centre de documentació i experimentació en...

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en ciències

El futur del petroli 1 Química en context



FP Pàg. El Futur del petroli Composició de la gasolina. Funcionament del

motor de combustió. Instal·lació petroquímica. Destil·lació fraccionada

FP1. Les gasolines (I): Què són i com s’obtenen?

FP 1.1 7 La química de les gasolines a debat.

FP 1.2 10 Què contenen les gasolines? Com s’obtenen? Són totes iguals? Els components de la gasolina i la seva obtenció. Ús de fórmules, models moleculars i simulacions informàtiques per a la representació de molècules orgàniques. Relació entre les propietats físiques i químiques i l'estructura dels compostos del carboni.

Hidrocarburs: alcans lineals. Fórmules empíriques i moleculars.

FP 1.3 16 Com s’extreu l’energia d’un combustible? Determinació experimental del poder calorífic. Caracterització de les propietats d'un bon combustible per a motors d'explosió: poder calorífic. Investigació experimental de la calor d’una reacció.

Determinació experimental d’una calor de reacció.

FP 1.4 17 El funcionament d’un motor de combustió: picar biela i índex d’octà. Caracterització de les propietats d'un bon combustible per a motors d'explosió: índex d'octà. Identificació dels diferents tipus d'isomeria.

Índex d’octà. Alcans ramificats i cíclics. Isomeria de cadena i de posició. Els alcans i la seva geometria. Construcció de molècules amb models moleculars. Formulació i nomenclatura orgànica bàsica.



. Ús de fórmules, models moleculars i simulacions informàtiques per a la representació de molècules orgàniques. Relació entre les propietats físiques i químiques i l'estructura dels compostos del carboni

FP 1.5 22 Gasolines d’hivern i d’estiu: una simulació experimental.

Evidenciació experimental de les forces intermoleculars

FP 1.6 23 Què hem après?



FP 1.1 La química de les gasolines a debat pàg. 7

FP 1.2 Què contenen les gasolines? Com s’obtenen? Són totes iguals? pàg. 10



FP 1.3 Com s’extreu l’energia d’un combustible? pàg. 16

FP 1.4 El funcionament d’un motor de combustió pàg. 17



FP 1.5 Gasolines d’hivern i d’estiu pàg.22

FP 1.6 Què hem après? pàg. 23



FP 1.1 La química de les gasolines a debat

LA QUÍMICA DE LES GASOLINES A DEBAT (1)

“Amb el meu cotxe he recorregut 8000 km gairebé sempre amb gasolina Cepsa Optima 98 i algun cop amb BP Ultimate 98 i amb un consum des de 9,7 fins a 10,2 amb un motor 120I, l’altre dia vaig provar de posar Efitec 98 de Repsol , crec que ha millorat la potència i ara estic en una mitjana de 9,2 9,3, ja us explicaré quan acabi el dipòsit quants m he fet, perquè amb 50 euros de la de Cepsa faig entre 400 i 410 Km. Vosaltres noteu tanta diferència entre gasolines ?” “ Hola tinc un C4 1,4 90CV, normalment li faig gasolina amb la marca BP. L’altre dia parlant amb un col·lega em va dir que millor utilitzar Repsol, o Campsa o Cepsa, que són millor, que BP no és de bona qualitat , que té additius i que fas menys Km per dipòsit. Això és veritat ? què m’aconselleu? “ Després de llegir aquests extractes de comentaris en un xat:

- Identifiqueu els diferents problemes que es plantegen en cada cas.

- Llegiu la informació que us proporciona la web i estructureu una seqüència de continguts de química per poder explicar i solucionar els dubtes dels consumidors.

http://www.repsol.com/es_es/productos_y_servicios/productos/gasolinas/



LA QUÍMICA DE LES GASOLINES A DEBAT ( 2 )

La noticia del diari posa en evidència el problema de la seguretat i el respecte al medi ambient en relació a l’activitat de la indústria petroquímica:

- Podeu identificar aquests problemes ?

- Llegiu la informació de la web de la Universitat Rovira i Virgili: http://www.noticiestgn.cat/2011/01/25/la-cara-fosca-de-la-industria-petroquimica/, quins són els agents implicats en la responsabilitat del manteniment mediambiental del territori ?

- Quins processos químics es produeixen en una instal·lació petroquímica ?



LA QUÍMICA DE LES GASOLINES A DEBAT ( 3 )

La vinyeta ens mostra l’eslògan publicitari d’una marca comercial de gasolina:

- Quins trets diferencials vol destacar ? I com a solució a quins problemes ?

- Llegiu la informació de la web: - http://www.elmundo.es/elmundomotor/2011/03/25/conductores/1301069312.html

Quins tipus de materials i quins processos químics s’han desenvolupat per oferir aquestes solucions ? Desprès de repartir-vos cooperativament les tasques proposades, elaboreu un informe global sobre les controvèrsies ambientals detectades i la seva relació amb recerca química desenvolupada.



FP 1.2 Què contenen les gasolines? Com s’obtenen? Són totes iguals? Si el XIXè fou el segle de la màquina de vapor i el carbó, el segle XX ho va ser del motor de combustió interna i del petroli. Potser el XXIè es caracteritzarà pel motor elèctric i les piles de liti, però, de moment, almenys sota aquest punt de vista, som encara al segle passat i nosaltres depenem encara molt de les gasolines.

La gasolina és una mescla complexa d’uns 100 components diferents, hidrocarburs la major part d’ells. La fracció anomenada gasolina s’obté per destil·lació fraccionada del petroli cru en una torre de destil·lació primària. Aquesta fracció esdevé entre el 15% i el 30% del cru original, i és una mescla de líquids, alcans entre cinc i deu àtoms de carboni. Destil·la en l’ interval 20˚C – 180˚C.

Taula 1 i figura 1. Productes obtinguts en la destil·lació del petroli cru. Torre de destil·lació primària.

Gasolina d’hivern i d’estiu

Als cilindres del motor d’un automòbil es crema una mescla d’aire i vapor de gasolina. La mescla vapor–aire es produeix al carburador. Quan el temps és molt fred resulta difícil vaporitzar la gasolina i per això ens costa engegar el motor.

Per evitar aquest problema, les companyies petrolíferes preparen diferents mescles per a cada època de l’any. A l’hivern s’augmenta la proporció de components volàtils per facilitar la seva vaporització, això significa augmentar la proporció d’hidrocarburs de cadena curta com ara els alcans butà i pentà.

Per altra banda, quan el temps és calorós no són desitjables massa components volàtils perquè la gasolina es vaporitzaria amb molta facilitat. Part de la gasolina continguda al dipòsit s’evaporaria, la qual cosa, a més de ser cara, produeix molta contaminació. A més a més, quan s’evapora una quantitat significativa de gasolina es formen bosses de vapor al sistema de subministrament de combustible, amb la qual cosa la bomba de gasolina impulsa una mescla de líquid i vapor, en lloc de ser gairebé tot líquid i, així, no arriba suficient combustible al motor per tal de fer-lo funcionar, fenomen conegut com vapour lock (tancament per vapor ofegat).

Qualsevol gasolina és una mescla d’hidrocarburs d’alta, mitjana i baixa volatilitat. Quant més fred sigui el clima, major proporció de components volàtils ha de contenir la mescla. Les



companyies petrolíferes canvien la composició de la mescla quatre vegades a l’any, i no us n’adoneu, però ho notaríeu si no ho fessin.

Aproximadament entre el 30 i el 40% de cada barril de cru es destina a la fabricació de gasolina. El procés no és tan simple com destil·lar en la refineria la part corresponent i enviar-la a les gasolineres. A més, els components de la gasolina han de mesclar-se en les proporcions adequades per aconseguir les propietats desitjades. Una propietat important és la volatilitat . Busqueu en taules el valor de la densitat d’alguns alcans (pentà, hexà, heptà, octà...) i Com varia la densitat dels alcans en augmentar la seva massa molecular? ii Què tindrà major massa a la mateixa temperatura: un litre de gasolina comprat als

Països Escandinaus o un altre comprat a Espanya? Expliqueu la vostra resposta. iii Comenteu la frase: “Als espanyols els resulta més econòmica la gasolina que als suecs”. Què són els alcans ?

Els alcans són hidrocarburs saturats. “Saturat” vol dir que conté la quantitat màxima possible d’hidrogen sense que existeixin enllaços dobles o triples entre els àtoms de carboni. La fórmula general per als alcans és CnH2n+2 on n = 1, 2 i 3 ... La taula 2 mostra els noms i les estructures d’alguns alcans senzills. La primera part del nom indica el nombre d’àtoms de carboni present a la molècula. Alc- és el terme general per met- , et- , prop- , i així successivament. La segona part, -à , indica que les molècules estan saturades.

n Fórmula molecular nom 1 CH4 Metà 2 C2H6 Età 3 C3H8 Propà 4 C4H10 Butà 5 C5H12 pentà

Taula 2. Alguns alcans senzills. Una sèrie de compostos relacionats entre ells d’aquesta manera s’anomena sèrie homòloga. Tots els membres de la sèrie tenen la mateixa fórmula química general i cadascun es diferencia del següent en un grup -CH2-. Tots els compostos d’una mateixa sèrie tenen unes propietats químiques semblants, per la qual cosa podem estudiar les propietats de les sèries en lloc de les dels compostos individuals. Tanmateix, les propietats físiques com el punt de fusió, el punt d’ebullició o la densitat, canvien gradualment al llarg d’una sèrie a mesura que augmenta el nombre d’àtoms de carboni. Estructura dels alcans

La figura 2 mostra la constitució de la molècula de metà mitjançant un diagrama de Lewis. En aquest tipus de representació es mostren tots els electrons de valència de cada àtom; els parells d’electrons compartits formen els enllaços covalents. Per a molècules grans, els diagrames de Lewis poden resultar incòmodes i els parells d’electrons compartits s’acostumen a substituir per línies que representen els enllaços covalents. Aquesta representació de les molècules s’anomena també fórmula desenvolupada i mostra la manera com el àtoms s’enllacen els uns amb els altres dins de la molècula. A la taula 3 podem observar les fórmules desenvolupades completes i les fórmules semi desenvolupades d’alguns alcans. Fixeu-vos que

C

H

H H

H

Figura 2. Diagrama de Lewis de la molècula de metà



cada àtom de carboni està enllaçat amb uns altres quatre àtoms (siguin o no de carboni). Cada àtom d’hidrogen està enllaçat a un únic àtom.

Noms Fórmula molecular

Fórmula estructural

desenvolupada

Fórmula estructural

semidesenvolupada metà CH4

C

H

H H

H

CH4

età C2H6

C

H

H

HH

C

H

H

CH3 – CH3

Propà C3H8

C

H

H

HH

C

H H

C H

H

CH3 – CH2 – CH3

Taula 3. Fórmules químiques d’alguns alcans.

Determinació de les fórmules dels alcans

La fórmula molecular és la més útil ja que ens informa sobre la quantitat d’àtoms diferents que estan presents en una molècula del compost. La fórmula molecular pot ser o no la mateixa que la fórmula empírica per a un compost, ja que aquesta última ens informa únicament de la proporció més simple en la qual es troben els diferents àtoms que constitueixen la molècula. La fórmula molecular, ens diu quants àtoms de cada un dels elements hi ha en una molècula del compost. En alguns casos coincideixen la fórmula empírica i la molecular.

Fórmula empírica Fórmules moleculars que corresponen a la fórmula empírica

CH C2H2; C6H6 NO2 NO2; N2O4

C5 H12 C5 H12; C10 H24 Els químics del segle XIX determinaven la composició centesimal mitjançant l’anàlisi de compostos orgànics per “combustió”, quan sabien que només contenia àtoms de carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen. Ho feien cremant una quantitat pesada acuradament de compost i mesuraven les masses d’aigua i de CO2 formats en la combustió. Amb aquestes dades calculaven la composició centesimal i per tant la fórmula empírica.

