La Materia A L'univers

La matèria a l’Univers

Nom ............................................................. Curs ............................................................. Data .............................................................

1

Índex El mètode científic. Etapes del mètode científic Unitats de mesura Factors de conversió Magnituds derivades: Pressió i densitat La matèria per dins La matèria està formada per àtoms Model actual del’àtom Elements químics Nombre atòmic i nombre màsic d’un element Isòtops La massa atòmica Ions Taula periòdica Classificació dels elements Composts químics Canvis físics i canvis químics Canvis físics Canvis d’estat Les variacions de la temperatura en els canvis d’estat La teoria cinètico-molecular Canvi químic Detecció d’un canvi físic o químic

2

1. El mètode científic. La ciencia actual tracta de resoldre questions tan fonamentals com l’origen de l’Univers, l’estructura de la materia, l’estructura del genoma humà, etc. Per tal de resoldre aquests problemes els investigadors segueixen un mètode concret de treball, esbossat per l’anglès Francis Bacon (1561-1626) i avalat per Galileu (1564-1642) a quí se n’atribueix la posada en pràctica. 1.1-

Etapes del mètode científic

3

2. Unitats de mesura ACTIVITAT INICIAL:

Magnitud física és tota qualitat d’un fenòmen o de la matèria que pot ser mesurada. Són magnituds físiques, per exemple, el temps, la massa, la distància, la velocitat, l’acceleració, les forçes, la intensitat de corrent elèctric…, per altra banda no ho són la bellesa, la bondat… Un sistema d’unitats és un conjunt d’unitats que s’han agrupat a fi de facilitar l’entesa entre els científics. El sistema d’unitats que nosaltres farem servir és el Sistema Internacional d’unitats que es simbolitza per SI. Per resoldre els problemes de física i química és necessari la utilització de les unitats de cada magnitud. En principi, s'han d'utilitzar les unitats del Sistema Internacional (SI), però freqüentment se'n fan servir d'altres. Per exemple, quan es parla de la velocitat d'un cotxe, es fa en km/h i no en m/s. Per passar d'una unitat a una altra és convenient fer servir factors de conversió, ja que són una eina molt útil. Múltiples i submúltiples de les unitats 4

Depenent de les quantitats de les magnituds físiques, aquestes es poden trobar expressades fent servir múltiples o submúltiples de les unitats. Això vol dir que, per exemple, si una longitud és petita és més probable que s’expressi en centímetres o mil·límetres que no pas en metres i si és molt gran és més probable que s’expressi en km que no pas en metres. En la taula següent hi tens aquests múltiples i submúltiples de les unitats.

En el quadre següent hi tens les magnituds anomenades fonamentals i les seves unitats. La resta de magnituds ( velocitat, acceleració…) reben el nom de magnituds derivades i les seves unitats també són unitats derivades perquè deriven de les anteriors.

2.1.-Factors de conversió Un factor de conversió és una fracció tal que en el denominador es posa la unitat que volem simplificar i en el numerador el valor equivalent en la unitat final o a l'inrevés.

5

•

Imagina que es vol passar 3 km a metres. En aquest cas, cal posar 1 km en el denominador i 1.000 m en el numerador: 1000 m 3 km = 3000 m /⋅ 1 km / • Per passar 4 hores a segons: 3600 s 4 hores/ ⋅ = 14400 s 1 hora/ • Si es volen passar 7.200 s a hores: 1 hora 7200 s/ ⋅ = 2 hores 3600 s/ De vegades es necessita més d'un factor de conversió; el resultat és com si els factors de conversió estessin encadenats. Així, per passar de km/h a m/s se n'han d'encadenar dos, un per passar de quilòmetres (km) a metres (m), i l'altre d'hores (h) a segons (s) •

Si vols passar 80 km/h a m/s:

•

km 80 ⋅ 1000 / 1000 m 1 h/ ⋅ ⋅ = m / s = 22.22 m / s h/ 1 km 3600 s 3600 / A l’enrevés, per passar 340 m/s la velocitat del só a km/h:

•

m / 1 km 3600 s/ 340 ⋅ 3600 ⋅ ⋅ = km / h = 1224 km / h s/ 1000 m 1h 1000 / I un darrer exemple, passar 5 g/cm3 a kg/m3 :

80

340

g 1 kg 1000000 cm 3 5 ⋅ 1000000 5 /3⋅ kg / m 3 ⋅ = 1000 cm 1000 g/ 1 m3

6

2.2.-Magnituds derivades: Pressió i densitat Quan una força actua sobre un cos que es pot deformar, l'efecte que produeix depèn de la intensitat de la força i de la superfície sobre la qual actua. Una persona amb botes s'enfonsa més en la neu que si porta esquís. Aquesta relació entre força i superfície ha portat a la idea de pressió. La pressió es defineix com la força que actua sobre la unitat de superfície. Per calcular la pressió, s'ha de dividir el valor de la força pel valor de la superfície sobre la qual actua:

Si es tracta d'un cos que es troba recolzat sobre una superfície horitzontal, la força exercida és el seu propi pes, Fg. Al SI, la unitat de mesura de la força és el newton (N) i la de superfície és el metre quadrat (m2); per tant, la pressió es mesura en newton per metre quadrat (N/m2). Aquesta unitat rep el nom de pascal (Pa). La Terra està envoltada d'una capa d'aire anomenada atmosfera, que té centenars de quilòmetres d'altura. Hi ha, doncs, una gran quantitat d'aire damunt la Terra capaç d'exercir una gran pressió. Aquesta pressió s'anomena pressió atmosfèrica. La pressió atmosfèrica es mesura, com totes les pressions, en pascals (Pa). Però, habitualment, s'expressa en hectopascals (hPa). 1 hPa = 100 Pa = 1 baria (unitat del sistema cgs) (bar) 1 atm = 1.013 bars •

Passa a bars una pressió de 4,25 atm. 4.25 atm /⋅

•

1.013 b = 4.30 b 1 atm /

Passa a SI una pressió de 2,85 atm 1.013 bars/ 10 5 Pa 2.85 ⋅ 1.013 ⋅ 10 5 2.85 atm ⋅ = Pa = 288705 Pa /⋅ 1 atm 1 bar/ 1 /

La densitat és la relació que existeix entre la massa i el volum d'un cos.

7

La densitat és directament proporcional al valor de la massa i inversament proporcional al volum del cos.

Fórmula general:

d=

m v

Les unitats de mesura en el Sistema Internacional és el quilogram per metre cúbic (kg/m3). La densitat de l'aigua és 1 g/cm3. 2.3.-Exercicis. 1. Donada la següent llista: a) Massa b) kg.m/s f) Superfície g) h a.

c) Kelvins

d) Velocitat

e) Vertigen

a.Indica quines són magnituds:______________________________ b. Indica quines són unitats:____________________________________ c. Indica quines són magnituds fonamentals:______________________ d. Indica quines són unitats derivades:___________________________ e. Indica quines són unitats del Sistema Internacional:_______________ __________________________________________________________ 2. Ordena de la més gran a la més petita les longituds següents: 1,2 x 105 mm; 0,25 km; 3 hm; 3 x 10-3 m 3. Calcula el nombre de segons que té: a) un dia b) un mes c) un any 4. Expressa les longituds següents en la unitat corresponent del sistema internacional : a) 39 mm b) 12 nm c) 120 cm d) 890 km 5. Fes les conversions següents : a) 350 g a kg b) 540 kg a mg c) 3,1 x 103 dm a km d) 125 cl a l 6. Calcula la densitat de cadascun dels objectes del quadre següent. Expressa-la en kg/m3. 8

7. El pes de 10 dm3 de ferro es de 79600 quilograms. Determina la seva massa en grams / cm3. 8.

9. Expressa en unitats del sistema internacional les mesures següents: a. 32,4 cm2 b. 1,2 cm3 c. 1,5 g/cm3 d. 440 km/h 10. Observa aquesta fotografia i contesta: Si vas a una velocitat de 36 m/s, quina és la distancia de seguretat per no xocar (segons el cartell)?

9

11. Efectua els canvis d'unitats següents. Utilitza els factors de conversió i dóna el resultat en notació científica.

a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.

0,6 t 122 mg 20 cm3 19 l 7,3 ml 6,3 dal 12000 hm2 0,05 km 100 km/h 12 kg/l

(600 kg) (1,22.10-2 dag) (20 ml) (1,9.104 ml) (7,3.10-2 dl) (6,3.10-2 m3) (1,2.1010 m2) (5.104 cm) (1,67.103 m/min) (1,2.107 g/m3)

12. Canvia les unitats a S.I. Utilitza els factors de conversió i dóna el resultat en notació científica. a. b. c. d. e. f. g. h.

20000 g 0,0008 hm 30 mg 60 km/h 1,2 kg/l 3 dies i 2 hores 5 hm2 250 ml

(20 kg) (8.10-6m) (3.10-5 kg) (16,67 m/s) (1200 kg/m3) (266.400 s) (5.104 m2) (2,5.10-4 m3)

3.La matèria per dins. Des de l’antiguitat, fìlòsofs i científics observaven de prop la matèria, intentant esbrinar què hi havia en el seu interior. Alguns filòsofs grecs proposen: la matèria està formada per aigua, per aire, per terra, per foc... Els filòsofs grecs passaven llargues hores observant la naturalesa i preguntant-se de quina matèria estaven fets el Sol, la Terra, les estrelles, els éssers vius... A partir d’aquestes propostes següents:

observacions,

alguns

filòsofs

van

fer

les

• Tales de Milet (segle VI aC) proposà que la matèria estava formada d’aigua.

