Llavors les repulsions interelectròniques fan que el cristall es trenqui.

1. Un cop sobre el cristall. 2. Els ions es desplacen.

38.

3. Els ions del mateix tipus es repel·leixen.

Per què un compost iònic es dissol en aigua i no es dissol en gasolina? Perquè un compost iònic es dissolgui, les molècules de dissolvent han d’envoltar els ions, de manera que l’energia de solvatació compensi l’energia de la xarxa. Si el dissolvent és gasolina, les seves molècules seran apolars i, per tant, no podran establir interaccions amb els ions. Si el dissolvent és aigua, les molècules polars podran orientar-se al voltant dels ions. I si l’energia de la xarxa del compost iònic no és gaire gran, podran arribar a dissoldre el cristall.

181

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 182

6 L’enllaç químic

Sal

Aigua

Aigua

Ions hidratats

Cl−

Na+

39.

Explica per què els compostos iònics en estat sòlid són aïllants de l’electricitat i quan estan fosos són conductors. Recordes si hi ha alguna altra situació en què també siguin conductors? Els compostos iònics els formen espècies carregades. Podran ser conductors de l’electricitat quan aquestes espècies es puguin moure sota l’acció d’un camp elèctric. Això no és possible quan el compost iònic està en estat sòlid, perquè aleshores els ions ocupen posicions molt determinades a la xarxa cristal·lina; però sí que pot succeir quan el compost està fos o bé dissolt.

40.

Tingues en compte les dades que es mostren tot seguit i la informació que coneixes del NaCl, i entre el compostos següents tria’n un que es dissolgui en aigua amb seguretat i un altre que no s’hi dissolgui. Argumenta l’elecció. Substància

NaCl

CsBr

AlCl3

SrO


787

631

5.376

3.217

El NaCl es dissol en aigua. Un compost iònic que tingui menys energia de xarxa que el NaCl es dissoldrà en aigua, i un altre que en tingui molta més, no s’hi dissoldrà. A tall d’exemple, el CsBr es dissoldrà en aigua, però no s’hi dissoldran el AlCl3 ni, probablement, el SrO.

182

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 183

SOLUCIONARI

41.

A la taula següent es mostren les dades de l’energia de xarxa d’alguns compostos iònics. Observa’ls i completa la frase: Substància Energia de xarxa (kJ/mol)

LiF

LiCl

LiBr

Lil

1.036

853

807

357

L’energia de xarxa disminueix a mesura que augmenta la diferència de mida entre l’anió i el catió. 42.

A la taula següent es mostren les dades de l’energia de xarxa d’un conjunt de compostos iònics. Observa’ls i completa la frase: Substància

NaCl

MgCL2

AlCL3


787

2.477

5.376

L’energia de xarxa augmenta a mesura que augmenta la càrrega de l’anió i del catió.

O

•

•

• •

O

• •

• •

H

H

• • • •

• •

• •

P

angular

H•

•

H

H

• •

C

• •

g)

H

• •

S • •

O

• • • •

O ••

• •

• •

d)

• •

O •• •• O

• • • •

O •• • •

h)

—C— —O O—

• •

• •

• • • •

P

• •

Cl • •

• • • •

• •

• •

Cl •• • •

Cl •• • •

• •

Cl

• •

• •

• •

Cl — • • • •

Cl •• • •

• •

• • • • • • •• • • • •

• • • •

• •

• •

Cl • • Cl ••

Cl • •

• •

S — Cl ••

Cl ••

• •• •• •

• •

• •

• •

• • • • •

• •

Cl•— •Cl

• •

• • • • •

• • • •

• • • •

• •

• • • •

• • • •

• •

• •

• •

• •

• • • •

• •

Cl ••

—

• •

• • • •

• •

• • • • • • •• • •• •

• •

Cl • •

• •

• •

P — Cl ••

—

• •

Cl ••

• •

• •

• •

• • • •

• • • •

• •

lineal

e)

• •• •

•

Cl

angular

C— — O •• • •

• •

•

Cl •• • •

tetraèdrica • •

• • •

• P — Cl • •

••• • • • • •

• • • •

• •

c)

• •

• •

• •

—

H ••

Cl

• •

Cl •• • •

Cl ••

piramidal triangular

H— C — H

H

• • • •

• •

• • • •

• •

• •

—

b)

• •

Cl •• • •

O — O •• • •

• •

f)

—

• •

—

H

• •

—

• •

H

—

a)

—

Escriu la representació de Lewis de les molècules següents i aplica la «teoria de la repulsió de les parelles d’electrons de la capa de valència», per trobar la seva geometria: a) H2O2 b) CH4 c) CO d) CO2 e) PCl5 f) PCl3 g) SCl2 h) Cl2

—

43.

• • • •

•

• • • bipiramidal triangular • •

• •

• • • •

• •

• •

• •

• •

• •

• • • •

• • • •

• • • •

• •

• •

• • • •

• •

• • • •

• • • •

• • • •

• • • •

• •

• • • •

• •

183

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 184

6 L’enllaç químic Els àtoms de C s’uneixen entre ells formant enllaços covalents senzills, dobles i triples. Escriu la representació de Lewis dels compostos més simples en què es dóna aquesta circumstància:

• •

• •

C

C

H•

•

H

H

H

H

H•

•

H

•

C

C

• •

• •

• •

• •

H

H

•

c ) e t ietí no

H—C—C—H

H

• •

•

b ) e tetè e no

• •

• •

—

• •

—

H

a ) e t età ano

• •

c) Etí (C2H2). H H

—

b) Etè (C2H4) H

H

—

a) Età (C2H6)

H

C

• •

•

• •

C— — C—

H—

•

C

—H

—

44.

H

—C—H H—C— —

H

•

El BF3 i el NF3 són compostos amb una fórmula molt semblant. Tot i així, un acompleix la regla de l’octet i l’altre no.

45.

L’explicació rau en l’estructura de Lewis d’aquestes substàncies: • •

• •

• •

N• • •

• •

F

•

• •

—

• •

• • • •

F

• •

F

• •

• • • •

• •

• •

N— F

• •

• •

B

• • • •

• • • •

• •

F

O

•

• • • •

• •

H

• •

• •

• •

• •

• • • •

• •

• • • •

• •

• •

• •

• • • •

• •

• •

• •

• • • •

• • • •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• • • •

• •

• • • • • •

— —

• • • •

• •

• • • •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

N—O—H

O

• • • •

• •

• •

• •

N O

• • • •

• •

• • • •• • • •• • • •• • ••• • • •• • •• • • • •• • • •• •• • • •• • • •• • • •• • • • •• • • • •• • •• • • • • • • • • • • • •

• •

• •

• •

• •

H

• •

• •

• •

•

• •

• • • •

H

• •

• •

O

• •

O

• •

• • • •

• •

• •

• •

• •

• •

• • ••

• •

• • •

• •

• •

• •

• •

• •

N

• •

• •

• •

• •

• • • •

• •• • • • •• • •

• •

184 • •

•

• • • •

• • • •

• • • •

O

• •

• •

O

N

àcid nítric HNO •• ••3•

• •• • • •• • • • • • • • • • • ••• • • •• • • • • • •• •• • •••• •• • •• • • •• • •• • • • •• • • • • • • • • • • •• • • •• • • • • • • •• •• • • • •• • • • • • •

• •

• •

• • • • • • • •• • • •• • • • • • • • • •

• •

• •

• • • •

• •

H

N O

• •

• •

• •

• •

• •

•••• • • • • • •• • • • •••• • • • • • ••••• • • • • •• • ••• • • ••••• • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • •• • •• • • • • • • •

• •

• •

• •

• • • •

• • • • ••

• •

• •

O

• •

• •

• • • • ••

• • • •

• •

• •

• •

• •

N O

N

• •

• •

• •

• •

•• • •• •• • • • •• • • • • • • • • • • • • •• •• • • • • • • • • •• •• • • • • • • • • •• • •• ••• • • • • •• • • • • • • • • • • • • •• • •• • • • • • • • • • • • • •• •• •• • • • •• • • • • •• •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

• • •• ••

• •

N—O—H • •

•

• •

• •

• •

• àcid nitrós HNO2

• •

• •

• •

• •

• •

• •

N•

• •

• •

F

• •

• •

• •

• • • •

• •

• •

• •

• •

àcid hiponitrós HNO

• •

• •

El nitrogen forma tres oxoàcids, l’hiponitrós, el nitrós i el nítric. Escriu la representació de Lewis de cadascun.

46.

• •

F

B— F

• •

F

• •

• •

• •

F

• •

• •

• •

• •

• • • •

F

—

• • • •

—

F

—

• • • •

• •

• •

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 185

SOLUCIONARI

47.

Els compostos següents són sals que, en una solució aquosa, es dissocien en el seu anió i el seu catió. Indica tots els enllaços que s’estableixen a cadascun dels compostos: a) b) c) d)

NH4Cl Ca(NO3)2 MgBr2 NaHCO3

a) L’enllaç iònic entre l’anió (Cl−) i el catió (NH4+). El catió està format per una molècula d’amoníac (NH3) que s’uneix mitjançant un enllaç covalent datiu a un protó (H1+). El N de la molècula d’amoníac està unit amb 3 àtoms de H mitjançant enllaços covalents. b) L’enllaç iònic entre el catió (Ca2+) i l’anió (NO3−). Els enllaços entre els àtoms de l’ió nitrat s’indiquen a la pàgina 180 del llibre de text. c) L’enllaç iònic entre el catió (Mg2+) i l’anió (Br−). d) L’enllaç iònic entre el catió (Na+) i l’anió, l’ió carbonat (HCO3−). anió bicarbonat Anión bicarbonato

• •

• •

O

— —

–

• •

O—C—O—H • •

48.

• •

• •

• •

Totes les molècules que s’indiquen a continuació són apolars. Estudia la geometria dels seus enllaços: a) BF3

b) CO2

c) BeCl2

d) C2Cl2

Els enllaços de tots el casos són polars. Per tant, les molècules han de ser perfectament simètriques, a fi que la suma del moments dipolars de tots els enllaços sigui zero: F– –O +C+ O– –Cl +Be+ Cl– + +B+ –F

49.

F–

–Cl

+C — Cl+

Cl–

La molècula de CO2 és apolar i la de SO2 és polar. Què ens pots dir de la geometria del seus enllaços? En tots dos casos és una molècula en què un àtom central s’uneix amb dos àtoms que són més electronegatius. Tots dos enllaços (C=O en un cas i S=O en l’altre) són polars. Consegüentment, la molècula de CO2 ha de ser lineal, i la de SO2, angular.

185

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 186


Copia el quadre següent a la teva llibreta i completa’l. Tipus d’enllaços entre àtoms Té lloc quan es combinen àtoms amb electronegativitat.

Els àtoms assoleixen la configuració del gas noble.

Exemple Tipus d’enllaços entre àtoms

Iònic

Té lloc quan es combinen àtoms amb electronegativitat.

51.

Molt dispar.

Metàl·lic

Semblant i alta.

Semblant i elevada.

Els àtoms assoleixen la configuració del gas noble.

L’un guanyant electrons i l’altre cedint-ne.

Compartint electrons.

Cedint els electrons de valència que estabilitzen els cations que es formen.

Exemple

CaCl2

SO2

Ag

Observa la taula d’electronegativitats de la pàgina 148 i ordena els enllaços següents segons la seva polaritat. Indica, en cada cas, quin és l’element químic que duu la càrrega parcial negativa: a) Cl − S b) Cl − F Enllaç Element

EN Càrrega parcial Diferència EN

186

Covalent

c) C − H

e) B − H

d) B − Cl Cl−S Cl

S

Cl−F Cl

C−H F

C

H

B−Cl B

Cl

B−N B

H

3,16 2,58 3,16 3,98 2,55 2,20 2,04 3,16 2,04 2,20 −

+ 0,58

+

− 0,82

−

+ 0,35

+

− 1,12

+

− 0,16

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 187

SOLUCIONARI

La polaritat de l’enllaç depèn de la diferència d’electronegativitats. S’han ordenat del més polar al menys polar. B−Cl > Cl−F > Cl−S > C−H > B−H 52.

El diamant i el grafit estan formats exclusivament per àtoms de carboni. Explica per què el diamant és un material molt dur i aïllant elèctric, mentre que el grafit se separa en làmines i és un material conductor de l’electricitat. Els electrons estan compromesos als enllaços covalents localitzats, formant una xarxa cristal·lina. Per això és un material aïllant, perquè no hi ha cap possibilitat de moviment als electrons, i molt dur, perquè per ratllar-lo cal trencar enllaços covalents entre àtoms de C. Pel que fa al grafit, cada àtom de C forma tres enllaços covalents amb altres 3 àtoms i li queda 1 electró que pot formar part d’un núvol electrònic que s’estén per tot el cristall. Aquests electrons es poden moure sota l’acció d’un camp elèctric. Per això el grafit és un material conductor. El grafit es pot separar en làmines perquè només els àtoms de C de cada pla estan units mitjançant enllaços covalents; els d’un pla i els del següent estan units per mitjà del núvol electrònic, que dóna lloc a un enllaç força més dèbil.

53.

Generalment, identifiquem els cristalls com a materials transparents, fràgils i durs. Això és vàlid per a un cristall de clorur de sodi i un cristall de diamant, però no ho és per a un cristall de plata. Explica aquest fet. Això succeeix amb els cristalls iònics o de sòlids covalents, com ara el diamant, en què les partícules que els formen (ions de signe diferent o àtoms) ocupen posicions molt concretes. Intentar que s’apropin o que se separin fa que hi hagi repulsions o bé que calgui vèncer l’atracció entre ions a la xarxa cristal·lina o a l’enllaç covalent entre àtoms. Pel que fa als cristalls metàl·lics, els electrons de valència formen una mena de núvol que evita que es presentin repulsions noves quan tractem de ratllar-los o de colpejar-los, i absorbeix una part de la llum amb què s’il·luminen, tot impedint que siguin transparents.

54.

A què fa referència la càrrega parcial que tenen alguns àtoms en els compostos covalents? Els àtoms dels compostos iònics també tenen càrrega parcial? Quan dos àtoms amb diferent electronegativitat s’uneixen amb un enllaç covalent, n’hi ha un que té més tendència a endur-se’n els electrons de l’enllaç. Damunt seu hi apareix una càrrega parcial negativa, perquè els electrons hi són més propers; però no acaba de ser una càrrega real perquè no arriba a arrencar els electrons a l’altre element, que assoleix una càrrega parcial positiva.

187

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 188

6 L’enllaç químic Quan la diferència d’electronegativitat és molt gran, un dels àtoms aconsegueix arrencar electrons a l’altre i obté una càrrega total. Tots dos es converteixen en ions. 55.

Una molècula que només té enllaços apolars és apolar. Es pot afirmar, anàlogament, que una molècula que només té enllaços polars és polar? No. Una molècula amb enllaços polars pot ser apolar si la suma vectorial dels moments dipolars de cadascun dels seus enllaços és zero. I això pot passar si la geometria de la molècula és apropiada.

56.

Pensa en el tipus d’enllaç que s’estableix entre els seus àtoms, i determina quina de les fórmules següents és empírica i quina és molecular: d) AlCl3 g) TeO a) SCl2 b) MgCl2 e) SiO2 h) RbI c) BF3 f) BaO i) BrI • Quan s’uneixen àtoms amb una electronegativitat semblant i elevada, es forma una substància covalent la fórmula de la qual és molecular. Això passa a: a) SCl2, c) BF3, e) SiO2, g) TeO, i) BrI. • Quan s’uneixen àtoms amb una electronegativitat molt diferent, es forma una substància iònica la fórmula de la qual és empírica. Això passa a: b) MgCl2, d) AlCl3, f) BaO, h) RbI.

57.

Són correctes aquestes frases? Raona la resposta. a) Les substàncies que formen cristalls són sòlides a temperatura ambient. b) Les substàncies que formen cristalls no condueixen l’electricitat. c) Les substàncies que formen cristalls estan formades per àtoms d’una electronegativitat semblant. d) Les substàncies que formen cristalls són dures. e) Les substàncies que formen cristalls tenen una estructura interna perfectament ordenada. a) Cert. Perquè hi haurà moltes partícules que estan unides ben fort, i per separar-les i que canviïn d’estat caldrà comunicar-los una energia considerable. b) Fals. Els cristalls metàl·lics condueixen l’electricitat, i els iònics la condueixen quan es dissolen o quan estan en estat líquid. c) Fals. Això té lloc amb els cristalls metàl·lics o de sòlids covalents, com ara el diamant. Si el cristall és iònic, estarà format per àtoms amb electronegativitat molt diferent.

188

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 189

SOLUCIONARI

d) És fals en el cas dels cristalls metàl·lics en què el núvol d’electrons permet que uns plans puguin lliscar damunt d’altres, o obrir espais entre àtoms (ratllar) sense gaires dificultats. e) Cert. És una característica de les substàncies cristal·lines. 58.

Respon: a) Es poden unir dos àtoms d’un mateix element? b) Com serà el seu enllaç? Sí. Podran formar enllaços covalents o bé metàl·lics; però mai enllaços iònics.

59.

És correcte un enunciat que afirmi que els compostos iònics es dissolen en dissolvents polars, i els covalents en dissolvents apolars? Els compostos iònics que es dissolen ho fan en dissolvents polars, ja que són els únics en què les interaccions ió-dipol (de la molècula de dissolvent) poden compensar l’energia de xarxa. Però n’hi ha que no es dissolen. Els compostos covalents es dissolen en dissolvents de polaritat semblant a la del compost.

60.

Sovint, un compost té propietats molt diferents de les dels elements que el formen. A tall d’exemple, l’aigua, que és una substància líquida a temperatura ambient, està formada per oxigen i hidrogen, dues substàncies gasoses a temperatura ambient, i que cal sotmetre a baixes temperatures i altes pressions per aconseguir liquar-les. Explica totes aquestes característiques estudiant l’enllaç de cadascuna d’aquestes substàncies. La molècula d’aigua H−O−H té enllaços covalents polars. Les molècules es poden unir entre si per enllaços de H, un enllaç intermolecular relativament fort, i això fa que a temperatura ambient l’aigua es presenti en estat líquid. L’hidrogen i l’oxigen formen molècules covalents apolars H−H, O=O. Atès que el volum dels àtoms és petit, les forces que es poden establir entre les seves molècules són molt dèbils i, per això, només es liquaran a temperatures molt baixes i a pressions molt elevades.

61.

Explica per què un cristall metàl·lic es pot separar en làmines (es diu que els metalls són mal·leables), mentre que amb un cristall iònic això no es pot fer. Quan els plans d’un cristall metàl·lic es desplacen els uns sobre els altres, el núvol d’electrons evita que es produeixin noves repulsions, cosa que passa si intentem desplaçar els plans d’un cristall iònic. (Vegeu les figures 6.35 i 6.37 del llibre de text.)

189

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 190


Completa les frases: a) Els metalls són conductors de primera espècie perquè condueixen l’electricitat pel moviment de . b) Els compostos iònics són conductors de segona espècie perquè . condueixen l’electricitat pel moviment de a) Els metalls són conductors de primera espècie perquè condueixen l’electricitat pel moviment d’electrons. b) Els compostos iònics són conductors de segona espècie perquè condueixen l’electricitat pel moviment d’ions.

63.

Els compostos iònics i els metalls condueixen l’electricitat. Explica si cadascun d’ells la condueix en estat sòlid i en estat líquid. Els compostos iònics no condueixen l’electricitat en estat sòlid i sí que ho fan en estat líquid. Això passa perquè en estat sòlid els ions ocupen posicions fixes a la xarxa cristal·lina i no es poden moure, però sí que ho poden fer en estat líquid. Els metalls condueixen l’electricitat en estat sòlid i en estat líquid. I el motiu d’això rau en què aquesta conducció la duen a terme els electrons de valència que estabilitzen els ions metàl·lics positius, tant pel que fa referència al metall sòlid com al metall líquid.

64.

Tingues en compte les dades de les energies d’enllaç i explica per què quan s’escalfa aigua les seves molècules passen a l’estat de vapor, però els àtoms d’hidrogen es mantenen units a l’àtom d’oxigen. L’energia de l’enllaç covalent és molt més gran que la de l’enllaç d’hidrogen (vegeu la taula del marge a la pàgina 172). Quan s’escalfa aigua, es trenquen els enllaços entre les seves molècules, que passen a l’estat de vapor; amb l’escalfament habitual, els enllaços covalents entre els àtoms de O i de H no arriben a trencar-se.

65.

L’etanol (CH3 − CH2OH) té un punt d’ebullició de 78 °C, mentre que l’èter etílic (CH3 − O − CH3) té un punt d’ebullició de −25 °C. Explica per què hi ha aquesta diferència si les dues substàncies tenen una massa semblant. Entre les molècules d’etanol es formen enllaços de H, mentre que entre les d’èter tan sols es formen enllaços dipol-dipol, unes forces molt més dèbils que les anteriors. És per això que aquesta substància té un punt d’ebullició tan baix.

66.

190

L’enllaç d’hidrogen és el que confereix a l’aigua les seves propietats químiques. Com creus que seria el punt d’ebullició de l’aigua si no existís l’enllaç d’hidrogen? Rumia sobre algun canvi que tindria lloc al teu cos si això succeís.

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 191

SOLUCIONARI

D’acord amb la gràfica de la figura 6.39, voltaria a l’entorn de −50 °C. I a temperatura ambient l’aigua estaria en estat gasós. La major part del nostre cos és aigua i, per tant, la vida no es podria desenvolupar tal com ara la coneixem. 67.

Completa les frases: a) Els patins de gel tenen una làmina vertical que facilita el lliscament. La pressió fa que el gel que hi ha a sota de la làmina i el fregament . b) Quan ens movem, la pressió

i el terra torna a

.

a) Els patins de gel tenen una làmina vertical que facilita el lliscament. La pressió fa que es fongui el gel que hi ha a sota de la làmina i el fregament disminueix. b) Quan ens movem, la pressió desapareix i el terra es torna a congelar. 68.

En quines de les substàncies següents es pot establir l’enllaç d’hidrogen? a) NF3 e) HCOH

b) CH3−NH2 f) HCOOH

c) CH4 g) HCl

d) CH3−CO−CH3 h) HNa

L’enllaç de H es forma en molècules covalents que presenten enllaços −O−H o −N−H. I això passa a: b) CH3−NH2, f) HCOOH. 69.

Observa les dades següents i completa les frases que figuren a continuació: Substància T. fusió

HCl

HBr

HI

− 114 °C

− 87 °C

− 51 °C

a) Quan les molècules estan unides per un enllaç fusió de les substàncies en Substància T. fusió

F2

Cl2

Br2

I2

−220 °C

−101 °C

−7 °C

114 °C

b) Quan les molècules estan unides per un enllaç fusió de les substàncies en

el punt de la seva massa molar.

el punt de la seva massa molar.

c) Quan un conjunt de molècules estan unides per enllaços del mateix tipus, el punt de i el punt d’ augmenta en la seva . a) Quan les molècules estan unides per un enllaç dipol-dipol, el punt de fusió de les substàncies augmenta en augmentar la seva massa molar.

191

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 192

6 L’enllaç químic b) Quan les molècules estan unides per un enllaç dipol instantanidipol induït, el punt de fusió de les substàncies augmenta en augmentar la seva massa molar. c) Quan unes quantes molècules estan unides per enllaços del mateix tipus, el punt de fusió i el punt d’ebullició augmenten en augmentar la seva massa molar.

70.

El que es coneix com a neu carbònica és CO2 en estat sòlid. S’utilitza per produir efectes especials, ja que quan s’obre el recipient que la conté surt un núvol de gas blanc. Analitza la molècula de CO2 i explica per què es produeix el canvi d’estat que s’hi aprecia. La molècula de O=C=O té dos enllaços covalents polars, però, com que la seva geometria és lineal, és una molècula apolar. Les forces intermoleculars són molt dèbils; de manera que, per solidificar-la, cal sotmetre-la a pressions fortes i a temperatures baixes. Quan s’obre el recipient que conté el gel carbònic, està a temperatura i pressió ambientals, i això fa que desapareguin les forces entre les molècules i passi ràpidament a l’estat gasós.

71.