Per trobar la fórmula molecular necessitem saber la massa molar del compost. Un mètode és usar l’equació general d’estat dels gasos, sempre que el compost sigui una substància volàtil o un gas (figura 3).

Actualment l’espectròmetre de masses ens dóna la composició centesimal i la massa molecular amb rapidesa, seguretat i mínim esforç.



Exemple:

Per investigar la fórmula d’un hidrocarbur, que és un líquid incolor i volàtil, es crema una mostra de 0,100 g i el CO2 generat i l’aigua formada es recullen i s’obtenen 0,309 g de CO2 i 0,142 g d’aigua.

A part, una mostra d’alguns mil·ligrams, analitzada en un espectròmetre de masses, dona com a massa molar de l’ hidrocarbur, el valor de 114 i com a composició centesimal, un 84,2% de carboni i un 15,8% d’hidrogen.

a. A partir de la composició centesimal, trobeu la fórmula empírica de l’ hidrocarbur.

b. Comproveu les dades de l’anàlisi experimental per veure si són correctes i coincideixen amb les de l’espectròmetre de masses.

c. Feu servir les dades de fórmula empírica i massa molar per donar la fórmula molecular d’aquest hidrocarbur.

Solució:

Podem esquematitzar les dades i el que ens diu el problema de la manera següent.

a. La fórmula empírica de l’ hidrocarbur la calculem a partir de la composició centesimal Per cada 100 g del compost hi ha 84,2 g d’àtoms de carboni i 15,8 g d’àtoms d’hidrogen. En els 0,100 g hi hauran 0,0842 g de C i 0,0158 g d’H. En mols d’àtoms:

mols d'àtoms de C = 0, 0842 g d'àtoms de C

12 g·mol-1= 7,02·10-3 mol àtoms de C

mols d'àtoms d' H = 0,0158 g d'àtoms d' H

1 g·mol-1=1,58·10-2 mol àtoms d' H

La proporció més simple la calculem dividint per 7,02·10-3

mols àtoms H

mols àtoms C= 1,58·10-2

7,02·10-3= 2,25

1

COMPOST

(gas o líquid volàtil)

ANÀLISI DEL

COMPOST

n'obtenim COMPOSICIÓ CENTESIMAL

mesurem el volum que ocupa a una temperatuta i pressió determinades, i determinem la seva massa

amb l'equació

dels gasos, trobem

MASSA

MOLAR

FÓRMULA

MOLECULAR

Figura 3. Esquema del mètode emprat pels químics del segle XIX per trobar la fórmula molecular d’un compost orgànic



Com que el nombre d’àtoms de cada element ha de ser un nombre enter, la proporció correspon a 9:4.

La fórmula empírica és: C4H9 b. Comprovació de les dades de l’anàlisi per combustió En la combustió de l’hidrocarbur, tots els àtoms de carboni s’oxiden i es converteixen en CO2 i tots els àtoms d’hidrogen s’oxiden i es converteixen en H2O. Per tant: mols d’àtoms de C en l’hidrocarbur = mols de CO2 obtinguts en la combustió i mols d’àtoms d’H en l’ hidrocarbur = 2 x mols de H2O obtinguts en la combustió

mols de CO2 = 0,309 g CO2

1mol CO2

44 g CO2

= 7,02·10−3mol CO2 = 7,02·10−3mols àtoms C

mols de H2O= 0,142 g H2O 1mol H2O

18 g H2O.2 mol àtoms H

1mol H2O=1,58·10−2 mols àtoms H

Els valors obtinguts es corresponen amb els anteriors. c. Relació entre fórmula empírica i molecular

A la fórmula empírica que hem trobat li correspon una “massa fórmula” de 57. Com que la massa molar és el doble, 114 g.mol-1 la fórmula molecular ha de ser C8H18. Podem concloure que:

Fórmula molecular = n x fórmula empírica ( n = 1, 2, 3, 4....) Exercicis i qüestions

1. Escriviu la fórmula empírica per a cadascun dels hidrocarburs següents. Quins d’ells són alcans?

a. C3H8 b. C20H42 c. C6H6

2. Un hidrocarbur conté 85,7% de C i 14,3% d’H en massa. La seva massa molecular relativa és 28.

a. Determineu la seva fórmula empírica. b. Suggeriu una fórmula molecular possible per aquest compost.

LÍQUID

0,100 g

ANÀLISI amb espectròmetre de masses

n'obtenim

84,2% C

15,8% H

114 g·mol -1

FÓRMULA

MOLECULAR

ANÀLISI amb espectròmetre de masses

n'obtenim

ANÀLISI per combustió

n'obtenim 0,309 g CO2

0,142 g H2O



Resp. a) CH2; b) C2H4

3. Un hidrocarbur conté un 92,3% de C. La seva massa molecular relativa és 78. Calculeu:

a. La seva fórmula empírica. b. La seva fórmula molecular. Resp. a) CH; b) C6H6

4. Quines de les fórmules següents representen alcans?

a. CH2 d. C7H16 b. C2H6 e. C9H20 c. C5H10 f. C13H26 Resp. b,d,e



FP 1.3 Com s’extreu l’energia d’un combustible? Determinació experimental del poder calorífic

Introducció

A més de conèixer què contenen les gasolines i com s’obtenen, cal caracteritzar una de les propietats d'un bon combustible per a motors d'explosió: el poder calorífic.

Comenceu per informar-vos i escriviu la definició de poder calorífic d’un combustible.

El combustible que utilitzarem en aquesta pràctica i del qual heu de trobar el seu poder calorífic és el butà. Molts dels encenedors de gas que es fan servir contenen butà com a combustible. Disseny i realització de l’experiment

Quines magnituds s’han de mesurar per trobar el poder calorífic d’un combustible?

Com es pot saber quant butà s’ha cremat durant un cert temps?

Suposeu que amb la flama del gas escalfeu 200 g d’aigua. Què heu de mesurar per poder calcular la calor transferida a l’aigua?

Feu un esquema del muntatge que aniria bé per fer l’experiment. Consulteu al professor o professora si és correcte.

Feu l’experiment i preneu nota dels resultats en la següent taula de dades. No oblideu que és molt important, sempre que pugueu, fer les mesures més d’una vegada. Resultats

massa de l’encenedor abans de començar a cremar el butà (en g) massa de l’encenedor després de cremar el butà (en g) massa de butà cremada (en g)

temperatura de l’aigua inicial (ºC) temperatura de l’aigua final (ºC) canvi de temperatura (ºC)

Calculeu la calor transferida als 200 g d’aigua del recipient: Calculeu el poder calorífic del butà (feu servir com unitats J/g): Si cerqueu el poder calorífic del butà, trobareu que és de 49 MJ/kg, convertiu aquesta dada a J/g. Informe Redacteu un informe amb l’objectiu, el procediment emprat, l’esquema del muntatge, els resultats obtinguts, l’anàlisi dels resultats (per exemple: quines causes poden explicar que els resultats obtinguts siguin diferents del valor que indiquen les taules de dades?)



FP 1.4 El funcionament d’un motor de combustió: picar biela i índex d’octà En un motor de gasolina, la mescla aire-combustible ha d’assolir el punt d’ignició en el moment adequat, en general, un instant abans que el pistó arribi al punt més alt del seu recorregut -punt mort- per l’interior del cilindre. La figura 1, mostra l’esquema de treball d’un motor de combustió i en més detall, l’etapa de compressió.

Quant més es comprimeix la mescla aire-combustible a l’interior del cilindre, major n’és la temperatura. Una de les raons per les quals el rendiment dels vehicles moderns és superior al dels antics és perquè utilitzen elevades relacions de compressió: els gasos a l’interior del cilindre es comprimeixen aproximadament fins a 1/10 del seu volum inicial.

Sota aquestes condicions, molts hidrocarburs poden patir autoencesa. La mescla aire-combustible s’inflama en ser comprimida. En aquest cas tenen lloc dues explosions, una deguda a l’autoencesa i una altra provocada per l’espurna de la bugia, la qual cosa que produeix un so característic al motor, conegut com “picar biela”. L’empenta deguda a l’expansió dels gasos ja no es produeix al moment adequat, cosa que fa disminuir el rendiment del motor, a banda que poden fer-se malbé l’interior del cilindre, els rodaments de la biela i el cigonyal.

Una altra propietat important de les gasolines, que han de tenir en compte les persones que preparen les mescles, és l’índex d’octà, que és una mesura de la tendència de la gasolina a “picar biela”, problema produït quan la gasolina s’autoencén abans d’arribar a la màxima compressió. L’índex d’octà

La tendència d’un combustible a l’autoencesa es mesura mitjançant el seu índex d’octà. El 2,2,4-trimetilpentà (que solia anomenar-se “iso-octà”, d’aquí el nom de l’escala) és un alcà ramificat amb poca tendència a l’autoencesa. Se li assigna l’índex d’octà 100. A l’heptà, un alcà de cadena lineal que sofreix autoencesa molt fàcilment, se li assigna índex d’octà 0.

L’índex d’octà d’una gasolina és el percentatge de 2,2,4-trimetilpentà, que hi hauria en una mescla d’aquest, i d’heptà, que sofrirà autoencesa treballant amb la mateixa relació de compressió que la gasolina que es considera. Per exemple, la gasolina de 95 té un índex d’octà de 95, i sofriria autoencesa a la mateixa relació de compressió que una mescla del 95% de 2,2,4-trimetilpentà i 5% d’heptà.

Figura 1. Esquema de treball d’un motor de quatre temps. A l’esquerra es mostra l’etapa de compressió. El pistó comprimeix la mescla gasolina-aire i, aleshores, la bugia provoca la seva ignició mitjançant una espurna, la qual cosa el pistó baixa i la biela fa girar el cigonyal.



CH3 CH3 | | CH3—CH—CH2—C—CH3 baixa tendència a l’autoencesa | índex d’octà=100 CH3 2,2,4-trimetilpentà CH3—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH3 elevada tendència a l’autoencesa heptà índex d’octà=0 Les relacions de compressió varien segons el tipus d’automòbil. Els motors d’alt rendiment normalment la tenen elevada, per això requereixen combustibles d’alt índex d’octà; d’altra forma es produiria el “picar biela” i el motor sofriria. Hi ha dues formes de lluitar contra aquest problema. Una d’elles és afegir al combustible additius especials que contraresten l’autoencesa. L’altra consisteix en afegir a la gasolina ordinària compostos d’alt índex d’octà.

Alcans ramificats

Hi ha alcans amb cadenes lineals i alcans amb cadena ramificada. Això fa que es pugui escriure més d’una fórmula desenvolupada a partir d’una determinada fórmula molecular. Normalment, existeix un compost de cadena lineal i un o més compostos ramificats amb la mateixa fórmula molecular. Per al C4H10 existeixen dues possibles fórmules desenvolupades. butà metilpropà Aquests dos compostos són isòmers perquè tenen la mateixa fórmula molecular, però diferent fórmula desenvolupada. Més endavant tractarem amb més profunditat la isomeria. Observeu com s’anomena l’alcà ramificat. Es considera format per un alcà lineal, el propà, al qual s’uneix un grup -CH3 (metil) lateral en el segon àtom de carboni. Rep el nom de metilpropà.

El grup -CH3 és igual que el metà, el qual ha perdut un àtom d’hidrogen, per la qual cosa es pot enllaçar amb un altre àtom diferent. Aquest grup s’anomena grup metil.

Els grups d’aquest tipus s’anomenen grups alquils. La seva fórmula general és CnH2n+1 i també acostumen a representar-se mitjançant el símbol R (taula1).

Grup alquílic

Fórmula

metil CH3 etil CH3CH2 propil CH3CH2CH2 butil CH3 CH2CH2CH2 pentil CH3CH2CH2CH2CH2

Taula 1 Alguns grups alquílics.