10

• Altres filòsofs de la mateixa època proposaren l’aire, la terra o el foc com les substàncies bàsiques que formaven tota la matèria. • Posteriorment a ells, Aristòtil proposà que l’Univers estava format pels quatre elements esmentats anteriorment, és a dir: aigua, aire, terra i foc i, a més, hi afegí l’èter, que, segons ell, era l’element que omplia l’espai celest. Altres filòsofs grecs proposen: la matèria està formada per àtoms Els filòsofs grecs Demòcrit i Leucip (segles IV i V aC), van proposar que la matèria estava formada per un gran nombre de petites partícules anomenades àtoms («àtom» en grec significa indivisible). Aquesta proposta va tenir menys acceptació que les anteriors. Era més fàcil imaginar que la matèria estava formada per aigua, aire, terra o foc, totes elles substàncies conegudes, que no pas per unes boletes invisibles anomenades àtoms.

3.1.-Exercicis 1. Digues quatre substàncies de la naturalesa que van ser proposades pels grecs com a constituents de la matèria. 2. Segons Demòcrit i Leucip, quin era el constituent bàsic de la matèria de l’Univers? 3. Quin significat té en grec la paraula àtom?

4. La matèria està formada per àtoms A començaments del segle XIX els coneixements químics ja no van estar basats només en l’observació, sinó que es van basar en l’experimentació. Aquest fet permeté enunciar les primeres lleis de la química i, a partir d’elles, demostrar que tota la matèria que ens envolta està formada per unes partícules molt petites anomenades àtoms.

11

El ferro, l’aigua, l’aire, els homes, les plantes, els animals, les estrelles... tots ells estan formats per àtoms. ACTIVITAT Observa amb atenció el dibuix següent. Pots trobar-hi algun tipus de matèriaque no estigui formada per àtoms?

La resposta és no perquè tota la matèria està formada per àtoms. Per tant, el nen, la casa, les muntanyes, el Sol,... estan tots ells formats per àtoms. Els àtoms tenen una mida tan petita que és impossible veure’ls, fins i tot amb els microscopis lluminosos més potents. Per això, per explicar com és l’àtom, ho hem de fer a través de models. Un model és una representació entenedora de com pensem que és allò que no podem veure directament. El primer model d’àtom el va donar l’any 1808 el científic britànic John Dalton. Dalton va explicar el model d’àtom en la seva teoria atòmica. Aquestes són les principals idees de la teoria atòmica de Dalton: • Tota la matèria està formada per partícules molt petites i indivisibles anomenades àtoms. • Les substàncies que tenen tots els àtoms iguals s’anomenen elements químics. • Els àtoms d’un element químic qualsevol són iguals entre ells i diferents dels àtoms d’altres elements. • Els àtoms dels diferents elements químics es combinen entre ells per formar agrupacions més grans, les molècules, que són les partícules que formen els compostos químics. La fotografia següent et mostra el model d’àtom que imagina John Dalton.

12

Dalton imagina que l’àtom és una boleta massissa, indivisible i sense cap estructura interna. Posteriorment s’anaren descobrint noves dades relatives a l’àtom. Algunes d’aquestes dades no estaven d’acord amb el model d’àtom que havia proposat Dalton. Això féu que científics posteriors a Dalton proposessin altres models per a l’àtom fins a arribar al model actual. 4.1.-Model actual del’àtom • L’àtom té dues parts: el nucli i l’escorça. • El nucli és molt petit respecte de l’àtom. En comparació amb tot l’àtom, el nucli és com un cigró en comparació amb un estadi de futbol. És per això que podem dir que l’àtom és pràcticament buit.

13

• Al nucli hi ha dos tipus de partícules: els protons i els neutrons. • Els protons són partícules amb càrrega positiva. • Els neutrons són partícules neutres, és a dir, sense càrrega elèctrica.

• A l’escorça hi ha els electrons. • Els electrons són partícules amb càrrega negativa.

• Els protons tenen la mateixa càrrega que els electrons, però positiva. • A més, el nombre de protons d’un àtom és igual al d’electrons, la qual cosa faque l’àtom sigui neutre.

14

• La massa del protó és semblant a la del neutró i 1840 vegades superior a la de l’electró. • Al nucli, per tant, es troba pràcticament tota la massa de l’àtom, ja que la massa de l’electró, situada a l’escorça, és molt petita respecte de la del protó. • El fet que gairebé tota la massa de l’àtom estigui en el seu nucli i que sigui tan gran la diferència de mida entre el nucli i l’escorça ens indica que l’àtom és pràcticament buit. I també sabem... • Dins dels àtoms, els electrons giren descrivint òrbites al voltant del nucli. • A cada òrbita, també anomenada nivell, li correspon un determinat valor d’energia. Com més proper està un nivell del nucli, més baixa és la seva energia. • Els electrons, absorbint o cedint energia, poden canviar de nivell. Si un electró absorbeix energia, pot saltar cap a una òrbita més llunyana del nucli i si, en canvi, emet energia, passarà a una òrbita més propera al nucli. • Les òrbites o nivells d’energia es representen per la lletra n i prenen valors enters: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ... • A cada òrbita (n) pot haver-hi un nombre màxim d’electrons(N). Aquest nombre ve donat per la següent expressió: N = 2n2 1r nivell n = 1→

