CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES

01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA.
LES SUBSTÀNCIES PURES
En aquesta unitat aprendràs a:
j Identificar els elements que formen els compostos.
j Representar gràficament els diferents estats en què es
pot trobar qualsevol substància pura segons la pressió i la temperatura, mitjançant diagrames de fases.
j Aplicar la liofilització a alguns processos.
j Eliminar productes industrials nocius.
j Calcular l’energia necessària per canviar d’estat una
substància pura.
j Deduir l’equació dels gasos ideals a partir de consi-
deracions teòriques.
j Esbrinar com varia la difusió dels gasos en funció de
la seva massa atòmica.
01
10
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
j 1.1 Les substàncies pures
dins la classificació de la matèria
Les substàncies pures també s’anomenen espècies químiques.
Les substàncies pures només poden ser elements químics (per exemple,
sofre o hidrogen) o compostos formats per elements (per exemple: aigua,
H2O, o carbonat de calci, CaCO3).
Si barregem dos o més elements o compostos obtenim una mescla, que no és
una substància pura.
Elements (coure)
Substàncies pures
Compostos (sacarosa)
Homogènia
Dissolucions (sal en aigua)
Matèria
Mescles
Heterogènia
El carbonat de calci natural també
té dues formes de cristal.lització: la
calcita (sistema romboèdric) i l’aragonita (sistema ròmbic). Tant la
calcita com l’aragonita són CaCO3.
Aquest fenomen s’anomena dimorfisme.
Mescles heterogènies (sang)
Quan les substàncies pures (elements o compostos) es troben en estat sòlid poden formar
cristalls. Un mateix compost pot cristal.litzar de maneres diferents. Aquest fenomen s’anomena polimorfisme. Per exemple, el carboni es pot trobar en forma de grafit, cristal.litzat en
sistema hexagonal, o en forma de diamant, cristal.litzat en sistema cúbic.
Un sol element pot formar substàncies diferents, perquè els seus àtoms s’enllacen de manera
diferent. Aquest fenomen rep el nom d’al.lotropia. Per exemple, l’oxigen, O2, i l’ozó, O3, són
varietats al.lotròpiques d’un mateix element (l’oxigen), de la mateixa manera que el grafit i el
diamant ho són del carboni.
Mescles
Compostos
Tenen les propietats dels seus components. Si es barregen llimadures de sofre i ferro, la mescla té les propietats del sofre i del
ferro.
Tenen propietats específiques pròpies i no les dels elements constituents. Així, l’àcid nítric, HNO3, no té absolutament cap semblança
amb el nitrogen, l’oxigen i l’hidrogen que el constitueixen.
La formació d’una mescla no comporta cap bescanvi energètic
amb l’entorn o, en tot cas, és negligible.
La formació d’un compost comporta un bescanvi energètic important amb l’entorn (reacció endotèrmica o exotèrmica).
Els components de les mescles es poden separar per mitjans
físics, com ara la filtració, la decantació, la sedimentació, la
centrifugació, l’evaporació, la destil.lació, les extraccions sòlidlíquid i líquid-líquid, la cristal.lització i la cromatografia.
Els constituents dels compostos no es poden separar per procediments físics, sinó que cal emprar mitjans que modifiquin químicament la combinació, com ara l’electròlisi.
Les mescles, en general, poden existir en qualsevol proporció
dels seus components. El sofre i el ferro, per exemple, els podem
barrejar en qualsevol proporció.
Els compostos es formen a partir dels elements en una proporció
invariable. Per exemple, cada àtom d’oxigen de l’aigua, H2O, va acompanyat forçosament de dos àtoms d’hidrogen.
Taula 1.1. Diferències principals entre els compostos i les mescles.
A C TIV ITATS
1> Esbrina quines diferències hi ha en les varietats al.lotròpiques del fòsfor blanc i del fòsfor roig.
2> El sofre té al.lotropia. Cerca’n les varietats.
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
01
j 1.2 Elements i compostos. Obtenció
dels elements dels compostos
Els elements es troben combinats químicament entre ells formant compostos que tenen unes
propietats absolutament diferents de les dels elements constituents. Per exemple, els òxids de
nitrogen, NxOy, són compostos de nitrogen i oxigen que no recorden gens les propietats dels
dos elements constituents.
Per contra, en l’aire, que es defineix com una mescla bàsicament de molècules de nitrogen i
d’oxigen, els elements constituents es poden separar mitjançant diferents procediments, com
ara la refrigeració, fins a arribar a la liquació i la destil.lació posterior de l’aire líquid obtingut.
Els dos constituents tenen diferent volatilitat, ja que les molècules de nitrogen són més petites i destil.len a una temperatura més baixa que les d’oxigen, més grans. Per tant, si es controla la temperatura de destil.lació, es poden separar els dos elements.
Molts compostos es poden separar en els seus elements per diferents mètodes, alguns dels
quals s’esmenten tot seguit:
j Descomposició. Aquest mètode només es pot emprar en alguns casos. Per exemple, l’òxid
de mercuri(II), HgO, si l’escalfem, es descompon en oxigen gasós i mercuri metàl.lic:
2 HgO(s) 2 Hg(l) 1 O2(g) j Reducció. Un procediment molt utilitzat en metal.lúrgia és l’aïllament dels metalls mitjan-
çant la reducció amb carbó o un altre reductor potent. D’aquesta manera, es pot aïllar el ferro
dels seus òxids, FeO, Fe2O3 i Fe3O4. L’estany també es pot aïllar del SnO2; i el zinc, del ZnO:
2 FeO(s) 1 C(s) 2 Fe(s) 1 CO2(g) j L’electròlisi. Una manera usual de separar els elements d’un compost és mitjançant l’elec-
tròlisi, un procés electroquímic que provoca el canvi químic gràcies a l’electricitat.
L’electròlisi es produeix sempre en fase líquida. Aquest líquid, anomenat electròlit, ha de ser
conductor elèctric, i perquè ho sigui cal que contingui ions, positius i negatius. Com que té
càrrega elèctrica, pot conduir l’electricitat si hi apliquem una diferència de potencial elèctric.
Els ions poden provenir d’un mineral en estat fos o d’una solució líquida:
j Si es tracta d’un mineral fos, per exemple bauxita, Al2O3 hidratat, el líquid fos conté ions
Al31 i ions O22. En aquest cas, el Al2O3 és un electròlit de primera espècie.
j En canvi, si es tracta d’una solució, per exemple de clorur de sodi en aigua, l’aigua gairebé
no està ionitzada en H1 i OH2, però conté ions Cl2 i ions Na1, que són els responsables
de la conductivitat elèctrica. En aquest cas, el NaCl(aq) és un electròlit de segona espècie.
Fig. 1.1. L’electricitat provoca el
trencament de la molècula d’aigua
en hidrogen i oxigen (gasos).
Algunes de les aplicacions industrials més importants de l’electròlisi són l’obtenció de l’alumini i
del coure pur. El paper d’alumini,
per exemple, permet conservar
millor els aliments i coure a la papillota. En aquest tipus de cocció
s’embolica amb un full de paper
d’alumini un aliment, generalment
carns i peixos, per coure’l al forn.
11
12
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
La conductivitat elèctrica és deguda als ions positius o cations, i als negatius o anions. Sempre s’esdevé un canvi químic prop dels elèctrodes o borns de contacte amb l’electròlit.
El PVC o policlorur de vinil es produeix a partir d’etilè o etè i de
clor obtingut de l’electròlisi de la
sal comuna (clorur de sodi).
Els elèctrodes són dues barres, de metall o de grafit, connectades als borns d’un generador de
corrent continu de baix voltatge. Un elèctrode és positiu i l’altre negatiu:
j Ànode, és l’elèctrode positiu.
j Càtode, és l’elèctrode negatiu.
Els elèctrodes han de ser d’un material adient que no reaccioni amb el compost que volem
separar en els elements constituents, és a dir, han de ser inerts per a la reacció electroquímica
en qüestió.
Com a exemple, estudiarem una electròlisi senzilla: la de la sal comuna fosa. Introduïm el
NaCl en un recipient o cubeta anomenada cel.la electrolítica (fig. 1.2) i l’escalfem fins a fondre’l. Fem passar un corrent elèctric de pocs volts entre els dos elèctrodes que estan en contacte amb la sal fosa.