L’aigua (H2O), l’alcohol metílic (CH3OH) i el cloroform (CHCl3) són tres líquids d’un aspecte molt semblant. Tot i això, l’aigua es mescla molt bé amb l’alcohol i és immiscible amb el cloroform. Estudia les molècules d’aquestes substàncies i explica el perquè d’aquest comportament. Entre l’aigua i l’alcohol es poden formar enllaços de H, com els que hi ha entre les molècules d’aigua entre elles i entre les molècules d’alcohol entre elles. La molècula de cloroform és polar, però no permet la formació d’enllaços d’hidrogen i per això no es mescla amb l’aigua. Allò que és semblant es dissol en allò a què s’assembla.

72.

Els elements del grup 14 formen compostos com l’oxigen, que tenen forma similar però propietats molt diferents. Fixa’t en aquests compostos: • CO2

• SiO2

• SnO2

Ara, copia la taula al teu quadern i completa-la:

CO2 Tipus d’enllaç entre els seus àtoms Estat físic a temperatura ambient Forma molècules? Forma cristalls?

192

SiO2

SnO2

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 193

SOLUCIONARI

La clau està en la diferència d’electronegativitats entre els àtoms que s’enllacen: CO2

SiO2

SnO2

Convalent

Covalent

Iònic

Gas

Sòlid

Sòlid

Forma molècules?

Sí

No

No

Forma cristalls?

No

Sí

Sí

Tipus d’enllaç entre els seus àtoms Estat físic a temperatura ambient

73.

Relaciona els compostos següents amb la propietat més adequada: AlCl3 Xe BH3 H2O

facilitat. Condueix l’electricitat en estat sòlid. El líquid és més dens que el sòlid. És una molècula deficient en electrons.

I2

El seu cristall és molt dur.

Sn

És un gas format per àtoms aïllats.

AlCl3 Xe BH3 H2O

74.

Sòlid a temperatura ambient, sublima amb

Sòlid a temperatura ambient, sublima amb

facilitat. Condueix l’electricitat en estat sòlid. El líquid és més dens que el sòlid. És una molècula deficient en electrons.

I2

El seu cristall és molt dur.

Sn

És un gas format per àtoms aïllats.

Explica per què amb un ganivet pots tallar un bistec, però no pots tallar la forquilla. El filet està format per substàncies covalents, i tallar un bistec implica trencar forces intermoleculars. Per tallar la forquilla haurem de trencar el cristall metàl·lic, i l’enllaç metàl·lic és molt més fort que les forces intermoleculars.

75.

Senyala tots els enllaços que hi ha quan el CaCl2 es dissol en aigua. El CaCl2 és un compost iònic. Quan es dissol en aigua, els seus ions s’envolten de molècules d’aigua i s’originen interaccions ió-dipol. La molècula d’aigua és polar, i orienta el seu pol positiu a l’entorn de l’ió negatiu (Cl−) i el seu pol negatiu a l’entorn de l’ió positiu (Ca2+).

193

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 194


• •

Indica tots els enllaços que hi ha quan el Na2CO3 es dissol en aigua. El Na2CO3 és un compost iònic. Quan es dissol en aigua, els seus ions s’envolten de molècules d’aigua i s’originen interaccions ió-dipol. La molècula d’aigua és polar, i orienta el seu pol positiu a l’entorn de l’ió negatiu (CO32−) i el seu pol negatiu a l’entorn de l’ió positiu (Na+). Quant a l’ió carbonat, els àtoms de O s’uneixen a l’àtom de C mitjançant enllaços covalents, de la manera següent: • • O • • – – •• Anió carbonat • • • O—C—O • — —

• •

77.

• •

Senyala tots els enllaços que hi ha quan el metanol (CH3OH) es dissol en aigua. El metanol és una molècula covalent en què el C hi actua com a àtom central. L’aigua també és una molècula covalent en què els dos àtoms de H estan units amb un àtom de O. Totes dues substàncies tenen enllaç −O−H, i això vol dir que poden formar enllaços entre si, a més de l’enllaç de H que s’estableix entre les molècules d’aigua i el que s’estableix entre les molècules de metanol.

H −

• •

H

• •

O • •

−H O • •

Enllaç de H

H

H−O−O−H • •

−

Molècula de metanol

H

194

• •

−

H • •

• •

H

• •

O • •

• •

O

• •

H

• •

• •

H • •

• •

Molècula d’aigua

H

78.

Les taques de greix són difícils de netejar amb aigua. Quan portem la roba a la tintoreria, les netegen en sec amb dissolvents derivats del petroli, a base de carboni i hidrogen. Considerant tot això, raona si les molècules de greix són polars o apolars. Els dissolvents derivats del petroli que contenen C i H són molècules apolars. Per tant, els greixos han de ser substàncies apolars, ja que allò que és semblant es dissol en allò a què s’assembla. En l’aigua només s’hi dissolen les substàncies polars.

79.

El diamant és el material més dur que hi ha. Utilitza aquesta dada per justificar que l’enllaç covalent entre àtoms de carboni és més fort que els enllaços entre ions. Si el diamant és el material més dur que hi ha, aleshores és capaç de ratllar-ne qualsevol altre, cristalls iònics inclosos. Això vol dir que la força que manté units els àtoms de C del diamant és més gran que la que manté units els ions a la xarxa cristal·lina.

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 195

SOLUCIONARI

80.

Les configuracions electròniques dels àtoms són: A → 1s22s22p63s23p4 B → 1s22s22p63s23p64s23d104p5

Estudia: a) La fórmula del compost que resulta quan es combinen A i B. b) El tipus d’enllaç que s’estableix entre els àtoms. c) L’estat físic en què es trobarà a temperatura ambient. d) La seva capacitat per conduir l’electricitat. a) AB2. b) Covalent. Totes dues necessiten captar electrons per assolir la configuració de gas noble. c) Probablement líquid. Es formarà una molècula polar de volum no pas petit. d) No condueix l’electricitat perquè tots els electrons pertanyen a un àtom o bé a enllaços localitzats.

81.

Relaciona la propietat amb el tipus d’enllaç al qual correspon:

Iònic

1 Les espècies que s’enllacen són ions. 2 Forma cristalls.

Ió-dipol

3 Dóna lloc a substàncies sòlides a temperatura ambient. 4 Forma molècules.

Dipol instantanidipol induït

5 Enllaç entre àtoms. 6 Enllaç entre molècules. 7 Només surt quan hi ha enllaços O − H, N − H i F − H. 8 S’estableix entre molècules apolars.

Metàl·lic

9 És l’enllaç més dèbil. 10 Enllaç responsable de la dissolució de compostos iònics.

Enllaç de H

Dipol-dipol

11 Origina substàncies que condueixen l’electricitat. 12 Origina substàncies toves que es poden ratllar amb l’ungla. 13 És l’enllaç intermolecular més fort.

Covalent

14 Les substàncies que el formen es dissolen en aigua.

195

945335 _ 0169-0196.qxd

8/1/09

12:15

Página 196

6 L’enllaç químic Iònic: 1, 2, 11 (quan es troben en solució aquosa), 14 (de vegades). Ió-dipol: 10, 14. Dipol instantani-dipol induït: 6, 8, 9, 12. Metàl·lic: 2, 3, 5, 11. Enllaç de H: 6, 7, 12, 13, 14. Dipol-dipol: 6, 12. Covalent: 2 (en alguns casos, com ara el diamant), 4 (gairebé sempre), 5.

196

945335 _ 0197-0242.qxd

7

8/1/09

13:18

Página 197

La reacció química

PRESENTACIÓ En aquesta unitat s’aborda el canvi químic des de diferents perspectives. En primer lloc, es pretén aconseguir la representació del canvi químic per mitjà d’equacions químiques, i aprofundir en l’estudi microscòpic a fi d’entendre com tenen lloc les reaccions. S’hi tracta també la determinació experimental i la interpretació de la calor de reacció i la velocitat de reacció. En segon lloc, i com a part important de la unitat, l’estequiometria de la reacció ens permetrà realitzar càlculs sobre les quantitats de les diferents substàncies que intervenen. També es pretén que els nois i les noies es familiaritzin amb les reaccions més freqüents que es produeixen en la vida quotidiana, a través de l’observació experimental i la interpretació de diferents tipus de reaccions: àcid-base, de precipitació i redox. És important que l’alumnat conegui les aplicacions domèstiques dels àcids i de les bases, com també la duresa de l’aigua.

OBJECTIUS • Comprendre el canvi químic com un canvi de la naturalesa de les substàncies i saber-lo interpretar mitjançant la teoria cineticomolecular. • Interpretar i estudiar la velocitat d’una reacció i els canvis energètics. • Saber interpretar les equacions químiques i familiaritzar-se amb els càlculs estequiomètrics. • Comprendre la importància de l’estudi de les reaccions químiques àcid-base per abordar situacions quotidianes. • Comprendre la importància de les reaccions redox sobretot en la obtenció industrial d’elements a partir dels seus compostos. • Comprendre la importància de les reaccions de precipitació per tal d’interpretar molts fenòmens naturals i fets quotidians. • Familiaritzar-se amb l’ús de l’instrument bàsic de la química, així com conèixer algunes tècniques específiques com les valoracions àcid-base i redox.

197

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 198

7 La reacció química CONTINGUTS • Interpretació del canvi químic com una transformació que afecta la naturalesa de la matèria. • Representació d’una reacció química mitjançant una equació química. • Utilització del model cineticomolecular per explicar com succeeix una reacció. • Investigació experimental de la velocitat d’una reacció i dels factors dels quals depèn. • Investigació experimental de l’energia d’una reacció i interpretació microscòpica d’aquesta energia. • Realització de càlculs estequiomètrics en reaccions en què intervenen sòlids, líquids, gasos i dissolucions. • Reconeixement dels àcids i les bases més comuns al laboratori i a la vida quotidiana. • Caracterització i determinació experimental de les propietats dels àcids i les bases, i interpretació mitjançant la teoria d’Arrhenius. • Definició i aplicació del concepte de pH i determinació experimental de la quantitat d’un àcid o d’una base que conté un producte d’ús quotidià. • Predicció i observació de reaccions de precipitació. • Observació experimental de diferents reaccions redox i elaboració del concepte d’estat d’oxidació. • Identificació de les reaccions redox i de les espècies oxidants i reductores. • Descripció del procés d’obtenció d’algunes substàncies elementals a partir dels minerals que les contenen.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DE BATXILLERAT • Competència comunicativa, que implica saber descriure fets, explicar-los, justificar-los i argumentar-los. Això suposa promoure discussions sobre les evidències experimentals, la idoneïtat dels models proposats per interpretar els fets químics i la lectura i interpretació de textos i il·lustracions. • Competència en gestió i tractament de la informació i competència digital, que implica la utilització de fonts bibliogràfiques i dels recursos que hi ha a la xarxa per cercar informació sobre el desenvolupament històric dels diferents models atòmics.

198

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 199


CONNEXIONS AMB ALTRES MATÈRIES DE BATXILLERAT • L’ús del llenguatge per comunicar per escrit i oralment la construcció i la compartició de coneixement químic, igual com la lectura comprensiva dels textos i la recerca d’informació impliquen una connexió necessària amb les llengües. • El coneixement dels canvis químics, de la catàlisi enzimàtica, del concepte i de la mesura del pH està molt relacionat amb la biologia. • A les ciències de la Terra i el medi ambient s’estudia l’obtenció d’elements a partir de minerals, la duresa de les aigües i els mètodes d’eliminació.

CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Interpretar la informació que proporciona una equació química i reconèixer els diferents tipus de reaccions. 2. Fer balanços de matèria i d’energia en una reacció química, independentment de quin sigui l’estat en què les substàncies es troben. 3. Escriure l’equació química ajustada de totes les substàncies que participen en una reacció. 4. Interpretar les dades d’una investigació sobre l’efecte de la concentració i la temperatura en la velocitat d’una reacció, així com conèixer els efectes dels catalitzadors. 5. Fer càlculs estequiomètrics en què intervinguin gasos i substàncies en dissolució. 6. Fer càlculs estequiomètrics en què intervingui la riquesa d’una mostra i/o el rendiment de la reacció. 7. Aplicar els càlculs estequiomètrics per determinar la composició d’una mostra. 8. Efectuar càlculs estequiomètrics en processos amb un reactiu limitant. 9. Interpretar, des d’un punt de vista atomicomolecular, les reaccions àcid-base, de precipitació i de redox, i fer càlculs amb elles mitjançant exemples d’interès pràctic. 10. Predir factors o condicions que modifiquin la velocitat a la qual es produeix una reacció química concreta. Aplicar-ho a reaccions que tinguin lloc en l’entorn pròxim de l’alumnat o bé que tinguin interès industrial o mediambiental.

199

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 200

7 La reacció química 1.

Si obrim una bombona de gas butà, el gas surt de la bombona i es barreja amb l’aire. Per què cal un misto o una guspira elèctrica perquè s’iniciï la reacció de combustió? Les molècules del gas han de tenir l’energia necessària perquè en xocar entre elles es trenquin els enllaços de les molècules d’oxigen i del gas butà. Un misto o una guspira elèctrica subministren aquesta energia mínima, que s’anomena energia d’activació.

2.

Utilitza la teoria de les col·lisions per explicar els fets següents: a) Com més concentrat és un àcid, més ràpidament reacciona amb un metall, com el Zn, desprenent hidrogen. b) La reacció anterior té lloc més ràpidament si el zinc es troba en forma de pols. Com més concentrat és l’àcid, més molècules de l’àcid hi ha per unitat de volum. Com veurem a l’apartat 5, si l’àcid és fort, aquestes molècules estan totalment ionitzades. Això suposa més possibilitats que les partícules de l’àcid (molècules o ions) xoquin amb el Zn. Si el zinc està en forma de pols, la superfície de contacte entre el metall i l’àcid és molt més gran, i, per tant, el nombre d’àtoms de zinc que xoquen amb les partícules de l’àcid també és més gran.

3.

Sense que calgui usar un catalitzador ni incrementar la temperatura, pensa dues maneres diferents d’augmentar la velocitat de la reacció entre el carbonat de calci sòlid i l’àcid clorhídric (veure figura 7.11 del llibre). Augmentar la concentració de l’àcid i polvoritzar el carbonat de calci.

4.

Ajusta les reaccions químiques següents i després descriu-les amb una frase: a) H2SO4

(aq)

+ Al(OH)3

(aq)

→ H2O

(l)

+ Al2(SO4)3

(aq)

b) C8H16 (l ) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l ) c) NH3

(g)

+ O2

(g)

→ NO

(g)

+ H2O

(g)

A la primera reacció: Quina quantitat d’hidròxid d’alumini necessites perquè reaccioni tot l’àcid sulfúric contingut en 20 mL d’àcid d’1,96 g/mL de densitat i 85 % de riquesa? a) 3 H2SO4 (aq) + 2 Al(OH)3 (aq) → 6 H2O (l) + Al2(SO4)3 (aq) 3 mols d’àcid sulfúric dissolt reaccionen amb 2 mols d’hidròxid d’alumini, i donen 6 mols d’aigua líquida i 1 mol de sulfat d’alumini en solució.

200

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 201

SOLUCIONARI

b) C8H16 (l ) + 12 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 8 H2O (l ) 1 mol de C8H16 (l) reacciona amb 12 mols de gas oxigen i donen 8 mols de gas diòxid de carboni i 8 mols d’aigua en estat líquid. c) 2 NH3 (g) + 5/2 O2 (g) → 2NO (g) + 3H2O (g) 2 mols d’amoníac reaccionen amb 5/2 mols de gas oxigen, i donen 2 mols de monòxid de nitrogen gas i 3 mols d’aigua gas. L’estequiometria de la primera reacció ens permet conèixer la proporció en mols en què reaccionen les substàncies. Calculem la quantitat en mols que representa la quantitat d’àcid sulfúric indicada. 20 mL de H2SO4 comercial ⋅

1,96 g = 39,2 g de H2SO4 comercial 1mL

39,2 g de H2SO4 comercial ⋅

85 g de H2SO4 pur 100 g de H2SO4 comercial

=

= 33,32 g de H2SO4 pur M (H2SO4) = 2 ⋅ 1 + 32 + 4 ⋅ 16 = 98 → 33,32 g de H2SO4 ⋅

0,34 mol de H2SO4 ⋅

1mol de H2SO4 98 g de H2SO4

2 mol de Al(OH)3 3 mol de H2SO4

= 0,34 mols de H2SO4

= 0,23 mol de Al(OH)3

M [Al(OH)3] = 27 + 3 ⋅ (16 + 1) = 78 → 0,23 mol de Al(OH)3 ⋅

g → mol

g → mol

78 g de Al(OH)3 1 mol de Al(OH)3

=

= 17,94 g de Al(OH)3 es necessiten 5.

Escriu i ajusta l’equació química de les reaccions següents: a) L’amoníac reacciona amb l’àcid sulfúric per donar sulfat d’amoni. b) Quan l’òxid de ferro (III) reacciona amb el monòxid de carboni s’obté ferro metàl·lic i s’allibera diòxid de carboni. Calcula la quantitat d’òxid de ferro (III) de riquesa 65 % que es necessita per obtenir 32 g de ferro metàl·lic. a) 2 NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 b) Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2 L’estequiometria de la segona reacció ens permet conèixer la proporció en mols en què reaccionen les substàncies. Calculem la quantitat en mols que representa la quantitat de ferro:

201

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 202

7 La reacció química 32 g de Fe ⋅

1mol de Fe 55,8 g de Fe

→ 0,57 mol de Fe ⋅

= 0,57 mols de Fe →

1mol de Fe2O3 2 mol de Fe

= 0,29 mols de Fe2O3

M (Fe2O3) = 2 ⋅ 55, 8 + 3 ⋅ 16 = 159,6 → 0,29 mol de Fe2O3 ⋅

159,6 g de Fe2O3 1 mol de Fe2O3

g → mol

= 46,3 g de Fe2O3

Com que estem fent servir un òxid de ferro (III) del 65 % de riquesa: 46,3 g de Fe2O3 ⋅

6.

100 g d'òxid de partida 65 g de Fe2O3

= 71,21 g d'òxid de partida.

La cremor d’estómac és deguda a un excés en la producció de HCl per part del nostre organisme. Per contrarestar-la podem prendre una mica d’hidròxid de magnesi, que reacciona amb l’àcid per formar clorur de magnesi i aigua. a) Escriu la reacció que es produeix. b) Calcula els grams d’hidròxid de magnesi que cal prendre per neutralitzar 10 mL de HCl 1,25 M. c) Calcula els grams de clorur de magnesi que s’hi formaran. a) 3 HCl + Al(OH)3 → AlCl3 + 3 H2O. L’estequiometria de la reacció ens permet conèixer la proporció en mols en què les substàncies reaccionen. Calculem la quantitat en mols que representa la quantitat de HCl indicada: 10 ⋅ 10−3 L de HCl ⋅

1,25 mol de HCl

b) 1,25 ⋅ 10−2 mol de HCl ⋅

1 L de HCl

= 1,25 ⋅ 10−2 mol de HCl

1mol de Al(OH)3 3 mol de HCl

= 4,17 ⋅ 10−3 mol de Al(OH)3

M [Al(OH)3] = 27 + 3 ⋅ (16 + 1) = 78 → 4,17 ⋅ 10−3 mol de Al(OH)3 ⋅

g → mol

78 g de Al(OH)3 1 mol de Al(OH)3

=

= 3,25 ⋅ 10−1 g = 325 mg de Al(OH)3 es neutralitzen.

202

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 203

SOLUCIONARI

c) 1,25 ⋅ 10−2 mol de HCl ⋅

1mol de AlCl3

= 4,17 ⋅ 10−3 mol de AlCl3

3 mol de HCl

M (AlCl3) = 27 + 3 ⋅ 35,5 = 133,5 → 4,17 ⋅ 10−3 mol de AlCl3 ⋅

g → mol

133,5 g de AlCl3 1 mol de AlCl3

=

= 5,57 ⋅ 10−1 g = 557 mg de AlCl3 es formen.

7.

Quan el clorat de potassi s’escalfa, se’n desprèn oxigen i queda un residu de clorur de potassi. Calcula: a) La quantitat de clorat que es va escalfar si l’oxigen que es va obtenir, recollit en un recipient de 5 L a la temperatura de 80 °C, exercia una pressió de 3,5 atm. b) Els grams de clorur de potassi que s’han obtingut. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: →

KClO3 1 mol de clorat de potassi

3/2 O2

es descompon i dóna

+

3/2 mol d’oxigen

i

KCl 1 mol de clorur de potassi

5 L, 80 ºC, 3,5 atm

3. Expressem la quantitat d’oxigen en mols i, com que és un gas, utilitzem l’equació: P · V = n · R · T→ →n=

P ⋅V = R ⋅T

3,5 atm ⋅ 5 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,6 mol de O2

⋅ (273 + 80) K

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen. a) 0,6 mol de O2 ⋅

1mol de KClO3 3/2 mol de O2

= 0,4 mol de KClO3

M (KClO3) = 39,1 + 35,5 + 3 ⋅ 16 = 122,6 → 0,4 mol de KClO3 ⋅

122,6 g de KClO3 1 mol de KClO3

g → mol

= 49 g de KClO3

203

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 204

7 La reacció química b) 0,6 mol de O2 ⋅

1mol de KCl 3/2 mol de O2

= 0,4 mol de KCl

M(KCl) = 39,1 + 35,5 = 74,6 → 0,4 mol de KCl ⋅

8.

74,6 g de KCl 1 mol de KCl

g → mol

= 29,8 g de KCl

Quan un hidrocarbur reacciona amb una quantitat limitada d’oxigen es produeix monòxid de carboni i aigua. a) Escriu la reacció en la qual el propà (C3H8) es transforma en monòxid de carboni. b) Quin volum d’oxigen, mesurat en condicions normals, reacciona amb 4 L de propà a 2 atm de pressió i 25 °C de temperatura? c) Quin volum de monòxid de carboni s’obtindrà, mesurat en condicions normals? 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: +

C3H8 1 mol de propà

→

7/2 O2

reacciona amb

7/2 mols d’oxigen

+

3 CO

i 3 mols de donen monòxid de carboni

i

4 H2O 4 mols d’aigua

4 L, 2 atm, 25 ºC

3. Expressem la quantitat de propà en mols i, com que és un gas, utilitzem l’equació: P · V = n · R · T→ → n=

P ⋅V = R ⋅T

2 atm ⋅ 4 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,33 mol de C3H8

⋅ (273 + 25) K

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen. a) 0,33 mol de C3H8 ⋅

7/2 mol de O2 1 mol de C3H8

= 1,15 mol de O2

En condicions normals, 1 mol d’un gas ideal ocupa 22,4 L. Per tant: 1,15 mol de O2 ⋅

204

22,4 L 1 mol

= 25,8 L de O2

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 205

SOLUCIONARI

b) 0,33 mol de C3H8 ⋅

3 mol de CO 1 mol de C3H8

= 0,99 mol de CO

En condicions normals, 1 mol d’un gas ideal ocupa 22,4 L. Per tant: 0,99 mol de CO ⋅

9.

22,4 L

= 22,2 L de CO

1 mol

El nitrat d’amoni (NH4NO3) és una substància que es fa servir habitualment com a fertilitzant. Sota l’acció de detonadors, explota i es descompon en nitrogen, oxigen i aigua. Això fa que també s’utilitzi per fabricar explosius. En un bidó, hi tenim 0,5 kg d’una substància que té un 80 % de riquesa en nitrat d’amoni. Si arriba a explotar totalment, calcula: a) La pressió que exercirà el nitrogen que s’alliberarà, si el bidó és de 50 L i la temperatura és de 35 °C. b) El volum d’aigua que apareixerà al bidó. Densitat de l’aigua = 1 g/mL. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: NH4NO3

→

N2

+

1 mol de nitrat d’amoni

es descompon i dóna

1 mol de nitrogen

i

1 10 — 2 2 1/2 mol d’oxigen

+

2 H2O

i

2 mols d’aigua

0,5 kg, 80 % en NH4NO3

3. Expressem en mols la quantitat de nitrat d’amoni pur que hi ha al bidó: 0,5 kg de producte ⋅

80 kg de NH4NO3 pur 100 kg de producte

= 0,4 kg de NH4NO3 pur

M (NH4NO3) = 2 ⋅ 14 + 4 ⋅ 1 + 3 ⋅ 16 = 80 g/mol → → 0, 4 ⋅ 10 3 g de NH4NO3 ⋅

1mol de NH4NO3 80 g de NH4NO3

= 5 mol de NH4NO3

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen. a) 5 mol de NH4NO3 ⋅

1mol de N2 1 mol de NH4NO3

= 5 mol de N2

Utilitzem l’expressió dels gasos per calcular la pressió que exercirà: P·V=n·R·T→

205

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 206

7 La reacció química n ⋅ R ⋅T →P = = V

5 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

⋅ (273 + 35) K

mol ⋅ K

= 2,53 atm

50 L

b) 5 mol de NH4NO3 ⋅

2 mol de H2O

= 10 mol de H2O

1 mol de NH4NO3

Donat que l’aigua és un líquid, calculem la massa equivalent a aquests mols i, mitjançant la densitat, el volum que ocupa: M (H2O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol → → 10 mol de H2O ⋅

180 g de H2O ⋅

10.