C

H

H

HH

C

H H

C

H

H

HC

H

C

H

H

HH

C H

H

C

H

H

HCH

Un grup alquil R té la fórmula general CnH2n+1



Cicloalcans

Alguns hidrocarburs que tenen estructura de cadena cíclica, anomenats cicloalcans, es troben en diversos petrolis. El ciclohexà és un component habitual de les gasolines i el ciclopentà és un dels cicloalcans més utilitzats en la extracció petrolífera.

Els cicloalcans són també alcans, però amb molècules de cadena tancada o cíclica. La seva fórmula general és CnH2n. En aquestes molècules hi ha dos àtoms d’hidrogen menys que en les dels alcans corresponents, ja que no tenen els grups -CH3 terminals, propis de les cadenes lineals.

La taula 2 mostra les diferents maneres de representar els cicloalcans. A vegades, també es poden representar mitjançant el seu esquelet, en el qual només apareix la disposició dels àtoms de carboni.

Cicloalcà Fórmula estructural Esquelet Ciclopropà

C3H6

CH2

H2C CH2

Ciclobutà

C4H8

CH2H2C

CH2H2C

Ciclopentà

C5H10

CH2

H2C CH2

H2C CH2

Ciclohexà

C6H12

CH2

H2C

CH2H2C

CH2

CH2

Taula 2 Diferents representacions dels cicloalcans.

Per saber-ne més: http://organica1.org/ http://docentes.umss.edu.bo/Bioquimica/jquiroga/temas/propiedades,%20an%C3%A1lisis%20conformacional,%20reactividad.pdf Isomeria de cadena

Només existeix un alcà que correspongui a cadascuna de les fórmules moleculars CH4, C2H6 i C3H8. Tanmateix, amb quatre o més àtoms de C en una cadena són possibles diferents agrupacions. Per exemple: Ambdós compostos tenen la mateixa fórmula molecular, C4H10, però la seva fórmula desenvolupada és diferent. Les seves distintes estructures comporten propietats diferents. Per exemple, la temperatura d’ebullició del metilpropà és 12 K més baixa que la del butà.



Aquest tipus d’isomeria es dóna quan els àtoms de carboni estan units formant diferents estructures. A mesura que augmenta el nombre d’àtoms de carboni presents a la molècula de l’alcà, s’incrementa considerablement el nombre d’isòmers possibles. Hi ha més de quatre mil milions d’isòmers amb la fórmula molecular C30H62!

Construcció de molècules d’alguns hidrocarburs utilitzant models moleculars

Utilitzeu els models moleculars per construir les molècules de metà, butà, metilpropà i ciclopropà. Quina és la forma tridimensional d’aquestes molècules? Què en podeu dir dels angles entre els enllaços del carboni en els alcans lineals i ramificats? Exercicis i qüestions

1. Representeu les fórmules desenvolupades dels isòmers del C5H12. Anomeneu cadascun dels isòmers.

2. Dibuixeu la fórmula desenvolupada de:

a. CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 b. CH3-(CH2)8-CH3 c. CH3-CH-CH-CH3

CH3 CH3 (sovint s’escriu també CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3)

3. Existeixen dos compostos diferents amb la fórmula molecular C4H10. Escriviu les seves estructures.

4. Escriviu la fórmula desenvolupada de:

a. ciclopentà b. metilciclohexà c. propilciclopropà

5. Anomeneu els hidrocarburs següents i digueu quina és la seva fórmula molecular

6. Observeu els alcans següents:

D CH3-(CH2)20-CH3 E CH3-(CH2)4-CH3

a. Quin alcà creieu que és sòlid a 298 K?

H

H

H

HH

HH

H

CH3CH3

CH3

CH3

A B C



b. Quin alcà ha de ser el més volàtil? c. Quin dels alcans no s’ajusta a la fórmula general CnH2n+2?



FP 1.5 Comparació de volatilitat de diferents líquids (activitat complementària) Objectiu Observar quins líquids s’evaporen més ràpidament en dues situacions diferents: 1) augment de la temperatura externa 2) disminució de la pressió externa Material • Globus • Líquids per investigar: aigua, propanona (“acetona”), gasolina, etanol... • Comptagotes • Pots de cuina amb tap per fer el buit i bomba de buit • Vas de precipitats de 1000 mL amb aigua calenta ( entre 60ºC i 80ºC) Procediment 1 Augment de la temperatura

a) Escollir globus iguals però de diferent color per a cada líquid a investigar. uid a investigar. Bufar per omplir els globus un parell de vegades, per evitar fer l’experiment amb un globus que no s’hagin inflat cap vegada.

b) Agafar amb el comptagotes 1 mL de cadascun dels líquids i introduir-los dins cadascun dels globus desinflats.

c) Lligar els globus, amb el líquids dins. d) Col·locar els globus dins el pot per fer el buit. e) Col·locar els globus dins un recipient amb aigua calenta (pot ser un vas de precipitats de

1L o un recipient més gran) f) Observar i anotar quin és globus que es va inflant més, quins menys...

- Com podeu interpretar les vostres observacions? - Ordeneu el líquids de major a menor volatilitat. Raoneu la vostra resposta

Procediment 2 Disminució de la pressió externa

a) Escollir globus iguals però de diferent color per a cada líquid a investigar. uid a investigar. Bufar per omplir els globus un parell de vegades, per evitar fer l’experiment amb un globus que no s’hagin inflat cap vegada.

b) Agafar amb el comptagotes 1 mL de cadascun dels líquids i introduir-los dins cadascun dels globus desinflats.

c) Lligar els globus, amb el líquids dins i introduir-los dins el pot de buit. d) Usar la bomba de buit del pot per extraure aire. e) Observar i anotar quin és globus que es va inflant més, quins menys...

- Com podeu interpretar les vostres observacions? - Ordeneu el líquids de major a menor volatilitat. Raoneu la vostra resposta.



FP 1.6 Què hem après? Al llarg d’aquesta part de la unitat hauríeu d’haver après a:

• Identificar què són els hidrocarburs, i en concret diferenciar els alcans de cadena lineal i ramificada, i els cicloalcans, així com a escriure el nom, fórmula i estructura desenvolupada dels alcans de pocs àtoms de carboni.

• Relacionar la volatilitat del alcans lineals i ramificats amb la seva massa molecular relativa.

• Calcular fórmules empíriques i moleculars a partir de la composició centesimal i la massa molar.

• Definir poder calorífic d’un combustible i explicar el procediment per a la seva determinació experimental.

• Distingir i posar exemples d’isòmers de cadena i anomenar-ne alguns de senzills.

• Construir molècules d’hidrocarburs de pocs àtoms de carboni (lineals, ramificats i cíclics) utilitzant models moleculars.

I pel que fa als contextos, hauríeu d’entendre i saber explicar raonadament:

• Les diferències hi ha entre les gasolines d’estiu i d’hivern, i les gasolines dels països càlids i dels països freds.

• Què és l’autoencesa i relacionar-la amb el fenomen “picar biela”.

• Què és l’índex d’octà d’una gasolina.

Escriviu una frase relacionada amb cadascun dels punts anteriors per tal de mostrar de manera clara i concisa el què heu après. Exercicis i qüestions

1. Escriviu a mode de taula o esquema la fórmula general dels alcans lineals, ramificats i cíclics, un exemple de cadascun amb la seva fórmula i nom i indicant què tenen en comú i en què difereixen entre ells.

2. El poder calorífic d’un combustible és l’energia alliberada en la reacció de combustió per unitat de massa combustible (és freqüent expressar-lo en kJ/kg). Quants quilograms de closques de pipa de gira-sol calen per poder escalfar, des de 20 a 50º,l’aigua d’un dipòsit que conté 500 L d’aigua? Per obtenir aquesta quantitat de calor, quants quilograms de closques de nou es necessitarien? El poder calorífic de les closques de pipes de gira-sol i de les closques de nou són respectivament 17.500 i 32.000 kJ/kg.

Resp. a) 3,6 kg; b) 1,9 kg

3. Escriviu la fórmula empírica dels següents hidrocarburs. Quins d’ells són alcans? Especifica quins podrien ser cicloalcans?

a. C5H12 ; b. C4H8 ; c. C6H12

4. Representeu les fórmules desenvolupades dels isòmers del C6H14. Anomeneu cadascun dels isòmers.



5. Un hidrocarbur te un 82,76 % de C. La seva massa molecular relativa és 58. Quina és la seva fórmula empírica? I la seva fórmula molecular?

Resp: C2H5; C4H10

6. Dibuixeu la fórmula desenvolupada de: a. CH3-(CH2)3-CH3 b. CH3-CH(CH3)-CH3



FP 2 Pàg. Les gasolines (II): Com es

milloren les gasolines? Alternatives al seu consum

Additius de la gasolina. Refinament de la gasolina. Biocombustibles: bioetanol olis i biodiesel.

FP 2.1 31 Què pot fer la química per millorar l’eficièncie de les gasolines?

Identificació dels processos per millorar les gasolines: craqueig, isomerització i reformat.

Interpretació de la polaritat d'una molècula en funció de la polaritat dels seus enllaços i de la seva geometria.

Alquens, alquins, cicloalcans i aromàtics.

Compostos orgànics oxigenats: èters.

FP 2.2 36 Els biocombustibles: el futur és als vegetals.

Anàlisi de les alternatives a la gasolina: els biocombustibles.

Compostos orgànics oxigenats: alcohols, esters, àcids.

Isomeria de funció.

FP 2.3 42 Obtenció de biodièsel al

laboratori.

FP 2.4

44 Construcció de molècules Interpretació de la polarilat de molècules diatòmiques a partir del concepte d'electronegativitat.

FP 2.5 49 Són més o menys volàtils? Per

què?

Forces intermoleculars. Diferenciació entre forces dipol-dipol permanents i forces de dispersió. Interpretació de la polarilat de molècules diatòmiques a partir del concepte d'electronegativitat.



FP 2.6 53 Són més o menys viscosos? Per què?

Evidència experimental de les molècules polars.

FP 2.7 55 Fem un craqueig al laboratori FP 2.8 57 Què hem après?



FP 2.1 Com s’ho fa la química per a millorar l’eficiència de les gasolines? pàg. 31

FP 2.2 Els combustibles : el futur és als vegetals pàg. 36



FP 2.3 Obtenció de biodiesel al laboratori pàg. 42

FP 2.4 Simulem molècules amb visors moleculars pàg. 44



FP 2.5 són més o menys volàtils? Per què? pàg. 49

FP 2.6 Són més o menys viscosos? Per què? pàg. 53



FP 2.7 Fem un craqueig al laboratori pàg.55




FP 2.1 Què pot fer la química per millorar les gasolines?

Dels diferents productes que s’obtenen del cru del petroli per destil·lació, com hem vist en l’activitat FP1.2, existeix una gran demanda per a la fracció de gasolina. Una part es tracta en les refineries per produir i millorar els combustibles per a motors. La resta —anomenada nafta— s’utilitza com a matèria primera en diferents processos petroquímics per a la producció d’altres substàncies orgàniques d’interès.

La gasolina tal com surt de la destil·lació primària no és un combustible de qualitat. La funció de la refineria consisteix en convertir-la en una mescla de composició i propietats adequades. Per això cal modificar de diverses formes la sèrie d’alcans presents. A més a més, les fraccions més pesades —querosè i gas-oil— es trenquen (cracking o craqueig) per produir molècules més petites que s’utilitzaran com a components extra de la gasolina.

El residu també pot utilitzar-se per produir gasolina, però primer es destil·la de nou, aquesta vegada a baixa pressió (destil·lació al buit). D’aquesta manera s’eviten les altes temperatures que serien necessàries treballant a pressió atmosfèrica i que provocarien el craqueig dels hidrocarburs. Primer destil·len i recullen els components més volàtils, deixant un residu de quitrà. Els productes de la destil·lació poden utilitzar-se en centrals elèctriques, en calderes de vaixells o sotmetre’s a “cracking” per produir més gasolina.