Observem que de l’ànode es desprenen bombolles de clor, Cl2, mentre que al càtode, es diposita el sodi, Na, que sura damunt la sal fosa. L’equació corresponent és:
2 NaCl(l) 2 Na(s) 1 Cl2(g) Els primers experiments sobre
l’electròlisi daten de l’any 1800.
W. Nicholson i A. Carlisle van fer
passar el corrent d’una pila de
Volta a través d’una dissolució
d’aigua acidulada, de manera que
es van obtenir hidrogen i oxigen
gasosos.
2 H2O(l) 2 H2(g) 1 O2(g) Fig. 1.2. Esquema de l’electròlisi del NaCl fos.
ACT I VI TAT S
3> Cerca informació d’altres aplicacions industrials de l’electròlisi.
4> Esbrina per què van acidular l’aigua Nicholson i Carlisle.
5> Informa’t sobre què són els cromats i niquelats de l’acer.
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
13
j 1.3 Diagrama de fases d’una substància pura
Hi ha diferents maneres de saber si una substància és pura o no. La més senzilla consisteix a
obtenir-ne la corba d’escalfament. Si una substància és pura, durant el canvi d’estat (per
exemple, de sòlid a líquid o a l’inrevés) la temperatura de la substància és constant.
La temperatura d’un canvi d’estat té un valor concret per a una pressió ambiental determinada. Per exemple, a una pressió atmosfèrica normal (101,3 kPa), quan fem bullir aigua pura
líquida i passa a gas, la temperatura d’ebullició es manté a 100 °C. Mentre hi hagi una mica
d’aigua líquida, el conjunt aigua líquida-gas es mantindrà a 100 °C. Just en el moment en què
s’hagi evaporat la darrera gota líquida, l’aigua en estat gasós pujarà de temperatura si la continuem escalfant (fig. 1.3). L’aigua en estat gasós se sol anomenar vapor d’aigua.
En canvi, en vaporitzar-se aigua salada, el punt d’ebullició va pujant i no és constant. La fase
líquida es va concentrant en sal a mesura que es vaporitza aigua. L’aigua salada, per tant, no
és una substància pura, és una mescla.
Tota substància pura, element o compost, sòlida o líquida, desprèn una certa quantitat de
vapor, per petita que sigui. La pressió a què està aquest vapor en un recipient en el qual només hi ha la substància i el seu vapor s’anomena pressió de vapor, i és un valor definit per a
cada substància i per a una temperatura determinada. Per exemple, l’aigua pura a 30 °C té una
pressió de vapor de 0,0418 atm, i a 93 °C, de 0,840 atm. Si l’aigua conté sals o altres productes dissolts, és a dir, si no és pura, la pressió de vapor és inferior, i varia segons la quantitat
de producte dissolt que conté (llei de Raoult).
En el punt triple poden coexistir les tres fases: sòlida, líquida i gasosa.
S’esdevé a una pressió i temperatura úniques (punt invariable) (fig. 1.4).
La sublimació s’utilitza en la liofilització de substàncies. La liofilització és una operació que
consisteix en una congelació seguida d’una deshidratació posterior per sublimació. S’efectua
en un recipient en el qual s’ha fet el buit. Cal evitar que el glaç format es fongui durant l’operació, per la qual cosa es treballa a una temperatura inferior al punt triple.
C
A
760
La relació entre la pressió de vapor d’una dissolució i la pressió de
vapor del dissolvent pur ve donada per la llei de Raoult, que estableix que en una dissolució en
què el solut no és volàtil, el descens relatiu de la pressió de vapor
és igual a la fracció molar del solut, segons l’expressió següent:
Dp
——
5 xs, o bé Dp 5 xs ? p0
p0
En què Dp és la disminució de la
pressió de vapor, és a dir, la diferència entre la pressió de vapor del
dissolvent pur i la pressió de vapor
de la dissolució, xs és la fracció
molar del solut i p0 és la pressió de
vapor del dissolvent.
Si fem el mateix procés a una
pressió atmosfèrica diferent, per
exemple creant un buit parcial,
l’aigua bullirà a una temperatura
inferior. Una olla de pressió a la
cuina treballa a pressió superior a
l’atmosfèrica i, per tant, els líquids aquosos del seu interior podran estar a més de 100 °C. Així,
doncs, els aliments es couran amb
més rapidesa.
líquid
fusió
solidificació
sòlid
gas
vaporització
condensació
O
4,58
punt triple
sublimació
B
0,01º
Fig. 1.3. Diagrama dels canvis d’estat d’una substància pura en funció de la temperatura.
100º
T (ºC)
Fig. 1.4. Diagrama d’equilibri de fases de l’aigua. A
una pressió inferior a la del punt triple, l’aigua pot
passar d’estat sòlid a estat gasós sense passar per
estat líquid, és a dir, pot sublimar.
Les baixes temperatures en la liofilització eviten alteracions químiques i pèrdues de components
volàtils. Les baixes temperatures i
la manca d’aigua eviten el desenvolupament de microorganismes
que podrien fer malbé els productes alimentaris i ocasionar problemes sanitaris.
A C T I V I TAT S
6> Esmenta un parell d’exemples d’aliments liofilitzats.
7> Com obtindries llet concentrada (amb menys aigua) al
laboratori sense que es malmetés?
14
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
j 1.4 Canvis d’estat
j A. Sòlid-líquid
En els sòlids, les partícules —molècules, àtoms o ions, segons el tipus de sòlid— no es poden
moure, només vibren al voltant d’una posició fixa. Això és així perquè la seva energia tèrmica
no pot vèncer les forces d’atracció entre elles (fig. 1.5).
Quan escalfem un sòlid es transmet energia a les seves partícules, la qual les fa vibrar més
ràpidament, de manera que se separen una mica més les unes de les altres i augmenta una
mica el volum del sòlid. Quasi tots els cossos sòlids es dilaten en escalfar-los.
Quan s’arriba a la temperatura de fusió, Tf , l’agitació de les partícules és prou gran perquè
s’allunyin de les posicions fixes al voltant de les quals vibren, i el cos fon.
L’ordre cristal.lí del sòlid es trenca i les partícules es mouen i xoquen les unes amb les altres.
Si el sòlid és amorf, o no és una substància pura, la temperatura de fusió, Tf, no es manté
constant; és a dir, no hi ha un únic punt de fusió, sinó que es mou en un marge de valors.
Fig. 1.5. Partícules d’un sòlid vibrant a
l’entorn de posicions fixes.
La quantitat de calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat
de massa passi de l’estat sòlid a l’estat líquid s’anomena calor latent de
fusió, lf.
La calor latent de fusió, lf, té el mateix valor que la calor latent de solidificació, ls, que
correspon al procés de solidificació o pas d’estat líquid a estat sòlid.
j B. Líquid-gas
En els líquids, les partícules es poden moure perquè tenen una energia cinètica més gran que
en el sòlid. Quan els líquids s’evaporen, algunes de les partícules amb energia més alta aconsegueixen separar-se de les del seu voltant i passar a vapor. Per fer-ho han d’agafar energia de
l’entorn, i per això la temperatura del líquid baixa. Aquest fenomen el podem observar fàcilment si ens posem acetona al palmell de la mà i deixem que s’evapori: la mà es refreda perquè
la calor corporal ha servit per evaporar l’acetona.
El trànsit de líquid a gas es pot realitzar per evaporació o per ebullició. En tots dos casos
s’esdevé una vaporització.
j L’evaporació és un fenomen superficial que es produeix a qualsevol temperatura. Només
unes quantes partícules properes a la interfase líquid-gas es poden escapar.
j En l’ebullició tot el líquid assoleix una temperatura suficient perquè les partícules puguin
passar a fase gas o vapor. Si la substància és pura, la temperatura d’ebullició, Te, es manté
constant.
La calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa d’una
substància es vaporitzi, s’anomena calor latent de vaporització, lv.
La calor latent de vaporització és igual a la calor latent de condensació, lc, que correspon al
procés de condensació o pas d’estat gasós o vapor a estat líquid.