18 g de H2O 1 mol de H2O

1mL de H2O 1 g de H2O

= 180 g de H2O

= 180 mL de H2O

L’òxid de ferro (III) és un compost que es fa servir, entre altres coses, per fabricar cintes d’enregistrament. Per determinar-ne la riquesa en una mostra, se la va fer reaccionar amb hidrogen gasós. Com a resultat es va obtenir ferro i aigua. Determina el percentatge en òxid de ferro (III) si 100 g de la mostra van consumir 33,6 L de H2, mesurats en condicions normals. Quina quantitat de ferro es va dipositar en el procés? 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: Fe2O3 1 mol d’òxid de ferro (III) 100 g de mostra

+

3H2

reacciona 3 mols amb d’hidrogen

→

2Fe

i 2 mols donen de ferro

+

3H2O

i

3 mols d’aigua

33,6 L en C.N.

3. Expressem la quantitat d’hidrogen en mols. Com que és un gas ideal, hem de tenir en compte que cada mol ocupa 22,4 L: 33,6 L de H2 ⋅

1mol 22,4 L

= 1,5 mol de H2

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen. a) Inicialment, calculem la quantitat de Fe2O3 que reacciona amb aquesta quantitat de H2; serà la quantitat d’aquesta substància que conté la mostra:

206

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 207

SOLUCIONARI

1,5 mol de H2 ⋅

1mol de Fe2O3 3 mol de H2

= 0,5 mol de Fe2O3

M (Fe2O3) = 2 ⋅ 55, 8 + 3 ⋅ 16 = 159,6 159,6 g de Fe2O3

→ 0,5 mol de Fe2O3 ⋅

1 mol de Fe2O3

g → mol

= 79,8 g de Fe2O3

Com que en 100 g de mostra hi ha aquesta quantitat, concloem que té una riquesa en Fe2O3 del 79,8 %. b) Per calcular la quantitat de Fe que s’hi diposita: 1,5 mol de H2 ⋅

2 mol de Fe 3 mol de H2

= 1mol de Fe →

→ 55,8 g de Fe que s’hi dipositen. 11.

Quan el iodur de potassi reacciona amb el nitrat de plom (II), s’obté un precipitat groc de iodur de plom (II) i una altra substància. Si es barregen 25 mL d’una dissolució 3 M de KI amb 15 mL de dissolució 4 M de Pb(NO3)2, calcula la quantitat de precipitat groc que s’obtindrà. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem:

2 KI 2 mols de iodur de potassi 25 mL, 3 M

+

→

Pb(NO3)2

reaccionen 1 mol de amb nitrat de plom (II)

PbI2

i 1 mol de donen iodur de plom (II)

+

2 KNO3

i

2 mols de nitrat de potassi

15 mL, 4 M

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Com que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant. Hem de determinar quin. 25 ⋅ 10−3 L de KI ⋅

3 mol

15 ⋅ 10−3 L de Pb(NO3 )2 ⋅

1L

= 7,5 ⋅ 10−2 mol de KI

4 mol 1L

= 6 ⋅ 10−2 mol de Pb(NO3 )2

207

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 208

7 La reacció química Determinem el reactiu limitant tot tenint en compte l’estequiometria de la reacció: 6 ⋅ 10−2 mol de Pb(NO3 )2 ⋅

2 mol de KI 1 mol de Pb(NO3 )2

= 12 ⋅ 10−2 mol de KI

Aquesta quantitat és més gran que els 3,75 ? 10-2 mols d’aquesta substància que reaccionen i, per tant, el reactiu limitant és el Kl. 4. Calculem la quantitat de substància que s’obté a partir de la quantitat de reactiu limitant que hi ha. L’estequiometria de la reacció permet determinar-la: 7,5 ⋅ 10−2 mol de KI ⋅

1mol de PbI2 2 mol de KI

= 3,75 ⋅ 10−2 mol de PbI2

M (PbI2) = 207,2 + 2 ⋅ 126, 9 = 461 3,75 ⋅ 10−2 mol de PbI2 ⋅

12.

461 g de PbI2 1 mol de PbI2

g → mol

= 17,29 g de PbI2

El cadmi reacciona amb l’àcid nítric i forma nitrat de cadmi i hidrogen. Es fan reaccionar 8 g de cadmi amb 60 g d’HNO3 1,5 M. Quants grams d’hidrogen s’obtindran com a màxim? 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: Cd 2 mols de cadmi

+

→

2 HNO3

reaccionen 2 mols d’àcid amb nítric

8g

Cd(NO3)2

+

H2

i 1 mol de donen nitrat de cadmi

i

1 mol d’hidrogen

60 mL, 1,5 M

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Com que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant. Hem de determinar quin. • 8 g de Cd ⋅

1mol de Cd 112,4 g de Cd

• 60 ⋅ 10−3 L de HNO3 ⋅

= 7,12 ⋅ 10−2 mol de Cd

1,5 mol 1L

= 9 ⋅ 10−2 mol de HNO3

Determinem el reactiu limitant tot tenint en compte la estequiometria de la reacció: 1mol de Cd 9 ⋅ 10−2 mol de HNO3 ⋅ = 4,5 ⋅ 10−2 mol de Cd 2 mol de HNO3

208

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 209

SOLUCIONARI

Aquesta quantitat és més petita que els 7,12 · 10–2 mols d’aquesta substància que reaccionen i, per tant, el reactiu limitant és el HNO3. 4. Calculem la quantitat d’hidrogen que s’obté a partir de la quantitat de reactiu limitant que hi ha. L’estequiometria de la reacció permet determinar-la: 9 ⋅ 10−2 mol de HNO3 ⋅

1mol de H2 2 mol de HNO3

= 4,5 ⋅ 10−2 mol de H2

g → mol 2 g de H2 → 4,5 ⋅ 10−2 mol de H2 ⋅ = 0,09 g de H2 1 mol de H2 M (H2) = 2 ⋅ 1 = 2

13.

Sabem que quan un àcid reacciona amb una base, neutralitzen els seus efectes. N’hi haurà prou amb afegir 6 g d’hidròxid de calci a 100 mL d’una dissolució d’àcid nítric 2 M per obtenir un medi neutre? Determina si després de la reacció tindrem un medi àcid o bàsic. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: Ca(OH)2

+

1 mol d’hidròxid de calci

reacciona amb

6g

2 HNO3 2 mols d’àcid nítric

→

Ca(NO3)2

i 1 mol de donen nitrat de calci

+

2 H2O

i

2 mols d’aigua

100 mL, 2 M

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Com que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant. Hem de determinar quin. g M [Ca(OH)2] = 40,1 + 2 ⋅ (16 + 1) = 74,1 mol 1mol de Ca(OH)2 = 8,1 ⋅ 10−2 mol de Ca(OH)2 • 6 g de Ca(OH)2 ⋅ 74,1 g de Ca(OH)2 • 100 ⋅ 10−3 L de HNO3 ⋅

2 mol 1L

= 20 ⋅ 10−2 mol de HNO3

Determinem el reactiu limitant tot tenint en compte la estequiometria de la reacció: 20 ⋅ 10−2 mol de HNO3 ⋅

1mol de Ca(OH)2 2 mol de HNO3

= 10 ⋅ 10−2 mol de Ca(OH)2

Aquesta quantitat és més petita que els 8,1 · 10–2 mols que tenim d’aquesta substància i, per tant, tindrem un medi àcid.

209

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 210


El formol (CH2O) és un compost que es fa servir per fabricar coles de fusta. A la indústria s’obté fent reaccionar metanol (CH3OH) amb oxigen, en un procés en el qual també s’hi forma aigua. El rendiment de l’operació és del 92 %. a) Escriu l’equació química de la reacció. b) Determina la massa de formol que es pot obtenir a partir de 50 g de metanol. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: CH3OH 1 mol de metanol

1O — 2 2

+ reacciona amb

1/2 mol d’oxigen

→

CH2O

i 1 mol de donen formol

+ i

H2O 1 mol d’aigua

50 g

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen: M(CH3OH) = 12 + 4 ⋅ 1 + 16 = 32 g/mol → → 50 g de CH3OH ⋅

1mol de CH3OH

= 1,56 mol de CH3OH

32 g de CH3OH

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen: 1,56 mol de CH3OH ⋅

1 mol de CH2O 1mol de CH3OH

= 1,56 mol de CH2O

M(CH2O) = 12 + 2 ⋅ 1 + 16 = 30 g/mol → → 1,56 mol de CH2O ⋅

30 g de CH2O 1 mol de CH2O

= 4,68 g de CH2O

Aquesta és la quantitat que s’obtindria si el procés tingués un rendiment del 100 %. Però com que no el té, en calculem la quantitat real: 4,68 g de CH2O teòric ⋅

15.

210

92 g reals 100 g teòric

= 4,31 g de CH2O real

En un dels passos per a la fabricació de l’àcid sulfúric es fa reaccionar diòxid de sofre amb oxigen per produir triòxid de sofre. Una vegada es van barrejar 11 L de diòxid de sofre a 1,2 atm i 50 °C amb oxigen i es van formar 30 g de triòxid de sofre. Determina el rendiment de la reacció i les molècules d’oxigen que van reaccionar.

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 211

SOLUCIONARI

1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 1O — 2 2

+

SO2 1 mol de diòxid de sofre

reacciona amb

1/2 mol d’oxigen

→

SO3

i 1 mol de triòxid donen de sofre

11 L, 1,2 atm i 50 ºC

30 g

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen, i, com que el SO2 és un gas, fem servir l’equació: P·V=n·R·T→ → n=

P ⋅V = R ⋅T

1,2 atm ⋅ 11 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 0,5 mol de SO2

⋅ (273 + 50) K

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols de SO3 que s’obtindran, com a màxim, a partir d’aquesta quantitat: 0,5 mol SO2 → 0,5 mol SO3 M (SO3) = 32 + 3 ⋅ 16 = 80 g/mol → → 0,5 mol de SO3 ⋅

80 g de SO3 1 mol de SO3

= 40 g de SO3

Com que s’obté una quantitat més petita, determinem el rendiment del procés: 30 g reals Rto. = ⋅ 100 = 75% 40 g teòrics Per calcular les molècules d’oxigen que han reaccionat, hem de calcular els mols mitjançant l’estequiometria de la reacció: 0,5 mol de SO2 ⋅ = 0,25 mol de O2 ⋅

0,5 mol de O2 1 mol de SO2

=

6, 022 ⋅ 1023 molècules

1 mol = 1,5 ⋅ 1023 molècules de O2

16.

=

El butà (C4H10) és un dels combustibles que més es fa servir en l’àmbit domèstic. Crema per l’acció de l’oxigen de l’aire i forma diòxid de carboni i aigua. Cada cop que es crema 1 mol de butà es desprenen 2.878 kJ. Calcula: a) La quantitat d’energia que s’obté quan es cremen els 12,5 kg de butà d’una bombona. b) Els mols de CO2 que van a parar a l’atmosfera cada cop que es crema una bombona de butà.

211

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 212

7 La reacció química 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. Hem de tenir en compte l’energia que es desprèn. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: C4H10 1 mol de butà

13 — O2 2

+ reacciona amb

→

4 CO2

13/2 mols i 4 mols de d’oxigen donen diòxid de carboni

+

5 H2O

+

Energía

i

5 mols d’aigua

i

2.878 kJ

12,5 kg

3. Expressem en mols la quantitat de butà d’una bombona i calculem l’energia que s’obté amb la seva combustió: M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → 1mol de C4H10

→ 12,5 ⋅ 10 3 g de C4H10 ⋅

= 216 mol de C4H10 →

58 g de C4H10

→ 216 mol de C4H10 ⋅

2.878 kJ 1 mol de C4H10

= 622 ⋅ 10 3 kJ

4. L’estequiometria ens permet calcular els mols de la substància que van a parar a l’atmosfera: 216 mol de C4H10 ⋅

17.

4 mol de CO2 1 mol de C4H10

= 864 mol de CO2

Per coure uns ous necessitem 1.700 kJ. Calcula quina massa de butà (C4H10) s’haurà de fer servir en aquesta operació si per cada mol de butà que es crema es desprenen 2.878 kJ i en cuinar s’aprofita el 60% de l’energia. 1. Tal com hem fet en l’exercici anterior, escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. També cal tenir en compte l’energia que es desprèn. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: C4H10

+

1 mol de diòxid de butà

reacciona amb

13 — O2 2

→

4 CO2

13/2 mols i 4 mols de d’oxigen donen diòxid de carboni

+

5 H2O

+

Energía

i

5 mols d’aigua

i

2.878 kJ

1.700 kJ

212

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 213

SOLUCIONARI

3. Tenint en compte l’eficiència del procés, calculem la quantitat d’energia que hem d’obtenir amb la combustió del butà: 1.700 kJreals ⋅

100 kJ teòrics 60 kJreals

= 2.833 kJreals

4. L’estequiometria ens permet obtenir la quantitat de butà, expressada en mols, que es necessita. Finalment, en calculem l’equivalent en grams: 2.833 kJ ⋅

1mol de C4H10 2.878 kJ

= 0,98 mol de C4H10 →

→ M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → → 0,98 mol de C4H10 ⋅

18.

58 g de C4H10 1 mol de C4H10

= 57 g de C4H10

Si en cremar un mol de metà es desprenen 212,8 kJ. Quina quantitat de calor es desprèn en cremar 1 kg de metà? Quin volum d’oxigen es necessita mesurat en condicions normals? Escrivim l’equació química i l’ajustem: CH4 (g) + 2 O2(g) → CO2 (g) +2 H2O (g) 1.000 g 1 mol 212,8 kJ 1 kg metà · ———— · ——— · ————— = 13.300 kJ 1 kg 16 g 1 mol es desprenen 13.300 kJ d’energia en forma de calor 22, 4 L 1.000 g 1 mol 2 mol O2 1 kg metà · ————— · ———— · —————— · ——————= 2.800 L 1 kg 16 g 1 mol 1 mol es necessiten 2.800 litres d’oxigen.

19.

Ajusta les equacions químiques següents i identifica el tipus de reacció: a) NaClO3 → NaCl + O2 b) HNO3 + Fe → H2 + Fe(NO3)2 c) KI + Pb(NO3)2 → PbI2 + KNO3

d) C + O2 → CO2 e) Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O

3 O2 → Reacció de descomposició. 2 b) 2 HNO3 + Fe → H2 + Fe(NO3)2 → Reacció de substitució.

a) NaClO3 → NaCl +

c) 2 KI + Pb(NO3)2 → PbI2 + 2 KNO3 → Reacció de doble substitució. d) C(s) + O2 → CO2 → Reacció de combustió o de síntesi. e) Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O → Reacció de descomposició.

213

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 214


El salfumant és una dissolució aquosa d’àcid clorhídric, que és un àcid fort; l’equació de la seva ionització és: HCl

(aq)

→ H+

(aq)

+ Cl–

(aq)

Quina és la concentració d’ions Cl– d’una dissolució 0,5 M d’aquest àcid? Per a cada mol d’àcid que s’ha dissolt, s’obté un mol d’ions clorur; per tant, la concentració d’ions clorur és la mateixa que la de l’àcid, 0,5 M. 21.

Completa i ajusta les següents reaccions de neutralització: a) HNO3 + KOH → b) H2SO4 + Al(OH)3 → c) HCl + Ca(OH)2 → a) HNO3 + KOH → KNO3 + H2O b) 3H2SO4 + 2Al(OH)3 → Al2(SO4)3 + 6H2O c) 2HCl + Ca(OH)2 → CaCl2 +2H2O

22.

Tenim tres solucions A, B i C de pH igual a 2,7 i 12 respectivament. Quina és la concentració d’ions hidroni en cada cas? Indica si són àcides, bàsiques o neutres. Per definició, el pH és el logaritme en base 10 (canviat de signe) de la concentració d’ions hidrogen. Si el pH és 2, la concentració d’ions hidrogen és 10-2, per al pH igual a 7 és 10-7, i per al pH igual a 12 és 10-12.

23.

Escriu les reaccions que tenen lloc quan introduïm una làmina de coure en una solució d’ions plata (figura 7.26 del llibre). Indica quin és l’oxidant i quin el reductor. Cu → Cu2+ + 2 electrons 2 Ag+ + 2 electrons → Ag L’oxidant és Ag+, ja que aquests ions són els que s’emporten els electrons. El reductor és el Cu, perquè perd electrons i passa a la dissolució en forma d’ions positius.

24.

Ajusta les reaccions següents i determina si són de transferència de protons o d’electrons. Indica, en cada cas, quina és l’espècie que cedeix protons o electrons i quina és la que els accepta: a) NaOH + NaHCO3 → Na2CO3 + H2O b) CO2 + C → CO

c) HCl + Al → AlCl3 + H2 d) HCl + Be(OH)2 → BeCl2 + H2O

a) NaOH + NaHCO3 → Na2CO3 + H2O → Reacció de transferència de protons. El NaHCO3 els cedeix i el NaOH els accepta.

214

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 215

SOLUCIONARI

b) CO2 + C → 2 CO → Reacció de transferència d’electrons. El C els cedeix i el CO2 els accepta. c) 3 HCl + Al → AlCl3 + 3/2 H2 → Reacció de transferència d’electrons. El Al els cedeix i el H+ els accepta. d) 2 HCl + Be(OH)2 → BeCl2 + 2 H2O → Reacció de transferència de protons. El HCl els cedeix i el Be(OH)2 els accepta. 25.

El Cu reacciona amb una sal de Ag1+ per donar una sal de Cu2+ i Ag. Raona per què l’equació química ajustada d’aquest procés ha de ser: Cu (s) + 2 Ag1+ (aq) → 2 Ag + Cu2+ (aq) Perquè quan Cu (s) → Cu2+ (aq), perd 2e–. Com que cada ió plata tan sols capta 1 e-, calen dos ions Ag per completar el procés (2 Ag1+(aq) → 2 Ag).

26.

El Zn reacciona amb una sal de Fe3+ i dóna una sal de Fe2+ i una sal de Zn2+. Escriu l’equació química ajustada d’aquest procés. Zn + 2 Fe3+ → 2 Fe2+ + Zn2+. El nombre d’electrons que s’intercanvien és 2. Cada àtom de Zn desprèn 2 electrons, que són captats per dos àtoms de Fe3+ per passar a 2 àtoms de Fe2.

27.

A una dissolució de nitrat de plata AgNO3 se li afegeix unes gotes d’una dissolució d’àcid clorhídric HCl. Què succeirà? Escriu l’equació de la reacció química que té lloc. Es formarà un precipitat blanc de clorur de plata: AgNO3 (aq) + HCl (aq) → AgCl (s) + HNO3 (aq)

28.

Escriu les equacions químiques de les següents reaccions de precipitació: a) El sulfat de plom (II) és un compost insoluble. Escriu l’equació de la reacció que tindrà lloc al mesclar una solució de nitrat de plom (II) amb una de sulfat de sodi. b) Si afegim una dissolució de cromat de potassi a una dissolució de nitrat de plata, es forma un precipitat de cromat de plata. a) Pb(NO3)2 + Na2SO4 → 2 NaNO3 + PbSO4 b) 2 Ag NO3 + K2CrO4 → Ag2CrO4 + 2 KNO3

29.

L’hidròxid d’alumini, Al(OH)3, és insoluble en aigua. Explica com podríem identificar la presència d’ions Al3+ en una solució aquosa, que no conté cap més catió. Afegint una dissolució d’un hidròxid soluble com el NaOH. Com que a la dissolució problema hi ha presència d’ions Al3+, en afegir l’hidròxid de sodi, es precipitarà l’hidròxid d’alumini.

215

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 216


La teoria de les col·lisions diu que per produir una reacció les partícules dels reactius han de xocar. Com ha de ser la topada perquè resulti eficaç? Cal que tingui prou energia i dugui l’orientació adequada.

31.

Completa el dibuix amb les paraules adequades: • Reactius

• Productes

• Energia d’activació

• Energia de la reacció

• Procés endotèrmic

• Procés exotèrmic

Estat de transició Reactius Energia de reacció

Energia d’activació Productes

Procés exotèrmic

32.

• Estat de transició

Estat de transició Energia d’activació Reactius

Productes Energia de reacció

Procés endotèrmic

Explica d’on procedeix l’energia que es desprèn en els processos exotèrmics. Té l’origen en el fet que l’energia que es desprèn en els productes quan es formen els nous enllaços és més gran que la que cal per trencar els enllaços en els reactius.

33.

Tant l’augment de la temperatura dels reactius com la presència d’un catalitzador positiu redueixen l’energia d’activació d’un procés. Actuen de la mateixa manera? No. L’increment de temperatura augmenta el nivell energètic dels reactius, i, com a conseqüència, disminueix l’energia d’activació del procés en què els reactius es transformen en productes. El catalitzador positiu rebaixa el nivell energètic de l’estat de transició, i, per consegüent, disminueix l’energia d’activació, tant pel que fa referència al pas del reactius a productes com a l’inrevés.

34.

Què és la velocitat de reacció? En quines unitats es pot mesurar? És la quantitat de substància que es transforma per unitat de temps. Bé perquè desapareix, en el cas dels reactius, o bé perquè es forma, en el dels productes. Es pot mesurar en forma de concentració, i les unitats que s’empren són M/s o (mol/L)/s.

35.

216

Com és possible que alguns catalitzadors disminueixin la velocitat d’una reacció si no canvien l’energia dels reactius ni dels productes?

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 217

SOLUCIONARI

Perquè rebaixen el nivell energètic de l’estat de transició. En el cas de la catàlisi homogènia, es forma un compost intermedi amb un dels reactius i el catalitzador. A la catàlisi heterogènia s’estableixen unes forces d’atracció entre el catalitzador i un reactiu que debiliten els enllaços i, per tant, disminueix l’energia d’activació. 36.

Indica quines de les reaccions següents són processos exotèrmics i quines endotèrmics: a) La coagulació de les proteïnes que es produeix quan coem un ou. b) La descomposició del carbonat de calci que es produeix quan s’escalfa. c) La combustió del butà que es produeix quan hi acostem un llumí encès. d) La fermentació del vi. a) Endotèrmic. Cal aplicar-hi calor perquè tingui lloc la coagulació. b) Endotèrmic. Cal aplicar-hi calor perquè tingui lloc la descomposició. c) Exotèrmic. Tot i que cal iniciar-lo amb un llumí. Durant el procés de combustió es desprèn calor. d) Exotèrmic. El procés també desprèn calor.

37.

Quan el monòxid de carboni gasós s’escalfa es descompon en gas oxigen i carboni, que es diposita en forma de petites partícules de carbonet. Per tal que la reacció esdevingui cal aportar-hi 110 kJ d’energia per cada mol de monòxid de carboni. Dibuixa el diagrama d’avançament de la reacció especificant-hi els enllaços que es trenquen i els que es formen.

O C

O C Productes O=O

38.

=

Reactius

O

=

O C

C

—C—C— 110 kJ

Tenint en compte com transcorren les reaccions químiques, dóna raons científiques que expliquin aquestes afirmacions: a) Quan la roba està molt bruta, la rentem en calent. b) Quan la roba té moltes taques de greix, apliquem detergent directament sobre les taques i les freguem.