2(1) 2 = 2 electrons

2n nivell n = 2 →

2(2) 2 = 8 electrons

3r nivell n = 3 →

2(3) 2 = 18 electrons

4t nivell n = 4 →

2(4) 2 = 32 electrons

Actualment coneixem una mica més de l’àtom del que hem explicat en el nostre model de treball. L’últim model atòmic proposat pels científics és l’anomenat model quàntic. El model quàntic és un model matemàticament complex, que permet explicar els darrers descobriments que han tingut lloc en el camp del que és molt petit. El model quàntic ens diu, entre altres coses, que el moviment dels electrons no té lloc seguint òrbites perfectes, sinó que és més indefinit. Treballar amb el model quàntic seria matemàticament molt complex, per aixònosaltres treballarem amb el model anterior.

15

4.2.-Exercicis: 1. Què ens diu la teoria atòmica de Dalton? 2. Digues tres característiques de l’àtom de Dalton. 3. Completa la taula següent: PARTS DE L’ÀTOM

PARTÍCULES SUBATÒMIQUES

CÀRREGA

5.Elements químics Classificació de la matèria:

• •

MATERIA

Una substància pura és aquella matèria formada per una sola fase, de composició uniforme i invariable. Les substàncies pures presenten propietats físiques i químiques característiques que no depenen de la quantitat de substància ni de la forma de l’objecte, com ara la densitat, la solubilitat, la conductivitat, els punts d’ebullició i fusió, etc.







Els elements, substàncies pures amb un sol tipus d’àtom, no es poden descompondre en altres substàncies més senzilles mitjançant procediments químics. Per tant, des del punt de vista químic són els constituents bàsics de la matèria. En són exemples el carboni, el ferro, l’alumini, etc. Els compostos són substàncies pures formades per àtoms de dos elements o més combinats en una proporció defi nida i invariable.

16

La part més petita que podem tenir d’un element químic que continua mantenint totes les propietats de l’element és un àtom de l’element. Tots els àtoms d’un element químic són iguals entre ells. Cada element es representa universalment mitjançant un símbol, que consisteix en una o dues lletres del seu nom. El símbol també serveix per representar un àtom de l’element.

El globus de la imatge conté el gas heli. L’heli (He) és un element químic, per tant, està format per àtoms. Alguns elements químics es troben en la natura en estat lliure, però la majoria es troben combinats amb altres elements formant els compostos químics. Els compostos químics els representem amb fórmules. En les fórmules hi ha els símbols dels elements que formen el compost. Un exemple de compost és l’aigua, representada per la fórmula H2O (a), que ens indica que en cada molècula hi ha un àtom d’oxigen i dos d’hidrogen; si la proporció dels elements és diferent, com en la molècula H2O2 (b),vol dir que es tracta d’una substància diferent, en aquest cas, l’aigua oxigenada.

17

5.1. Exercicis: 1. Fes servir la fórmula N = 2n2 per calcular el nombre màxim d’electrons que hi pot haver en el segon i quart nivell d’energia d’un àtom. 2. Quina diferencia trobas entre substància pura simple i substancia pura composta. 3. Completa la taula següent:

Observant la taula periòdica:

18

19

6. Nombre atòmic i nombre màsic d’un element El nombre atòmic És el nombre de protons que té un àtom en el nucli. Tots els àtoms d’un mateix element químic tenen igual nombre de protons en el nucli, per tant, tenen igual nombre atòmic. El nombre atòmic es representa amb la lletra Z. El nombre atòmic coincideix també amb el nombre d’electrons de l’àtom. L’àtom, per tant, té igual nombre de protons que d’electrons, la qual cosa justifica que sigui neutre. El nombre màsic És el nombre de partícules que hi ha al nucli d’un àtom. Per tant és la suma del nombre de protons, que representem amb la lletra Z, més el nombre de neutrons que representem amb la lletra N. El nombre màssic es representa amb la lletra A. A=Z+N Sovint ens donen els nombres atòmic i màssic d’un element expressats de la següent manera: A Z

X

X representa el símbol de l’element químic A el nombre màssic Z el nombre atòmic ACTIVITAT 5

Quina és la configuració atòmica de l’àtom de bor, 11 B ? Solució • L’àtom de bor té 5 protons. • El nombre d’electrons també és de 5, ja que coincideix amb el de protons. Per saber com estan distribuïts aquests 5 electrons a l’escorça de l’àtom, apliquem l’expressió: N = 2n2 1r nivell n = 1

2(1)2 = 2 electrons

2n nivell n = 2

2(2)2 = 8 electrons

20

Aquests càlculs ens donen el nombre màxim d’electrons que pot haver-hi en cada un dels nivells d’energia de l’àtom. En el primer nivell, hi col·locarem els 2 electrons que estan permesos. En el segon nivell, hi col·locarem 5 - 2 = 3 electrons. El nombre màxim d’electrons que podem col·locar en el segon nivell és de 8, però en l’àtom de bor només n’hi podem col·locar 3 perquè són els que li queden per col·locar després d’haver-ne col·locat 2 en el primer nivell (recorda que l’àtom de bor només té 5 electrons en total). Els electrons de l’última capa o nivell s’anomenen electrons de valència. El bor té 3 electrons de valència. A correspon a la suma de protons més neutrons. Per saber el nombre de neutrons aplicarem la igualtat següent: A=Z+N 11 = 5 + N N = 11 - 5 = 6 neutrons

ACTIVITAT 12

Quina és la configuració atòmica de l’àtom de Magnesi, 24 Mg ? Dibuixa aquest àtom. Solució A = 24

21

Z = 12 Fent càlculs equivalents als de l’activitat anterior, obtenim els següents resultats:

El magnesi té dos electrons de valència.