Fig. 1.6. Diagrama dels canvis d’estat.
La calor de vaporització ens dóna un valor aproximat de les forces d’enllaç entre les partícules
d’un líquid. En passar de sòlid a líquid la substància només es desordena una mica, i es mantenen en bona part els enllaços entre partícules. En canvi, en passar de líquid a gas aquests
enllaços s’han de trencar tots. Per això la calor de vaporització és molt més gran que la calor
de fusió.
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
01
15
j C. Sòlid-gas
Els líquids purs a una temperatura determinada tenen una pressió de vapor característica. En
els sòlids també existeix la pressió de vapor, si bé en una magnitud que sol ser molt inferior.
Si les partícules del cristall vibren prou enèrgicament, poden vèncer les forces cristal.lines
de cohesió que les enllacen i les partícules perifèriques poden arribar a passar a l’estat gasós.
En aquest cas, diem que el sòlid sublima.
Cada sòlid té una pressió de vapor característica a una temperatura determinada. Per exemple, l’aigua sòlida a 0 °C té una pressió de vapor de 0,00605 atm. Si escalfem aigua sòlida
que estigui a una temperatura una mica inferior als 0 °C en un recipient que estigui a una
pressió per sota de 0,00605 atm —creada mitjançant el buit—, l’aigua passa directament
d’estat sòlid a estat gasós. Passa el mateix si el gel està en contacte amb un aire molt sec,
sempre que el vapor d’aigua sigui el que tindria si estigués sol en el mateix volum, a la pressió
de 0,00605 atm o menys.
La pressió de vapor dels sòlids, com la dels líquids, creix amb la temperatura.
Un altre exemple característic de sublimació és el del gel sec, que és CO2 sòlid que es fa servir
per refrigerar aliments, el qual sublima sense fondre a pressió atmosfèrica, perquè la pressió
del CO2 a l’atmosfera és més baixa que la pressió de vapor del sòlid (fig. 1.7).
La quantitat de calor necessària per sublimar la unitat de massa en estat
sòlid fins a l’estat gasós a pressió atmosfèrica s’anomena calor latent de
sublimació.
Observeu la figura 1.4. Les corbes representen els valors simultanis de p i T en els quals dues
fases d’aigua poden coexistir en equilibri. Per exemple, l’aigua sòlida coexisteix amb l’aigua en
estat gasós (vapor) en tots els valors de p i T corresponents a la línia OB. Anàlogament, en els
valors de p i T de la corba OC coexisteixen el glaç i l’aigua líquida. En les condicions de p i T
corresponents a la línia OA coexisteixen l’aigua líquida i l’aigua gasosa.
En el punt O, anomenat punt triple, poden coexistir les tres fases en equilibri. El punt triple
de l’aigua correspon a una pressió de 0,00603 atm i a una temperatura de 0,01 °C.
Les zones entre corbes corresponen a condicions de p i T en què només pot existir aigua en
una sola fase.
ACT I VI TAT S
8> Investiga per què:
a) S’eixuga la roba mullada tant si fa vent com si fa calor.
b) L’aigua dels càntirs i sellons de material porós es manté fresca si es col.loquen en un lloc on hi hagi corrent d’aire, sempre que es tracti d’aire sec.
c) Les samarretes de cotó a l’estiu donen sensació de frescor si fa corrent d’aire.
9> Sabent que el cotó té moltíssims grups OH en les seves molècules i que el niló
no en té cap, esbrina per què costa molt més eixugar el cotó mullat que el niló.
10> Si tenim gel a 20,5 ºC i hi apliquem un buit inferior a 0,0367 atm, què penses
que passarà?
11> És possible teòricament tenir aigua líquida a una pressió inferior a 0,0306 atm?
12> Agafa un vidre de rellotge, posa-hi una mica de iode sòlid i tapa-ho amb un
altre vidre de rellotge invertit. Escalfa-ho amb un llumí per sota. Fes una descripció del que passa i dóna’n una explicació.
Fig. 1.7. El diòxid de carboni en un extintor es troba en estat líquid i a pressió
elevada. A pressió atmosfèrica només pot
estar en fase sòlida, i sublima.
16
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
j 1.5 Teoria cineticomolecular
dels gasos
La matèria sòlida es compon de partícules que vibren i no es traslladen.
En els líquids, en canvi, les partícules ja es mouen una mica i canvien de posició.
En els gasos, les partícules tenen llibertat total de moviment. El moviment que anima aquestes partícules depèn de la temperatura. Com més elevada és la temperatura, més energia tenen
les partícules i més ràpidament vibren i es mouen. L’energia cinètica de les partícules depèn,
doncs, de la temperatura. Sabem que l’energia cinètica és:
1
Ec 5 — m v2
2
en què m és la massa de la partícula i v és la velocitat.
Ara bé, no totes les partícules es mouen a la mateixa velocitat. Parlem, aleshores, d’una energia cinètica mitjana a una temperatura determinada. Per a totes les partícules d’un gas es
compleix que l’energia cinètica mitjana de cada molècula a la temperatura T és:
3
2
Ec 5 — ? k ? T
2
en què k és la constant de Boltzmann, que val 1,38 ? 10223 J/K, i T la temperatura absoluta en
kelvin.
Aquesta equació ens indica que:
j Dos gasos diferents, a la mateixa temperatura absoluta, tenen la mateixa energia cinètica
mitjana.
j L’energia interna d’un gas depèn del moviment de les seves molècules; per tant, només de-
pèn de la seva temperatura absoluta.
Com que les partícules dels gasos
es mouen anàrquicament en totes
direccions, l’estudi detallat i rigorós de la seva energia es fa des del
punt de vista estadístic.
Si relacionem les dues equacions anteriors ens adonem que, en augmentar la temperatura,
també augmenta la velocitat de les partícules i la seva velocitat mitjana. Si la temperatura és
0 K, l’energia cinètica mitjana també és zero. Això vol dir que, a mesura que la temperatura
baixa, les partícules es mouen menys. Prop dels 0 K, les partícules de sòlid pràcticament no
vibren.
També podem comprendre per què la pressió d’un gas augmenta en pujar la temperatura. En
pujar la temperatura, l’energia cinètica de les partícules augmenta i, per tant, la seva velocitat
creix; a més velocitat, hi haurà més xocs de les partícules amb les parets per unitat de temps,
cosa que provoca una pressió més gran.
j A. Deducció de la llei dels gasos ideals
a partir de la mecànica
L’equació d’estat:
p?V 5 n?R?T
es pot deduir a partir de l’aplicació de la mecànica clàssica a les partícules d’un gas qualsevol.
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
01
17
La teoria cineticomolecular parteix del desenvolupament d’uns postulats o principis ideals.
Aquests postulats són:
j Un gas està format per partícules en moviment constant, que topen constantment entre
elles. Les col.lisions són perfectament elàstiques.
j No hi ha atracció ni repulsió entre les partícules (ja sabem que això no és del tot cert; tan
sols és una aproximació).
El fenomen de la pressió és degut a les col.lisions de les partícules amb les parets del recipient.
Suposem N partícules, cadascuna de massa m, contingudes en un volum V de forma cúbica
(fig. 1.8).
Les partícules, en moure’s, tenen associada una quantitat de moviment, que segons la mecànica és el producte de la massa per la velocitat:
L 5 m?v
(cap a la dreta)
Tanmateix, la velocitat és una magnitud vectorial i, per tant, cal tenir en compte el sentit del
moviment. Així, quan la partícula en qüestió es dirigeix cap a la paret de l’esquerra (A), la
quantitat de moviment que té és:
L 5 m ? (2v)
(cap a l’esquerra)
En què el signe (2) indica que va en sentit contrari al positiu de l’eix de les abscisses (cap
a la dreta). En col.lidir amb la paret A, es produeix un rebot completament elàstic; ara la
partícula s’allunya de la paret A i té una quantitat de moviment:
L 5 m?v
Per tant, la variació de la quantitat de moviment en aquesta col.lisió és la diferència entre les
quantitats de moviment final i inicial; és a dir:
DL 5 m ? v 2 m ? (2v) 5 2 m ? v
El temps que hi ha entre dues col.lisions consecutives amb la paret A és:
desplaçament
2l
Dt 5 ——————— 5 ——
velocitat
v
en què l és el costat del cub elemental (desplaçament 5 2 l, ja que la partícula va i torna).