217

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 218

7 La reacció química c) Ens podem escalfar amb una foguera, però si no tenim llumins o cap altre mètode per encendre-la, la fusta o el carbó no cremaran. d) Cuinar dos quilos de carn picada és molt més ràpid que coure dos quilos de carn en un sol tros. e) Quan fem la compra setmanal, desem els aliments dins la nevera. a) En escalfar l’aigua, augmentem el nivell energètic dels reactius (el detergent) i la velocitat de la reacció s’incrementa. D’aquesta manera la rentada és més eficaç. b) El fet d’aplicar el detergent directament sobre la taca pressuposa un increment de la concentració dels reactius en contacte, i això augmenta la velocitat de la reacció. c) Perquè la reacció s’iniciï cal vèncer l’energia d’activació. I per això fem servir els mistos quan volem encendre una foguera. Un cop s’ha produït la combustió, com que es tracta d’un procés exotèrmic, aquesta ja duu en ella mateixa l’energia d’activació perquè se segueixi produint. d) Quan es rosteix la carn es produeixen reaccions químiques. Si és carn picada, la superfície en contacte és més gran, i això n’incrementa la velocitat de la reacció. e) Els aliments es descomponen amb el temps perquè s’hi produeixen un conjunt de reaccions químiques. Quan els posem a la nevera rebaixem el nivell energètic dels reactius, i d’aquesta manera s’augmenta l’energia d’activació i disminueix la velocitat de la reacció.

39.

En els jaciments metàl·lics, juntament amb els metalls se solen extreure altres materials com ara roques. Per analitzar el contingut en metall d’una mostra se la fa reaccionar amb un àcid que dissol el metall i desprèn gas hidrogen. Per exemple, l’anàlisi que permet determinar la quantitat de zenc en una mostra es basa en la reacció: Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 Indica quatre procediments per augmentar la velocitat d’aquest reacció. Incrementar la concentració del HCl; trossejar el mineral en fragments petits; augmentar la temperatura; fer servir un catalitzador positiu.

40.

Explica la diferència entre una reacció química i una equació química. Per què cal ajustar les equacions químiques? Una reacció química és un procés en què la naturalesa de les substàncies que hi participen canvia. L’equació química és la representació simbòlica d’una equació química en què s’hi indiquen les fórmules dels reactius i dels productes i la proporció en què hi intervenen.

218

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 219

SOLUCIONARI

Cal ajustar les equacions químiques per indicar que la matèria es conserva i, per tant, tots els àtoms dels reactius s’han d’indicar en els productes. 41.

Escriu i ajusta les equacions químiques de les reaccions següents: a) Quan es fa reaccionar coure metall amb àcid sulfúric s’obté sulfat de coure (II), diòxid de sofre i aigua. b) Dels electròlits del clorur de sodi i aigua s’obtenen els gasos clor i hidrogen, i hidròxid de sodi. (S’entén de l’electrolisi del NaCl i l’aigua). a) Cu + 2 H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2 H2O b) 2 NaCl + H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH

42.

Ajusta les reaccions químiques següents i després descriu-les amb una frase: a) H2S

(g)

b) NaCl c) NaBr

+ O2

(g)

→ H2O

(s)

+ H2O

(s)

+ H3PO4

(l)

(l )

+ SO2

→ NaOH (aq)

(aq)

(g)

+ Cl2

→ Na2HPO4

(aq)

+ H2

(g)

+ HBr

(g)

(g)

a) H2S (g) + 3/2 O2 (g) → H2O (l ) + SO2 (g) 1 mol de sulfur d’hidrogen reacciona amb 3/2 mols de gas oxigen, i donen 1 mol d’aigua i 1 mol de diòxid de sofre. b) 2 NaCl (s) + H2O (l ) → NaOH (aq) + Cl2 (g) + H2 (g) 2 mols de clorur de sodi reaccionen amb 1 mol d’aigua, i donen 1 mol d’hidròxid de sodi, un mol de gas clor i 1 mol de gas hidrogen. c) 2 NaBr (s) + H3PO4 (aq) → Na2HPO4 (aq) + 2 HBr (g) 2 mols de bromur de sodi reaccionen amb 1 mol d’àcid fosfòric, i donen 1 mol d’hidrogenfosfat de sodi i 2 mols de bromur d’hidrogen gasós. 43.

Ajusta les equacions químiques següents i identifica el tipus de reacció: a) b) c) d) e)

BaBr2 + H3PO4 → Ba3(PO4)2 + HBr NH3 + HCl → NH4Cl 2 H2 + O2 → H2O Al + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2 NH3 → N2 + H2 a) 3 BaBr2 + 2 H3PO4 → Ba3(PO4)2 + 6 HBr. Reacció de doble substitució. b) NH3 + HCl → NH4Cl. Reacció de combinació (síntesi). c) 2 H2 + O2 → 2 H2O. Reacció de combinació. d) 2 Al + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2. Reacció de substitució. e) 2 NH3 → N2 + 3 H2. Reacció de descomposició.

219

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 220


Ajusta les reaccions següents i determina si són de transferència de protons o d’electrons. Indica, en cada cas, quina és l’espècie que cedeix protons o electrons i quina és la que els accepta: a) b) c) d)

C (s) + O2 → CO2 HNO3 + Fe → H2 + Fe(NO3)2 HCl + NaHCO3 → NaCl + CO2 + H2O NH3 + H3PO4 → (NH4)3PO4 a) C (s) + O2 → CO2. Reacció de transferència d’electrons. El C cedeix electrons i el O2 els capta. b) 2 HNO3 + Fe → H2 + Fe(NO3)2. Reacció de transferència d’electrons. El Fe cedeix electrons i el H+ els capta. c) HCl + NaHCO3 → NaCl + CO2 + H2O. Reacció de transferència de protons. El HCl cedeix protons i el NaHCO3 els capta. d) 3 NH3 + H3PO4 → (NH4)3PO4. Reacció de transferència de protons. El H3PO4 cedeix protons i el NH3 els capta.

45.

Explica la influència de la temperatura sobre la velocitat d’una reacció. La temperatura està relacionada amb l’energia mitjana de les partícules que formen les substàncies. A més temperatura més partícules amb energies altes, per tant, més partícules que tindran l’energia d’activació suficient perquè els enllaços siguin eficaços (veure figura 7.9 del llibre) i per tant la reacció anirà més de pressa.

46.

Disposem d’una solució d’àcid clorhídric i una d’hidròxid de sodi. a) Escriu la dissociació iònica de cada un d’ells. b) Explica què significa que tots dos són electròlits forts. c) Explica el que succeeix si mesclem les dues dissolucions. a) HCl (aq) → H+ (aq) + Cl– (aq) NaOH (aq) → Na+ (aq) + OH– (aq) b) Vol dir que estan totalment ionitzats. c) Tindrà lloc una neutralització: H+ (aq) + OH– (aq) → H2O

47.

Explica els fets següents: a) Per combatre l’àcidesa d’estómac, prenem una dissolució de bicarbonat de sodi. b) Segons la teoria d’Arrhenius, l’amoníac no és una base. El bicarbonat de sodi és una base que neutralitza l’àcid clorhídric que tenim a l’estómac.

220

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 221

SOLUCIONARI

La teoria d’Arrhenius considera bases aquelles substàncies que en dissolució aquosa es dissocien formant ions OH–. L’amoníac no té aquests ions a la seva molècula; per tant, no es pot considerar una base segons aquesta teoria. 48.

Quan es fa reaccionar amoníac amb oxigen s’obté monòxid de nitrogen i aigua. a) Escriu la reacció que es produeix tenint en compte que totes les substàncies estan en estat gasós. b) Determina el volum d’oxigen, mesurat en condicions normals, que es necessita perquè reaccioni totalment amb 50 g d’amoníac. c) Calcula les molècules de monòxid de nitrogen que s’obtindran. a) 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 2 NH3

(g)

+

→

5/2 O2(g)

2 mols reaccionen 5/2 mols d’amoníac amb d’oxigen

2 NO(g)

i 2 mols de monòxid donen de nitrogen

+

3 H2O(g)

i

3 mols d’aigua

50 g

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen: M (NH3) = 14 + 3 ⋅ 1 = 17 g/mol → → 50 g de NH 3 ⋅

1mol de NH3 17 g de NH3

= 2,94 mol de NH3

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen: b) 2,94 mol de NH3 ⋅

5/2 mol de O2 2 mol de NH3

= 3,68 mol de O2

Tenint en compte que 1 mol de qualsevol gas ocupa 22,4 L, en condicions normals. 3,68 mol de O2 ⋅

22,4 L 1 mol

= 82,3 L de O2

Segons l’estequiometria de la reacció, s’obtindrà el mateix nombre de mols de NO que han reaccionat que de NH3: 2,94 mol de NO ⋅

6, 022 ⋅ 1023 molècules

1 mol = 1,77 ⋅ 1024 molècules de NO

=

221

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 222


Habitualment, el carboni reacciona amb l’oxigen per donar diòxid de carboni. Però quan no hi ha oxigen suficient, la reacció produeix monòxid de carboni, un gas verinós que pot produir la mort. a) Escriu la reacció en la qual el carboni es transforma en diòxid de carboni i en monòxid de carboni. b) Calcula les molècules de monòxid de carboni i de diòxid de carboni que s’obtindrien si 1 kg de carboni es transformés íntegrament en cada una d’aquestes substàncies. c) Calcula la pressió que exerciria el monòxid de carboni que has calculat en l’apartat anterior si la combustió es produís en una habitació de 3 m x 4 m x 2,5 m a una temperatura de 25 °C. a) 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: C

+

(s)

1 mol de carboni

reacciona amb

O2

→

(g)

1 mol d’oxigen

i donen

CO2

(g)

1 mol de diòxid de carboni

1 kg

C

1O — 2 2

+

(s)

1 mol de carboni

reacciona amb

→

(g)

1 mol — 2 d’oxigen

i donen

CO

(g)

1 mol de monòxid de carboni

1 kg

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen: 1mol de C = 83,33 mol de C 12 g de C 4. L’estequiometria de la reacció permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen. Per a la primera reacció: 10 3 g de C ⋅

83,33 mol de C ⋅

1mol de CO2 1 mol de C

= 83,33 mol de CO2

Per a la segona reacció: 83,33 mol de C ⋅

1mol de CO 1 mol de C

= 83,33 mol de CO

b) Com que s’obté un nombre igual de mols de CO2 que de CO, hi haurà el mateix nombre de molècules de cadascun d’ells, i exerciran la mateixa pressió en les mateixes condicions. Ara farem el càlcul per a una de les reaccions (CO):

222

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 223

SOLUCIONARI

83,33 mol de CO ⋅

6, 022 ⋅ 1023 molècules

1 mol = 5, 02 ⋅ 1025 molècules de CO c) Com que: P · V = n · R · T →

→P =

50.

n ⋅ R ⋅T = V

83,33 mol ⋅ 0, 082

=

atm ⋅ L

⋅ (273 + 25) K mol ⋅ K = (3 ⋅ 4 ⋅ 2,5) ⋅ 10 3 L = 6, 8 ⋅ 10−2 atm

La gasolina té una composició mitjana d’octà (C8H18) que es crema amb l’oxigen de l’aire per donar diòxid de carboni i aigua. a) Escriu l’equació química de la reacció que es produeix. b) Calcula el volum d’oxigen, en condicions normals, que es necessita per cremar 1 litre de gasolina de densitat 8,0 g/mL. c) Calcula el volum de diòxid de carboni que es desprendrà, mesurat en condicions normals. a) 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: +

C8H18 1 mol d’octà

25/2 O2

→

8 CO2

reacciona 25/2 mols i 8 mols de diòxid amb d’oxigen donen de carboni

+

9 H2O

i

9 mols d’aigua

1 L, 0,8 g/mL

3. Expressem en mols la quantitat de gasolina equivalent a 1 L. Utilitzem la dada de la densitat: 10 3 mL de C8H18 ⋅

0,8 g de C8H18 1 mL de C8H18

= 800 g de C8H18

M (C8H18) = 8 ⋅ 12 + 18 ⋅ 1 = 114 g/mol → → 800 g de C8H18 ⋅

1mol de C8H18 114 g de C8H18

= 7,02 mol de C8H18

4. L’estequiometria ens permet calcular els mols d’oxigen que es necessiten. Com que està en condicions normals, calcularem el volum equivalent. I, d’una manera semblant, podrem saber la quantitat de CO2 que va a parar a l’atmosfera: b) 7,02 mol de C8H18 ⋅

25/2 mol de O2 1 mol de C8H18

= 87,7 mol de O2 →

223

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 224

7 La reacció química → 87,7 mol de O 2 ⋅

c) 7,02 mol de C8H18 ⋅

22,4 L


→ 56,2 mol de CO2 ⋅

51.

= 1, 97 ⋅ 10 3 L de O2

1 mol

22,4 L 1 mol

= 56,2 mol de CO2 →

= 1,258 ⋅ 10 3 L de CO2

El gas clor s’obté en la indústria per electròlisi d’una dissolució aquosa de clorur de sodi (aigua de mar). La reacció (sense ajustar) és la següent: NaCl + H2O → NaOH + Cl2 (g) + H2 (g) a) Quin volum de clor, mesurat en condicions normals, s’obtindrà si s’utilitzen 2,5 kg de clorur de sodi? b) Quants kg de NaOH s’obtindran? a) 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 2 NaCl 2 mols de clorur de sodi

+

2 H2O

→

2 NaOH

reaccio- 2 mols i 2 mols nen amb d’aigua donen d’hidròxid de sodi

+

Cl2

i

1 mol de clor

(g)

+ i

H2

(g)

1 mol d’hidrogen

2,5 kg

3. Expressem en mols la quantitat de NaCl: M (NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol → → 2,5 ⋅ 10 3 g de NaCl ⋅

1mol de NaCl 58,5 g de NaCl

= 42,74 mol de NaCl

4. L’estequiometria ens permet calcular els mols de clor que s’obtenen. Com que està en condicions normals, calcularem el volum equivalent: b) 42,74 mol de NaCl ⋅

1mol de Cl2 2 mol de NaCl

→ 21,37 mol Cl2 ⋅

22,4 L 1 mol

= 21,37 mol de Cl2 →

= 4,79 ⋅ 102 L Cl2

c) I, d’una manera semblant, calculem la massa de NaOH que s’obté: 42,74 mol de NaCl ⋅

224

2 mol de NaOH 2 mol de NaCl

= 42,74 mol de NaOH

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 225

SOLUCIONARI

M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 g/mol → 40 g de NaOH

→ 42,74 mol de NaOH ⋅

1 mol de NaOH

=

= 1,71 ⋅ 10 3 g de NaOH = 1,71kg de NaOH 52.

El carbur de silici (SiC) és un abrasiu industrial que s’obté fent reaccionar diòxid de silici amb carboni. Com a producte de la reacció s’obté, a més, monòxid de carboni. a) Escriu l’equació química ajustada de la reacció. b) Calcula la massa de carboni que ha de reaccionar per produir 25 kg de SiC. c) Calcula la pressió que exercirà el monòxid de carboni que s’obté si es recull en un recipient de 10 L a 50 °C. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: SiO2 1 mol de diòxid de silici

+

3C

reacciona amb

→

SiC

3 mols i 1 mol de de carboni donen carbur de silici

+ i

25 kg

2 CO 2 mols de monòxid de carboni 10L, 50 ºC

3. Expressem en mols la quantitat de SiC: M(SiC) = 28,1 + 12 = 40,1 g/mol → 1mol de SiC

→ 2,5 ⋅ 10 3 g de SiC ⋅

40,1 g de SiC

= 623,4 mol de SiC

4. L’estequiometria ens permet calcular quants mols de carboni han de reaccionar per tal d’obtenir aquesta quantitat de SiC: 623,4 mol de SiC ⋅

3 mol de C 1 mol de SiC

→ 1.870 mol de C ⋅

12 g de C 1 mol de C

= 1.870 mol de C → = 22, 4 ⋅ 10 3 g de C

Utilitzant la proporció estequiomètrica, calculem els mols de CO que s’obtenen. Les lleis dels gasos ens permetran calcular la pressió que exerceix en aquestes circumstàncies. 623,4 mol de SiC ⋅

2 mol de CO 1 mol de SiC

= 1.247 mol de CO

P·V=n·R·T→

225

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 226

7 La reacció química n ⋅ R ⋅T →P = = V

1.247 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

⋅ (273 + 50) K

mol ⋅ K 10 L

=

= 3.302 atm 53.

Una roca calcària conté un 70 % de carbonat de calci, substància que, en escalfar-se, desprèn diòxid de carboni i òxid de calci. Determina el volum de diòxid de carboni, mesurat en condicions normals, que es produirà quan es cremin 25 kg de roca calcària. Quants quilos d’òxid de calci es produiran? 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: + calor

CaCO3 1 mol de carbonat de calci

→

+

CO2

dóna 1 mol de diòxid de carboni

i

CaO 1 mol d’òxid de calci

25 kg, 70 %

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. D’entrada, cal determinar la massa de CaCO3 que hi ha en els 25 kg de roca calcària: 25 ⋅ 10 3 g de calcària ⋅

70 g de CaCO3 100 g de calcària

= 17,5 ⋅ 10 3 g de CaCO3

M (CaCO3) = 40,1 + 12 + 3 ⋅ 16 = 100,1 g/mol → → 17,5 ⋅ 10 3 g de CaCO3 ⋅

1mol de CaCO3 100,1 g de CaCO3

=

= 174,8 mol de CaCO3 4. L’estequiometria de la reacció ens permet calcular les quantitats de les altres substàncies que hi intervenen: a) El nombre de mols de CO2 que s’obtenen coincideix amb el de mols de CaCO3 que reaccionen. Com que és un gas, en calcularem el volum en condicions normals: 174,8 mol de CO2 ⋅

22,4 L 1 mol

= 3, 92 ⋅ 10 3 L de CO2

b) El nombre de mols de CaO que s’obtenen coincideix amb el de mols de CaCO3 que reaccionen. La seva massa molar ens permetrà conèixer l’equivalent pel que fa a la massa: M(CaO) = 40,1 + 16 = 56,1 g/mol → → 174,8 mol CaO ⋅

226

56,1 g de CaO 1 mol de CaO

= 9, 8 ⋅ 10 3 g de CaO = 9,8 kg de CaO

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 227

SOLUCIONARI

54.

Per determinar la riquesa en magnesi d’un aliatge s’agafa una mostra de 2,83 g i se la fa reaccionar amb oxigen en unes condicions en les quals només s’obté òxid de magnesi en una quantitat de 3,6 g. Quin serà el percentatge de magnesi a l’aliatge? 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 1 O (g) — 2 2

Mg (s)

+

1 mol de magnesi

reacciona amb

→

1/2 mol d’oxigen

2,83 g de mostra

MgO (s)

i 1 mol d’òxid donen de magnesi 3,6 g

3. Expressem en mols la quantitat de MgO que s’obté: M(MgO) = 24, 3 + 16 = 40,3 g/mol → → 3,6 g de MgO ⋅

1mol de MgO 40, 3 g de MgO

= 8, 9 ⋅ 10−2 mol de MgO

4. L’estequiometria de la reacció ens permet calcular la quantitat de magnesi que ha reaccionat: 0,089 mol de MgO ⋅

1mol de Mg 1 mol de MgO

= 0,089 mol de Mg

Calculem l’equivalent en grams, i obtindrem la quantitat de Mg que hi ha a la mostra. El resultat ens permet calcular el percentatge de magnesi que conté l’aliatge: 0,089 mol de Mg ⋅

→

55.

24,3 g de Mg 1 mol de Mg

= 2,16 g de Mg →

2,16 g de Mg ⋅ 100 = 76,4% de Mg en l'aliatge 2,83 g de mostra

El butà (C4H10) crema per acció de l’oxigen i dóna diòxid de carboni i aigua. Quin volum d’aire, a 1 atm de pressió i 25 °C de temperatura, es necessita per reaccionar amb 2,5 kg de butà? Tingues en compte que l’aire té un 20 % en volum d’oxigen. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem.

227

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 228

7 La reacció química 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: C4H10 1 mol de butà 2,5 kg

+

13 — O2 2

→

reacciona 13/2 mols amb d’oxigen

4 CO2

i 4 mols de diòxid donen de carboni

+

5 H2O

i

5 mols d’aigua

1 atm, 25 ºC

3. Expressem en mols la quantitat de butà: M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → → 2,5 ⋅ 10 3 g de C4H10 ⋅

1mol de C4H10 58 g de C4H10

= 43,1 mol de C4H10

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols d’oxigen que hi intervenen. Com que és un gas, la llei dels gasos ens permet determinar el volum que ocuparan en les condicions del problema:

43,1 mol de C4H10

13 mol de O2 2 ⋅ = 280 mol de O2 1 mol de C4H10

P·V=n·R·T→ atm ⋅ L 280 mol ⋅ 0, 082 ⋅ (273 + 25) K n ⋅ R ⋅T mol ⋅ K →V = = = P 1 atm = 6, 85 ⋅ 10 3 L de O2 La proporció d’oxigen que hi ha a l’aire ens permet calcular el volum d’aire que cal: 6, 85 ⋅ 10 3 L de O2 ⋅

56.

100 L d'aire 20 L de O2

= 34,23 ⋅ 10 3 L d'aire

El P4 (g) reacciona amb el Cl2 (g) per donar PCl3 (g). En un recipient de 15 L que conté Cl2 en condicions normals, s’hi introdueixen 20 g de fòsfor i es posen en condicions de reaccionar. Quina és la màxima quantitat de triclorur de fòsfor que es pot obtenir? Determina la pressió que exercirà si es recull en el recipient de 15 L a 50 °C. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem.

228

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 229

SOLUCIONARI

2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 1P — 4 2 1/2 mol de fòsfor

+

→

2 PCl3

i donen

2 mols de triclorur de fòsfor

3 Cl2

reacciona amb

3 mols de clor

20 g

15 L en c.n.

(g)

15 L, 50 ºC

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Atès que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant, i n’hem de determinar quin: M (P4) = 4 ⋅ 31 = 124 → 20 g de P4 ⋅ 15 L de Cl2 ⋅

1mol de P4

= 0,16 mol de P4

124 g de P4

1mol de Cl2 22,4 L de Cl2

g → mol

= 0,67 mol de Cl2

També hem de determinar el reactiu limitant, tot tenint en compte l’estequiometria de la reacció: 3 mol de Cl2 = 0,96 mol de Cl2 1 mol de P4 2 Aquesta quantitat és més gran que els 0,67 mols que tenim d’aquesta substància. Per tant, el reactiu limitant és el Cl2. 4. Calculem la quantitat de triclorur de fòsfor que s’obté a partir de la quantitat de reactiu limitant que hi ha. L’estequiometria de la reacció ens permet determinar-la: La proporció d’oxigen que hi ha a l’aire ens permet calcular el volum d’aire que cal: 0,16 mol de P4 ⋅

0,67 mol de Cl2 ⋅

2 mol de PCl3 3 mol de Cl2

= 0,45 mol de PCl3

Mitjançant les lleis dels gasos, determinarem la pressió que exerceix en les condicions del problema: P·V=n·R·T→ →P =

n ⋅ R ⋅T = V

0,45 mol ⋅ 0, 082

atm ⋅ L

mol ⋅ K 15 L = 0,79 L de PCl3

⋅ (273 + 50) K =

229

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 230


Quan el clorur de calci reacciona amb carbonat de sodi, s’obté un precipitat blanc de carbonat de calci i una altra substància. Si es barregen 20 mL d’una dissolució 5M en Na2CO3 amb 30 mL de dissolució 4 M de CaCl2, calcula la quantitat de precipitat blanc que s’obtindrà. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: +

CaCl2 1 mol de clorur de calci

reacciona amb

30 mL, 4 M

→

Na2CO3 1 mol de carbonat de sodi

CaCO3

i 1 mol de donen carbonat de calci

+

2 NaCl

i

2 mols de clorur de sodi

20 mL, 5 M

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Com que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant, i n’hem de determinar quin: 4 mol 30 ⋅ 10−3 L de CaCl2 ⋅ = 0,12 mol de CaCl2 → 1L → 20 ⋅ 10−3 L de Na2CO3 ⋅

5 mol 1L

= 0,1mol de Na2CO3

L’estequiometria de la reacció ens indica que hi intervé el mateix nombre de mols de cadascun dels reactius. Per consegüent, el reactiu limitant és el Na2CO3. 4. El precipitat blanc és el CaCO3. Calculem la quantitat de substància que s’obté a partir de la quantitat de reactiu limitant que hi ha. L’estequiometria de la reacció diu que s’obtindrà el mateix nombre de mols que de Na2CO3: M (CaCO3) = 40,1 + 12 + 3 ⋅ 16 = 100,1 → 0,1 mol de CaCO3 ⋅

58.