Com a resultat dels processos que es realitzen a la refineria, la gasolina que s’obté no conté:

• Alcans o hidrocarburs saturats, on tots els enllaços carboni-carboni (C–C) són simples. Per exemple, età (C2H6).

• Hidrocarburs no saturats: • alquens, que contenen enllaços dobles C=C. Per exemple, etè (C2H4)

• alquins, que contenen enllaços triples C≡C. Per exemple, etí o acetilè (C2H2)

• aromàtics, si posseeixen anells benzènics, les característiques específiques dels quals descriurem més endavant.

Refinament i mescles

Els hidrocarburs que proporcionen millor rendiment en un motor de gasolina no són els més abundants en el cru. Per això, el treball de la refineria consisteix en “modificar-los” per adaptar-los a les nostres necessitats.

Principalment es tracta d’aconseguir els tipus adequats d’alcans, encara que també siguin importants altres tipus d’hidrocarburs i de compostos oxigenats, com ja veurem més endavant.

Però...quins alcans?

L’estructura dels alcans influeix molt en la seva tendència a l’autoencesa; és a dir, en el seu índex d’octà. En general, quant més curta sigui la molècula dels alcans, és a dir, la distribució dels àtoms de carboni en les molècules dels alcans, més elevat serà el seu índex d’octà. Per suposat els alcans de cadena curta són també els més volàtils, de manera que poden utilitzar-se tant per augmentar l’índex d’octà, com per millorar l’engegada en fred. Fins i tot, poden utilitzar-se alcans gasosos com el butà, dissolt en la gasolina.

Però els qui preparen les mescles de gasolines tenen limitat el nombre d’alcans de cadena curta que poden incorporar: el seu excés faria la mescla massa volàtil.

L’altre factor que afecta a l’índex d’octà és el grau de ramificació (cadenes laterals) de les cadenes dels alcans. En general, quant més ramificada sigui la cadena, major serà l’índex d’octà.



El cru conté dos tipus d’alcans: els de cadena lineal i els de cadena ramificada. Malauradament, no es pot utilitzar amb relacions de compressió que afavoreixin un millor rendiment, perquè no contenen isòmers de cadena ramificada suficients per tal que el seu índex de octà sigui molt alt. El seu valor és aproximadament de 70 per a la gasolina sense additius.

Les companyies petrolíferes utilitzen diversos procediments per tal d’evitar aquests inconvenients i elevar l’índex d’octà. Entre ells trobem la isomerització, el reformat , el cracking o craqueig i la utilització d’alguns additius.

Per saber-ne més: http://www.repsol.com/es_es/corporacion/complejos/tarragona/default.aspx http://cdatarragona.net/publicacionspublications/tarragona-industrialtarragona-industrial/la-industria-petroquimica-de-tarragona-guia-didacticala-industria-petroquimica-de-tarragona-guia-didactica/ http://www.niorcs.com/bloc/2009/03/25/controlant-les-emisions-de-la-petroquimica-de-tarragona/ http://www.gencat.net:8000/oicqa/owa/b01.consulta?estacio=00&contaminant=99&dades=1 http://www.repsol.com/es_es/productos_y_servicios/productos/glp_butano_y_propano/ http://ca.wikipedia.org/wiki/Gasolina#Index_d.27oct.C3.A0 TREBALL COOPERATIU: Les maneres de millorar l’índe x d’octà En aquesta activitat us proposem que us repartiu la tasca d’informar-vos sobre les tècniques de millora de l’índex d’octà de les gasolines. Després de fer recerca sobre el tema, prepareu un article de divulgació per una revista científica ( pot ser un document audiovisual) on s’expliqui detalladament la tècnica i els seus avantatges i desavantatges. Un cop acabades les activitats hauríeu de ser capaços de donar respostes a les qüestions dels xats de l’activitat inicial.

TASCA 1: Què és la isomerització?

La isomerització consisteix bàsicament en prendre alcans de cadena lineal, escalfar-los en presència del catalitzador adequat perquè les cadenes es trenquin i esperar a què es tornin a formar. Quan els fragments s’ajunten de nou, és més probable que ho facin formant de cadenes ramificades en lloc de cadenes lineals.

En les refineries de petroli sotmeten a craqueig pentà (C5H12) i hexà (C6H14), ambdós

productes de la destil·lació del cru. Aquest procés, que es du a terme en gran escala, és una de les formes més utilitzades per millorar l’índex d’octà d’una gasolina.

Una de les reaccions d’isomerització que pot sofrir el pentà és: CH3

| CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 � CH3 — CH — CH2 —CH3 pentà metilbutà (índex d’octà 62) (índex d’octà 93) Les reaccions d’isomerització no són completes, de forma que la mescla final és una mescla de tots els isòmers possibles. Diem doncs que la reacció ha assolit un estat d’equilibri químic dinàmic en el qual no es produeixen canvis visibles en les quantitats de reactius i productes, però els enllaços continuen trencant-se i formant-se de nous, sota les condicions de reacció del qual no es produiran nous canvis macroscòpics (encara que sí es donen les reaccions a nivell



microscòpic). La doble semi fletxa ( � ) indica que la reacció és reversible (es produeix en ambdós sentits amb la mateixa velocitat) quan la mescla està en equilibri químic.

TASCA: Identifiqueu els tipus d’isomeria i expliqueu els procés d’isomerització. http://www.youtube.com/watch?v=WbEPUxoQl0k ( video sobre isomeria) http://www.plantasquimicas.com/Procesunit/Reforming%20processes.htm http://ocwus.us.es/quimica-organica/quimica-organica-i/temas/2_alcanos/l3_hidrocarburos/page_11.htm TASCA 2 : Cracking: per aprofitar tot el barril de petroli

El cracking o craqueig és una de les reaccions més importants en la indústria petrolífera. Es pren com a base els alcans procedents, per exemple, de la fracció del fuel-oil, les molècules del qual són llargues i massa grans per a ser usades en les gasolines. Aquestes molècules tan grans es trenquen per tal de produir els alcans de cadena curta que sí poden utilitzar-se en les gasolines. A més a més, aquests alcans de cadena curta solen estar molt ramificats, motiu pel qual la gasolina obtinguda per cracking té un índex d’octà superior. Un avantatge del cracking és que ajuda a resoldre el problema de l’oferta i la demanda de les diferents fraccions d’un cru.

Com es fa el cracking?

La major part del cracking (o craqueig) que s’utilitza per tal de produir gasolina es realitza mitjançant la calefacció de fraccions pesades del cru en presència d’un catalitzador. Aquest procés rep el nom de cracking catalític. La matèria primera pot ser querosè, gas-oil o els fuel-oils més pesats del residu. Les molècules d’aquesta matèria primera poden tenir entre 25 i 100 àtoms de carboni, encara que normalment en tenen entre 30 i 40.

Les reaccions de cracking o craqueig són molt variades, alguns dels tipus més usuals són:

• alcans →→→→ alcans ramificats + alquens ramificats un exemple d’aquesta reacció: CH3—CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2— CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3

⇓ CH3 CH3 CH3

+ CH3 — CH — CH2 — CH — CH3 CH2 = C — CH2 — CH3 • alcans →→→→ alcans més petits + cicloalcans • cicloalcans →→→→ alquens + alquens ramificats • alquens →→→→alquens més petits + alquins Els alquens produïts així són importants matèries primeres per altres sectors de la indústria petroquímica. El cracking produeix sempre productes molt diferents, que han de separar-se en columnes de fraccionament.

A més de les reacciones que acabem de veure, es forma carbó de coc (procedent de la descomposició de les molècules d’hidrocarbur) sobre la superfície del catalitzador, de manera que aquest perd eficàcia gradualment. Per tal de contrarestar-lo cal regenerar el catalitzador, procés que consisteix en provocar la combustió del carbó adherit al catalitzador. L’energia



alliberada en la combustió del coc escalfa el catalitzador. Aquest transfereix l’energia a la matèria primera de manera que el cracking es produeix sense aportació de calor exterior.

Des de finals dels anys 1940 es treballa amb instal·lacions de cracking catalític. Avui dia són molt versàtils i adaptables, i poden treballar amb matèries primeres molt diferents. Les seves condicions de treball, així com el catalitzador, poden variar-se de forma que s’obtingui la màxima quantitat possible de producte, en aquest cas alcans ramificats per a mescla de gasolines. Altres instal·lacions de cracking catalític estan adaptades per produir grans quantitats d’etilè (CH2=CH2) que és una matèria primera molt important per a la indústria petroquímica.

TASCA: Classifiqueu i expliqueu com s’ anomenem els alquens i els alquins i les reaccions químiques que fan possible aquest procés. http://www.alonsoformula.com/ http://organica1.org/ http://www.plantasquimicas.com/Procesunit/Reforming%20processes.htm

http://ocwus.us.es/quimica-organica/quimica-organica-i/temas/2_alcanos/l3_hidrocarburos/page_11.htm TASCA 3: Reformat

El reformat és una altra de les tècniques que utilitzen les refineries de petroli per incrementar l’octanatge dels components d’una gasolina. El reformat produeix compostos cíclics: els alcans es converteixen en cicloalcans, i aquests en hidrocarburs aromàtics.

Aquestes reaccions produeixen hidrogen, així com components de la gasolina d’elevat octanatge. Com l’hidrogen és un producte valuós, es condueix per canonades a altres processos en la refineria.

En el reformat se solen utilitzar catalitzadors de platí/reni. En aquest cas el procés s’anomena “platforming”. El platí necessari per dur a terme aquest procés en un reactor industrial pot suposar de l’ordre d’uns 6 milions d’euros, motiu pel qual és molt important regenerar el catalitzador i mantenir-lo en perfectes condicions de treball.

TASCA: Identifiqueu en què consisteix el procés de reformat i els compostos que intervenen: cicloalcans i hidrocarburs aromàtics. Expliqueu com es formulen i s’anomenen aquests compostos. http://organica1.org/ http://www.plantasquimicas.com/Procesunit/Reforming%20processes.htm http://ocwus.us.es/quimica-organica/quimica-organica-i/temas/2_alcanos/l3_hidrocarburos/page_11.htm TASCA 4: Additius de les gasolines Els tècnics que preparen les mescles d’hidrocarburs per les gasolines, afegeixen el que anomenen “combustibles oxigenats”, són compostos amb molècules que contenen àtoms d’oxigen. Normalment en les gasolines s’utilitzen dos tipus de compostos: els alcohols i els èters. Afegir compostos oxigenats a les gasolines té dos avantatges: per una banda incrementem l’índex d’octà i en segon lloc, contaminen menys, especialment perque generen menys monòxid de carboni en els gasos d’escapament.



El compost oxigenat d’ús més freqüent és el MTBE (que significa “metil terc- butil èter”), encara que el seu nom sistemàtic és: terc-butilmetilèter: CH3

CH3 — C —O— CH3 MTBE: índex d’octà = 118

CH3

En els últims anys l’ etilterc-butilèter (ETBE) s'està imposant sobre el MTBE, per ser les seves emissions d'hidrocarburs menys tòxiques i per ser menys soluble en aigua que el MTBE, això fa que disminueixi la possibilitat de contaminar les aigües.

La fórmula del ETBE és:

CH3 CH3COCH2CH3 CH3

I s’obté segons la següent reacció: Isobutè (45 %) + bioetanol → ETBE El bio etanol també és pot afegir directament a les gasolines. El seu ús i el del bio dièsel s’han estès principalment per a reemplaçar el consum de derivats del petroli i formen el que s’anomenen bio carburants.