També sabem que la força, F, és la variació de la quantitat de moviment per unitat de temps;
és a dir:
Dp
2m?v
2m?v
m ? v2
F 5 —— 5 ——— 5 ——— 5 ———
Dt
Dt
2 l/v
l
Si la superfície de la cara elemental A del cub és S, obtindrem que en el xoc la pressió exercida
per la partícula sobre aquesta cara és:
m ? v2
m ? v2
F
(m ? v2)/l
p 5 — 5 ————
5 ———
5 ———
2
3
S
l
l
V
en què V és el volum del cub elemental de l’estudi.
Del conjunt de totes les partícules, podem suposar, des del punt de vista estadístic, que 1/3
de les partícules es mou en direcció de l’eix de les X, un altre terç es mou en la de l’eix de
les Y i, finalment, l’altre terç, en la de l’eix de les Z. Per tant, de tot el conjunt de les N partícules del cub elemental, només N/3 toparà amb la paret A. Com que hi ha partícules més ràpides que altres, la quantitat de moviment mitjana es correspondrà amb el que es coneix com a
v 2.
velocitat quadràtica mitjana de les partícules o 2
Fig. 1.8. Trajectòria d’una partícula que
es dirigeix contra una paret.
18
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
Per tant, podem escriure que la pressió general sobre la cara A val:
v2
N
m?2
p 5 ——— 5 —
V
3
Si NA és el nombre d’Avogadro, podem escriure qualsevol nombre N en funció de NA. És a dir:
N 5 n ? NA
en què n és la quantitat de matèria (en mols).
Si considerem que les N partícules en qüestió tenen una energia cinètica mitjana de:
1
v2
Ec 5 — m 2
2
podem escriure l’equació de la pressió de la manera següent:
2
p ? V 5 — ? n ? NA ? Ec
3
en què p és la pressió de totes les partícules.
1
Segons l’equació Ec 5 — m v2, en
2
una barreja de gasos, a la mateixa
energia cinètica les molècules del
gas més lleuger tindran una velocitat mitjana més alta. A més, no
totes les molècules del mateix gas
van a igual velocitat; per tant, cal
parlar d’una velocitat i una energia cinètica mitjanes.
L’energia cinètica de qualsevol gas és directament proporcional a la temperatura absoluta; és
a dir:
Ec 5 K ? T
en què K és una constant.
Podem escriure, per tant:
2
p ? V 5 — ? n ? NA ? K ? T
3
en què NA és el nombre d’Avogadro.
2
El producte — ? NA ? K és una constant i correspon a la dels gasos ideals (R):
3
2
R 5 — ? NA ? K
3
I, en conseqüència, l’equació dels gasos es pot escriure d’aquesta manera:
p?V 5 n?R?T
Aquesta fórmula s’aplica en la resolució d’exercicis pràctics sobre gasos i cal treballar en les
unitats adients. En el SI, la pressió s’expressa en Pa, el volum en m3, la constant dels gasos és
R 5 8,31 J/(K?mol) i la temperatura s’expressa en K. També és molt freqüent utilitzar les unitats següents: la pressió en atm, el volum en L, la constant dels gasos R 5 0,082 atm?L/(K?mol)
i la temperatura en K.
A C TIV ITATS
3
1
13> A partir de les dues equacions 2
Ec 5 — ? k ? T i Ec 5 — m v2
2
2
dedueix si les molècules de dos gasos de masses diferents tindran igual velocitat mitjana a la mateixa
temperatura absoluta. Considera, per exemple, el N2 i
el CO2.
Dades: massa del nitrogen 5 28 uma; massa del diòxid
de carboni 5 44 uma.
14> Si la velocitat quadràtica mitjana es pot avaluar a partir
de l’equació 2
v5
3RT
, on R 5 8,314 J?mol
fvvvvvvv
M
———
21?K21,
T és la temperatura absoluta en kelvin i M és la massa
molar en kg?mol21, calcula la velocitat quadràtica
mitjana de les molècules d’heli, de massa molecular
4 g?mol21 a 273 K de temperatura.
R: 2
v < 1 305 m?s21
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
19
j 1.6 Calor intercanviada en els canvis d’estat
A la taula 1.2 podem observar els valors d’algunes calors latents de fusió o solidificació. Cal
destacar la gran quantitat de calor necessària per fondre l’aigua glaçada, sobretot si es compara amb alguns metalls.
Perquè una substància en estat líquid passi a estat gasós, cal aplicar-hi una certa quantitat de
calor, que també depèn de la massa i de la calor latent de vaporització, lv.
lf (kJ/kg)
Tf (K)
A la taula 1.3, podem observar els valors d’algunes calors latents de vaporització o condensació. Cal destacar la gran quantitat de calor que necessita l’aigua per vaporitzar-se per comparació a les altres substàncies. Aquest fet té una importància cabdal en el transport de calor,
ja que l’aigua-vapor permet traslladar grans quantitats d’energia, cosa que amb un altre fluid
no seria tan rendible econòmicament.
Només les substàncies pures tenen
un valor de calor latent fix durant un canvi d’estat. A més, si
aquestes substàncies són sòlides,
cal que estiguin en estat cristal.lí.
Per exemple, els polímers orgànics
encara que siguin purs no acostumen a ser cristal.lins, sinó sòlids
amorfs o semicristal.lins. No tenen
un punt de fusió definit, sinó que
està inclòs dins un marge de valors.
Substància
Perquè una substància en estat sòlid passi a estat líquid, cal aplicar-hi una certa quantitat
de calor, que depèn de la massa i de la calor latent de fusió, lf. Cal recordar que no tots els
cossos sòlids, en ser escalfats, es fonen. Alguns, com la fusta o el paper, es descomponen o
es cremen. D’altres, com ara els cautxús, les gomes, els polímers orgànics, els betums i els
asfalts, no tenen un canvi d’estat definit.
2 252,1
373
Aigua
330,7
273
Èter
380,9
308
Coure
175,8
1 356
Mercuri
284,6
633
Plom
23,0
600
Etanol
870,7
351,5
Ferro
200,9
1 813
Substància
Aigua
lv (kJ/kg)
Te (K)
Taula 1.3. Calors latents de vaporització o condensació d’algunes
substàncies a la pressió d’1 atm.
La calor de canvi d’estat d’una massa m de substància, es calcula, evidentment, amb les expressions següents:
Qf 5 m lf
Qv 5 m lv
Taula 1.2. Calors latents de fusió o
solidificació d’algunes substàncies
a la pressió d’1 atm.
en què m és la massa en kg, i lv i lf són les calors latents de canvi d’estat en kJ/kg.
EX EM P L E 1
Calcula la quantitat de calor que cal aplicar a 5 kg d’aigua
glaçada a 210 °C per dur-la a l’estat líquid i a una temperatura de 60 ºC.
La calor necessària per fondre el gel a 0 °C es calcula així:
Dades: Ce (gel) 5 2,09 kJ?kg21?K21;
Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21;
lf (glaç) 5 330,7 kJ?kg21
La calor necessària per dur l’aigua líquida de 0 °C a 60 °C es
calcula amb aquesta expressió:
Resolució
La calor necessària per dur l’aigua glaçada de 210 °C a 0 °C
es calcula per mitjà de l’expressió:
Q1 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 2,09 kJ?kg21?K21 ? 10 K 5 104,5 kJ
Qf 5 m ? lf 5 5 kg ? 330,7 kJ?kg21 5 1 653,5 kJ
Q2 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 4,18 kJ?kg21?K21 ? 60 K 5
5 1 254 kJ
Per tant, la calor total necessària és:
Q1 1 Qf 1 Q2 5 104,5 1 1 653,5 1 1 254 5 3 012 kJ
A C T I V I TAT S
15> a) Calcula la calor que cal aplicar, a pressió atmosfèrica, a 3 kg de plom a 327 °C per fondre’l completament.
b) Calcula la calor que cal aplicar a 2 L de mercuri a
360 °C, per vaporitzar-lo.