100,1 g de CaCO3 1 mol de CaCO3

g → mol

= 10 g de CaCO3

El primer pas en la fabricació de l’àcid nítric consisteix a l’oxidació de l’amoníac, procés que representem per mitjà de l’equació (sense ajustar): NH3

(g)

+ O2

(g)

→ NO

(g)

+ H2O

(g)

En un recipient, s’hi introdueixen 25 L d’amoníac i 50 L d’oxigen mesurats en condicions normals. Determina els grams de cadascuna de les substàncies que tindrem al final del procés.

230

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:18

Página 231

SOLUCIONARI

1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 2 NH3

5O — 2 2

+

(g )

2 mols d’amoníac

→

(g )

reaccionen 5/2 mols amb d’oxigen

25 L, C.N.

2 NO

(g )

i 2 mols de donen monòxid de nitrogen

+

3 H2O

i

3 mols d’aigua

(g )

50 L, C.N.

3. Expressem en mols les quantitats de les substàncies que reaccionen, i ho farem tenint en compte que són gasos en condicions normals. Com que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant, i n’hem de determinar quin: 1mol 25 L de NH3 ⋅ = 1,17 mol de NH3 22,4 L 50 L de O2 ⋅

1mol 22,4 L

= 2,23 mol de O2

Determinem el reactiu limitant tot tenint en compte l’estequiometria de la reacció: 5/2 mol de O2 1,17 mol de NH3 ⋅ = 1,46 mol de O2 2 mol de NH3 Aquesta quantitat és més petita que els 2,23 mols que tenim d’aquesta substància. Per tant, el reactiu limitant és el NH3. 4. Calculem la quantitat de cada substància que s’obté a partir de la quantitat de reactiu limitant que hi ha. Mitjançant la seva massa molar sabem l’equivalent en g de cadascuna de les substàncies: a) 1,17 mol de NH3 ⋅

2 mol de NO 2 mol de NH3

= 1,17 mol de NO

M (NO) = 14 + 16 = 30 → 1,17 mol de NO ⋅

b) 1,17 mol de NH3 ⋅

30 g de NO 1 mol de NO

3 mol de H2O 2 mol de NH3

g → mol = 35,1 g de NO

= 1,75 mol de H2O

M (H2O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 → 1,75 mol de H2O ⋅

18 g de H2O 1 mol de H2O

g → mol

= 31,6 g de H2O

231

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 232

7 La reacció química c) Quantitat de O2 que no ha reaccionat: 2,23 mol − 1,46 mol = 0,77 mol Aleshores: g M (O2) = 2 ⋅ 16 = 32 → mol 32 g de O2 → 0,77 mol de O2 ⋅ = 24,6 g de O2 1 mol de O2

59.

L’alumini reacciona amb l’àcid sulfúric per donar sulfat d’alumini i hidrogen. Es fan reaccionar 5 g d’alumini amb 40 mL de H2SO4 1,25 M. Quants grams d’hidrogen s’obtindran com a màxim? 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 2Al

+

2 mols reaccionen 3 mols d’àcid d’alumini amb sulfúric 5g

→

3 H2SO4

Al2(SO4)3

i 1 mol de donen sulfat d’alumini

+ i

3 H2

(g )

3 mols d’hidrogen

40 mL, 1,25 M

3. Com que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant, i n’hem de determinar quin: 1mol de Al 5 g de Al ⋅ = 0,19 mol de Al 27 g de Al 40 ⋅ 10−3 L de H2SO4 ⋅

1,25 mol 1L

= 0,05 mol de H2SO4

Determinem el reactiu limitant tot tenint en compte l’estequiometria de la reacció: 0,19 mol de Al ⋅

3 mol de H2SO4 2 mol de Al

= 0,28 mol de H2SO4

Aquesta quantitat és més gran que els 0,05 mols que tenim d’aquesta substància. Per tant, el reactiu limitant és el H2SO4. 4. La quantitat màxima d’hidrogen que es pot obtenir és la que permet la quantitat de reactiu limitant que hi ha. L’estequiometria determina que s’obtindrà el mateix nombre de mols d’hidrogen que d’àcid sulfúric. A partir, doncs, de l’estequiometria i de la massa molar del H n’obtindrem l’equivalent en grams:

232

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 233

SOLUCIONARI

0,05 mol de H2 ⋅

60.

2 g de H2

= 0,1 g de H2

1 mol de H2

Sabem que quan un àcid reacciona amb una base neutralitzen els seus efectes. N’hi haurà prou amb afegir 18 g d’hidròxid de alumini a 200 mL d’una dissolució d’àcid sulfúric 1,5 M per tenir un medi neutre? Determina si, després de la reacció, tindrem un medi àcid o bàsic. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: 2 Al(OH)3 2 mols d’hidròxid d’alumini

+

reaccionen 3 mols d’àcid amb sulfúric

18 g

→

Al2(SO4)3

+

6 H2O

i 1 mol de donen sulfat d’alumini

i

6 mols d’aigua

3 H2SO4

200 mL, 1,5 M

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Com que coneixem les quantitats de tots dos reactius, el més probable és que un dels dos actuï com a reactiu limitant, i hem de determinar quin: M [Al(OH)3] = 27 + 3 ⋅ (16 + 1) = 78 → 18 g de Al(OH)3 ⋅

1mol de Al(OH)3 78 g de Al(OH)3

200 ⋅ 10−3 L de H2SO4 ⋅

1,5 mol 1L

g → mol

= 0,23 mol de Al(OH)3

= 0,3 mol de H2SO4

Determinem el reactiu limitant tot tenint en compte l’estequiometria de la reacció: 3 mol de H2SO4 0,23 mol de Al(OH)3 ⋅ = 0,345 mol de H2SO4 2 mol de Al(OH)3 Aquesta quantitat és més gran que els 0,3 mols que tenim d’aquesta substància. Per tant, el reactiu limitant és el H2SO4. I com que sobra Al(OH)3, aleshores tindrem un medi bàsic.

61.

En la combustió d’1 mol de glucosa s’alliberen 2.540 kJ. La major part dels hidrats de carboni es descomponen donant glucosa. Calcula la quantitat d’energia que es produeix en el nostre cos cada cop que metabolitzem 10 g de glucosa (aproximadament la quantitat de sucre que hi ha en un sobret).

233

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 234

7 La reacció química Fórmula de la glucosa: C6H12O6. M (C6H12O6) = 6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16 = 180 g/mol 10 g de C6H12O6 ⋅

1mol de C6H12O6 180 g de C6H12O6

→ 0,056 mol de C6H12O6 ⋅

62.

= 0,056 mol de C6H12O6 → 2540 kJ 1 mol

= 141kJ

El clor es troba en la naturalesa principalment en forma de clorurs. Podem obtenir clor al laboratori a partir de la reacció: 4 NaCl + 2 H2SO4 + MnO2 → Na2SO4 + MnCl2 + Cl2 + 2 H2O Calcula el volum de gas clor mesurat a 25 °C i a 1atm que s’obté a partir d’1kg de sal i el volum d’àcid sulfúric 0,5 M que s’ha necessitat. 1 mol 1 mol de clor 1.000 g NaCl · ———— · ——————— = 4,27 mol de clor 58,5 g 4 mol NaCl Calculem el volum de clor obtingut: n·R·T 4,27 · 0,082 · 298 V = ————— = ————————— = 104,4 litres de clor. P 1 1 litre 2 mol H2SO4 4,27 mol de clor · ——————— · ————— = 17,08 litres d’àcid. 1 mol clor 0,5 mol

63.

Quan el carbonat de bari s’escalfa es desprèn diòxid de carboni i queda un residu d’òxid de bari. Calcula: a) La quantitat de carbonat que es va escalfar si el diòxid de carboni que es va obtenir, recollit en un recipient de 8 L a la temperatura de 150 °C, exercia una pressió de 2,5 atm. b) Els grams d’òxid de bari que es van obtenir. La reacció que té lloc és: BaCO3 → BaO + CO2 a) Calculem els mols de diòxid de carboni obtingut: P·V 2,5 · 8 n = ——— = —————— = 0,57 mol R·T 0,082 · 423 1 mol BaCO3 197 g 0,57 mols CO2 · ——————— · ———— = 112,29 g de carbonat 1 mol 1 mol CO2 b)

234

1mol BaO 153 g 0,57 mols CO2 · —————— · ———— = 87,21 g de BaO 1 mol 1 mol CO2

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 235

SOLUCIONARI

64.

Es neutralitzen 250 cm3 d’una dissolució d’hidròxid de bari 0,5 M amb àcid sulfúric diluït, el sulfat de bari obtingut és una sal insoluble. a) Escriu l’equació de la reacció que ha tingut lloc. b) Quina massa de precipitat hem obtingut. a) Ba(OH)2 (aq) + H2SO4 (aq) → BaSO4 (s) +2 H2O 0,5 mol 1 mol sulfat 233 g b) 250 cm3 · ————— · ——————— · ———— = 29,125 g sulfat 3 1 mol 1.000 cm 1 mol hidròxid

65.

En un calorímetre s’han cremat 100 g d’un determinat alcohol. La calor despresa ha escalfat 500 mL d’aigua de 25 °C fins 37 °C. Calcula la calor despresa per l’alcohol. Dada: la calor específica de l’aigua és 4,2 J · g –1 · K–1 a) Q = m · Ce · Δt = 500 g · 4,2 J · g –1 · K–1 · (37 − 25)K = 2, 52 · 10 4 J

66.

A la industria aoeronàutica s’utilitza un aliatge format per un 85 % d’alumini i un 15 % en massa de magnesi. Una mostra de 2,25 grams d’aquest aliatge es fan reaccionar amb un excés d’àcid clorhídric 2M. Calcula: a) El volum total d’hidrogen obtingut a 25 °C i 1,01 · 105 Pa. b) El volum de la dissolució d’àcid clorhídric que s’ha necessitat. Les reaccions que tenen lloc són: Al + 3 HCl → AlCl3 + 3/2 H2 Mg + 2 HCl → MgCl2 + H2 a) 85 g Al 1 mol 1,5 mol H2 2,25 g · ————— · ———— · —————— = 0,106 mol 100 g 27 g 1 mol Al 15 g Mg 1 mol 1 mol H2 2,25 g · ———— · ——— · —————— = 0,0138 mol 100 g 24,3 g 1 mol Mg mols totals d’hidrogen obtingut = 0, 119889 ho aproximem a 0,12. n· R · T 0,12 · 0,082 · 298 V = ———— = —————————— = 2,9 litres P 1 b) 85 g Al 1 mol 3 mol HCl 2,25 g · ———— · ——— · —————— = 0,2125 mol HCl 100 g 27 g 1 mol Al 15 g Mg 1 mol 2 mol HCl 2,25 g · ———— · ——— · —————— = 0,276 mol HCl 100 g 24,3 g 1 mol Mg mols totals de HCl = 0,4885 (ho aproximem a 0,5) 1.000 cm3 0,5 mol HCl · ————— = 250 cm3 2 mol

235

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 236


Un tros de ferro de 20 g és exposat a la intempèrie, la seva massa augmenta 1g degut a l’òxid de ferro (III) format. Calcula la massa de ferro que ha quedat sense oxidar. La reacció que té lloc és: 2 Fe + 3/2 O2 → Fe2O3 1 mol 2 mol Fe 56 g 1g d’òxid · ——— · ————— · ——— = 0,7 g de Fe 160 g 1 mol 1 mol 20 g de ferro − 0,7 g que han reaccionat = 19,3 g.

68.

El coure es pot obtenir a partir de l’òxid de coure CuO, fent-lo reaccionar amb carboni grafit (es forma diòxid de carboni). a) Escriu l’equació de la reacció corresponent. b) Explica per què és una reacció de desplaçament i també de reducció. c) Calcula els grams de coure que podem obtenir a partir de 350 g d’un òxid del 72 % de riquesa. a) 2 CuO + C → 2 Cu + CO2 És una reacció de desplaçament perquè podem considerar que el carboni ha desplaçat el coure del seu òxid. És una reacció redox, ja que l’òxid de coure es redueix (perd oxigen) a coure, i el carboni s’oxida a diòxid de carboni. Des del punt de vista electrònic: És una reacció redox perquè el Cu2+ passa a coure metàl·lic: Cu2+ + 2e → Cu Els ions coure(II) són els oxidants, ja que guanyen electrons i es redueixen a coure. El carboni perd electrons, i, per tant, és el reductor: C → C4+ + 4 e c) Calculem els grams de coure: 72 g 1 mol 1 mol Cu 63,5 g 350 g de CuO · ——— · ——— · ————— · ——— = 201,28 g 100 g 79,5 g 1 mol CuO 1 mol

69.

El magnesi s’utilitza per a la fabricació de bengales, ja que la seva combustió és molt lluminosa. Una mostra de 4,5 g de magnesi es fan reaccionar amb 5 dm3 d’oxigen a 25 °C i 1,01 · 105 Pa. Calcula: a) El reactiu limitant. b) La massa de l’òxid de magnesi format.

236

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 237

SOLUCIONARI

a) La reacció que té lloc: Mg + 1 – O → MgO 2 2 Calcularem els mols de cada reactiu: 1 mol 4,5 g de Mg · ——— = 0,185 mol 24,3 g P·V 5·1 n = ——— = —————— = 0,20 mol oxigen R·T 0,082 · 298 El reactiu limitant és el magnesi. 1 mol d’òxid 40,3 g b) 0,185 mols de Mg · —————— · ———— = 7,45 g d’òxid 1 mol Mg 1 mol 70.

Una certa quantitat de ferro reacciona amb 300 mL d’una solució de sulfat de coure (II) al 15 % en massa i densitat 1,05 g · mL–1. Els productes de la reacció són coure i sulfat de ferro(II). a) Escriu l’equació química corresponent. b) Escriu la semireacció de reducció i la d’oxidació. c) Indica l’espècie oxidant i la reductora. d) Calcula la massa de ferro que ha reaccionat. a) Fe + Cu SO4 → Cu + FeSO4 b) Oxidació: Fe → Fe 2+ + 2e Reducció: Cu2+ + 2e → Cu c) Oxidant : Cu2+ Reductor : Fe 1,05 g 15 g sulf. 1 mol 1 mol Fe 56 g d) 300 mL · ———— · ————— · ———— · —————— · ——— = 1 mL 100 g 159,5 g 1 mol sulf. 1mol = 16,58 g de ferro.

71.

Volem neutralitzar 100 cm3 d’una solució d’hidròxid de sodi 0,2 M amb un àcid clorhídric 0,5 M. a) Calcula el volum d’àcid que necessitarem. b) Calcula la massa de la sal formada. c) Indica quin pH tindrà la solució una vegada s’hagi acabat la neutralització. NaOH + HCl → NaCl + H2O a) Calculem el volum de l’àcid: 0,2 mol 1 mol d’àcid 1.000 cm3 100 cm3 NaOH · ————— · —————— · ————— = 40 cm3 3 1.000 cm 1 mol NaOH 0,5 mol

237

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 238

7 La reacció química 0,2 mols 1 mol NaCl 58,5 g b) 100 cm3 NaOH · —————3 · —————— · ———— = 1,17 g 1.000 cm 1 mol NaOH 1 mol c) El pH de la dissolució serà 7, ja que el clorur de sodi format és una sal neutra. 72.

Calcula el volum d’una dissolució de KOH 0,1 M que es necessita per neutralitzar 50 cm3 d’una solució 0,2 M d’àcid clorhídric. La reacció és : KOH + HCl → HCl + H2O 0,2 mol HCl 1 mol KOH 1.000 cm3 50 cm3 · ——————— · —————— · ————— = 100 cm3 1.000 cm3 1 mol HCl 0,1 mol

73.

Calcula la massa d’òxid de calci (CaO) produïda quan es descomponen 10,0 kg de carbonat de calci si el rendiment de la reacció és del 85 %. CaCO3 → CaO + CO2 103g 1 mol 1 mol CaO 56 g 85 g 10,0 kg · ——— · ——— · ——————— · ——— ·——— = 4.760 g 1 kg 100 g 1 mol CaCO3 1 mol 100 g

74.

Per determinar l’àcid acètic d’un vinagre (CH3COOH) d’un vinagre, s’introdueixen 25,0 ml de vinagre en un matràs aforat de 250 mL, s’hi afegeix aigua i s’arrassa el contingut. En valorar 25,0 mL d’aquesta dissolució, es necessiten 24,0 mL d’hidròxid de sodi 0,1 M. a) Determina la concentració de l’àcid del vinagre. b) Explica el procediment i el nom del material utilitzat per portar a terme aquesta valoració. La reacció que té lloc és : CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O Calculem el nombre de mols d’àcid que han reaccionat: 0,1 mol 1 mol d’àci 24,0 mL · ————— · ——————— = 2,4 · 10–3 mol d’àcid 1.000 mL 1 mol NaOH Aquests mols d’àcid són els que hi ha a 25 mL de la solució que resulta de diluir 10 vegades la solució inicial; per tant: 2,4 · 10–3 mol d’àcid 250 mL · —————————— = 2,4 · 10–2 mol 25 mL 2,4 · 10–2 mol La concentració de l’àcid és = ———————— = 0,96 M 25 · 10–3 L (veure assaig de la pàgina 206 del llibre de text). S’omple una bureta de 25 cm3 amb la dissolució de l’hidròxid de sodi. Agafem 25 mL de la dissolució diluïda del vinagre, utilitzant una

238

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 239

SOLUCIONARI

proveta, o una pipeta de 20 mL i una pipeta graduada de 5 o 10 mL, i l’aboquem en un erlenmeyer de 100 mL. Hi afegim unes gotes de fenolftaleïna i obrim la clau de la bureta deixant caure l’hidròxid a poc a poc. Anem removent l’erlenmeyer, i just en el moment que, en caure una gota, el color violat de la dissolució no desapareix, tanquem la clau. Mesurem el volum de l’hidròxid gastat. 75.

A 50 mL d’una solució d’àcid clorhídric 1 M se li afegeixen 100 mL d’una solució de nitrat de plata 0,5 M. Calcula: a) La concentració d’ions clorur que hi ha a la solució de l’àcid. b) La concentració d’ions plata i ions nitrat que hi ha a la solució de nitrat de plata. c) La massa de clorur de plata que precipitarà. a) La concentració d’ions clorur és la mateixa que la de l’àcid, ja que per a cada mol d’àcid que es dissol s’obté un mol d’ions Cl–. HCl → H+ + Cl– b) La concentració d’ions plata i d’ions nitrat que hi ha a la solució és la mateixa que la del nitrat, ja que per cada mol de nitrat s’obté un mol d’ions Ag+ i un mol d’ions NO1– 3 . AgNO3 → Ag+ + NO1– 3 c) Primer de tot haurem de calcular el nombre de mols d’àcid i de nitrat que hi ha inicialment: 1 mol HCl 50 mL · —————— = 5 · 10–2 mol de HCl 1.000 mL 0,5 mol AgNO3 100 mL · ——————— = 5 · 10–2 mol de AgNO3 1.000 mL Tenim, per tant, els mateixos mols d’àcid que de nitrat, i es formaran els mateixos mols de clorur de plata, ja que la reacció és la següent: AgNO3 + HCl → AgCl + HNO3 143,5 g 5 · 10–2 mol de AgCl · ————— = 7,17 g de AgCl 1 mol

76.

Els hipoclorits s’utilitzen com a desinfectants (lleixiu), i blanquejants de fibres i paper. L’hipoclorit de sodi s’obté fent reaccionar el clor amb hidròxid de sodi. L’equació química corresponent és: 2 NaOH + Cl2 → NaClO + NaCl + H2O Es fan reaccionar 75 kg d’hidròxid de sodi del 90 % de puresa amb 45 kg de clor gas.

239

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 240

7 La reacció química Calcula: a) El reactiu que està en excés i en quina quantitat. b) La massa de l’hipoclorit obtingut si el rendiment és del 90 %. a) Passem a mols les quantitats de cada reactiu: 90 g 1 mol 75 · 103 g NaOH · ——— · ——— = 1,68 · 103 mol 100 g 40 g 1 mol 45 · 103 g clor · ——— = 6,3 · 102 mol 71 g El reactiu que està en excés és l’hidròxid de sodi, ja que perquè reaccioni tot el clor necessita 1,26 · 103 mols de NaOH: 2 mol NaOH 6,3 · 102 mol de clor · ——————— = 1,26 · 103 mol NaOH 1 mol de clor 1,68 · 103 mol − 1,26 · 103 mol = 0,42 mols de NaOH que sobren. b)

77.

1 mol NaClO 74,5 g 90 g 6,3 · 102 mol · ——————— · ——— · ——— = 4,2 · 104g de clor 1 mol de clor 1 mol 100 g S’obtenen 42 kg d’hipoclorit.

L’aspirina, àcid acetilsalicílic, C9H8O4, s’obté a partir de l’àcid salicílic C7H6O3 i l’anhídrid acètic. La relació estequiomètrica entre els dos àcids és de 1:1. Calcula el rendiment de la reacció si a partir de 70 g d’àcid salicílic s’obtenen 85 g d’aspirina. 1 mol 1 mol aspirina 180 g 70 g d’àcid salicílic · ——— · ——————— · ———————= 91,30 g 138 g 1 mol d’àcid 1 mol aspirina grams obtinguts rendiment = ———————— · 100 = 93 % grams teòrics

78.

En un vas de precipitats es posen 5,0 g de pedra calcària, amb un contingut del 42 % en massa de carbonat de calci, i 50 cm3 d’àcid clorhídric 5 M. La reacció que es produeix condueix a la formació de clorur de calci, diòxid de carboni i aigua. a) Escriu l’equació de la reacció que es produeix. b) Indica el reactiu limitant i la quantitat en excés de l’altre reactiu, expressada en mols. c) Calcula el volum de diòxid de carboni alliberat a 25 ºC i 1 atm. d) Calcula la concentració molar final de clorur de calci i d’àcid clorhídric, suposant que el volum final de la dissolució és de 50 cm3.

240

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

13:19

Página 241

SOLUCIONARI

a) L’ equació de la reacció és: CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O b) Passem les quantitats dels reactius que ens donen a mols: 42 g CaCO3 1 mol 5 g calcària · ——————— · ——— = 2,1 · 10 –2 mol 100 g calcària 100 g 5 mol HCl = 2,5 · 10-1 mol de HCl 50 cm3 · —————— 1.000 cm3 El reactiu limitant és el carbonat, ja que hi ha prou àcid perquè reaccioni totalment. 2 mol HCl 2,1 · 10–2 mol CaCO3 · —————— = 4,2 · 10 –2 mol HCl 1 mol CaCO3 2,5 · 10–1 mol de HCl - 4,2 · 10–2 mols HCl= 2,12· 10–1 mol de HCl que sobren. c)

1 mol CO2 2,1 · 10-2 mol CaCO3 · —————— = 2,1 · 10–2 mol CO2 1 mol CaCO3 n·R·T 2,1 · 10–2 · 0,082 · 298 V = ———— = ———————————— = 0,513 litres. P 1

2,12· 10–1 mol c) Concentració del HCl = ———————— = 4,24 M 5 · 10–2 litres 1 mol CaCl2 2,1 · 10–2 mol CaCO3 · —————— = 2,1 · 10–2 mol 1 mol CaCO3 2,12· 10–2 mol Concentració del CaCl2 = ———————— = 0,42 M 5 · 10–2 litres

241

945335 _ 0197-0242.qxd

8/1/09

7 NOTES

242

13:19

Página 242

945335 _ 0243-0270.qxd

8

8/1/09

13:14

Página 243

La química orgànica

PRESENTACIÓ En aquesta unitat s’estudia l’estructura, la formulació, les propietats i algunes de les reaccions dels compostos del carboni. Es parteix de la diferenciació històrica entre química inorgànica i química orgànica. S’estudien les característiques estructurals especials de l’àtom de carboni, que expliquen la gran varietat del seus compostos. La possibilitat del carboni de formar llargues cadenes mitjançant enllaços simples de gran estabilitat, o enllaços dobles o triples amb altres àtoms de carboni, o en menor mesura amb àtoms d’elements diferents, fa que hi hagi un nombre elevadíssim de compostos, amb propietats molt diverses. L’objectiu que pretén aquesta unitat és que l’alumnat valori la importància de la química orgànica. Com a recurs imprescindible per conèixer els compostos que aquesta part de la química abasta, emprendrem l’estudi sistemàtic de la seva formulació, donant una rellevància especial a la detecció dels grups funcionals implicats en els compostos i la seva relació amb les propietats que presenten. És molt interessant que l’alumnat s’adoni de la gran quantitat de compostos que hi ha a l’entorn del carboni i de la seva importància.