Tasca: Identifiqueu i classifiqueu els tipus de compostos que s’utilitzen com a additius i els avantatges i els inconvenients des del punt de vista: energètic, mediambiental i socioeconòmic. http://www.ref.pemex.com/octanaje/que.htm http://www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Biocombustibles/AplicacionesBioetanol.asp http://www.biocombustibles.cl/site/cont_produc_bioetanol.htm http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/159/htm/sec_7.htm



FP 2.2 Els biocombustibles. El futur és als vegetals El declivi en l’obtenció de petroli ha portat a buscar altres carburants per als vehicles. Els combustibles líquids obtinguts a partir de productes agrícoles s'anomenen biocarburants.

Com ja sabeu, els greixos són substàncies molt energètiques. Els greixos d'origen vegetal són els olis i moltes llavors de plantes oleaginoses tenen olis. Per què no usar aquests olis com a combustibles?

Igual que els olis, l'etanol també és un producte que s'obté a partir de les plantes i s'usa com a combustible. Bioetanol

L'etanol s'obté per un procés de fermentació de restes de vegetals rics en sucre (principalment canya de sucre i bleda-rave) o en midó (bàsicament cereals, mandioca i patates).

El bioetanol ofereix diverses possibilitats per a la seva utilització en automoció:

- Barrejat amb gasolina en diferents proporcions. - Com a combustible únic en motors preparats per a aquest propòsit. - Usat en l’obtenció d’ETBE.

A continuació hi ha una mostra de diferents biocarburants que es poden obtenir a partir del bioetanol amb una explicació de les seves propietats. Biocarburants obtinguts a partir de bioetanol1

Biocarburant Proporció Observacions

E5 5% de bioetanol i el 95% de gasolina

Barreja habitual i màxima autoritzada en l’actualitat per la regulació europea.


És la més utilitzada als EUA ja que aquesta proporció no requereix cap modificació técnica dels vehicles.


Utilitzada en vehicles amb motors especials i en els anomenats vehicles FFV o Vehicles de Combustibles

1UNE-EN 15376 Combustibles per automoció. Etanol com a component de mescles per a gasolina. Requisits i mètodes d’assaig. Aquesta norma queda anul·lada per la UNE-EN 15376:2011.



Flexibles amb motors adaptats que permeten una varietat de mescles.

E95 i E100 95% i 100% bioetanol Són utilitzats en alguns països com Brasil amb motors especials.

E-DIESEL Barrejat amb gasoil Molt bones característiques quant a combustió i reducció de contaminació.

ETBE additiu Menys volàtil i més miscible amb la gasolina que el propi etanol.

.

Figura 1.Informació en un sortidor de Califòrnia.

Alcohols

Els alcohols deriven d’hidrocarburs als quals substituïm un àtom -H per un grup -OH. S’anomenen a partir del nom de l’ hidrocarbur acabat en -n i seguit del sufix -ol . CH3-OH metanol CH3-CH2OH etanol

CH3-CH2-CH2OH 1- propanol CH3-CH(OH)-CH3 2- propanol

Alcohols i èters. Isòmers funcionals

Amb la fórmula molecular C2H6O hi ha dos isòmers que presenten grups funcionals diferents i són isòmers funcionals. Un grup funcional és un conjunt d’àtoms de la molècula que determinen en gran mesura les seves propietats físiques i químiques. CH3CH2OH CH3-O-CH3

etanol metoximetà (dimetilèter)

isòmers de posició



L’etanol és un alcohol. Tots els alcohols contenen el grup funcional hidroxil -OH i mostren propietats químiques semblants. Es diferencien entre ells en la longitud i l’estructura de la cadena carbonada.

El metoximetà o dimetilèter és un èter. Tots els èters presenten el grup funcional alcòxid -OR, i propietats químiques semblants. Els olis com a combustibles

La nostra manera de cuinar té com a base l'oli d'oliva, però arreu del món la producció d'olis té com a finalitat no només l'alimentació humana sinó també l'elaboració de pinsos per al bestiar, la fabricació de sabons i cosmètics i, potser en un futur immediat, la producció de combustibles.

L'oli amb més producció arreu del món és el de soja i després, el de colza (Figura 1).

Figura 1. Camps de soja (esquerra) i plantes de colza (dreta).

Els olis són esters obtinguts a partir d'un àcid carboxílic i un alcohol amb tres grups hidroxil: la glicerina . La reacció general de formació d'un ester és:

àcid + alcohol → ester + aigua El compost obtingut pertany a la família dels esters. Aquesta reacció s'anomena esterificació. A la naturalesa els esters són els compostos responsables de l'olor de les fruites i de begudes com els vins envellits i els licors.

CH3

O

OH

CH3

O

OH

OH

OH

OH

+

CH3

O

OH

O

O

O

CH3O

CH3

O

CH3O

+3 H2O

3 molècules d'àcids carboxílics + 1 molècula de glicerina una molècula de triglicèrid + 3 H2O



El biodièsel s’obté dels olis vegetals, per mitjà del procés de transesterificació que comprèn dues etapes principals: la primera és la reacció de transesterificació i la segona és la separació i purificació dels èsters obtinguts. La transesterificació en el cas dels olis vegetals (triglicèrids) a biodièsel, consisteix en reemplaçar la glicerina per altre tipus d’alcohol senzill de cadena més curta (metanol o etanol) i deixa com a residu la glicerina que pot ser usada per la indústria cosmètica entre d’altres.

Biocarburants obtinguts a partir de biodièsel2 Biocarburant Proporció Observacions B10-B30 10% – 30 % biodièsel barrejat

amb gasoil Acceptable per a qualsevol cotxe dièsel, encara que la B30 hi ha molts pocs cotxes que l’acceptin.

B100 100% biodièsel Els cotxes necessiten ser modificats.

2UNE-EN 14214 Especificacions tècniques del biodièsel, provinent d’esters metílics d’ àcids grassos, per ser utilitzat en vehicles de motor.



Àcids carboxílics i els seus derivats Els àcids carboxílics contenen el grup carboxil:

grup carboxil Tenen per fórmula general R-COOH. S'anomenen a partir de l'alcà d'origen, substituint la –à final pel sufix -oic i precedit tot això per la paraula àcid. Per comptar el nombre d'àtoms de carboni per a trobar l'alcà de partida, s’ha d'incloure el del grup carboxil. Per exemple,

HCOOH àcid metanoic (àcid fòrmic) CH3COOH àcid etanoic (àcid acètic) CH3CH2COOH àcid propanoic

Els dos primers membres d'aquesta sèrie, l'àcid metanoic i l'àcid etanoic, encara s'anomenen amb freqüència pels seus noms no sistemàtics, àcid fòrmic i àcid acètic. El grup -OH del grup carboxil pot ser substituït per altres grups per tal de formar els anomenats derivats d'àcids carboxílics. Alguns exemples de derivats d'àcid es mostren a la Taula 1.

Derivats d'àcids carboxílics

Derivat d’àcid Exemple ester

Etanoat d’etil

Clorur d’acil

Clorur d’etanoil

amida

Etanamida

anhídrid àcid

Anhídrid etanoic

Taula 1. Alguns exemples de derivats d'àcids carboxílics.

CO

O H

CO

O R

CO

O Cl

CO

NH2

CO

O

C

O

CO

O CH2CH3

CH3

CO

O ClCH3

CO

NH2

CH3

CO

O

C

O

CH3

CH3



Com s’anomenen els esters?

Els esters es formen quan un alcohol reacciona amb un àcid carboxílic.

I s’anomenen a partir de l’alcohol i de l’àcid del qual provenen. Per exemple, de la reacció entre l’etanol (C2H5OH) i l’àcid etanoic (CH3COOH) s’obté l’etanoat d’etil (CH3COOC2H5).

Exercicis i qüestions

1. Anomeneu els següents alcohols:

a. CH3-CH2-CH2-CH2OH

b. CH3-CH(OH)-CH2-CH3 c. CH2(OH)-CH2OH d. CH2(OH)-CH(OH)-CH2OH

2. Anomeneu els següents àcids carboxílics:

a. CH3(CH2)6COOH b. HOOC(CH2)3COOH

c.

3. Escriviu sense abreujar la fórmula estructural de: a. L'ester metílic de l'àcid propanoic. b. El clorur d'acil de l'àcid benzoic. c. La amida de l'àcid butanoic. d. L'anhídrid d'àcid format a partir de l'àcid propanoic. e. El clorur d'acil de l'àcid hexanodioic.

COOH

COOH



FP 2.3 Obtenció de biodièsel al laboratori

Objectius

Obtenció de biodièsel a partir d’un oli vegetal usat, mitjançant la reacció de transesterificació amb etanol/metanol.

Introducció

El biodièsel és un èster de cadena llarga derivat d’olis vegetals o de greixos animals que s’utilitza en motors dièsel.

S’obté per la transesterificació d’olis vegetals, que consisteix en la conversió dels triglicèrids que conformen els olis vegetals en metil o etil èsters dels mateixos àcids grassos. Això es pot aconseguir tractant els olis vegetals amb metanol o etanol en medi àcid o alcalí. Els olis més utilitzats provenen de la soja, gira-sol i de la colza.

triglicèrid metanol èster metílic glicerina El catalitzador pot ser àcid (àcid sulfúric a l’1% en metanol), més adient, o bàsic (hidròxid de potassi a l’1% en metanol) que podria donar problemes en formar sabó.

Material i equipament Equipament - Vas de precipitats - Paper de filtre - Paper indicador - Varetes de vidre - Termòmetres - Provetes graduades - Balança - Matràs de destil·lació - Refrigerant - Manta calefactora - Embut de decantació

Reactius i altres materials

Oli usat

Àcid sulfúric (98%) (10 mL)

- Metanol o etanol



Procediment

Muntatge i execució de l'experiència

Poseu-vos les ulleres de seguretat i els guants

1. Prepareu 60 g d’una solució d’àcid sulfúric concentrat en metanol/etanol de l’1% en massa. 2. Filtreu 100 mL d’oli usat. 3. Afegiu la solució de metanol/etanol a l’oli. 4. Aboqueu la mescla anterior al matràs, poseu porcellana porosa i col·loqueu el refrigerant.

Poseu -ho a reflux durant 45 min. 5. Passeu tota la mescla a un embut de decantació i separeu la glicerina líquida i més densa

del biodièsel. Renteu el biodièsel amb aigua destil·lada, repetint aquesta operació, fins que l’aigua de rentat sigui neutra. El pH es controla amb un paper de pH i ha d’estar entre 6 i 7.

Qüestions

1. Per què utilitzem un catalitzador?

2. Quina diferència hi ha entre l’obtenció de biodièsel i la del sabó? Per obtenir informació d’aquests processos mireu el vídeo que hi ha a la pàgina: https://polimedia.upv.es/visor/?id=f5e98507-704b-bf46-a2ef-b6057d5366a5

Conclusions

1. Penseu en diferents proves que faríeu per a determinar la qualitat del biodièsel obtingut.

Bibliografia

“El cuaderno de porqué biotecnología” Edición num 90. http://phobos.xtec.cat/cdec/images/stories/WEB_antiga/formacio/pdf/sfece/08-09/6_biodiesel.pdf



FP 2.4 Construcció de molècules amb el programa CHEMSKETCH En aquesta activitat utilitzarem el programa Chemsketch per construir i visualitzar molècules amb els diferents tipus de grups funcionals. També identificarem les seves fórmules i els seus possibles isòmers. Material i equipament

Per descarregar el programa chemsketch, aneu a l’enllaç: http://www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/ Tutorial del chemsketch: http://www.eduteka.org/ChemSketch.php

Introducció

Chemsketch, és un programa de dibuix d’estructures moleculars, reaccions i esquemes. Pot tenir funcionalitat en dos modes:

Mode estructura ( structure mode) per dibuixar estructures químiques i dibuixar les seves propietats i mode dibuix ( draw mode) per textos i processos gràfics. Procediment per dibuixar molècules

1. Iniciar el programa

2. A l’esquerra superior trieu el mode : structure draw.

A les eines de l’esquerra de la pantalla podem seleccionar els àtoms amb els que volem treballar

Per treballar amb un àtom que no està en la llista de l’esquerra, podem seleccionar-lo en la taula periòdica , seleccionem OK i apareixerà en la llista.