Dades: densitat del mercuri: 13,6 kg/L.
R: a) Qf 5 69 kJ; Qv 5 7 741,12 kJ
20
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
j 1.7 Les activitats industrials
i el medi ambient
La corrosió i el tractament de metalls pesants perillosos, especialment del mercuri, el plom, el cadmi i l’arsènic, són un altre camp
en què la química intervé per millorar el medi ambient.
La indústria consumeix una gran quantitat de matèries primeres i energia per obtenir productes molt elaborats i de molta utilitat. En aquest procés, també s’obtenen subproductes de
menys valor econòmic, que sovint es llencen, ja que no se’ls troba una aplicació prou rendible
econòmicament. Aquests subproductes s’han de neutralitzar químicament abans de llençar-los
i posteriorment s’han de portar a abocadors controlats. La tecnologia química permet elaborar
productes reciclables nous.
La inquietud ecològica ha obligat a revisar alguns aspectes de la producció química. Tota
empresa química moderna ha de tenir en compte l’impacte ambiental de les seves activitats productives i ha de saber com avaluar aquest impacte. Actualment, totes les empreses
químiques haurien de disposar d’instruments de gestió ambiental i saber com minimitzar,
gestionar i regular la producció de residus. Finalment, l’Administració governamental hauria
d’impulsar la promoció de l’ecodisseny i la fabricació d’ecoproductes. Alguns criteris molt
importants que cal tenir en compte són:
j Que els reactius no pol.lueixin.
j Que els productes obtinguts siguin reciclables.
j Que es minimitzin els productes de poc valor.
j Que s’optimitzi el balanç energètic del procés. El gran consum energètic exigeix en l’aspec-
te ecològic:
La química pot ajudar a reduir els
aspectes negatius que acompanyen tota activitat industrial.
— Limitar i optimitzar el consum dels combustibles fòssils.
— Limitar l’abocament d’efluents líquids calents als rius: la contaminació tèrmica fa minvar el contingut d’oxigen de les aigües fluvials.
Tot seguit analitzarem els principals components contaminants segons que siguin gasos,
líquids o sòlids.
j A. Contaminants gasosos i de l’aire
Cal controlar les emissions gasoses nocives, especialment els gasos nitrosos, NxOy, el monòxid
de carboni, CO, els òxids de sofre, SO2 i SO3, i les macropartícules en suspensió —aglomerats de sòlids i líquids que contenen Al, Ca, Fe, Pb, Mg, Na, Be, Hg i asbest combinats amb
22
2
nitrats, NO2
3 , sulfats, SO4 , i clorurs, Cl .
Fig. 1.9. Els tubs d’escapament dels automòbils tenen catalitzadors de platírodi (Pt-Rh) que eliminen els gasos nitrosos i els transformen en N2 i O2, innocus. La reacció és: NxOy x/2 N2 1 y/2 O2
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
01
21
La taula 1.4 mostra alguns exemples de contaminants gasosos i del seu origen o ús.
Producte contaminant
Origen/Ús
Alcans
Refineries de petroli
Hidrocarburs del benzè (aromàtics)
Evaporació de dissolvents industrials
Diòxids de sofre (SO2 i SO3)
Combustió de certs combustibles fòssils
Fosa i obtenció de metalls
Refineries de petroli
Sulfur d’hidrogen (H2S)
Refineries, indústria paperera i adobera
Halometans: clorometà i bromometà
Incineració de plàstics halogenats (PVC)
Fumigacions
Monòxid de carboni (CO)
Elaboració d’acer
Refinatge del petroli
Eliminació de residus sòlids
Hidrocarburs clorats
Evaporació de dissolvents clorats
Freons (CF2Cl2 i CFCl3) (ja prohibits)
Macropartícules
Benzina amb plom
Òxids de nitrogen (NxOy)
Combustions
Obtenció d’àcid nítric
Taula 1.4. Contaminants gasosos i el seu origen o ús.
Els freons són un exemple d’estabilitat: la poca reactivitat que tenen amb els agents atmosfèrics els permet migrar fins a les capes altes de l’estratosfera, on es difonen lentament i es
descomponen donant clor atòmic, Cl•, a causa de les radiacions solars. El clor atòmic reacciona immediatament amb l’ozó, O3, i el destrueix. L’ozó estratosfèric ens és imprescindible
perquè és el filtre natural dels raigs ultraviolats solars. Per això fa anys que els freons estan
prohibits.
Els productes gasosos tenen una mobilitat elevada. Imaginem-nos una barreja de gasos. Per
saber quines molècules es mouen més de pressa en la barreja, si les de N2 o les de CO2, cal
recórrer a la teoria cineticomolecular que, com hem vist, explica les desviacions respecte del
comportament ideal dels gasos reals a baixes temperatures i altes pressions.
Les macropartícules més petites són molt nocives: travessen les narius, es dipositen als alvèols pulmonars i provoquen malalties respiratòries serioses. Els òxids de sofre i de nitrogen
són letals per a les plantes, i en presència d’humitat ataquen els revestiments dels edificis.
j B. Contaminants de l’aigua
Els abocaments industrials més nocius (fig. 1.10) són els que contenen ions de metalls pesants com ara el plom, el zinc, el cadmi, el mercuri, el crom, el níquel o el coure. La matèria
orgànica dissolta, l’alcalinitat o l’acidesa fortes, o l’alta temperatura també són pol.luents. La
depuració de les aigües es pot fer de diverses maneres:
j Separació dels sòlids en suspensió col.loïdal: decantació, flotació, filtració i floculació
per obtenir grups de coàguls de partícules que precipiten o suren més ràpidament.
j Biodegradació de restes orgàniques. Les restes orgàniques acostumen a ser biodegrada-
bles i es poden descompondre biològicament. Es fan reaccionar aeròbicament (amb aire) o
anaeròbicament (sense aire). En el primer cas es produeix CO2 com a subproducte, i en el
segon cas, metà, CH4. Certa matèria orgànica és difícilment biodegradable i cal eliminar-la
per altres mitjans. Si després de depurar l’aigua, encara té color, olor o gust, cal fer una
adsorció amb carbó actiu, que reté moltes de les molècules contaminants. El carbó es pot
Les emissions de gasos àcids com
el SO2 de les centrals tèrmiques es
poden minimitzar amb tractaments
alcalins.
22
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
regenerar posteriorment per reutilitzar-lo, mitjançant l’escalfament a alta temperatura
sense oxigen.
j Eliminació de substàncies inorgàniques. Les substàncies inorgàniques es poden eliminar
de diferents maneres: precipitació, bescanvi iònic, electrodiàlisi, etc. La precipitació —que
és el sistema més usual i econòmic— implica l’ús d’un reactiu que formi un compost insoluble en el medi (que generalment és aquós). Un exemple de precipitació senzill és l’eliminació del crom(III) procedent de l’adobament de la pell. Els efluents líquids amb crom es
tracten amb calç apagada (hidròxid de calci, Ca(OH)2) i es forma hidròxid de crom(III),
Cr(OH)3, força insoluble i que precipita. Posteriorment, aquest precipitat s’asseca parcialment i, finalment, es du a un abocador controlat. En aquestes condicions, el crom de
l’hidròxid de crom(III) és innocu si no se’l modifica a un estat superior d’oxidació.
j Els bacteris, els protozous i altres microorganismes patògens s’eliminen generalment per
oxidació amb clor gasós.
j Compostatge. En tot procés de depuració d’aigües s’obtenen fangs de productes sedimen-
Fig. 1.10. Abocament industrial nociu.
tats o flotants, que, de vegades, estan carregats de productes nocius. Si aquests llots són
de matèria orgànica biodegradable i no contenen metalls pesants (Pb, Hg, Cd, Cr, etc.) o
elements i compostos nocius (As, productes clorats orgànics, etc.) en quantitat apreciable,
se’n pot obtenir fertilitzant mitjançant el compostatge.
Les aigües residuals que es depuren solen ser col.loïdals.