243

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 244

8 La química orgànica OBJECTIUS • Reconèixer la importància que té la química orgànica, per la quantitat de productes que comprèn i la seva rellevància. • Estudiar les característiques de l’àtom de carboni que justifiquen la gran quantitat de compostos que forma. • Identificar els principals grups funcionals que sorgeixen en els compostos orgànics. • Aprendre a formular i a anomenar compostos orgànics d’una manera sistemàtica. • Associar les característiques fisicoquímiques d’un compost als grups funcionals que conté. • Comprendre el fenomen de la isomeria i la seva rellevància en els compostos orgànics. • Conèixer algunes reaccions orgàniques senzilles. • Utilitzar les reaccions de combustió com a tècnica d’anàlisi per conèixer la fórmula d’un compost orgànic.

CONTINGUTS • Formulació i nomenclatura bàsica. • Característiques estructurals dels esquelets carbonats. • Concepte de sèrie homòloga. • Grups funcionals que hi ha en els hidrocarburs. • Grups funcionals que hi ha en els compostos oxigenats i nitrogenats. • Formulació de compostos amb un o més grups funcionals. • Identificació dels diferents tipus d’isomeria. • Relació entre les propietats físiques i químiques i l’estructura dels compostos del carboni. • Ús de fórmules, models moleculars i simulacions informàtiques per a la representació de molècules orgàniques. • Identificació de reaccions químiques senzilles i freqüents en els compostos orgànics.

244

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 245

PROGRAMACIÓN DE AULA

COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en indagació i experimentació, que implica la capacitat de fer-se preguntes i portar a terme investigacions per obtenir respostes. • Comprensió de la naturalesa de la ciència, que implica la distinció entre ciència i altres formes de coneixement per a l’elaboració de models, i per a l’ús de mètodes empírics i d’arguments lògics per contrastar les hipòtesis i validar els models i les teories proposades. El coneixement científic és susceptible de ser revisat i modificat si es troben evidències que no encaixen en les teories vigents. • Competència en la comprensió i capacitat d’actuar, que implica apropiar-se dels conceptes, models i principis fonamentals de la química per tal d’interpretar el món fisicoquímic.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DEL BATXILLERAT • Competència comunicativa, que implica saber descriure fets, explicar-los i argumentar-los. Promoure discussions sobre les evidències experimentals, la idoneïtat dels models proposats per interpretar els fets químics i la lectura i interpretació de textos i il·lustracions.

CONNEXIÓ AMB ALTRES MATÈRIES • L’ús del llenguatge per comunicar per escrit i oralment la construcció i compartició del coneixement químic. La lectura comprensiva de textos i la recerca d’informació impliquen una connexió necessària amb les llengües. • En aquesta unitat s’estableixen connexions amb la biologia: química dels compostos orgànics (alcohols, aldehids, àcids carboxílics, èsters, amides), isomeria (estereoisomeria i activitat òptica).

CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Reconèixer la cadena principal i els radicals d’un compost orgànic. 2. Identificar els grups funcionals que hi ha en un compost orgànic. 3. Formular i anomenar compostos amb un grup funcional, seguint les normes de la IUPAC. 4. Formular i anomenar compostos senzills amb més d’un grup funcional, seguint les normes de la IUPAC. 5. Reconèixer relacions concretes d’isomeria entre compostos orgànics. 6. Completar reaccions orgàniques senzilles. 7. Obtenir la fórmula d’un compost orgànic utilitzant dades analítiques derivades de la seva reacció de combustió.

245

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 246

8 La química orgànica Observa la informació de la taula de la pàgina 223 i escriu les fórmules semidesenvolupada i molecular de les substàncies següents: butanol, àcid etanoic, metilamina, ciclopentanol. Butanol

H H H H

O

H

− − − −

Fórmula desenvolupada

Àcid etanoic

=

1.

− − − −

H−C−C−C−C−H H

H H H O

Fórmula desenvolupada

C4H10O

C2H4O2

Metilamina

Ciclopentanol H

H H

C H

Fórmula molecular

2.

O H

H Fórmula molecular

H

C C

CH5N

H N

O H

H

H H C C

H C H

H C H

C H H

C5H10O

L’oxigen és l’element químic més abundant a la Terra. Tenint en compte la constitució dels seus àtoms, explica per què el nombre de compostos d’oxigen és molt més petit que el nombre de compostos de carboni. L’àtom de O té 6 electrons al seu nivell de valència, i això vol dir que només pot formar dos enllaços covalents. Únicament podrà formar cadenes lineals i, si forma un enllaç doble, tan sols es pot unir amb un altre àtom. El C té 4 electrons al seu nivell de valència, i això li permet formar quatre enllaços covalents que poden ser simples, dobles o bé triples. En cada cas pot formar cadenes, fins i tot subdividides.

3.

Formula els hidrocarburs següents: a) b) c) d)

246

3,4-dimetiloctà 4-etil-3,3-dimetilhexà 2,4,4-trimetil-2-pentè 4-butil-1,2,5-octatriè

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 247

SOLUCIONARI

a) CH3−CH2−CH−CH−CH2−CH2−CH2−CH3 CH3 CH3 CH3 b) CH3−CH2−C − CH−CH2−CH3 CH3 CH2−CH3 CH3 c) CH3−C=CH−C−CH3 CH3

CH3

d) CH2=C=CH−CH−CH=CH−CH2−CH3 CH2−CH2−CH2−CH3

4.

La fórmula del benzè és C6H6. Escriu i anomena un hidrocarbur de cadena lineal que sigui compatible amb la fórmula molecular del benzè. CH⬅C−C⬅C−CH2−CH3 → 1,3-hexadií CH2=CH−C⬅C−CH=CH2 → 1,5-hexadien-3-í

5.

Anomena els hidrocarburs següents: a) 3

4

2

5

1

6

b) CH2=CH−CH3 − C−CH3 − C−C − − C−C − c) CH3−C − 1

2

3

4

5

6

7

8

a) 1,3-ciclohexadiè. b) Propè. c) 2,4,6-octatrií 6.

Formula els compostos següents: a) Isopropilbenzè. b) 2-Metilnaftalè. c) 2-metil-1,3-ciclopentadiè o 2-metilciclopentadiè.

247

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 248

8 La química orgànica a)

c) CH3 CH

CH3

CH3

b) H3C

2-metilnaftalè

7.

Anomena els compostos següents: a)

c) H3C

b)

1

H2C

2

3

CH

CH

H3C

CH 4

CH3 CH 3 5

a) 5-metil-1,3-ciclopentadiè o 5-metilciclopentadiè. b) 3,4-dimetil-1-pentè. c) Ciclobutilbenzè. Formula: a) Ciclopentanona. b) 2-clorofenol. c) Àcid propandioic.

d) 1,2,3-propantriol (glicerol). e) Propanoat de metil. f) Butandiona.

a)

b)

OH

OH d) HO−CH2−CH−CH2−OH

e)

f)

O O

= =

=

O

−

c) HOOC−CH2−COOH

H3C−CH2−C−O−CH3

248

−

=O

Cl

−

8.

H3C−C−C−CH3

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 249

SOLUCIONARI

9.

Anomena: a) HOOC−C6H5

b) HOOC−COOH

a) Àcid benzoic. c) Etanal o acetaldehid. 10.

c) CH3−CHO

b) Àcid etandioic o àcid oxàlic.

Anomena: a) CH3−COO−CH3 b) CH3−CBrOH−CH3

c) CH3−CH(CH3)−O−C6H5 d) O− −

a) Etanoat de metil o acetat de metil. c) Fenil isopropil èter. b) 2-bromo-2-propanol. d) Ciclobutanona. 11.

Formula els compostos següents: a) N-Butilbutanamida. b) Butannitril. a) b) c) d)

12.

CH3−CH2−CH2−CO−NH−CH2−CH2−CH2−CH3 CH3−CH2−CH2−CN CH3−CH2−CH2−NH−CH3 HCO−NH−CH3

Anomena els compostos següents: a) CH3CH2CN NH2 b)

a) Propannitril. b) Ciclobutilamina. 13.

c) N-metil-N-propilamina. d) N-metilformamida.

c) C6H5−NH2 d) CH3NHCOCH2−CH3

c) Anilina d) N-metilpropanamida.

Indica quins d’aquests isòmers poden presentar activitat òptica: a) Àcid metanoic. b) 2-cloropropanal.

c) 3-metilbutannitril. d) 3-metil-2-pentè.

−

Les substàncies que tenen un carboni asimètric presenten activitat òptica: CH3 c) H3C−CH−CH2−C⬅N

b) CHO−CHCl−CH3

d) H3C−CH=C−CH2−CH3

Òpticament actiu. El carboni 2 és asimètric

−

a) HCOOH

CH3

249

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 250

8 La química orgànica 14.

Escriu i anomena tres isòmers estructurals del 3-hidroxibutanal. CH3 O HO H 3 C−C−CH

CH3−CH2−CH2−COOH

OH 2-hidroxi-2-metilpropanal. 15.

16.

OH

Àcid butanoic.

1,2-ciclobutadiol.

Formula les substàncies següents i assigna’ls el punt d’ebullició més adequat: Compost

Fórmula

Punt d’ebullició (ºC)

Propà

CH3−CH2−CH3

−48

Propanal

CH3−CH2−CHO

48

1-propanol

CH3−CH2−CH2OH

98

Etil metil èter

CH3−CH2−O−CH3

11

Tenint en compte que els greixos són èsters, explica per què no es dissolen en aigua i sí que ho fan en gasolina (octà). Les molècules d’aigua presenten enllaços de H entre si, ja que la fórmula H−O−H permet que es formin dos enllaços d’aquests tipus per molècula. Els èsters són molècules molt menys polars, que no poden formar enllaços de H, donat que no hi ha cap enllaç −O−H entre ells. Ara bé, la gasolina és un hidrocarbur i, per tant, la seva molècula és apolar. Els greixos, poc polars, es dissolen més bé en gasolina, una substància apolar, que no pas en aigua, una substància polar que forma enllaços de H.

17.

La parafina és un hidrocarbur de massa molar elevada. És sòlida a temperatura ambient i es fa servir per fabricar espelmes. De vegades, es deixen petites espelmes enceses sobre un recipient amb aigua; això no es podria fer si el recipient contingués gasolina. Deixant de banda l’olor que fan, indica dues raons per les quals no es poden deixar espelmes enceses en un recipient amb gasolina. La parafina és apolar i no es dissol en aigua. Per això les espelmes es mantenen flotant damunt l’aigua.

250

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 251

SOLUCIONARI

La parafina, però, sí que és dissol en la gasolina. I per aquest motiu, no s’hi poden mantenir espelmes enceses. A més, la gasolina és inflamable i, per tant, no es pot encendre cap flama a prop seu. L’aigua no crema, i per això poden haver-hi espelmes enceses damunt seu. 18.

Completa les reaccions següents i digues quines substàncies hi intervenen: CH3 CH3 a) Cl + HCl → 1-metilciclobutè + clorur d’hidrogen b) CH2=CH−C⬅CH + H2

1-cloro-1-metilciclobutà →

CH3−CH2−CH2−CH3 butà

1-butèn-3-í + hidrogen c) + HCOOH

→

fenol + àcid fòrmic

O−CH

+ H2O

formiat de fenil + aigua

d) CH2=CH−C⬅CH + O2

→ CO2 + H2O

1-butèn-3-í + hidrogen 19.

=

O

OH

diòxid de carboni + aigua

Completa les reaccions d’hidròlisi següents i digues quines substàncies hi intervenen. a) CH3−COO−CH2−CH3 + H2O

→ CH3−COOH + CH3−CH2OH

etanoat d’etil + aigua O b)

àcid etanoic + etanol + H2O →

ciclobutil ciclopentil èter + aigua c) CH3−O−CH−(CH3)2 + H2O isopropil metil èter + aigua d) NH2−CO−CH3 + H2O etanamida + aigua

OH

OH +

ciclopentanol + ciclobutanol

→ CH3−OH + HO−CH−(CH3)2 metanol + 2-propanol → NH3 + HOOC-CH3 amoníac + àcid etanoic

251

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 252


Explica si és correcta l’expressió: La química orgànica és la química dels compostos de carboni. No ben bé. Alguns compostos de carboni, com ara els òxids i els carbonats, formen part de la química inorgànica.

21.

Raona si les oracions següents són correctes: a) El carboni és l’element químic més abundant a la Terra. b) El carboni és l’element químic que forma més compostos a la Terra. c) El carboni és l’element químic que es combina amb el nombre més alt d’elements químics diferents. a) Incorrecte. L’oxigen és l’element químic més abundant a la Terra. b) Correcte. c) Incorrecte. El O i el H es combinen amb més elements químics diferents que no pas el C.

22.

23.

Escriu la fórmula molecular del metà, l’età, el butà i el pentà. A partir d’elles, escriu la fórmula molecular general per a un hidrocarbur lineal de n àtoms de carboni: CnH… Età

Butà

Pentà

Hidrocarbur general

CH4

C2H6

C4H10

C5H12

CnH2n+2

Escriu la fórmula molecular del ciclobutà, ciclopentà i ciclohexà. A partir d’elles, escriu la fórmula molecular general d’un hidrocarbur cíclic de n àtoms de carboni: CnH… Ciclobutà

Ciclopentà

Ciclohexà

Hidrocarbur cíclic general

C4H8

C5H10

C6H12

CnH2n

H H H

C C H

252

Metà

H C C H

H H

H H C

H H C

H C H

H

H

C

C

H H C H

C H H

H

H C H

H C

C

C

H

H

H

H H

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 253

SOLUCIONARI

24.

Escriu la fórmula molecular de l’etè, 2-butè i 1-pentè. A partir d’elles, escriu la fórmula molecular general per un hidrocarbur lineal de n àtoms de carboni: CnH… Quina seria la fórmula molecular general si tingués dos enllaços dobles? Etè

2-butè

CH2=CH2 CH3−CH=CH−CH3 C2H4

25.

C4H8

HC 1 enllaç doble general

HC 2 enllaços dobles general

CnH2n

CnH2n-2

CH2=CH−CH2− CH2−CH3 C5H10

Escriu la fórmula molecular de l’etí, 2-butí i 1-pentí. A partir d’elles, escriu la fórmula molecular general d’un hidrocarbur lineal de n àtoms de carboni: CnH… Quina seria la fórmula molecular general si tingués dos enllaços triples?

Etí CH⬅CH

2-butí

1-pentí

HC 1 enllaç triple general

HC 2 enllaços triples general

CnH2n-2

CnH2n-6

CH3−C⬅C−CH3 CH⬅C−CH2−CH2−CH3

C2H2

26.

1-pentè

C4H6

C5H8

Tenim un hidrocarbur amb la fórmula molecular C5H8. Escriu la fórmula i el nom de tres hidrocarburs no ramificats que siguin compatibles amb ella. • CH⬅C−CH2−CH2−CH3 → 1-pentí • CH2=CH−CH2−CH=CH2 → 1,4-pentadiè

• 27.

→ ciclopentè

El nom dels compostos següents té algun error. Identifica’l i corregeix-lo: a) 3-ciclopentè. b) Cicloetà. c) 3-butè.

d) Metí. e) 2-metilpropí.

a) Error. Si només té un enllaç doble, estarà a la posició 1. Corregit: ciclopentè. b) Error. Un cicle ha de tenir, com a mínim, 3 àtoms de C. Corregit: ciclopropà.

253

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 254

8 La química orgànica c) Error. La cadena es comença a numerar per l’extrem més proper al grup funcional doble enllaç. Corregit: 1-butè. d) Error. L’enllaç triple ha d’estar entre 2 àtoms de C. El prefix met- indica un àtom únic de C. Corregit: etí. e) Error. Un C sol, només pot formar 4 àtoms covalents. Amb aquesta fórmula, el C 2 hauria de formar 5 enllaços. Corregit: metilpropè. 28.

Formula: a) 3-cloro-1-butanol. b) Acetat de propil. c) Propandial.

d) Paradifenol. e) Butil fenil èter.

a) CH3−CHCl−CH2−CH2OH b) CH3−COO−CH2−CH2−CH3 c) OHC−CH2−CHO d)

OH

HO e)

29.

O−CH2−CH2−CH2−CH3

A tots aquests noms hi ha errors. Corregeix-los: a) Etanona. b) Àcid ciclopropanoic.

c) Propanoat de metanol. d) Età metà èter.

a) Incorrecte. Les cetones tenen a la cadena un grup carbonil en posició no terminal. La més petita és la de 3 C. Corregit: propanona. b) Incorrecte. El grup àcid està sobre un carboni terminal d’un hidrocarbur obert. Corregit: àcid propanoic. c) Incorrecte. Error en el nom del radical. Corregit: propanoat de metil. d) Incorrecte. Error en el nom dels radicals. Corregit: etil metil èter.

254

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 255

SOLUCIONARI

30.

Escriu els grups funcionals dels compostos orgànics oxigenats. Vegeu els grups funcionals a les pàgines 229 i 230 del llibre de text.

31.

Formula el 2-pentanol. Formula un compost de la mateixa sèrie homòloga. Formula un compost de la mateixa família que ell, però que no pertanyi a la seva sèrie homòloga. La mateixa sèrie homòloga

Família idèntica, sèrie homòloga diferent

CH3−CHOH−CH3 2-propanol

CH3−CHOH−CH=CH2 3-butèn-2-ol

2-pentanol CH3−CHOH−CH2−CH2−CH3

32.

Escriu la fórmula molecular dels alcohols següents: metanol, etanol, 2-propanol, 3-pentanol. Escriu la fórmula general dels compostos que tenen un grup alcohol a la seva molècula CnHxO. Metanol CH3OH CH4O

33.

34.

Etanol

2-propanol

Alcohol general

3-pentanol

CH3−CH2OH CH3−CHOH−CH3 CH3−CH2−CHOH−CH2−CH3 C2H6O

C3H8O

C5H12O

CnH2n+2O

Escriu la fórmula molecular dels aldehids següents: metanal, etanal, propanal, pentanal. Escriu la fórmula general dels compostos que tenen un grup aldehid a la seva molècula CnHxO. Aldehid, general

Metanal

Etanal

Propanal

Pentanal

H-CHO

CH3-CHO

CH3-CH2-CHO

CH3-CH2-CH2-CH2-CHO

CH2O

C2H4O

C3H6O

C5H10O

CnH2nO

Escriu la fórmula molecular de les cetones següents: propanona, butanona, pentanona. Escriu la fórmula general dels compostos que tenen un grup cetona a la seva molècula CnHxO. Propanona

Butanona

Pentanona

Cetona general

CH3−CO−CH3 CH3−CO−CH2−CH3 CH3−CO−CH2−CH2−CH3 C3H6O

C4H8O

C5H10O

CnH2nO

255

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 256


Formula els compostos següents: a) Etilfenilamina. b) Propanamida.

c) Propannitril. d) Ciclobutilamina.

a) CH3−CH2−NH−C6H5 b) CH3−CH2−CO−NH2

36.

c) CH3−CH2−CN d) NH2

Anomena els compostos següents: c) C6H5−NH−CHO d) H3C−CH−CH2−NH−CH2−CH3 −

a) CH3−CH2−NH−CH3 b) CH3CN

CH3 a) Etilmetilamina. b) Etannitril. 37.

c) N-fenilformamida. d) N-etil-N-isobutilamina.

Anomena els compostos següents: CH3

b)

−

a) O

−

−

NH2−CH−−C−CH3 OCH CH3 OH

c) C6H5−CH2−CHO

a) 3-hidroxiciclopentanona. b) 2-amino-3,3-dimetilbutanal. c) 2-feniletanal o feniletanal. 38.

Anomena els compostos següents: a)

Br

b) CHO−CHNH2−CH2−COOH

− −

O c) H3C−O−CH2−C−CH2−CH3 NH2 a) 4-bromo-2-ciclobutenamina. b) Àcid 3-amino-4-oxobutanoic. c) 1-metoxi-2-butanona.

256

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 257

SOLUCIONARI

39.

Formula els compostos següents: a) Àcid 2-cianobutanoic. b) Etoxipropanona.

c) 3-hidroxipropannitril. O

=

=

O

a) CH3−CH2−CH−C−OH −

b) H3C−CH2−O−CH2−C−CH3

CN c) CH2OH−CH2−CN 40.

Formula els compostos següents: a) Àcid 3-fenilpropanoic. b) 2-amino-5-metoxiciclohexanona.

c) 3-amino-4-ciclopentenona.

a) C6H5−CH2−CH2−COOH c) O

O

H2N −

=

=

b)

−O−CH3 − NH2

41.

Les fórmules següents contenen un error. Detecta’l i corregeix-lo. a) 2-ciano propà-1-ol. b) Àcid 2-etilpropanoic.

c) 3,3-dibromo-2-buten-2-ona. Error H3C−CH−CH2−OH −

a) 2-ciano propà-1-ol.

CN

Corregit 3-hidroxi2-metilpropannitril

El grup nitril és prioritari davant l’alcohol. O

=

b) Àcid 2-etilpropanoic.

Àcid 2-metilbutanoic

−

H3C−CH−C−OH H2C−CH3 La cadena principal és la més llarga que conté el grup funcional més important. 3-bromo-3-butèn-2-ona O H3C−C−C=CH2 −

Cada àtom de C pot formar 4 enllaços covalents. En aquesta fórmula, el C 3 en formaria 5.

=

c) 3,3-dibromo-2butèn-2-ona.

Br

257

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 258


Identifica els grups funcionals dels compostos següents i anomena’ls. a)

c) CH2OH−CH2NH2 d) CH3−COO−CH2−CH3 e) CH2Br−CH2NH2

O

H2N

f) CH3−OCO−CH2−CH3

b)

O H2N a)

d)

enllaç doble

=

O

H3C−C−O−−CH2−−CH3 O

èster

oxo

H2N amino

3-amino-5-ciclohexenona. b) enllaç doble

Acetat d’etil. e)

Br−CH2−CH2−NH2 halogen

amino

NH2 amino oxo

O

2-amino-3-ciclohexenona.

c)

alcohol

amino

2-aminoetanol

f)

O =

HO−CH2−CH2−NH2

2- bromoetanamina.

H3C−O−C−CH2−CH3 èster

Propionat de metil o propanoat de metil.

258

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 259

SOLUCIONARI

43.

Identifica els grups funcionals del compostos següents i digues quins són isòmers de funció: a) CH3−O−CH2−CH3 d) CH3−CH2−COOH b) CH3−CH=CH−CH2OH

e) CH3−OCO−CH3

c)

f) CH3−CH2−CH2−CHO g) CH3−CO−CH2−CH3

a) b) c) d)

h) CH3−CH2−CH2OH OH Grup èter. e) Grup èster. Grup alcohol i un enllaç doble. f) Grup aldehid. Grup alcohol. g) Grup cetona. Grup àcid carboxílic. h) Grup alcohol.

Són isòmers de funció a) i h). Són isòmers de funció b), c), f) i g). Són isòmers de funció d) i e).

44.