A la part de baix també podem identificar la fórmula molecular del compost.

Seleccionar dibuix normal



Activitat 1 : Construïm l’estructura del 2 -metilpentà.

Quan dibuixem un àtom, el programa per defecte l’associa als hidrògens que li corresponen per exemple si seleccionem l’oxigen a la pantalla apareixerà l’aigua, ( H2O) si seleccionem el carboni apareixerà el metà ( CH4).

1. Seleccioneu un àtom de carboni de l’esquerra i porteu-lo al centre de la pantalla. 2. Seleccioneu un altre àtom de carboni i porteu-lo prop de l’anterior. 3. Amb el botó esquerre del ratolí aneu d’un àtom a l’altre. Llavors es genera un enllaç senzill. 4. Podeu anar allargant la cadena de carbonis d’aquesta forma o fent clic damunt de la icona assenyalada. 5. Fent clic sobre el carboni adequat afegir el grup metil

Amb l’eina 3D – Viewer a la part de dalt i a la dreta, podem veure la molècula en 3D i se’ns obren finestres amb possibilitats d’optimitzar la molècula.

Allargar cadena

Fórmula

Si volem esborrar un àtom hem de clicar la goma i després clicar l’àtom



Per desar les molècules tant amb el Chemsketch com en el 3D – viewer tenim les opcions de la figura.

Des d’aquesta pestanya també pots anar a l’opció 3D



ACTIVITAT 2: Construcció de molècules amb diferents grups funcionals. Exemple:

Construcció del 2-butanol Per dibuixar dobles enllaços també es pot fer clic un altre cop damunt d’un enllaç senzill.



A la part dreta de la pantalla teniu estructures construïdes per afegir. Exercici i qüestions 1. Construïu les estructures de:

- Octà - Etanol - 2 propanona - Èter etílic - Àcid etanoic - Propanamida

I també un isòmer de cada molècula.



FP 2.5. Són més o menys volàtils? Relació de la volatilitat de les substàncies amb les forces intermoleculars

Objectius

Relacionar algunes propietats dels líquids, com la volatilitat, amb les forces intermoleculars

Introducció

Una manera d’estudiar si un líquid és més o menys volàtil és mesurar el temps necessari per a la seva evaporació.

En aquesta proposta experimental realitzareu un experiment per establir relacions entre la fórmula molecular de diferents líquids i la seva volatilitat.

Disposem de sensors de temperatura que ens permeten enregistrar la variació de la temperatura durant el procés d’evaporació.

Com creieu que variarà la temperatura durant el procés d’evaporació? Per què? Quin experiment podríeu dur a terme per comparar la rapidesa amb què s’evaporen diferents líquids?

Podeu llegir l’equipament i reactius que teniu a l’abast per decidir quin tipus d’experiment podríeu realitzar. Equipament i reactius

Material de laboratori Gradeta amb tubs d’assaig Suports amb pinça per aguantar els sensors de

temperatura Tires de paper de filtre de 2 cm x 10 cm Gomes elàstiques curtes Elements de l'equip Multilog Interfície Sensors de temperatura de -25-110ºC (2) Ordinador Ulleres de seguretat Guants de goma

Reactius. Com a mínim, dos dels líquids següents

Metanol

1-propanol

1-butanol

Propanona (“acetona”)

Pentà

Etanol

aigua



Muntatge

Per investigar la volatilitat dels líquids, fareu servir els sensors de temperatura, la interfície de l’equip Multilog i el programa Multilab. Feu el muntatge que es representa a continuació:

Connecteu el sensor de temperatura a l'entrada 1 de la interfície. Si el que voleu és comparar les

volatilitats de més d’un líquid, cal que connecteu el mateix nombre de sensors de temperatura a les successives entrades de la interfície.

Engegueu la interfície i desprès l'ordinador Obriu el programa Multilab Configureu el sistema per enregistrar les dades de temperatura en funció del temps (10 mostres

per segon) durant 8 min. Nota. Si no sabeu configurar la captació de dades, consulteu les instruccions al final de l’activitat. Què creieu que passarà? - Quin dels líquids creieu que s’evaporarà més ràpidament? - Quin dels dos (o més) líquids creieu que absorbirà més calor en evaporar-se i per tant farà que la temperatura del sensor baixi més? - En què baseu les vostres suposicions?

t i ra d e p a p e r d e f i l t r e

d e 2 c m x 1 0 c m

s 'e m b o l ic a l 'e x t re m d e l s e n s o r d e te m p e ra tu ra

e s s u b je c ta a m b u n a g o m a e là s t ic a



Procediment Poseu els líquids dels quals voleu comparar velocitats d’evaporació en tubs d’assaig.

1. Submergiu els extrems dels sensors de temperatura amb els seus papers de filtre dins els

tubs d’assaig. Observeu el muntatge a l’esquema següent:

2. Comenceu la captació clicant el botó Executar 3. Observeu el gràfic de la temperatura en funció del temps que apareix en pantalla. Quant veieu que la temperatura es manté constant, traieu els sensors dels tubs d’assaig, pujant simultàniament, les pinces que aguanten els sensors. Deixeu-los a l’aire, de manera que els líquids que impregnen els papers de filtre es vagin evaporant. Observeu els canvis en els gràfics a mida que passa el temps. 4. Quan veieu que la temperatura que capta algun dels sensors ja no baixa més, sinó que torna a augmentar, amb el botó Stop finalitzeu les captacions. 5. Anomeneu i guardeu l'arxiu amb l'opció Guardar com del menú Arxiu

Conclusions i anàlisi de dades d’aquesta segona part

1. Compareu la vostra predicció amb els resultats obtinguts. Feu servir el botó mostrar cursor per trobar les variacions de temperatura i el temps que s’ha tardat en arribar a la temperatura més baixa a cada líquid. Quin líquid ha tardat menys temps a evaporar-se? Quin ha sofert un descens de temperatura més gran? 2. Quin o quins dels factors següents són importants per explicar la diferència en la volatilitat

- La massa molar? - L’existència de forces intermoleculars?



Qüestionari i conclusions finals 1. Observeu els gràfics obtinguts en la captació de dades de l’evaporació de tres alcohols:

etanol, metanol, i 1-propanol. a) Quina corba correspon a cadascun dels alcohols? b) Quines són les fórmules estructurals de cadascun d’aquests

alcohols? Com relacioneu la fórmula de cada molècula amb la corba d’evaporació?

c) Cada una d’aquestes molècules té un grup -OH. Si un alcohol tingués més d’un grup –OH (per exemple el 1,2-propanodiol), seria més o menys volàtil que els que estan representats en el gràfic? Per què?

2. Les forces intermoleculars i els enllaços entre molècules expliquen algunes propietats de les substàncies com per exemple la volatilitat. La viscositat de les substàncies, que tindreu ocasió d’estudiar en un altre treball pràctic, també depèn de les interaccions entre molècules.

Utilitzeu les dades experimentals obtingudes en aquest experiment, el vostre coneixement sobre massa molar i polaritat de les molècules, i, si cal, la cerca informació a internet (per exemple a www.xtec.es/~alopez/hidrosfera/prop.htm) per redactar un text explicatiu que relacioni els punts següents: forces intermoleculars, enllaços entre molècules, viscositat i volatilitat.

La volatilitat és una propietat directament relacionada amb el fenomen de l’evaporació. L’evaporació d’un líquid és un procés endotèrmic, com a conseqüència, la temperatura de l’entorn del líquid que s’evapora, disminueix. El canvi de temperatura depèn de les forces entre les molècules, és a dir de la interacció que hi ha entre elles.

Configuració del sistema 1. Cliqueu el botó Configurar ajudant Veureu que s'obre la finestra que detecta els sensors connectats. 2.Cliqueu Proper per obrir la següent finestra. Seleccioneu: Freqüència: 10 mostres per segon Mode d'escalat: Escala completa Mode de gravació: Substituir 3.Cliqueu Proper per passar a la següent finestra. Seleccioneu: temps: 8 minuts i Acabar

Temps(s)0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30



FP 2.6. Són més o menys viscosos? Són substàncies polars? Demostracions Tal com heu vist, els compostos que formen les gasolines tenen fórmules químiques diferents. En aquesta activitat volem comprovar si aquests compostos presenten diferències en dues propietats: la viscositat i la polaritat.

Com ho farem?

Formarem dos grups. Cadascun estudiarà una de les propietats esmentades. Després cada grup presentarà a la resta de companys el treball realitzat i exposarà les conclusions que n’ha tret. Estudi de la viscositat

La viscositat indica el “fregament intern” entre les molècules d’un fluid. Aquest “fregament intern” és degut a forces d’unió entre les molècules. Per estudiar la viscositat compararem el temps que triguen diferents líquids en lliscar per una superfície. Abans de començar

Imagineu-vos el líquid a nivell molecular. Què passarà si les molècules estan fortament unides entre sí quan fem moure el líquid? Què succeirà si les molècules tenen unions molt febles?

Si heu fet aquesta reflexió ja teniu una idea del comportament que espereu.

Anant una mica més enllà, canviarà la viscositat si canvia la temperatura? Feu la vostra predicció raonada.

Part experimental

Dissenyeu un experiment per comparar la viscositat dels líquids: 1- propanol 1,2-propanodiol 1,2,3-propanotriol (“glicerol”)

•••• 1- propanol i 1,2-propanodiol, són líquids inflama bles. No els acostis a les flames •••• En acabar, llença els residus en un recipient espe cial

En l’experiment heu d’analitzar l’efecte de la temperatura. Redacteu el procediment seguit i anoteu els resultats obtinguts.

Anàlisi dels resultats

Comparant viscositats

Ordeneu els tres líquids segons la seva viscositat. Indiqueu també en quin líquid les forces intermoleculars són més fortes i en quin més febles.



Escriviu la fórmula dels tres compostos. Busqueu similituds i diferències que ens permetin explicar el seu comportament. Efecte de la temperatura

Expliqueu el resultat obtingut i proposeu una explicació.

Estudi de la polaritat

La polaritat de les molècules és una propietat que ens indica que hi ha separació de càrregues elèctriques en alguna part de la molècula.

Segur que en cursos anteriors has realitzat una prova molt senzilla per detectar la presència de càrregues elèctriques en un objecte. La prova consisteix en fregar una vareta de plàstic i apropar-la a un rajolí d’aigua.

Et proposem tornar a fer aquesta prova però ara ens fixarem en com es comporta el líquid.

Abans de començar

Imagineu-vos un líquid a nivell molecular. Què passarà si les molècules tenen polaritat quan li apropem la vareta de plàstic carregada?

Si heu fet aquesta reflexió ja teniu una idea del comportament que espereu. Part experimental

Dissenyeu l’experiment per comprovar la polaritat de tres líquids:

aigua etanol oli Johnson (parafina)

Redacteu el procediment seguit i anoteu els resultats obtinguts.

Anàlisi dels resultats

Classifiqueu els tres líquids segons la seva polaritat.

Escriviu la fórmula dels tres compostos. Per a l’oli Johnson, com que és una mescla d’alcans, podeu escriure un alcà qualsevol.

Busqueu similituds i diferències que ens permetin explicar el seu comportament.



FP. 2.7 Fem un craqueig al laboratori Aquesta activitat investiga el procés que té lloc quan s’escalfa a alta temperatura i en absència d’aire una mescla d’alcans en presència d’un catalitzador. És un model a petita escala del procés industrial de craqueig.