Les concentracions dels contaminants químics generalment són molt petites i es poden expressar de diverses maneres. Per exemple:
j En parts per milió o ppm: parts de contaminant per milió de parts de dissolució, que equi-
val a mil.ligrams de contaminant per quilogram de solució.
j En parts per bilió o ppb: una ppb és la milionèsima part d’una ppm. En els països anglo-
saxons, una ppb és la mil.lèsima part d’una ppm.
j Unitats de terbolesa: mesuren la transparència de la solució col.loïdal.
j Unitats de pH: mesuren el comportament àcid o bàsic de la solució.
j DBO5, DBO7 (demanda biològica d’oxigen) i DQO (demanda química d’oxigen): s’utilitzen
quan els contaminants són productes orgànics degradables bioquímicament o químicament.
DBO i DQO estan relacionades amb la quantitat d’oxigen necessària per oxidar la matèria
orgànica mitjançant bacteris o oxidants químics.
L’anàlisi de les aigües exigeix la preparació al laboratori de solucions de diferents reactius.
E X E M P LE 2
Per analitzar la sílice, SiO2, d’una aigua destinada a turbines de vapor, cal preparar
una dissolució aquosa de molibdat d’amoni de concentració 0,4 mg/L. Expressa la
concentració d’aquesta dissolució en mol/L (M) i parts per milió (ppm).
Resolució
La fórmula del molibdat d’amoni és (NH4)2MoO4, i la seva massa molecular, 196 g/mol.
Calculem la molaritat de la dissolució:
0,4 ? 1023 g (NH4)2MoO4 1 mol (NH4)2MoO4
——————————— ? ———————— 5 2,04 ? 1026 mol/L 5 2,04 ? 1026 M
1 L (NH4)2MoO4
196 g (NH4)2MoO4
En una dissolució tan diluïda com aquesta, podem considerar que la densitat és
pràcticament la de l’aigua, és a dir, 1 g/mL. En aquestes condicions, els mg/L coincideixen numèricament amb les ppm:
0,4 mg/L 5 0,4 ppm
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
01
23
E X E M P LE 3
En un laboratori tenim una dissolució aquosa d’àcid sulfúric de densitat 1,813 kg/L
i del 91,3 % en massa. Calcula’n la molaritat.
Resolució
Les dades que coneixem de la dissolució ens informen que:
La massa d’1 L de dissolució és 1,813 kg 5 1 813 g.
100 g de dissolució estan formats per 91,3 g d’àcid sulfúric i 8,7 g d’aigua.
1 mol H2SO4
91,3 g H2SO4(aq) 1 813 g H2SO4(aq)
———————— ? ———————— ? —————— 5 16,89 mol/L
100 g H2SO4(aq)
1 L H2SO4(aq)
98 g H2SO4
La dissolució d’àcid sulfúric és 16,89 M.
Es tracta, per tant, d’una dissolució força concentrada.
L’eliminació dels residus sòlids sovint és complicada i segueix una
classificació de perillositat. Hi ha
abocadors de diferents tipus segons el residu. Per exemple, els
productes radioactius s’han d’abocar en llocs especials extremament
protegits i controlats, mentre que
els residus hospitalaris perillosos
cal eliminar-los per cremació a
alta temperatura. Tots els abocadors oficials estan molt controlats.
j C. Contaminants sòlids
Els residus sòlids, des del punt de vista químic, els podem classificar segons el seu origen,
urbà o industrial, o segons el que contenen:
j Radioactius.
j Explosius.
j Miners: poden ser inerts, com ara terres (generalment amb un fort impacte visual), o peri-
llosos, si contenen un percentatge elevat de metalls nocius (recordeu la catàstrofe del parc
nacional de Doñana a causa de l’arsènic).
j Provinents de laboratoris químics i de recerca.
j Llots de residus de pintures, de colorants, de rentats i buidats industrials, brossa domèstica
i industrial.
j Embalatges difícils de biodegradar, plàstics, elastòmers (cautxú), pells, ferralla, encenalls,
runes i fangs de tractament d’aigües.
ACT I VI TAT S
16> Les calderes són generadors de vapor industrials que poden tenir aigua a temperatures de 200 ºC en estat líquid. Com és possible?
17> L’ozó és un contaminant important de l’aire que respirem. Quantitats molt
petites són suficients perquè sigui el responsable de molts processos de degradació per oxidació de biopolímers. Què volem dir quan parlem de parts per
bilió d’ozó en una atmosfera contaminada? Explica-ho amb detall.
18> Els mol.luscs, entre altra fauna marina, són especialment sensibles a la presència del mercuri. Les cloïsses, escopinyes, navalles, musclos i ostres no es desenvolupen ni quan hi ha només 1 mg de mercuri per 100 Tn d’aigua. Com
expressaries adequadament aquesta concentració de mercuri?
R: [Hg] 5 10 ppb
Si els residus són molt perillosos,
de vegades se’ls inertitza per vitrificació introduint-los en vidre fos,
que posteriorment és solidificat en
refredar-se. Aquest és un procediment car. El vidre és un material
extremament inert i els productes
perillosos que conté hi resten bloquejats.
24
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
Activitats finals
1> Classifica els materials següents com a elements,
mescles, substàncies pures o compostos:
argent
calç
guix
alcohol
tinta
cautxú natural
llautó
benzina
estany
bronze
cristall de quars
sucre
sabó
aspirina
sal
pintura
detergent
diamant
2> Quin procés fa possible que el fet de ventar-se refresqui la cara?
10> El CO2 sublima a temperatura ambient. Quan el CO2 sòlid sublima a 760 mmHg (pressió atmosfèrica), manté
una temperatura de 195 K (278 °C). El seu punt triple
es troba a 5,11 atm i a 256,4 °C.
a) Si volem fondre el CO2 sòlid, quina és la pressió
mínima necessària perquè passi a l’estat líquid?
b) A quina temperatura mínima ho farà? (El diagrama
de fases del CO2 té una forma anàloga al de l’aigua;
vegeu la figura 1.12.)
p (mmHg)
3> Tant la condensació com la solidificació alliberen calor. Quin procés allibera més calor? Per què?
líquid
4> Observa la figura del punt triple de l’aigua.
a) Et sembla que és possible que es mantingui en estat líquid a una pressió de 2,5 mmHg?
gas
sòlid
b) I a una pressió de 6 mmHg?
5> En quines condicions ha d’estar l’aigua perquè es
mantingui en estat líquid a una temperatura inferior
a 0 °C?
6> Com es pot aconseguir que un filferro ben prim, del
qual pengen uns pesos grans, travessi una barra de
glaç industrial gruixuda sense que la barra es trenqui?
Explica per què. (Vegeu la figura 1.11.)
3880
punt triple
760
195
216,4
T (K)
Fig. 1.12. Diagrama de fases del CO2.
11> És possible que les substàncies es trobin en estat sòlid, líquid i gasós alhora?
12> En les condicions de vida habitual, quina és aproximadament la pressió de vapor del gel quan fon? (Observa detingudament el gràfic de la figura 1.4 del
punt triple de l’aigua.)
13> Un procediment per refrigerar l’aigua calenta en els
Fig. 1.11
7> Com extrauries l’aigua del suc d’una taronja sense haver-la d’esprémer ni trinxar?
8> Per què el butà que hi ha a l’interior de les bombones
es troba principalment en estat líquid i quan crema
està en estat gasós?
processos industrials és mitjançant les torres de refrigeració. Aquestes torres consisteixen en uns recintes per on baixa aigua i es fa circular sobre materials
sòlids apilats, de manera que formi una pel.lícula
fina. En sentit ascendent s’impulsa un corrent d’aire.
A la part inferior es recull l’aigua que s’ha refredat. L’aire que surt per dalt té un alt contingut d’aigua
en forma de gas. Explica per què es refreda l’aigua
líquida.
9> Si connectem a una bombona de butà un bufador pistola apte per escalfar industrialment i l’encenem, observarem que l’envàs taronja de la bombona es glaça
per la part de fora. A què és degut aquest efecte?
14> Calcula la quantitat de calor necessària per dur 3 kg
d’aigua líquida a 80 °C fins a vapor d’aigua sobreescalfat a 110 °C a pressió atmosfèrica.