6.1. Exercicis. 1. Defineix:
Element químic
Nombre atòmic
Nombre màsic 19

2. Quina és la configuració atòmica de l’àtom 9 Quants electrons de valència té?

F?

23

3. Quina és la configuració atòmica de l’àtom 11 Na ? Quants electrons de valència té? 4. Un àtom té Z = 6. Si el seu nombre de neutrons és 7, quin és el seu nombre màssic? Quants protons té? 5. Quantes partícules, i de quin tipus, tenen el nucli els àtoms següents: 56 26

Fe , 11H ,

12 26

Mg .

7. Isòtops Anomenem isòtops a dos o més àtoms d’un mateix element químic que tenen diferent nombre màssic, és a dir, diferent nombre de neutrons.

22

Fixa’t en els tres àtoms següents:

Tots tres són àtoms d’hidrogen, per això tenen igual nombre atòmic (Z = 1). Aquests tres àtoms d’hidrogen tenen diferent nombre màssic (A). Això ens diu que no són ben bé iguals entre ells perquè tenen diferent nombre de neutrons.Aquests tres àtoms són isòtops. Per tant l’única diferència que poden tenir els àtoms d’un mateix element químic és el nombre de neutrons. 7.1. Exercicis: 1. Completa la frase: Dos àtoms són isòtops si ... 18

19

2. En què es diferencien els àtoms 9 F , 9 F ?Com s'anomenen aquests àtoms? 3. El nombre atòmic del ferro és 26. Indica quines de les afirmacions següents són correctes: a) Hi pot haver un isòtop del ferro el nombre atòmic del qual sigui 27. b) El ferro té 26 protons al nucli. a) Els àtoms de ferro tenen 26 neutrons al nucli. 4. Indica quin dels següents parells d'àtoms correspon a un mateix element. Raona la resposta. a)

12 6

X , 136X

b)

14 7

X ,

14 6

X

8. La massa atòmica La massa atòmica d’un element químic és la massa d’un àtom de l’element.

23

Aquesta massa es troba concentrada principalment en el nucli, ja que elselectrons gairebé no tenen massa. Per mesurar la massa dels àtoms no són adequats ni els quilograms, ni els grams ni els mil·ligrams. Totes elles són unitats de mesura adequades per mesurar la massa dels objectes que es poden veure a ull nu, però no per l’àtom, el qual necessita una unitat de mesura molt més petita. Per mesurar la massa dels àtoms es fa servir la unitat de massa atòmica, que es representa com a u. Aquesta unitat correspon a una dotzena part de la massa d’un àtom de carboni (12C).

9. Ions Els ions són àtoms que han perdut o guanyat electrons. Hi ha dos tipus d’ions: cations i anions. Un catió és un àtom que ha perdut un o més electrons i ha quedat carregat positivament. Un catió és un ió positiu. Els cations es simbolitzen afegint un signe positiu per cada electró perdut al símbol de l’element. El signe positiu es posa en forma de superíndex. Per exemple: Li+ correspon al catió liti. El catió Li+ s’ha format a partir d’un àtom de liti que ha perdut un electró.

24

Ca2+ correspon al catió calci. El catió Ca2+ s’ha format a partir d’un àtom de calci que ha perdut dos electrons. Un anió és un àtom que ha guanyat un o més electrons i ha quedat carregat negativament. Un anió és un ió negatiu. Els anions es simbolitzen afegint un signe negatiu per cada electró guanyat al símbol de l’element. El signe negatiu es posa en forma de superíndex. Per exemple: Cl- correspon a l’anió clorur. L’anió Cl- s’ha format a partir d’un àtom de clor que ha guanyat un electró. S2- correspon a l’anió sulfur. L’anió sulfur s’ha format a partir d’un àtom de sofre que ha guanyat dos electrons.

ACTIVITAT 1 L’ió fluorur és el F-, què significa? Solució El signe negatiu ens diu que es tracta d’un anió, és a dir, d’un àtom de flúor que ha guanyat un electró. ACTIVITAT 2 L’ió Fe3+, què significa? Solució El signe positiu ens indica que es tracta d’un catió, és a dir, d’un àtom de ferro que ha perdut tres electrons.