Material i equipament Tub de pyrex amb tap de goma i tubs de

connexió (2) Tubs d’assaig amb tap (4) Bec de gas Bunsen Cristal·litzador o recipient de plàstic Absorbent inert (llana de vidre) Catalitzador de porcellana porosa o òxid

d’alumini o pumicita Vas de 250 cm3 per bany d’aigua Vareta de vidre

Reactius

aigua de brom Mescla d’alcans sòlids, per exemple: vaselina

PRECAUCIÓ: Ulleres de seguretat

PRECAUCIÓ: Treballeu en un laboratori amb bona ventilació o en una vitrina amb extractor.

PRECAUCIÓ: Quan apagueu el foc, traieu el tub de despreniment de l’aigua; altrament el tub d’assaig calent es podria trencar a causa de la reabsorció de l’aigua freda Què heu de fer?

1 Munteu l’aparell que veieu en la figura 1. El tub de despreniment forma un angle d’uns 10º sobre l’horitzontal. Assegureu-vos de que els taps tanquen hermèticament.

2 Desmunteu el tub de reacció i afegiu aproximadament 1 cm3 de la mescla sòlida d’alcans. Escalfeu el tub al bany d’aigua per fondre la mescla, desprès afegiu uns 2 cm3 de llana de vidre, que utilitzem com absorbent. Feu girar el tub de manera que tot el líquid impregni l’absorbent.

3 Col·loqueu uns trossos de porcellana porosa o grans d’òxid d’alumini en el tub de reacció, actuaran de catalitzadors. Procureu que quedin separats de la mescla de vaselina i absorbent. Torneu a muntar el tub de reacció en l’aparell.

Figura 1. Aparell per fer el craqueig.

vaselina +

absorbent

catalitzador

aigua freda

aigua



4 Escalfeu fortament el catalitzador i suaument la vaselina fins que es desprenguin vapors d’alcans.

5 Aneu passant la flama del bec de gas per la zona on està el catalitzador i la vaselina, fins que recolliu varis tubs d’assaig amb gas. Tapeu-los amb taps de goma per analitzar-ne el contingut després. El gas que heu recollit en el primer tub no l’heu d’aprofitar, doncs és majoritàriament aire que havia dins l’aparell. (PRECAUCIÓ: No permeteu que es produeixi acció de reflux o “xuclada d’aigua” del cristal·litzador. Si observéssiu que es produeix reflux, traieu immediatament el tub de despreniment de l’aigua; altrament el tub d’assaig calent es podria trencar a causa de la reabsorció de l’aigua freda. Abans d’apagar el foc, traieu el tub de despreniment de l’aigua)

6 Continueu escalfant fins observar una petita quantitat de líquid en el tub d’assaig en el bany d’aigua. Guardeu-lo per analitzar-lo.

7 Deixeu refredar els tubs abans de desmuntar l’aparell.

8 Analitzeu els productes obtinguts i el residu que queda. a Escalfeu els tubs d’assaig (PRECAUCIÓ : utilitzeu pinces per agafar els tubs i ulleres

de seguretat) Cremen? La combustió fa fums?. Per provar si el líquid crema, mulleu la punta d’una vareta de vidre amb el líquid i acosteu-la a la flama

b Col·loqueu en els tubs d’assaig 1cm3 d’aigua de brom. Observeu si perd el color.

Anàlisi d’alquens

Els alquens són hidrocarburs insaturats amb un doble enllaç covalent entre dos àtoms de carboni. Són molt més reactius que els alcans, els quals no contenen dobles enllaços, per la qual cosa s’anomenen saturats. Una prova de l’existència d’alquens és que decoloren l’aigua de brom. Una altra prova és que cremen donant més fums que els alcans.

Qüestions

1. De les proves que heu fet amb els gasos obtinguts, què en deduïu? Les molècules d’aquests gasos són majors o més petites que les de la vaselina? Contenen dobles enllaços entre àtoms de carboni?

2. El producte obtingut en el tub d’assaig central, conté una mescla d’hidrocarburs. Creieu que conté alguna classe d’hidrocarburs insaturats? De quina grandària són aquestes molècules comparades amb les de la vaselina i amb les dels gasos obtinguts?

3. Què heu observat en l’aspecte del catalitzador després de l’experiment? Expliqueu què ha passat i de quina manera aquest problema es pot solucionar en processos industrials a gran escala.

4. La vaselina inicial conté molècules de l’hidrocarbur alcà C20H42. Escriviu equacions que mostrin dues maneres diferents de trencar-se aquestes molècules d’alcà en un experiment com el que heu fet.



FP 2.8. Què hem après? Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades aquests conceptes i aquests procediments en estudiar unitats posteriors.

• Formulació i nomenclatura d’hidrocarburs: alquens, alquins, cicloalcans i aromàtics • Formulació i nomenclatura de derivats oxigenats: èters, alcohols, àcids i esters • Isomeria de funció • Descripció de les forces intermoleculars


1- Anomeneu els hidrocarburs aromàtics següents:

2- Kekulé va proposar per primera vegada l’estructura de la molècula del benzè el 1865. Aquesta estructura era un anell que contenia tres enllaços senzills i tres enllaços dobles. Dibuixeu l’estructura d’aquest anell i assenyaleu en els diferents enllaços les longituds que tindrien (consulteu la Taula 1). Quins efectes causarien aquestes longituds sobre la forma global de la molècula?

Enllaç Longitud de

l’enllaç / nm alcà C C 0,154 alquè C = C 0,134 anell benzènic 0,139

Taula1.Algunes longituds de l’enllaç carboni-carboni.

3- Anomeneu els següents alcohols:

4- Anomeneu els següents èters

CH3-O-CH3 CH3-O-CH2-CH3

5- Anomeneu els següents àcids carboxílics

CH3-CH2-CH2-CH2-COOH CCl3-COOH CH3-CHOH-COOH

6- Anomeneu els següents esters CH3-COO-CH=CH2 CH3-CH2-CH2-CH2-COOCH2-CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3



7- Representeu les fórmules desenvolupades dels isòmers del C5H12. Anomeneu cadascun

dels isòmers.

8- Ordeneu les següents parelles de molècules en ordre creixent de forces dipol instantani-dipol induït.

a. CCl4 i CH4 b. SiCl4 i SiH4 c. CH3CH2CH2CH2CH2CH3 i CH3CH(CH3)CH(CH3)CH3 d. CH3CH2CH2CH3 i CH3CH(CH3)CH3

9- Els hidrurs de silici i sofre tenen les següents fórmules i temperatures d'ebullició: SiH4 161 K; H2S 212 K

a. i Quants electrons externs hi ha en cada molècula? ii Comparant els dos compostos, com seran les forces de les atraccions

dipol instantani-dipol induït? iii Posseeix alguna de les molècules un dipol permanent? Raoneu la vostra

resposta. b. Basant-vos en les vostres respostes a l'apartat a expliqueu la diferència existent

entre les temperatures d'ebullició d'ambdós compostos.



FP 3 Pàg. Combustibles gasosos

FP 3.1 64 Els combustibles gasosos, com tractar-los?

Elaboració del model cineticomolecular per explicar la pressió i les lleis experimentals dels gasos.

FP 3.2 65 Determinació experimental de la relació P/V a temperatura constant.

Caracterització de les lleis experimentals dels gasos. Determinació experimental de la relació pressió-volum. Lleis dels gasos.

FP 3.3 70 Determinació experimental de la relació P/T a volum constant.

Caracterització de les lleis experimentals dels gasos.Determinació experimental de la relació pressió-temperatura.

FP 3.4 74 Determinació experimental de la relació V/T a pressió constant.

Caracterització de les lleis experimentals dels gasos. Establiment de l'escala de Temperatura absoluta. Determinació experimental de la relació volum-temperatura.

FP 3.5

78 Laboratori virtual de gasos ideals.

Ús de simulacions per il·lustrar el model cineticomolecular.

FP 3.6 81 Com podríeu calcular experimentalment la massa molar d’un compost líquid volàtil?

Investigació experimental de la massa molecular relativa d'un gas o d'una substància volàtil, fent ús de la hipòtesi d'Avogadro. Càlcul a partir de dades experimentals de la massa molecular relativa d’una substància volàtil.

FP 3.7 86 Els autobusos del transport metropolità.

Lleis dels gasos




FP 3.1 Els combustibles gasosos, com tractar-los? pàg. 64

FP 3.2 Determinació experimental de la relació pressió volum a temperatura constant pàg. 66



FP 3.3 Determinació experimental de la relació pressió temperatura a volum constant. pàg. 70

FP 3.4 Determinació experimental de la relació volum temperatura a pressió constant. pàg.74



FP 3.5 Laboratori virtual de gasos pàg.78

FP 3.6 Com podríeu trobar experimentalment la massa molar d’un gas? pàg. 81



FP 3.7 Els autobusos del transport metropolità pàg. 86

FP 3.8 Què hem après? pàg.89



FP 3.1 Els combustibles gasosos, com tractar-los?

El gas butà ja és un combustible emprat en alguns vehicles. També s’utilitzen altres combustibles gasosos com el gas natural, que està format majoritàriament per metà.

Bona part dels autobusos de moltes ciutats funcionen amb gas natural. En concret, el 30% dels autobusos de Barcelona usen el gas natural comprimit com a combustible. Però, tot i les similituds que presenten aquests gasos amb altres combustibles, el seu estat físic obliga a dissenyar el seu tractament de manera diferent a com ho faríem amb un combustible líquid. En aquesta activitat et proposem que responguis, de manera raonada, a unes quantes qüestions amb l’objectiu de reflexionar sobre com s’ha de tractar un combustible gasós. Qüestions 1. Compareu la manera com s’emmagatzemen aquests tres combustibles: llenya, benzina i gas

butà. Quines particularitats presenta l’emmagatzematge d’un gas? 2. El sistema de repostatge d’un combustible gasós s’assembla més al sistema que utilitzem

per inflar les rodes del cotxe que al repostatge de la benzina. Quins paràmetres s’han de considerar quan s’inflen les rodes?

3. Si agafeu una ampolla buida i la tanqueu, heu aconseguit emmagatzemar una petita

quantitat d’aire. Com ho faríeu per tenir més quantitat d’aire dins de la mateixa ampolla? 4. Els autobusos utilitzen gas natural comprimit (GNC). Quin avantatge representa respecte el

gas natural? 5. El metà (component principal del gas natural) i el butà són dos combustibles utilitzats

habitualment en les llars. Com és el subministrament d’aquests dos gasos? Per què hi ha bombones domèstiques amb butà i no n’hi ha amb gas natural?

6. La clau per resoldre les preguntes plantejades en

la qüestió 5 està en l’estat en què es troba el butà dins la bombona, està liquat. Una propietat característica de cada gas és la temperatura del punt crític. S’anomena així a la temperatura d’un material per sobre de la qual mai pot estar en estat líquid i sempre serà gas. La temperatura del punt crític del metà és de -82,7ºC, mentre que la del butà és de 152ºC. Podem tenir metà en estat líquid a 20ºC? Podem tenir butà líquid a 20ºC? Si tenim metà comprimit a una pressió molt gran i a 0ºC, en quin estat estarà?

Figura 1.Estació de repostatge de GNV (gas natural vehicular), generalment és gas natural comprimit.



7. Malgrat que es necessitin temperatures molt baixes, en ocasions el gas natural es liqua per

transportar-lo des dels països productors fins als països consumidors. El gas natural liquat (GNL) es troba a -162ºC i una atmosfera de pressió. Per quin motiu creieu que es transporta liquat?

Figura 2. Vaixell de transport de gas liquat.

Reflexió final En aquesta activitat heu utilitzat conceptes com la pressió, el volum o la temperatura d’un gas. Hi ha un conjunt de característiques que coneixem dels gasos: són molt poc densos, es poden comprimir fàcilment, en escalfar-los es dilaten, cal tenir-los tancats en recipients hermètics per evitar que es dispersin...