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
Dades: Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21;
Ce (vapor aigua) 5 1,92 kJ?kg21?K21;
lv 5 2 252,1 kJ?kg21
R: 7 064,7 kJ
15> Un pot d’aram té 0,300 kg de massa. Hi aboquem
0,400 kg d’aigua. El pot i l’aigua estan a una temperatura ambient de 288 K. Posteriorment hi afegim
0,200 kg d’un altre líquid que està a 333 K. La temperatura del conjunt finalment és de 293 K. Les calors
específiques del coure i de l’aigua són, respectivament, 389 i 4 186 en J/(kg?K). Quina és la calor específica del segon líquid?
R: Ce 5 1 119,4 J?kg21?K21
16> Una de les innovacions culinàries dels darrers temps
01
c) Calcula l’energia que es necessitaria per vaporitzar
aquesta quantitat d’etanol.
d) Calcula l’energia que es necessitaria per escalfar
i vaporitzar la quantitat d’aigua que hi ha en els
1,8 L d’etanol del 96 % de puresa.
Dades: lv (etanol) 5 870,7 kJ/kg;
lv (aigua) 5 2 252,1 kJ/kg;
Ce (aigua) 5 4,18 kJ/kg?K
R: c) 1 214,19 kJ; d) 139,59 kJ
19> Segons la teoria cineticomolecular dels gasos, és possible que dos gasos a la mateixa temperatura puguin
tenir diferent energia cinètica mitjana segons la seva
fórmula molecular?
és la introducció de la gelatina calenta en l’elaboració de plats. La gelatina calenta s’obté fent bullir
filaments d’agar-agar fins que es dissolen.
20> Entre els diferents contaminants gasosos podem in-
Si per dissoldre l’agar-agar cal escalfar 1 200 g d’aigua
des dels 18 °C fins a la temperatura d’ebullició, respon les qüestions següents:
b) Quina problemàtica mediambiental creaven?
a) Calcula la quantitat de calor que necessita l’aigua
per assolir el punt d’ebullició.
b) Si en acabar el procés queden 1 050 g d’aigua, calcula la quantitat d’energia que ha necessitat l’aigua que s’ha evaporat.
c) Podem considerar la gelatina calenta com a matèria homogènia? I com a substància pura? Raona la
resposta.
R: a) 411,312 kJ; b) 337,815 kJ
17> Per reciclar els metalls cal seleccionar-los i fondre’ls
després per poder reutilitzar-los.
cloure-hi els freons.
a) Què són aquests compostos?
21> Antigament, alguns rius de zones adoberes estaven
contaminats per ió crom(VI) procedent de la curtició
de la pell. Indica algun mètode que permeti eliminar
aquest ió de l’aigua.
22> L’anàlisi de l’aigua d’un riu ens indica la presència de
2 mg de Hg per cada tona analitzada. Si la normativa
internacional permet una presència, com a màxim,
de 0,05 ppm de mercuri, estem dins la normativa mediambiental internacional?
23> Per fer una anàlisi d’aigües, cal preparar 500 mL d’una
dissolució d’àcid clorhídric 0,3 M. L’ampolla d’àcid clorhídric que tenim al laboratori ens indica que és del
36 % i de densitat 1 180 kg/m3. Calcula:
Si tenim 2,13 tones de ferro a 1 813 K, que és la temperatura de fusió del metall, quina quantitat d’energia cal aplicar per fondre’l totalment?
a) Quants mL de HCl calen per fer la preparació?
Dades: lf (ferro) 5 200,9 kJ/kg
R: 12,89 mL
R: 427 917 kJ
18> L’alcohol etílic té una temperatura d’ebullició de
78,5 °C. Tenim 1,8 L d’aquest producte, de puresa
del 96 % i densitat de 0,807 g/mL, a aquesta temperatura.
a) Quin pictograma porten els recipients d’alcohol
etílic?
b) Què podries fer si volguessis eliminar aquesta
quantitat d’alcohol etílic?
b) Com ho faries al laboratori?
24> En l’aigua de mar hi ha una proporció de 0,003 g
d’àcid ortosilícic (H4SiO4) per cada litre d’aigua. Sabries expressar aquesta concentració en molaritat?
R: 3,12 ? 1025 M
25> L’alumini és un element tòxic en determinades aigües.
La quantitat d’alumini permesa és de 5 ? 1026 g/L. Expressa aquesta concentració en molaritat, tenint en
compte que la molècula present en l’aigua és Al(OH)3.
R: 1,85 ? 1027 M
25
26
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
Quimitest
1> La nostra suor és:
a) Matèria homogènia.
b) Solució.
c) Mescla homogènia.
d) Totes són veritat.
2> L’aigua embotellada comercial:
a) És de bona qualitat.
b) És una substància pura.
c) Bull a 100,0 ºC.
d) És una solució.
3> L’aire és una mescla de nitrogen, N2; oxigen, O2; diòxid de carboni, CO2, i
quantitats molt petites de gasos nobles com ara neó, Ne; argó, Ar; criptó, Kr,
i xenó, Xe. Quan tenim aire a una temperatura determinada, les molècules
amb una velocitat mitjana més ràpida són:
a) Les d’oxigen.
b) Les de nitrogen.
c) Les de xenó.
d) Les d’argó.
4> Tenim 1 kg de plom a 600 K i 1 kg d’aigua a 273 K. Els hem de fondre. Quin
absorbirà més calor?
a) El plom, ja que és un metall.
b) A priori no ho podem saber.
c) La mateixa quantitat.
d) L’aigua.
5> L’oli del motor dels cotxes és un producte contaminant?
a) Sí.
b) No.
c) No ho podem saber.
d) Depèn de si s’ha utilitzat.
6> Una concentració de 3 mg per litre de solució aquosa equival a:
a) 3 ppm.
b) 3 ppb.
c) 3 %.
d) Cap de les anteriors.
7> Si comprimim el CO2 gasós a temperatura ambient fins a 61 bar passa a estat
líquid. Si es descomprimeix sobtadament fins a la pressió atmosfèrica, la
temperatura del CO2 baixa considerablement. Què et sembla que passaria si
obríssim completament l’aixeta d’una bombona plena de CO2 líquid a 65 bar
de manera que pogués sortir tot sobtadament?
a) Sortiria CO2 gas.
b) Sortiria CO2 líquid.
c) Sortiria CO2 sòlid.
d) Sortiria una mescla de tots tres.
8> A quina temperatura bull, a nivell del mar, l’aigua ensucrada de l’almívar?
a) A 100 °C.
b) A menys de 100 °C.
c) A més de 100 °C.
d) No ho podem saber a priori.
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
01
Pràctiques de laboratori
Obtenció i cristal.lització d’una sal
Objectiu
Normes de seguretat
Obtenir cristalls de sulfat de sodi decahidratat, Na2SO4 ? 10 H2O (cristal.litza en el sistema
monoclínic) a partir de la solució obtinguda per reacció entre l’àcid sulfúric i l’hidròxid de
sodi.
Material
— Bureta
— Vas de precipitats i vareta de vidre
— Papers indicadors universals o, preferiblement, pH-metre
— Solució d’hidròxid de sodi 5 M
Tingueu molta cura amb
l’àcid sulfúric 2,5 M i la
sosa càustica 5 M, que són
fortament càustics. Utilitzeu ulleres, guants i pipetes mecàniques (no les
manuals). Treballeu a la
vitrina de gasos. És recomanable que la pràctica la
faci el professor.
— Solució d’àcid sulfúric 2,5 M
— Font de calor
— Recipient de porexpan o draps i paper de diari vell, etc.
— Embut, paper de filtre, suport i vas de precipitats per poder filtrar.
Procediment
j Ompliu una bureta amb àcid sulfúric 2,5 M.
j Poseu en un vas de precipitats 25 mL d’hidròxid de sodi 5 M. Afegiu-hi gota a gota l’àcid
fins que el pH sigui 7 (comproveu-ho amb el pH-metre).
j Escalfeu la barreja fins a saturar-la. Mantingueu l’escalfament uns 15 minuts.
j Tapeu el vas de la solució sobresaturada i cobriu-lo completament amb porexpan o
amb molts draps i papers. És fonamental que la solució es refredi tan lentament com
es pugui.
j L’endemà destapeu-lo i observareu uns cristalls de Na2SO4 ? 10 H2O.
j Filtreu la solució i separeu els cristalls per dessecar-los a l’aire.
j Observeu els cristalls secs al microscopi o amb la lupa.