10. Taula periòdica La taula periòdica o sistema periòdic actual conté tots els elements químics coneguts ordenats en ordre creixent de nombre atòmic. La taula periòdica conté 18 columnes i 7 files. • Les columnes s’anomenen grups o famílies.

25

El nom de família és degut al fet que tots els elements d’una columna tenen igual nombre d’electrons en l’últim nivell d’energia (electrons de valència). Això fa que tots ells tinguin propietats químiques molt semblants, ja que aquestes propietats depenen del nombre d’electrons de valència. • Les files s’anomenem també períodes. Tots els elements d’un mateix període tenen el mateix nombre de nivells d’energia ocupats per electrons.

Actualment es coneixen 109 elements diferents, dels quals només 92 es troben en la natura, la resta s’han obtingut al laboratori. A la taula periòdica cada element es representa mitjançant el seu símbol, el nombre atòmic i la massa atòmica.

10.1. Classificació dels elements Metalls, no metalls i semimetals A la taula periòdica hi ha una divisió en forma d’escala que separa els elements metàl·lics dels no metàl·lics. Els elements que toquen la divisió són els semimetalls. Els metalls són el grup majoritari d’elements de la taula periòdica. Ocupen la banda esquerra i el mig. A temperatura ambient són sòlids (menys el mercu-ri, que és líquid). Són brillants, bons conductors de la calor i de l’electricitat i tenen tendència a perdre electrons de valència, quedant en forma d’ions positius. Els no metalls estan situats a la regió superior dreta de la taula periòdica. Són mals conductors de la calor i de l’electricitat. A temperatura ambient alguns d’ells es troben en estat sòlid (S), altres en estat líquid (Br) i altres en estat gas (N, O, F, Cl).

26

Els semimetalls estan situats entre els metalls i els no metalls. Són semimetalls el bor (B), el silici (Si), el germani (Ge) i l’arseni (As). A temperatura ambient són sòlids.

ACTIVITAT Classifica els elements químics següents en metalls i no metalls. Fe, C, H, Cu, O, Cr, S Solució Són metalls els elements següents: Fe, Cu, Cr Són no metalls els elements següents: C, H, O, S 10.2. Exercicis 1. Amb quina unitat es mesura la massa dels àtoms? 2. Omple els buits. Un catió és un àtom que ........ ............ un o més electrons i ha quedat carregat ......................... . Un catió és un ........ positiu. Un anió és un àtom que ....... ................. un o més electrons i ha quedat carregat .......................... Un anió és un ......... negatiu. 3. Explica per què el Liti i el Bor estan a la segona fila de la taula periòdica. Per què el Sodi està a la primera columna i a la tercera fila. 4. Quants protons, neutrons i electrons i quina és la massa atòmica dels següents elements Na, Mg, Be. 5. Com es classifiquen i s'ordenen els elements a la taula periòdica. 6. Quina és la diferència entre massa atòmica i nombre atòmic. 7. Què és un ió, un anió i un catió? Posa tres exemples de cations i dos d'anions. 8. Quants protons, neutrons i electrons té l’ió alumini Al3+, si l’element té un nombre atòmic de 13 i un nombre màssic de 27? 9. L’ió sodi (Na+) té 11 protons i 12 neutrons. Quants electrons té? 10. Un element de la taula periòdica té 8 protons i 7 neutrons.

27

a) Quin nombre atòmic i quina massa atòmica té aquest element? b) Quants electrons té un àtom de l’element?

11. Composts químics Alguns elements químics com l’oxigen i el nitrogen de l’aire, els metalls nobles: l’or, la plata i el platí... es troben lliures en la naturalesa. Però la majoria d’elements químics els trobem combinats els uns amb els altres formant elsanomenats compostos químics. Un compost químic és una substància pura que s’ha format a partir de la combinació de dos o més elements químics. La part més petita d’un compost químic que continua mantenint les propietats del compost és una molècula de compost. Una molècula està formada per la unió de dos o més àtoms dels diferents elements que formen el compost.

Els compostos químics es representen mitjançant fórmules químiques. La fórmula també serveix per representar una molècula de compost. En les fórmules químiques, hi trobem els símbols dels elements que formen el compost. Els nombres que acompanyen els símbols (subíndexs) ens indiquen el nombre d’àtoms de cada element que forma cada molècula de compost. Quan el nombre d’àtoms és un, no es posa cap nombre com a subíndex.

28

ACTIVITAT Ara prova a llegir tu sol la fórmula següent: CH4. a) Quants elements formen el compost metà (CH4)? b) Quants àtoms té cada molècula de compost? c) Quina és la part més petita de metà que continua mantenint les propietats del metà? Solució a) El compost metà està format per dos elements químics que són el carboni(C) i l’hidrogen (H). b) Si ens fixem en els subíndexs, veiem que el carboni no té subíndex, la qual cosa ens indica que hi ha un àtom de carboni (recorda que quan el subíndex és un no s’hi posa). L’hidrogen té subíndex 4. Per tant, cada molèculade CH4 està formada per un àtom de carboni i quatre àtoms d’hidrogen. c) La part més petita de metà que continua mantenint les propietats del metà és una molècula de metà. 11.1. Exercicis 1. Classifica les següents substàncies segons siguin elements químics o compostos químics. Justifica la teva classificació. Fe, CO2, Pb, NaCl, H2O, KBr 2. Classifica les següents substàncies segons siguin elements químics o compostos químics. MgCl2, N20, Cu, LiBr, Co 3. Quina diferència hi ha entre element químic i compost químic? Les següents substàncies són elements o compostos químics: CO, H2O, ClH, S2O4H2, Pb, Sn.