Identifica els grups funcionals que són presents en aquest compost i escriu la fórmula d’un altre que sigui isòmer de funció d’ell i que tingui un únic grup funcional. CH3O−CH2−CH=CH−CH2OH H3C−O−CH2−CH=CH−CH2−OH èter

enllaç doble

alcohol

4-metoxi-2-butèn-1-ol =

O

H3C−CH2−CH2−CH2−C−OH àcid

Àcid pentanoic

45.

Indica quins d’aquests compostos poden presentar activitat òptica: a) 1-hidroxipropanona. b) 2-pentanol. c) 3-aminobutanona.

d) 2-clorociclopentanol. e) 3-clorociclopentanol.

a) HOCH2−CO−CH3 → No hi ha activitat òptica. b) CH3−*CHOH−CH2−CH2−CH3 → Òpticament actiu (*C asimètric). c) CH3−CO−*CH(NH2)−CH3 → Òpticament actiu (*C asimètric).

259

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 260

8 La química orgànica Cl

d)

→ Òpticament actiu (té C asimètrics).

OH e)

→ Òpticament actiu (té C asimètrics).

Cl

OH 46.

Escriu i digues el nom de tres isòmers de cadena del 2-pentè. • CH3−CH=CH−CH2−CH3 → 2-pentè. −

• H3C−C=CH−CH3 → 2-metil-2-butè. CH3 → Ciclopentà.

•

47.

•

CH3

→ Metilciclobutà.

Formula els compostos següents i indica quins poden presentar isomeria geomètrica. a) 2-pentè. b) 3-hexè. c) 2-butí.

d) 2-metil-2-butè. e) 3-metil-2-pentè.

a) CH3−CH=CH−CH2−CH3 Sí que pot presentar isomeria geomètrica. b) CH3−CH2−CH=CH−CH2−CH3 Sí que pot presentar isomeria geomètrica. c) CH3−C⬅C−CH3 No hi pot haver isomeria geomètrica per l’enllaç triple. −

d) H3C−C=CH−CH3 CH3 No pot presentar isomeria geomètrica perquè un dels C de l’enllaç doble té tots dos substituents iguals. −

e) H3C−CH=C−CH2−CH3 CH3 Sí que pot presentar isomeria geomètrica.

260

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 261

SOLUCIONARI

48.

Escriu i digues el nom de totes les cetones de 5 àtoms de C. • CH3−CO−CH2−CH2−CH3 → 2-pentanona. • CH3−CH2−CO−CH2−CH3 → 3-pentanona. =

O

→ 3-metil-2-butanona.

−

• H3C−HC−C−CH3 CH3 =

O

→ Ciclopentanona.

•

→ 2-metilciclobutanona.

• O

H3C •

→ 3-metilciclobutanona.

H3C

O

•

→ 2,3-dimetilciclopropanona.

CH3

CH3

O

→ 2-etilciclopropanona.

O

•

C H3C−CH2−HC−CH2 •

→ 1-ciclopropiletanona.

O C H3C

261

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 262


Escriu la fórmula d’un compost de 5 àtoms de C que tingui el grup nitril i un enllaç doble i sigui òpticament actiu. −

H2C=CH−CH−CN → 2-metil-3-butennitril És òpticament actiu perquè el C 2 és CH3 asimètric. 50.

A partir del ciclopentanol, escriu la fórmula d’un compost de la mateixa sèrie homòloga, un altre que pertanyi a la mateixa família però no a la seva sèrie homòloga, i un altre que sigui el seu isòmer estructural.

Ciclopentanol

La mateixa sèrie homòloga

Família idèntica, sèrie homòloga diferent

Isòmer estructural

OH

HOCH2−CH=CH2

HOCH2−CH2−CH=CH−CH3

2-propèn-1-ol

3-pentèn-1-ol

OH

Ciclobutanol

51.

Completa les reaccions següents i digues quines substàncies hi intervenen: a) CH2=CH−CH2−CH3 + Br2 1-butè + brom b)

+ H2O ciclohexè + aigua

OH

→

→ ciclohexanol → H3C−CH−O−CH3 + H2O −

c) CH3−CHOH−CH3 + CH3OH

→ CH2 Br−BrCH−CH2−CH3 → 1,2-dibromobutà

CH3 2-propanol + metanol d) C8H18 + O2 octà + oxigen 52.

→ CO2 + H2O → diòxid de carboni + aigua

Escriu una reacció química que et permeti obtenir les substàncies següents: a) CH3−CHOH−CH3 b) ClCH2−CH2Cl

262

→ isopropil metil èter + aigua

c) C6H5NH2 d) HCOOH

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 263

SOLUCIONARI

a) CH2=CH−CH3 + H2O → CH3−CHOH−CH3 Propè +aigua→ 2-propanol b) CH2=CH2 + Cl2 →ClCH2−CH2Cl Etè +clor →1,2-dicloroetà c) C6H5NH−CO−CH3 + H2O →C6H5NH2 +CH3−COOH N-feniletanamida + aigua → anilina + àcid acètic d) HCOO−CH3 + H2O → HCOOH + CH3OH Metanoat de metil + aigua → àcid fòrmic+ metanol 53.

En cremar 6,53 g d’un hidrocarbur amb un excés d’oxigen s’obtenen 9,8 g d’aigua i es recullen 10,15 L de CO2, mesurats en condicions normals. Determina la fórmula del compost. Pressuposem que la fórmula del compost és del tipus CxHy. Escrivim l’equació de la seva reacció de combustió. Tot i que no la podem ajustar perquè no sabem la fórmula del compost. CxHy + O2 → CO2 + H2O 6,53 g 10,15 L 9,8 g En la reacció hi intervé un excés d’aire. Per tant, cal suposar que ha reaccionat tota la mostra del compost orgànic. Així doncs: • Tot el H del compost s’ha transformat en H2O. Si calculem la quantitat de H que hi ha en 9,8 g de H2O, sabrem la quantitat de H que hi havia a la mostra: Massa molar de H2O = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol. 1 ⋅ 2 g de H 9,8 g de H2O ⋅ = 1,09 g de H 18 g de H2O • Tot el C del compost s’ha transformat en CO2. Calculant la quantitat de C que hi ha en els 10,15 L de CO2, en condicions normals, sabrem la quantitat de C que hi havia a la mostra: 1mol de CO2 10,15 L de CO2 ⋅ = 0,453 mols de CO2 22,4 L de CO2 Massa molar del CO2 = 12 + 2 ⋅ 16= 44 g/mol. 12 g de C 0,453 mol de CO2 ⋅ = 5,44 g de C 1 mol de CO2 Si a la massa del C hi afegim la del H obtenim, amb molta aproximació, la massa de la mostra del hidrocarbur. I això ens confirma que el compost que estem estudiant només està format per C i H.

263

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 264

8 La química orgànica Els subíndexs que acompanyen el símbol de cada element a la fórmula indiquen la proporció en què es combinen, expressada en mols. Ara calculem els mols de cada element que representen les quantitats que acabem d’obtenir: 1mol de H 1,09 g de H ⋅ = 1,09 mol de H 1 g de H 0,453 mols de CO2 → 0,453 mols de C. I la fórmula del compost és del tipus: C0,453H1,09. Els subíndexs han de ser nombres sencers simples que mantinguin aquesta proporció. Per obtenir-los, dividim tots els nombres pel més petit: C 0,453 H 1,09 → C1H2,4 0,453

0,453

Hem de multiplicar per un nombre que faci que els dos subíndexs siguin nombres enters. Si ho fem per 5, obtenim la fórmula del compost: C5H12. És un alcà de 5 àtoms de C. No podem precisar el compost exacte perquè pot ser un dels múltiples isòmers del pentà. 54.

La putrescina és un compost de C, H i N que s’origina en els processos de putrefacció de la carn. En cremar una mostra de putrescina de 2,125 g amb un excés d’oxigen es formen 4,25 g de CO2 i 2,608 g de H2O. Obté la fórmula de la putrescina sabent que la seva massa molar és de 88 g/mol. Pressuposem que la fórmula del compost és del tipus CxHyNz. Escrivim l’equació de la seva reacció de combustió. Tot i que no la podem ajustar perquè no sabem la fórmula del compost ni l’òxid de nitrogen que s’hi forma. CxHyNz + O2 → CO2 + H2O + NOz 2,125 g

4,25 g 2,608 g

En la reacció hi intervé un excés d’aire. Per tant, cal suposar que ha reaccionat tota la mostra del compost orgànic. Així, doncs: • Tot el C del compost s’ha transformat en CO2. Si calculem la quantitat de C que hi ha en 4,25 g de CO2 sabrem la quantitat de C que hi havia a la mostra: Massa molar del CO2 = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol. 12 g de C 4,25 g de CO2 ⋅ = 1,16 g de C 44 g de CO2

264

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 265

SOLUCIONARI

• Tot el H del compost s’ha transformat en H2O. Calculant la quantitat de H que hi ha en 4,5 g de H2O, sabrem la quantitat de H que hi havia a la mostra: Massa molar del H2O = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 g/mol. 2,608 g de H2O ⋅

1 ⋅ 2 g de H 18 g de H2O

= 0,29 g de H

• Per la diferència, podrem saber també la quantitat de N que hi ha a la mostra: 2,125 g de compost − (1,16 g de C + 0,29 g de H) = = 0,675 g de N Els subíndexs que acompanyen el símbol de cada element a la fórmula indiquen la proporció en què es combinen, expressada en mols. Ara calculem els mols de cada element que representen les quantitats que acabem d’obtenir: • 1,16 g de C ⋅ • 0,29 g de H ⋅

1mol de C

= 0,097 mol de C

12 g de C 1mol de H

• 0,675 g de N ⋅

1 g de H

= 0,29 mol de H

1mol de N 14 g de N

= 0,048 mol de N

La fórmula del compost és del tipus C0,097H0,29N0,048. Els subíndexs han de ser nombres sencers simples que mantinguin aquesta proporció. Per trobar-los, dividim tots els nombres pel més petit: C 0,097 H 0,29 N 0,048 → C2H6N1 0,048

0,048

0,048

Comprovem si aquesta fórmula molecular és la del compost i, per fer-ho, n’obtenim la massa molar:

M (C2H6N) = 2 ⋅ 12 + 6 ⋅ 1 + 14 = 44 g/mol Com que no coincideix amb la dada, cal pensar que es tracta de la fórmula empírica del compost. A la molècula del compost hi haurà n vegades aquesta proporció d’àtoms: n=

88 =2→ 44

→ Fórmula molecular de la putrescina: C4H12N2

265

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 266


L’acetilè (C2H2) és un hidrocarbur altament inflamable. Quan crema assoleix temperatures de fins a 3.000 °C; per això es fa servir com a combustible en bufadors de soldadura. Es pot fer reaccionar amb hidrogen per convertir-lo en età; en aquest procés es desprenen 287 kJ per cada mol d’acetilè. Calcula: a) El volum d’hidrogen, mesurat en condicions normals, que serà necessari perquè reaccioni amb l’acetilè que hi ha en una bombona de 5 L a 7 atm de pressió i 25 °C de temperatura. b) L’energia que s’alliberarà en aquest procés. a) 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: +

C2H2 1 mol d’acetilè

2 H2

→

reacciona 2 mols i amb d’hidrogen donen

C2H6

+

287 kJ

1 mol d’età

i

energia

5 L, 7 atm, 25 ºC

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen i, com que l’acetilè és un gas, utilitzem la llei dels gasos: p·V=n·R·T→ →n =

P ⋅V = R ⋅T

7 atm ⋅ 5 L 0, 082

atm ⋅ L mol ⋅ K

= 1,43 mol de C2H2

⋅ (273 + 25) K

4. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols d’hidrogen que ens calen. 2 mol de H2 1,43 mol de C2H2 ⋅ = 2,86 mol de H2 1 mol de C2H2 Cal tenir en compte el volum que ocupa 1 mol d’un gas qualsevol en condicions normals: 22,4 L 2,86 mol de H2 ⋅ = 64 L de H2 1 mol b) L’estequiometria també ens permet calcular l’energia que es desprèn: 287 kJ 1,43 mol de C2H2 ⋅ = 410,4 kJ 1 mol de C2H2 56.

266

Es fan reaccionar 50 mL d’un àcid acètic comercial, del 96% de riquesa en massa i densitat d’1,06 g/mL, amb un excés d’etanol. Calcula quina quantitat, en grams, s’haurà obtingut d’acetat d’etil, suposant que el procés té un 85 % de rendiment.

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 267

SOLUCIONARI

1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: CH3−COOH

+

1 mol d’àcid reacciona acètic amb

CH3− CH2OH

→

1 mol d’etanol

i donen

50 mL, 96 % riquesa, d =1,06 g/mL

CH3−COO−CH2− + CH3 1 mol d’acetat d’etil

H2O 1 mol d’aigua

i

85 %

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. La densitat de l’etanol permet calcular-ne la massa equivalent, i la riquesa, la quantitat d’àcid exacta que pot reaccionar: 1,06 g 50 mL d'acètic comercial ⋅ = 53 g d'acètic comercial 1 mL 53 g d'acètic comercial ⋅

96 g d'acètic pur 100 g d'acètic comercial

= 50,9

= 50,9 g d’acètic pur

M (acètic) = 2 ⋅ 12 + 4 ⋅ 1 + 2 ⋅ 16 = 60 g/mol → 1mol d'acètic = 0,85 mol d'acètic → 50,9 g d'acètic ⋅ 60 g d'acètic 4. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols d’acetat d’etil que s’obtenen: 1 mol d’àcid acètic → 1 mol d’àcid d’etil. En aquest cas, s’obtindrien 0,85 mols d’acetat d’etil si la reacció tingués un 100 % de rendiment. Tot i que, d’acord amb les dades, tan sols s’obté el 85 % d’allò que en teoria s’hauria d’obtenir: 0,85 mol d’acetat d’etil teòrics ⋅ ⋅

85 mol d’acetat d’etil reals (acetat d’etil) 100 g/mol d’acetaat d’etil

=

= 0,72 mol d’acetat d’etil reals

M (g d’acetat d’etil) = 4 ⋅ 12 + 8 ⋅ 1 + 2 ⋅ 16 = = 88 g/mol g d’acetat d’etil → → 0,72 mol d'acetat d'etil ⋅

88 g d'acetat d'etil 1 mol d'acetat d'etil

=

= 63,4 g d’acetat d’etil

267

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 268


La majoria dels combustibles que s’utilitzen són hidrocarburs. Es cremen quan reaccionen amb oxigen i produeixen CO2 i H2O. Quan crema 1 mol de gas natural (CH4) es desprenen 800 kJ, i quan crema 1 mol de butà (C4H10), 2.877 kJ. Determina la quantitat d’energia que s’obté i la massa de diòxid de carboni que s’envia a l’atmosfera quan crema 1 kg de cadascun d’aquests dos combustibles. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: CH4 (g)

+

1 mol de metà

→

2 O2 (g)

+

CO2 (g)

2 mols dod’oxigen nen

1 mol de diòxid de carboni

2 H2O (l ) + Energia 2 mols d’aigua

800 kJ

1 kg

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Pel que fa referència al metà:

M (CH4) = 12 + 4 ⋅ 1 = 16 g/mol → 1mol de CH4 = 62,5 mol de CH4 → 1.000 g de CH4 ⋅ 16 g de CH4 4. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols de diòxid de carboni i l’energia que van a parar a l’atmosfera: 1 mol CH4 → 1 mol de CO2. En aquest cas, es llencen a l’atmosfera 62,5 mols de CO2. Ara calculem la seva massa equivalent:

M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → → 62,5 mol de CO2 ⋅

44 g de CO2 1 mol de CO2

= 2.750 g de CO2 = 2

= 2,75 kg de CO2 62,5 mol de CH4 ⋅

800 kJ 1 mol de CH4

= 50 ⋅ 10 3 kJ

D’una manera semblant, fem els càlculs que corresponen a la combustió d’1 kg de butà: C4H10 (g) 1 mol de butà 1 kg

268

+

13/2 O2 (g)

→

4 CO2 (g)

4 mols de 13/2 mols donen diòxid d’oxigen de carboni

+


2.877 kJ

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 269

SOLUCIONARI

5. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. Pel que fa referència al butà:

M (C4H10) = 4 ⋅ 12 + 10 ⋅ 1 = 58 g/mol → 1mol de C4H10 = 17,24 mol de C4H10 → 1.000 g de C4H10 ⋅ 58 g de C4H10 6. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols de diòxid de carboni i l’energia que van a parar a l’atmosfera. 17,24 mol de C4H10 ⋅


= 69 mol de CO2

M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → 44 g de CO2 = 3.036 g de CO2 = 3 → 69 mol de CO2 ⋅ 1 mol de CO2 = 3,036 kg de CO2 17,24 mol de C4H10 ⋅

58.

2.877 kJ 1 mol de C4H10

= 49,6 ⋅ 10 3 kJ

Un cotxe consumeix 6,5 L de gasolina cada 100 km. Suposant que la gasolina és isooctà (C8H8) i que cada vegada que crema 1 mol d’aquesta substància es desprenen 5.550 kJ, calcula la quantitat d’energia que consumeix i la massa de CO2 que aboca a l’atmosfera un cotxe quan recorre 100 km. Dada: densitat de la gasolina = 0,76 g/cm3. 1. Escrivim l’equació química de la reacció i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: C8H18 (g) 1 mol d’isooctà

+

25/2 O2 (g)

→

8 CO2 (g)

8 mols de 25/2 mols dodiòxid d’oxigen nen de carboni

+


5.550 kJ

6,5 L, d = 0,76 g/cm3

3. Expressem la quantitat en mols de les substàncies que reaccionen. La densitat de la gasolina permet calcular-ne la massa equivalent: 6,5 ⋅ 10 3 mL de gasolina ⋅

0,76 g de gasolina 1 mL de gasoolina

=

= 4,94 ⋅ 103 g de gasolina

M (C8H18) = 8 ⋅ 12 + 18 ⋅ 1 = 114 g/mol → 1mol de C8H18 = 43,33 mol de C8H18 → 4, 94 ⋅ 10 3 g de C8H18 ⋅ 114 g de C8H18

269

945335 _ 0243-0270.qxd

8/1/09

13:14

Página 270

8 La química orgànica 4. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols de diòxid de carboni i l’energia que van a parar a l’atmosfera: 43,33 mol de C8H18 ⋅

8 mol de CO2

= 346,7 mol de CO2

1 mol de C8H18

M (CO2) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44 g/mol → → 346,7 mol de CO2 ⋅

44 g de CO2 1 mol de CO2

= 15.250 g de CO2 = 1

= 15,25 kg de CO2 43,33 mol de C8H18 ⋅

270

5.550 kJ 1 mol de C8H18

= 240,5 ⋅ 10 3 kJ

945335 _ 0271-0286.qxd

9

8/1/09

12:55

Página 271

Reaccions químiques d’interès industrial i mediambiental

PRESENTACIÓ L’objectiu que pretén aquesta unitat és que l’alumnat valori la importància socioeconòmica i biològica de la química orgànica. Davant la impossibilitat d’abastar-ne tot el camp, incidirem en l’estudi dels hidrocarburs, des de la seva obtenció fins a les aplicacions industrials en què s’utilitzen. És molt interessant que l’alumnat s’adoni de la gran quantitat de compostos que es formen mitjançant el carboni i de la seva importància, tant des del punt de vista biològic, com farmacològic i industrial, ja que són la base de molts dels materials nous que fem servir avui dia. El nombre elevat d’aquests compostos, les seves propietats i la reactivitat entre ells donen lloc a materials amb múltiples aplicacions, com el disseny de nous materials i de fàrmacs, i el desenvolupament i la millora de nous combustibles. Hem de tenir en compte també la importància dels compostos orgànics en l’estructura dels éssers vius, i, consegüentment, comencem abordant l’estudi de l’estructura de les biomolècules més senzilles: lípids, glúcids i proteïnes.

271

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 272

9 Reaccions químiques d’interès OBJECTIUS • Reconèixer la importància que té la química orgànica, per la quantitat de productes que comprèn i la seva rellevància. • Identificar els principals grups funcionals que hi ha en els compostos orgànics. • Associar les característiques fisicoquímiques d’un compost als grups funcionals que conté. • Comprendre el fenomen de la isomeria i la seva rellevància en els compostos orgànics. • Conèixer algunes reaccions orgàniques. • Utilitzar les reaccions de combustió com a tècnica d’anàlisi per conèixer la fórmula d’un compost orgànic. • Reflexionar sobre la importància socioeconòmica dels hidrocarburs. • Estudiar quantitativament i qualitativament els processos que implica la utilització dels hidrocarburs com a font d’energia. • Reconèixer la composició i l’estructura química d’alguns materials quotidians, com els polímers i les biomolècules, i relacionar-les amb les seves propietats.

CONTINGUTS • Valoració de la importància actual per a l’economia del petroli i dels productes que se n’obtenen. • Identificació dels processos per millorar les gasolines: craqueig, isomerització i reforma. • Caracterització de les propietats d’un bon combustible per a motors d’explosió: poder calorífic i índex d’octà. • Valoració de la contaminació generada pels motors de combustió i mètodes per reduir-la. • Anàlisi de les alternatives a la gasolina: els biocombustibles. • Caracterització de macromolècules naturals d’interès biològic. • Caracterització dels processos de síntesi d’alguns compostos orgànics i, en particular, d’algun medicament. • Descripció d’alguns mètodes emprats per identificar principis actius en un fàrmac, com ara cromatografia en capa fina. • Realització experimental d’una separació de components per cromatografia de capa fina. • Valoració de les repercussions en la societat de la indústria farmacèutica. • Relació entre propietats, estructura i aplicacions dels polímers. • Caracterització de les reaccions de polimerització i identificació experimental dels polímers a partir de les seves propietats.

272

ind

ès

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 273


industrial i mediambiental COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES DE LA UNITAT • Competència en indagació i experimentació, que implica la capacitat de fer-se preguntes i dur a terme investigacions per obtenir respostes.

• Comprensió de la naturalesa de la ciència, que implica la distinció entre ciència i altres formes de coneixement per a l’elaboració de models, i per a l’ús de mètodes empírics i d’arguments lògics per contrastar les hipòtesis i validar els models i les teories proposades.

• El coneixement científic és susceptible de ser revisat i modificat si es troben evidències que no encaixen en les teories vigents.

• Competència en la comprensió i capacitat d’actuar, que implica apropiar-se dels conceptes, els models i els principis fonamentals de la química per interpretar el món fisicoquímic.

CONTRIBUCIÓ A LES COMPETÈNCIES GENERALS DEL BATXILLERAT • Competència comunicativa, que implica saber descriure fets, explicar-los i argumentar-los. • Promoure discussions sobre les evidències experimentals, la idoneïtat dels models proposats per interpretar els fets químics, com també la lectura i la interpretació de textos i il·lustracions.

CONNEXIÓ AMB ALTRES MATÈRIES • L’ús del llenguatge per comunicar per escrit i oralment la construcció i la compartició del coneixement químic. La lectura comprensiva de textos i la recerca d’informació impliquen una connexió necessària amb les llengües.

• En aquesta unitat s’estableixen connexions amb la biologia: química dels compostos orgànics (alcohols, aldehids, àcids carboxílics, èsters, amides ), isomeria (estereoisomeria i activitat òptica), macromolècules naturals (polisacàrids, glúcids i proteïnes), medicaments.

• Connexions amb la tecnologia: materials, producció i comercialització de fàrmacs i combustibles.

CRITERIS D’AVALUACIÓ 1. Relacionar les propietats i l’estructura dels compostos orgànics més comuns. 2. Conèixer les propietats físiques i químiques d’alguns compostos orgànics. 3. Identificar algunes macromolècules d’interès biològic. 4. Conèixer la importància social i econòmica d’alguns compostos orgànics. 5. Reconèixer relacions concretes d’isomeria entre compostos orgànics. 6. Completar reaccions orgàniques senzilles. 7. Analitzar les conseqüències mediambientals de la reacció de combustió dels compostos orgànics. 8. Analitzar com els diferents camps de la química col·laboren en processos industrials rellevants i en la solució d’alguns problemes mediambientals.

273

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 274

9 Reaccions químiques d’interès 1.

Quina és la teoria més acceptada que explica l’origen del petroli? La teoria més acceptada sobre l’origen del petroli diu que procedeix de l’acció de bacteris anaerobis, és a dir, que viuen en absència d’aire sobre restes d’animals i plantes, que van quedar coberts d’argila i terra, i van estar sotmesos a grans pressions i elevades temperatures durant milions d’anys.