Anàlisi de resultats
j Compareu els cristalls de Na2SO4 ? 10 H2O
amb cristalls de NaCl. Observeu que les
dues substàncies cristal.litzen en sistemes diferents.
j Escriviu l’equació que s’ha produït per
obtenir el sulfat de sodi decahidratat.
j Cerqueu informació sobre els sistemes
cristal.lins cúbic i monoclínic.
Fig. 1.13. Cristalls de sulfat de sodi.
Gestió de residus
La solució i els cristalls de
sulfat de sodi es poden
abocar a la brossa o per la
pica amb aigua abundant,
ja que no són perillosos per
al medi ambient. Si cal,
neutralitzeu els àcids o àlcalis abans d’abocar-los per
la pica.
27
28
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
L’electròlisi de l’aigua
Normes de seguretat
Cal anar amb molt de compte, ja que l’hidrogen és explosiu. Per tant, cal vetllar
perquè no se’n produeixi
gaire quantitat i perquè no
hi hagi cap flama a prop.
Objectiu
Separar els elements d’un compost mitjançant l’electròlisi. L’aigua es compon d’hidrogen i
oxigen. L’electricitat subministra l’energia suficient per separar aquests dos components.
Material
— Vas de precipitats de 500 mL
— Una pila de 4,5 V o una font d’alimentació
— Una mica de sal de cuina
— Dos elèctrodes de carbó
— Pinces de cocodril
Gestió de residus
Els residus d’aquesta pràctica es poden abocar per la
pica amb aigua abundant,
perquè no són tòxics.
— Cable conductor
— Aigua destil.lada
Procediment
j Aboqueu una mica d’aigua destil.lada al vas de precipitats.
j Dissoleu-hi una mica de sal i remeneu-ho.
j Connecteu un conductor a cada born de la pila.
j Introduïu els altres dos extrems dels conductors a la solució aquosa.
j Si treballeu amb font d’alimentació, apliqueu-hi uns quatre volts i mig de tensió en cor-
rent continu. Podeu graduar la intensitat segons la resistència que la solució ofereix a la
conducció elèctrica.
ànode
O2
–
e
càtode
H2
e–
dissolució
de NaCl
Fig. 1.14. Electròlisi
de l’aigua.
Anàlisi de resultats
j Observeu que es formen petites bombolles al voltant de cada elèctrode, que es van acu-
mulant dins dels tubs d’assaig. A l’elèctrode negatiu, càtode, es desprèn hidrogen gasós,
i al born positiu, ànode, es forma oxigen. Com comprovaries si realment s’acumulen
aquests gasos en els borns que s’han especificat?
j Per què el volum d’hidrogen és el doble que el d’oxigen?
j Per què s’afegeix sal a l’aigua destil.lada del vas de precipitats?
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
01
Descens crioscòpic
Objectiu
Comprovar que les mescles tenen un punt de congelació diferent de les substàncies pures.
En aquesta pràctica el dissolvent és l’aigua i el solut és la sal.
Material
— Dos vasos de precipitats petits
Normes de seguretat
No hi ha cap norma de seguretat específica per realitzar aquesta pràctica ja
que el risc és mínim.
— Glaçons del congelador
— Sal de cuina
— Dos trossos de cordill d’un parell de pams de llargada
Gestió de residus
Procediment
j Remulleu completament els dos cordills amb aigua.
j Unteu un dels cordills amb sal de cuina.
Els residus d’aquesta pràctica no són tòxics. Es poden abocar per la pica.
j Poseu glaçons a cada vas de precipitats.
j Poseu un cordill damunt dels glaçons de cada vas i espereu uns 10 minuts.
Anàlisi de resultats
j Compareu els dos vasos de precipitats. Quins glaçons s’han fos abans?
j Què ha passat als cordills?
j A què és deguda la diferència de comportament entre els dos vasos?
Varietats al.lotròpiques del sofre
Objectiu
j Ampliar els coneixements sobre al.lotropia. El sofre és molt emprat a la indústria química
en totes les seves vessants. El seu derivat principal és l’àcid sulfúric.
j Distingir les varietats del sofre: les cristal.lines (a i b) i les amorfes (l i m).
Material
— Agitador de vidre
— Càpsula de porcellana
— Pinces de tubs d’assaig o d’estendre roba que siguin de fusta
Normes de seguretat
Cal treballar a la vitrina
d’aspiració de gasos, ja que
no és bo respirar una atmosfera carregada de CS2
ni els vapors de sofre fos.
S’ha de tenir cura que no
hi hagi cap focus de calor
a prop del CS2, perquè és
molt inflamable. Per exemple, quan feu servir l’assecador de cabells, no ho feu
amb aire calent.
— Tub d’assaig mitjà o gran i taps
— Vas de precipitats de 250 mL
Gestió de residus
— Sofre en pols
— Sulfur de carboni (CS2)
— Lupa binocular i vidre portaobjectes
— Assecador de cabells
El sulfur de carboni i el sofre s’han de tractar com a
residus especials. No es poden abocar a la pica.
29
30
01
CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES
Procediment
a) Sofre-a (ròmbic) i sofre amorf
j Poseu 1 g de sofre en pols en un tub d’assaig ben sec i afegiu-hi 5 mL de CS2. Tapeu
el tub i agiteu-ho fortament fins a la dissolució parcial del solut.
j Aboqueu-ho en un vas de precipitats i deixeu que sedimenti el sofre no dissolt.
j Decanteu el líquid en una càpsula i feu que s’evapori utilitzant l’assecador de ca-
bells amb aire fred (mai calent, ja que el sulfur de carboni s’encén amb molta facilitat!).
j Observeu el residu de l’evaporació amb la lupa. Apareix sofre cristal.lí ròmbic, anomenat Sa:
— Les seves molècules tenen 8 àtoms.
— És groc i té una massa molar de 256,48 g, una densitat de 2,1 g/mL i fon a
113 ºC.
— És lleugerament soluble en etanol.
— És estable a temperatura ambient. La varietat b passa lentament a a en aquestes
condicions.
j Amb l’ajut d’un paper, aparteu de la càpsula el Sa.
j Al tub d’assaig hi ha el sofre amorf. Aboqueu-lo amb cura a l’altre costat de la càp-
sula de porcellana i compareu-lo amb el Sa.
j Cerqueu informació sobre els sistemes cristal.lins ròmbic i monoclínic.
b) Sofre-b o sofre monoclínic
j Agafeu 5 g de sofre i foneu-lo en una càpsula de porcellana tot agitant amb una va-
reta de vidre.
j Deixeu-lo refredar. Quan comenci a solidificar, agiteu la càpsula i observeu les agu-
lles que s’hi han format. Es tracta de sofre-b. És soluble en etanol, té una densitat
d’1,96 g/mL i fon a 119 ºC.
c) Sofres l i m amorfs
j Se’ls anomena plàstics per la seva consistència. Observeu-ho.
j Agafeu la càpsula de l’apartat b) i torneu-la a escalfar fins que el sofre s’ennegreixi i
comenci a cremar per la superfície. Preneu nota de l’olor que fan els gasos despresos.
Procureu no respirar-los, perquè són tòxics i irritants.
j Aboqueu aquest sofre ennegrit i cremat damunt una mica d’aigua d’aixeta que heu
d’haver posat en un vas de precipitats.
j Podreu observar dues varietats de sofre: una de fosca, el sofre-m, i una altra de gro-
ga, el sofre-l. El primer, en ser fosc, emmascara el segon. La diferència entre aquests
dos és que el sofre-l és soluble en CS2. En canvi, el sofre-l no ho és.
Anàlisi dels resultats
j Observeu la lleugera diferència de color entre les dues varietats al.lotròpiques cristal-
En estat gasós, les molècules de sofre poden tenir
menys de vuit àtoms.
lines.
j El sofre (llevat de l’amorf m) és soluble en CS2, però no ho és en aigua. Per què?
j Busqueu informació sobre el sofre.