12. Canvis físics i canvis químics Les transformacions que modifiquen l’estructura interna matèria les anomenem reaccions químiques o canvis químics. 12.1. Canvis físics 29

de

la

Es caracteritzen perquè no alteren la naturalesa de la materia, és a dir, les substancies inicial i final són la mateixa. D’altra banda aquests canvis acostumen a ser reversibles, és a dir, podem produir la transformació inversa a arribar de nou a la situació inicial. 12.2. Canvis d’estat La matèria pot presentar-se en tres estats: sòlid, líquid i gasós. Les condicions de pressió i temperatura determinen que una mateixa substància es trobi en un o altre estat. L’aigua és una substància química que podem fàcilment trobar en estat sòlid,líquid i gasós en situacions quotidianes. Quan parlem de l’aigua en estat sòlid ens referim al gel, en estat líquid a l’aigua que bevem i en estat gasós al vapor d’aigua. Que l’aigua es trobi en un o altre estat depèn de les condicions de pressió i temperatura. A la pressió d’1 atmosfera, l’aigua és líquida entre 0º C i 100º C; per sota de 0º C es troba en estat gel i per sobre de 100o C en estat vapor. Els canvis d’estat possibles els tenim representats en el següent diagrama.

La fusió és el pas de sòlid a líquid. Agafa uns glaçons de gel i deixa’ls en un vas a temperatura ambient. Els glaçons comencen a absorbir calor de l’atmosfera i la seva temperatura va augmentant fins arribar a 0º C. A aquesta temperatura té lloc la fusió del gel. Pots observar-ho veient com els glaçons es fonen i es converteixen en aigua. Amb un termòmetre pots comprovar que mentre dura la fusió del gel, la temperatura del sistema gel - aigua es manté constant i igual a 0º C. Si quan s’ha fos tot el gel tornes a refredar l’aigua líquida, que està a 0º C, aquesta aigua es torna altra vegada gel. L’aigua es solidifica. La solidificació és el pas de líquid a sòlid. Els processos de fusió i de solidificació, com tot canvi d’estat, es produeixen a temperatura constant. Cada sòlid té una temperatura de fusió determinada, que és la mateixa que la de solidificació. La vaporització és el pas de líquid a gas. Aquest canvi d’estat pot tenir lloc de dues maneres diferents: mitjançant evaporació o mitjançant ebullició. L'evaporació es una vaporització lenta. Les molècules líquides passen a vapor lentament. Només passen a vapor les molècules de la superfície del líquid. Té lloc a qualsevol temperatura. L'ebullició es una vaporització ràpida i

30

tumultuosa. Té lloc a tot el líquid. És a dir, passen a vapor molècules de qualsevol punt del líquid. La temperatura d’ebullició és característica de cada líquid i depèn de la pressió a la que es troba. L’ebullició de l’aigua es produeix a 100º C si la pressió és d’una atmosfera (1 atm). Condensació és el procés físic que consisteix en el pas de una substància en forma de gas a forma líquida. La condensació es produeix al baixar la temperatura. 12.3. Les variacions de la temperatura en els canvis d’estat. Observa el gràfic.

En ell hi tenim representades les variacions de temperatura que assoleix una substància pura que es troba en estat sòlid quan se li va subministrant calor. Podem observar el següent: La temperatura de la substància es manté constant durant els canvis d’estat de fusió i ebullició. Els canvis d’estat són canvis físics, això vol dir que no alteren la naturalesa química de la substància. L’aigua, com qualsevol altra substància, en passar de l’estat sòlid a l’estat líquid o d’aquest a l’estat gas o en fer els canvis inversos no canvia la seva naturalesa, no deixa d’ésser aigua. El que sí que canvien són algunes de les seves propietats com la densitat, la duresa, la capacitat de fluir, etc. Les substàncies pures tenen una temperatura de fusió i ebullició fixes a una pressió determinada. Podem variar la temperatura de fusió o d’ebullició d’una substància afegint-li una altra substància o bé variant-li la pressió. Pensa en les situacions següents: • A l’hivern tirem sal sobre la neu que ha caigut a la carretera. • El radiador del cotxe no conté aigua pura, sinó que conté aigua barrejada amb un líquid anticongelant. En totes dues situacions afegim una substància a l’aigua perquè aquesta deixi de ser aigua pura. L’aigua barrejada amb sal o amb anticongelant té 31