2.

En què consisteix la tècnica del craqueig? El craqueig, o cracking, del petroli consisteix en la ruptura o la descomposició d’hidrocarburs d’elevada massa molecular, com les fraccions del petroli cru d’alt punt d’ebullició, en compostos de massa molecular més petita i punt d’ebullició més baix.

3.

Explica quina és la principal característica estructural imprescindible de les molècules que donen lloc a reaccions de polimerització d’addició. I per a les de condensació? Les molècules que donen lloc a reaccions de polimerització d’addició han de ser petites, del mateix tipus, amb un doble enllaç o bé tenir halògens com a substituents dels carbonis contigus. Les molècules que donen reaccions de polimerització de condensació han de tenir grups funcionals diferents.

4.

Quin significat té el 6,6 en la designació del niló-6,6? El 6,6 fa referència al fet que aquest niló s’obté per condensació a partir de dos monòmers de sis àtoms de carboni cadascun.

5.

Escriu les dues fórmules de la glucosa l’oberta i la cíclica. CH2OH O

H O

H2 C

H OH

OH

CH2OH

H−C−OH H−C−OH

OH H

HO−C−H

O

H H OH

CH2OH

OH

H

OH

H H

274

α-D-glucosa

H

OH

H−C−OH

H

OH

β-D-glucosa

ind

ès

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 275

SOLUCIONARI

industrial i mediambiental 6.

Escriu la reacció de combustió de la glucosa. La glucosa C6H12O6 reacciona amb l’oxigen de l’aire per donar CO2, H2O i energia. La reacció de combustió de la glucosa ajustada és la següent: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia

7.

Explica com es pot originar pluja àcida per la combustió de derivats del petroli. Quan la majoria dels combustibles cremen, a més de formar els productes de combustió CO2 i H2O, formen òxids de N i de S a causa de les impureses que presenten d’aquests elements. Els òxids de N i de S s’oxiden a les capes altes de l’atmosfera i en combinar-se amb l’aigua formen àcids que provoquen la pluja àcida. Algunes d’aquestes reaccions són les següents: Per als òxids de nitrogen: 2 NO (g) + O2 (g) → 2 NO2 (g) 3 NO2 (g) + H2O → 2 HNO3 + NO (g) Per als òxids de sofre: 2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g) SO3 (g) + H2O → H2SO4

8.

La fabricació de cotxes que fan servir catalitzador en el tub d’escapament va suposar un gran avenç en la lluita contra la contaminació atmosfèrica. Explica’n el perquè. La funció del catalitzador és descompondre els gasos contaminants, com els òxids de nitrogen, en substàncies no contaminants, com el nitrogen i l’oxigen.

9.

Una manera d’evitar la contaminació per SO2 que es produeix a les centrals tèrmiques consisteix a col·locar filtres amb hidròxid de magnesi a les torres de sortida de gasos. Repassa la reacció que té lloc entre el SO2 i el Mg(OH)2 i justifica per què evita la sortida de gasos contaminants a l’atmosfera. La reacció és la següent: SO2 (g) + Mg(OH)2 → MgSO3 (s) + H2O El diòxid de sofre SO2, és un gas que, en reaccionar amb hidròxid de magnesi Mg(OH)2, forma sulfit de magnesi, producte sòlid, i, per tant, més fàcil de retirar que un gas.

10.

Què són els biocombustibles? Els biocombustibles són combustibles d’origen biològic obtinguts de manera renovable a partir de la biomassa.

275

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 276


Quin comportament poden tenir els plàstics amb la calor? Dóna una explicació a aquest fet i comenta les diferents aplicacions en funció d’aquesta propietat. Comportament amb la calor: alguns polímers s’ablaneixen i plastifiquen i poden ser reconformats diverses vegades per l’efecte de la temperatura combinada amb la pressió. Aquests materials els coneixem com a termoplàstics. Altres materials polimèrics són durs i rígids tant a temperatura ambient com a altes temperatures. Són materials que no poden ser reconformats, no són reciclables. Aquests materials els coneixem com a termoestables. Hi ha altres materials que presenten una gran elasticitat quan són deformats i recuperen la forma original quan es deixa d’aplicar la força que provoca la deformació. Són els elastòmers. El diferent comportament que aquests materials presenten és conseqüència de l’estructura química de les seves molècules. Depenent dels diferents tipus d’unions químiques entre els seus àtoms tindran unes propietats o altres. En els termoplàstics, les unions entre les diferents cadenes són forces de Van der Waals, enllaços febles i fàcils de trencar en augmentar la temperatura. També seran fàcils de tornar a formar quan seran reciclats. En els termoestables, totes les unions químiques entre els seus àtoms constituents són covalents i, per tant, seran estables quan s’escalfin, perquè aquestes unions són fortes i difícils de trencar. No es podran reciclar. Els elastòmers presenten algunes unions covalents entre diverses cadenes lineals. Aquestes unions són estables i difícils de trencar, però, en estar distanciades, permeten les deformacions per estirament de les cadenes, i la recuperació de la forma inicial desprès de la deformació.

Cadenes polimèriques d’elastòmer no estirat

Cadenes polimèriques d’elastòmer estirat

Atenent a les seves propietats es faran les aplicacions adients. Els polímers termoplàstics s’utilitzaran per a envasos d’un sol ús perquè es poden reciclar. Els termoestables s’utilitzaran aprofitant la seva interessant propietat de ser estables a elevades temperatures. Són materials estables als impactes i als solvents. S’utilitzen per a materials d’aïllament tèrmic, acústic i elèctric.

276

ind

ès

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 277

SOLUCIONARI


Per identificar els plàstics més comuns s’utilitzen uns símbols universals: a) Indica a quin tipus de polímer correspon cada símbol. b) Esmenta objectes quotidians que s’hi fabriquen.

Símbols

Polímer

Objectes quotidians

13.

1

2

3

4

5

6

PET

PAD

PVC

PEBD

PP

PS

Tereftalat de polietilè

Polietilè d’alta densitat

Clorur de polivinil

Polietilè de baixa densitat

Polipropilè

Poliestirè

Envasos d’aliments, begudes, etc.

Ampolles, contenidors industrials, bosses de supermercat, etc.

Canonades, aïllants de fils elèctrics, mànegues de reg, fusteria, etc.

Cables elèctrics (aïllants), envasament automàtic, ampolles, etc.

Recipients, joguines, bolquers, etc.

Joguines, carcasses de ràdio i televisors, etc.

Tenim mostres de tres tipus de plàstics: de polipropilè, de polietilè de baixa densitat i de tereftalat de polietilè. Després de consultar la informació de la taula següent, com els separaries? Densitat

Punt de fusió

(g/cm3)

(°C)

Polipropilè

0,92

170

Polietilè de baixa densitat

0,97

135

1,34-1,39

245

Plàstic Unitats

Tereftalat de polietilè

1. Els mesclaríem amb aigua. El propilè i el polietilè de baixa densitat quedarien flotant, perquè tenen una densitat inferior a la de l’aigua, i el tereftalat de polietilè s’enfonsaria. Separaríem el tereftalat de polietilè, del propilè i el polietilè de baixa densitat per decantació. La diferència que hi ha entre els punts de fusió del propilè i del polietilè, ens permet separar-los en fondre’ls. Primer obtindríem el polietilè de baixa densitat per tenir el punt de fusió més baix.

277

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 278


Quin gas és el principal responsable de l’efecte hivernacle? Explica com produeix aquest efecte i quins altres gasos contribueixen al seu increment. El principal responsable de l’efecte hivernacle és el vapor d’aigua (H2O). Ara bé, els responsables del seu increment són els gasos productes de les combustions dels combustibles fòssils o de les emissions en els incendis forestals. Entre els gasos responsables de l’increment cal destacar l’efecte produït per el diòxid de carboni (CO2). De l’energia solar que arriba a la superfície de la Terra la major part és remesa en forma de radiació infraroja a l’atmosfera. Aquesta radiació és absorbida i remesa en totes les direccions per alguns gasos com el vapor d’aigua i el diòxid de carboni, quedant retinguda i contribuint a l’escalfament de la Terra. Aquest fet es coneix com a efecte hivernacle. A banda del vapor d’aigua i del diòxid de carboni, també contribueixen a produir aquest efecte l’ozó, el metà, els òxids de nitrogen, l’hexafluorur de sofre i els CFC.

15.

Cerca informació sobre la composició, propietats i aplicacions d’algun dels nous materials polimèrics, els compòsits. Els compòsits, o resines compostes, són materials sintètics formats per molècules d’elements variats per tal de formar estructures lleugeres i resistents. Es pot cercar informació, per exemple, sobre: • Fibra de vidre. • Fibra de carboni. • Resines epoxi. • Kevlar.

16.

En la reacció de fermentació de la glucosa s’obtenen etanol i diòxid de carboni. Escriu l’equació química corresponent i ajusta-la. Calcula la quantitat de glucosa que ha de fermentar per obtenir 250 ml d’etanol suposant que el rendiment de la reacció és del 100 %. Dada: densitat de l’etanol: 0,789 g/mL. 1. Escrivim la reacció de fermentació i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: C6H12O6

→

1 mol de glucosa

dóna 100%

278

2 CO2 2 mols de diòxid de carboni

+

2 C2H5OH 2 mols d’etanol 250 mL

ind

ès

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 279

SOLUCIONARI

industrial i mediambiental 3. Expressem la quantitat, en mols, de la substància que s’obté. Pel que fa referència a l’etanol: M(C2H5OH) = 12 · 2 + 6 · 1 + 16 = 46 g/mol 0,789 g de C2H5OH 1 mol de C2H5OH 250 mL de C2H5OH · —————————— · ———————— = 46 g C2H5OH 1 mL de C2H5OH = 4,29 mol de C2H5OH 4. L’estequiometria de la reacció permet calcular els mols de glucosa que han de fermentar : 1 mol de C6H12O6 4,29 mol de C2H5OH· ————————— = 2,14 mol de C6H12O6 2 mol de C2H5OH Finalment, calculem la quantitat de glucosa en grams.

M(C6H12O6) = 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 180 g/mol 180 g de C6H12O6 2,14 mol de C6H12O6 · ———————— = 385,2 g de C6H12O6 1 mol de C6H12O6 17.

D’on prové i quin significat té el terme glúcid? El nom de glúcid deriva de glucosa, que al seu torn deriva del terme grec glykys, que vol dir ‘dolç’, encara que només són dolços alguns monosacàrids i disacàrids.

18.

Quina diferència hi ha entre un greix i un oli? A temperatura ambient, els greixos són mescles sòlides o semisòlides, i els olis són mescles líquides. Tots dos són triglicèrids i es diferencien en el tipus d’àcid que compon el triglicèrid.

19.

En la combustió d’1 mol de glucosa s’alliberen 2.540 kJ. La major part dels hidrats de carboni es descomponen donant glucosa. Calcula la quantitat d’energia que es produeix al nostre cos cada cop que metabolitzem 10 g de glucosa (aproximadament la quantitat de sucre que hi ha en un sobret). 1. Escrivim la reacció de combustió de la glucosa i l’ajustem. 2. A sota de cada substància, hi escrivim les dades que coneixem: C6H12O6 + 1 mol de glucosa

6 O2 6 mols d’oxigen

→

6 CO2

donen 6 mols de diòxid de carboni

+

6 H2O 6 mols d’aigua

+ 2.540 kJ energia

10 g

279

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 280

9 Reaccions químiques d’interès 3. Expressem la quantitat, en mols, de les substàncies que reaccionen. Pel que fa referència a la glucosa:

M(C6H12O6) = 6·12 + 12·1 + 6·16 = 180 g/mol 1 mol de C6H12O6 10 g de C6H12O6 · ————————— = 0,055 mol de C6H12O6 180 g de C6H12O6 4. L’estequiometria de la reacció permet calcular l’energia obtinguda a partir de 10 g de glucosa: 2540 kJ 0,055 mol de C6H12O6 · ———————— = 141,1 kJ d’energia obtinguda 1 mol de C6H12O6 20.

Com actua el catalitzador que es col·loca als tubs d’escapament del cotxes? En el catalitzador s’hi poden produir dos tipus de processos o reaccions químiques fonamentals: Reducció catalítica: en la superfície del catalitzador es trenquen les molècules d’òxid de nitrogen i formen nitrogen i oxigen: NOx → N2 + O2 Oxidació catalítica: el catalitzador serveix de suport perquè el monòxid de carboni i els hidrocarburs residuals que surten pel tub d’escapament reaccionin amb l’oxigen formant CO2 i H2O.

21.

Els següents hidrocarburs formen part d’una gasolina. Escriu les possibles fórmules semidesenvolupades en cada cas i explica el tipus d’hidrocarburs a què corresponen. a) C7H8 b C4H8 c) C5H12 a) Si comparem la fórmula molecular amb la general d’un hidrocarbur saturat, deduïm que hi ha 4 insaturacions: El nombre de possibles compostos és força elevat. Començarem estudiant les possibilitats següents: Fórmules amb 4 enllaços dobles: són alcans hidrocarburs lineals insaturats amb dobles enllaços: 1. CH2=C=C=C=CH−CH2−CH3 2. CH2=C=C=CH−CH=CH−CH3 3. CH2=C=C=CH−CH2−CH=CH2 4. CH2=C=CH−CH=C=CH−CH3 5. CH2=C=CH−CH=CH−CH=CH2 6. CH2=C=CH−CH2−CH=C=CH2 7. CH3−CH=C=C=C=CH−CH3

280

1,2,3,4-heptatetraè 1,2,3,5-heptatetraè 1,2,3,6-heptatetraè 1,2,4,5-heptatetraè 1,2,4,6-heptatetraè 1,2,5,6-heptatetraè 2,3,4,5-heptatetraè

ind

ès

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 281

SOLUCIONARI

industrial i mediambiental Fórmules d’hidrocarburs ramificats amb 4 dobles enllaços: Cadena principal de 6 C i un metil de radical: A partir de l’1: 8. 5-metil-1,2,3,4-hexatetraè Partint del 2: 9. 4-metil-1,2,3,5-hexatetraè 10. 5-metil-1,2,3,5-hexatetraè A partir del 4: 11. 3-metil-1,2,4,5-hexatetraè Alquins hidrocarburs lineals amb 2 triples enllaços: 12. CH≡C−C≡C−CH2−CH2−CH3 1,3-heptadií 13. CH≡C−CH2−C≡C−CH2−CH3 1,4-heptadií 14. CH≡C−CH2−CH2−C≡C−CH3 1,5-heptadií 15. CH≡C−CH2−CH2−CH2−C≡CH3 1,6-heptadií Alquins de cadena ramificada: A partir del 12: 16. 5-metil-1,3-hexadií A partir del 13: 17. 3-metil-1,4-heptadií A partir del 14: 18. 2-metil-1,5-heptadií Amb etil de radical: A partir del 13: 19: 3-etil-1,4-pentadií Després hauríem de considerar totes les combinacions que resulten de barrejar dobles i triples enllaços per tenir en total 4 insaturacions. Tot seguit, la combinació de cicle més dobles enllaços, etc. b) El C4H8 presenta 1 insaturació. Hidrocarburs de cadena lineal amb un doble enllaç: 1. CH2=CH−CH2−CH3 1-butè 2. CH3−CH=CH−CH3 2-butè Hidrocarburs ramificats: 3. Metilpropè Hidrocarburs cíclics: 4. Ciclobutà 5. Metilciclopropà c) Isòmers del C5H12. No té cap insaturació. Només tindrem dos isòmers. Hidrocarbur de cadena lineal: 1. CH3−CH2−CH2− CH2−CH3 n- pentà Hidrocarbur ramificat amb un metil de radical: 2. 2-metilbutà

281

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 282


Defineix i posa un exemple de: a) Monòmer b) Monosacàrid c) Polisacàrid d) Lípid a) Un monòmer és una molècula de petita massa molecular que s’uneix a altres monòmers, generalment mitjançant enllaços covalents, per formar polímers, és a dir, molècules d’elevada massa molecular. Un exemple de monòmer és l’etilè: H2C=CH2. b) Un monosacàrid és un carbohidrat que no es pot descompondre en unitats més petites per acció de dissolvents àcids. Per exemple, la glucosa: C6H12O6. c) Un polisacàrid és un polímer format per la unió per condensació de monosacàrids simples. Exemple: la cel·lulosa. d) Els lípids són substàncies de reserva i protecció dels éssers vius. Els olis i els greixos pertanyen a aquest grup. Exemple: l’oli d’oliva.

23.

Els hidrats de carboni presenten una gran varietat de sabors dolços. Indiqueu el nom i la fórmula estructural dels responsables dels sabors de: a) Sucre del raïm b) Mel c) Sucre de taula d) Sucre de malta a) La glucosa es coneix també com a sucre de raïm. Fórmula de la glucosa: OH OH O HO

6

4

5

3

2

1

H

OH OH

b) La mel conté diversos hidrats de carboni: fructosa, glucosa, dextrina i sacarosa a part d’altres components. c) El sucre de taula és sacarosa, un disacàrid que comprèn una molècula de glucosa unida a una de fructosa. La seva fórmula molecular és C12H22O11. La seva fórmula estructural és: CH2OH

CH2OH H OH

H

H

H OH

O

OH H

282

O

O H

H

OH

CH2OH OH

O

ind

ès

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 283

SOLUCIONARI

industrial i mediambiental c) El sucre de malta és la maltosa, de fórmula molecular C12H22O11. La seva fórmula estructural és: CH2OH O H

H H OH

H

H H OH

H

H

O

HO H

24.

CH2OH O

OH

OH H

OH

Indica les tres classes de polímers orgànics naturals que són essencials per els processos vitals. El polímers orgànics naturals, o biomolècules, que són essencials per als processos vitals són els glúcids, els lípids i les proteïnes.

25.

Dóna una definició i un exemple de: a) Aminoàcid b) Proteïna c) Enllaç peptídic d) Enzim a) Aminoàcid: compost orgànic soluble en aigua que conté un grup carboxil (−COOH) i un grup amino (−NH2) units al mateix carboni denominat α-carboni. Exemple: alanina: O H2N−CH−C−OH CH3 b) Proteïna: compost que pertany a un gran grup de compostos que es troben en tots els éssers vius. Es composa de C, H i O, i moltes també presenten S. Consisteix en una o diverses cadenes d’aminoàcids units mitjançant enllaços peptídics. Exemple: l’hemoglobina, proteïna encarregada del transport de l’oxigen des dels pulmons fins a les cèl·lules i del diòxid de carboni des de les cèl·lules fins als pulmons. c) Enllaç peptídic: enllaç entre un grup amino (−NH2) d’un aminoàcid i un grup àcid (-COOH) d’un altre aminoàcid, amb eliminació d’una molècula de H2O.

283

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 284

9 Reaccions químiques d’interès Exemple: Aminoàcid 1 H

H N

Aminoàcid 2

H O

C

H

H N

C

H

C

C

H

H

O

O

R

C

C

O

H N

H

O

H

H

N

C

R

Enllaç peptídic H

O

C

H

O

R

H

O

R

H

Aigua

d) Enzim: proteïna que actua com a catalitzador en una reacció química. Exemple: la lactasa, enzim que actua trencant la lactosa. 26.

Quina diferència hi ha entre un polímer d’addició i un de condensació? Dóna un exemple de cadascun. En el procés de formació d’un polímer d’addició no hi ha eliminació de petites molècules i el monòmer de partida ha de tenir un doble enllaç en la seva estructura o bé halògens. En el procés de formació d’un polímer de condensació es produeix l’eliminació d’una petita molècula que sovint és aigua, i els monòmers de partida han de tenir grups funcionals diferents. Exemples: a) Formació de polietilè a partir d’etilè per addició: H

H

H

C =C

→ H

H

H

[ C − C ]n H

H

b) Reacció de formació del niló-6,6 per condensació H

H N

(CH2)6

+

N

H

O

H

(CH2)6

N H

hexametilendiamina,

284

C OH

àcid adípic O

N H

C (CH2)4 HO

hexametilendiamina, H

O

C (CH2)4

O C

+ H2O

OH

aigua

ind

ès

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 285

SOLUCIONARI


Escriu les estructures dels següents materials plàstics comuns (Si és necessari cerca informació en Internet.) a) Mylar b) Baquelita c) Poliuretà d) Orlon a) El mylar és un polièster que es fabrica en forma de pel·lícula en comptes de fibra: −

O

−

O

−O−CH [ 2−CH2−O−C−

−C− ]n

b) La baquelita, o resines fenol-formaldehid, és el primer polímer sintètic: CH2 OH

OH CH2

CH2 CH2

CH2 OH

OH

CH2

CH2 OH

CH2

CH2

CH2

CH2

OH

OH

CH2

CH2

CH2

CH2 OH CH2

c) Poliuretà: −

O

− [ (CH2) 3−HN−C−O − ]n d) Orlon és el nom comercial d’una fibra acrílica. És un polímer d’acrilonitril. H H2C C

C

N

285

945335 _ 0271-0286.qxd

8/1/09

12:55

Página 286

químiques d’interès 9 Reaccions industrial i mediambiental 28.

Anomena els polímers amb les següents unitats de repetició: a) Etilè (−CH2−CH2−) b) Aminoàcids a) El polímer corresponent s’anomena polietilè. b) En el cas dels aminoàcids donen lloc a les proteïnes.

29.

Quins dels productes següents són polímers: a) Aigua b) Fusta c) Cotó d) Pneumàtics de cautxú e) Ceres Tots menys l’aigua. Són polímers la cel·lulosa de la fusta; el cotó, format també per fibres de cel·lulosa; el cautxú, que és un polímer de tipus elastòmer (un poliisoprè); i les ceres (deesa de l’agricultura), que s’elaboren amb blat de moro en comptes de petroli.

30.

Quins dels productes següents són polímers termoestables o amb entrecreuaments? a) Cel·lulosa b) Cautxú vulcanitzat c) Nitrat de cel·lulosa d) Baquelita Es pot considerar termoestable la baquelita. La baquelita té una estructura amb molts entrecreuaments i, per tant, no es pot reconformar.

31.

Quins dels productes de l’exercici anterior seran termoplàstics? a) Cel·lulosa b) Cautxú vulcanitzat c) Nitrat de cel·lulosa d) Baquelita Són termoplàstics la cel·lulosa i el nitrat de cel·lulosa, ja que tenen estructura lineal i es poden reconformar.

286

945335 _ 0005-0048.qxd

14/1/09

11:52

Página 9

945335 _ 0288-0288.qxd

8/1/09

11:56

Página 288

Direcció d’art: José Crespo Projecte gràfic: Coberta: CARRIÓ/SÁNCHEZ/LACASTA Interiors: Manuel García Il·lustració: David Cabacas, Carles Salom Cap de projecte: Rosa Marín Coordinació d’il·lustració: Carlos Aguilera Cap de desenvolupament de projecte: Javier Tejeda Desenvolupament gràfic: Rosa María Barriga, José Luis García, Raúl de Andrés Direcció tècnica: Ángel García Encinar Coordinació tècnica: Alejandro Retana Confecció i muntatge: Quality, s.g.e. SA Documentació i selecció fotogràfica: Nieves Marinas Fotografies: J. Jaime; M. G. Vicente; EFE/J. M. García; EFE/AP PHOTO/NASA; EFE/SIPA-PRESS/Scott Andrews; HIGHRES PRESS STOCK/AbleStock.com; PHOTODISC; MATTON-BILD; SERIDEC PHOTOIMAGENES CD; ARXIU SANTILLANA

© 2009 by Grup Promotor / Santillana Educación, SL Frederic Mompou, 11 (Vila Olímpica). 08005 Barcelona Imprès per

ISBN: 978-84-7918-378-0 CP: 945335 Dipòsit legal: Qualsevol forma de reproducció, distribució, comunicació pública o transformació d’aquesta obra només es pot fer amb l’autorització dels seus titulars, llevat d’excepció prevista per la llei. Si en necessiteu fotocopiar o escanejar algun fragment, adreceu-vos ¡ a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org).

SantillanaSolucionsQuumica1

Recommend Documents