diferent temperatura de fusió i d’ebullició que l’aigua pura. L’aigua amb sal congela a una temperatura més baixa de 0º C. Afegint sal a la neu aconseguim que aquesta no es geli fins a temperatures negatives i que, per tant, no sigui perillosa per a la circulació. El líquid anticongelant que afegim a l’aigua fa que aquesta congeli a temperatures més baixes de 0º C. D’aquesta manera evitem que l’aigua es torni sòlida dins del radiador i pugui trencar-lo. Pensa en les situacions següents: • Les verdures es couen més ràpidament en una olla a pressió que en una olla oberta a l’aire lliure. • La temperatura d’ebullició de l’aigua dalt d’una muntanya ha estat de 80º C. En l’olla a pressió l’aigua està sotmesa a una pressió molt més gran que en una olla oberta a l’atmosfera. Això fa que l’aigua bulli a temperatures properes als 120º C.Aquestes temperatures tan altes fan que la cocció dels aliments sigui molt ràpida.En una muntanya la pressió disminueix, per això l’aigua bull a temperatures inferiors a 100º C. 12.4.La teoria cinètico-molecular La matèria està formada per un gran nombre de partícules molt petites, per la qual cosa no es poden veure amb el microscopi. Aquestes partícules tenen un determinat moviment i una distància de separació, que està en funció de la temperatura i l’estat físic en el que es troba la substància. En els sòlids les partícules estan molt properes entre elles. No hi ha buits entre les partícules. La teoria cinètica permet justificar que els sòlids tinguin forma pròpia (les partícules ocupen posicions fixes) i ocupin un volum constant (no hi ha buits entre les partícules, per la qual cosa no és fàcil comprimir els sòlids). En els líquids les partícules estan properes, però no tant com en els sòlids. Estan unides entre elles per forces atractives més febles que en els sòlids. Aquestes forces permeten que les partícules puguin lliscar unes per sobre de les altres. La teoria cinètica permet justificar que els líquids tinguin forma variable (les partícules poden lliscar unes per sobre de les altres, permetent que el líquid flueixi) i ocupin un volum constant (no hi ha buits entre les partícules, per la qual cosa no és fàcil comprimir els líquids). En els gasos les partícules estan molt separades unes de les altres. Les forces d’atracció entre les partícules són molt febles. Per això les partícules es poden moure en totes direccions, xocant amb les parets dels recipients que les contenen. La teoria cinètica permet justificar que els gasos tinguin forma i volum variable i que es puguin expandir i comprimir amb facilitat.

32

12.5. Canvis químics. En els canvis químics s’altera la naturalesa de la materia, i s’obtenen finalment substancies diferents de les que hi havia al principi. Els canvis químics s’anomenen reaccions químiques; les substancies inicials són els reactius i les finals són els productes. Els canvis químics solen ser irreversibles o, almenys, sol ser bastant complicat tornar a l’estat inicial. Les reaccions químiques no només tenen lloc als laboratoris; a la natura, a la cuina de casa... tenen lloc moltes reaccions químiques. Exemples Fer un ou ferrat és fer una reacció química perquè l’ou ferrat té característiques molt diferents de l’ou fresc.

Un clau rovellat ha patit una reacció química: l’oxigen de l’aire ha reaccionat amb el ferro del clau i s’ha format òxid. En les reaccions químiques no es perd ni es guanya cap àtom. Els àtoms que hi ha en les substàncies inicials s’ordenen de diferent manera per donar lloc a les substàncies finals. Altres canvis químics són la combustió , la respiració, o la descomposició. 12.6. Detecció d’un canvi físic o químic. Hi ha alguns indicis, observables a simple vista, que permeten predir si un canvi de la materia ha estat físic o químic. Entre altres: si tenen lloc canvis de color, olor o sabor; si apareixen sòlids ,líquids o gasos que no existien al principi; si hi ha escalfament o refredaments aparentment inexplicables. Si detectam dos o mes indicis dels anteriors podem asegurar, quasi amb certesa absoluta, que ha tengut lloc un canvi químic.

33

12.7. Exercicis. 1. Omple els buits La matèria pot presentar-se en tres estats: ............, ................ i .................Les condicions de ................ i ................ determinen que una mateixa substànciaes trobi en un o altre estat . Escalfant o ................ les substàncies aconseguim que canviïn d’estat. 2. Defineix: fusió, solidificació, vaporització, condensació i sublimació. L’aigua amb sucre té la mateixa temperatura de congelació que l’aigua pura? Per què? 3. Quins són els estats físics més característics de la matèria ? 4. Tenim tres substàncies amb les següents característiques: Substància

Punt de fusió (ºC)

Punt d'ebullició (ºC)

A

10

120

B

0

100

C

60

160

Indica l'estat físic de les substàncies A, B i C a les següents temperatures: a) 0 ºC. b) 30 ºC c) Quina de les tres substàncies diries que és aigua? 5. 6. 7. 8.

Escriu una definició de canvi físic. Escriu una definició de canvi químic. Escriu tres exemples reals de canvis físics de la materia. Elabora una llista amb els indicis que et facin sospitar d’un canvi químic.

34