Aquestes característiques eren conegudes des de fa molts anys. La necessitat d’estudiar els gasos, la seva naturalesa i el seu comportament va portar als científics a establir unes magnituds bàsiques anomenades variables d’estat.

VOLUM, PRESSIÓ, TEMPERATURA, QUANTITAT DE SUBSTÀNCIA

Les variables d’estat descriuen el gas des del punt de vista macroscòpic, és a dir, allò que observem i podem mesurar. Però ens cal un model o teoria per poder explicar les propietats en funció de l’estructura dels gasos. Aquest model o teoria és la TEORIA CINETICOMOLECULAR .

En aquesta teoria es considera que:

- Un gas està format per molècules en constant moviment caòtic. - La mida de les molècules és increïblement petita i estan molt separades entre sí. Per

tant el volum que ocupa un gas, és degut majoritàriament als espais buits que hi ha entre les molècules.

- En el seu moviment caòtic, les molècules xoquen entre sí i amb les parets del recipient que les conté. Els xocs són elàstics, que significa que no hi ha pèrdua d’energia cinètica en els xocs. Els xocs contra les parets, els notem com la pressió que fa el gas.

- El canvi de temperatura en un gas provoca una variació d’energia cinètica de les seves molècules. La temperatura i l’energia cinètica són directament proporcionals.



FP 3.2. Determinació experimental de la relació Pressió - Volum a temperatura constant.

Objectiu

Estudiar la relació entre la pressió i el volum de l'aire contingut en un recipient tancat a temperatura constant.

Disseny de l’experiment

Abans de realitzar l’experiment heu de saber respondre les següents qüestions:

Quines són les característiques principals dels gasos?

Què s’entén per pressió en general? Quina és la unitat SI de pressió?

Per què els gasos són tan compressibles i en canvi els líquids i els sòlids no?

A què és deguda la pressió d’un gas?

Per què els gasos s’expandeixen indefinidament?

Per a una massa fixa de gas, a temperatura constant, què li passa a la pressió quan disminueix el volum que ocupa? Dóna exemples.

Realització de l’experiment

El gas serà l’aire contingut dins una xeringa tancada. Per mesurar la pressió utilitzareu un sensor de pressió connectat a la punta de la xeringa. (Recordeu quines magnituds s’han de mantenir constants).

Material

Xeringa graduada de plàstic de 50 mL Equip MULTILOG amb un sensor de pressió (0/700 kPa) Programa Excel com a full de càlcul (per elaborar la taula P, V, obtenir el gràfic de la pressió en funció del volum i fer càlculs) Ordinador

Predicció

Abans d'obtenir el gràfic de la pressió de l'aire en funció del volum poseu-vos d’acord el grup en la forma que espereu que tindrà, i el dibuixeu a continuació.

Procediment

Muntatge i captació de les dades

1. Connecteu el sensor de pressió a l'entrada 1 de la interfície, i desprès la xeringa al tub del sensor tal com es mostra a la figura.

2. Per comprovar que no hi ha pèrdues d'aire entre la xeringa i el tub del sensor, podeu modificar la posició de l'èmbol, i en deixar-lo en llibertat, aquest ha de tornar a la posició d'origen.



3. Connecteu la interfície a l'ordinador.

4. Engegueu la interfície i l'ordinador.

5. Obriu el programa Multilab

6. Una vegada tot a punt, fixeu les condicions inicials de pressió i volum de l'aire de la xeringa: P0 = P atmosfèrica, i V0 = 50 ml, per això: desconnecteu el sensor de la xeringa, moveu l'èmbol fins a la posició de 50 ml, torneu a connectar la xeringa al sensor de pressió.

7. Configureu el programa (Paràmetres de la captació) per capturar les dades de P i V de forma manual.

1. Cliqueu el botó Configurar ajudant . Veureu que s'obre la finestra que detecta a l'entrada 1 el sensor de pressió 0-700kPa. Cliqueu Proper per obrir la següent finestra. Seleccioneu:

Freqüència: Manual Mode d'escalat: Escala completa Mode de gravació: Substituir Cliqueu Proper per passar a la següent finestra Seleccioneu: Per mostres: 10 Cliqueu Acabar.

2. Seleccioneu l'opció Mode de captura al menú Taula i s'obrirà la finestra següent:



A sensors disponibles seleccioneu: Pressió

Cliqueu Afegir . A continuació seleccioneu Insertar columna manual. S'obrirà una finestra per posar títol i unitat a la columna A títol escriviu: Volum A unitat escriviu: mL Cliqueu D'acord

Ara introduireu manualment a la taula els valors dels volums de la xeringa, per als quals capturareu els corresponents de pressió.

Poseu els 10 valors dels volums des de l'inicial al final, amb increments de 2 ml o d'1 mL, dependent de la graduació de la xeringa.

Enregistrament de les dades Ara ja podeu començar la captació de les dades. A partir del volum inicial, el disminuireu amb increments de 2 ml o d'1 ml i capturareu el valor de pressió corresponent:

1. Comenceu la captació clicant el botó Executar

Primera dada: Amb l'èmbol en la posició de volum inicial:

Cliqueu el botó Eina de Captura

Segona dada: Moveu l'èmbol de la xeringa a la següent posició:

Premeu el botó Enter de la interfície, i a continuació, cliqueu el botó Eina de

captura .



Així, successivament fins acabar les captacions.

Amb el botó Stop finalitzeu les captacions.

2. Anomeneu i guardeu l'arxiu amb l'opció Guardar com del menú Arxiu.

Anàlisi i tractament de les dades:

Una vegada tingueu totes les dades heu de trobar el gràfic P-V i heu de determinar la seva equació:

1. Cliqueu el botó Editar gràfic :

Doneu al gràfic el nom Llei de Boyle i seleccioneu els conjunts de valors que han d'aparèixer representats als eixos:

A l'eix x: Captura 1(volum). A l'eix y: Captura 1 (pressió). A continuació, cliqueu Acceptar.

2. Trobeu, a partir del gràfic, l'equació que relaciona la pressió del gas en funció del volum,

fent ús del botó Ajudant d'anàlisi .

A la finestra que apareix seleccioneu Ajustar corba, trieu la funció potencial, i cliqueu Acceptar. (Noteu que la pressió a l'equació està expressada en Pa).

3. Per guardar aquest gràfic amb l'equació cliqueu el botó Afegir gràfic a projecte i a continuació l'opció Guardar com del menú Arxiu.

4. Una manera de comprovar la relació entre la pressió i la volum és calculant el producte pressió x volum. Feu aquest càlcul utilitzant el programa Excel.



FP 3.3 Determinació experimental de la relació Pressió – Temperatura a volum constant.

Objectius

Estudiar com varia la pressió d’un gas amb la temperatura, quan el volum i la quantitat de gas es mantenen constants.

Determinar el valor del zero absolut de temperatura.

Introducció

La pressió és una magnitud important per estudiar el comportament d'un gas. Un gas exerceix pressió sobre les parets del recipient que el conté a causa dels xocs de les partícules. La pressió és proporcional al número de xocs per unitat de temps i de superfície, i, per tant, igual sobre totes les parets.

En disminuir la temperatura, disminuirà l'energia cinètica mitjana de les molècules del gas i es mouran més lentament. Si es manté constant el volum, com que el número de molècules és el mateix, es produiran menys xocs per unitat de temps i de superfície i, per tant, la pressió disminuirà.

Si el gas es refreda suficientment, la pressió hauria de ser zero a –273,15ºC ja que segons la teoria cinètica, el moviment de les molècules cessa a aquesta temperatura, quan l'energia cinètica és igual a zero. En realitat, tots els gasos reals es condensen abans d'arribar a la temperatura de –273,15ºC. En el cas que fos possible trobar un gas que no es condensés (gas ideal), seria impossible refredar-lo per sota de -273,15ºC. Per tant, -273,15ºC és la temperatura més baixa possible i, per això, es coneix com a zero absolut de temperatura.

En aquest experiment, per estudiar la relació entre la pressió i la temperatura d'un gas, a volum constant, mesurareu la pressió i la temperatura de l'aire contingut en un recipient tancat, mentre s’escalfa submergit en un bany d’aigua.

Material i Equipament

Material de laboratori: - Vas de precipitats d’1L o més gran. - Tub de vidre Pyrex d’uns 8 cm d’alçada i 2,5 cm

de diàmetre amb tap de goma travessat amb una agulla

- Allargador de pressió Luer Lock - Tros de filferro (d’uns 20 cm) per lligar el

termòmetre al tub de vidre - Suports metàl·lics amb pinces i nous - Placa calefactora de baixa potència, 250 W com a

màxim (si és possible amb agitador magnètic)

Elements de l'equip Multilog: - Interfície MultiLogPro amb cable

USB. - Sensor de pressió (rang: 0 a 700

kPa; resolució: 0,72 kPa) - Sensor de temperatura (rang: -25 ºC

a 110 ºC; resolució: 0,13 ºC) Ordinador



Procediment

Muntatge de l'experiència

1. Subjecteu el tub amb les pinces i submergiu-lo dins del vas (procureu que no estigui en

contacte amb les parets del vas).

2. Connecteu els sensors de temperatura i de pressió a les entrades 1 i 2 de la interfície.

3. Uniu el tub de plàstic al sensor de pressió.

4. Poseu el sensor de temperatura al costat del tub. Lligueu-lo al costat del tub amb el filferro de manera que hi quedi paral·lel (la part sensible del termòmetre és el terç inferior).

5. Ompliu el vas amb una quantitat d’aigua suficient perquè s’hi pugui submergir el tub fins al nivell del tap i es pugui subjectar amb la pinça.

6. Comproveu que el tub de vidre estigui ben tancat i els tubs ben units per evitar pèrdues d’aire.

7. Engegueu la interfície.

8. Connecteu la interfície a l'ordinador amb el cable USB.

9. Obriu el programa Multilab.

Configuració del sistema Ara configureu el programa perquè capturi les dades de P i T de manera automàtica:

1. Cliqueu el botó Configurar ajudant.

Veureu que s'obre la finestra en la qual apareixen els sensors connectats i les escales:

Pressió (0-700 kPa) Temperatura (-25-110ºC)



2. Cliqueu Proper per obrir la finestra següent.

3. Seleccioneu:

freqüència: Cada 10 segons. mode d'escalat: Escala completa. mode de gravació: Substituir.

4. Cliqueu Proper per passar a la finestra següent:

5. Seleccioneu :

per temps: 1 hora i 23 minuts Acabar.

Enregistrament de les dades

1. Comenceu la captació clicant el botó Executar

2. Endolleu la placa calefactora (seleccioneu una potència baixa, segons el tipus de placa d’uns 70 ºC) i comenceu a agitar l’aigua del vas mentre es va escalfant perquè la temperatura sigui homogènia. Observeu a la pantalla del monitor els valors de pressió i temperatura de la taula:

� Fixeu-vos si les dues magnituds comencen a variar en el mateix instant i de quina manera es van produint les variacions.

� Comproveu que la pressió va augmentant (en cas contrari és que hi ha pèrdues d'aire, i caldrà revisar el muntatge i tornar a repetir tot el procés des del principi).

3. Quan la temperatura arribi a uns 55 ºC podeu finalitzar les captacions. Cliqueu el botó Stop

i, a continuació, desendolleu la placa calefactora.

4. Anomeneu i guardeu el gràfic amb l'opció Guardar com del menú Guardar .



Anàlisi i Tractament de les dades 1. Determineu els increments de la pressió i de la temperatura de l'aire del tub amb el botó

Commutar primer cursor , i Commutar segon cursor anoteu-los a la llibreta.

Quin increment de pressió correspon a un increment de temperatura d’1ºC?

Els gràfics de la pressió i de la temperatura en funció del temps tenen poc interès, però en canvi per trobar la relació entre la P i la T de l'aire, sí que és interessant el gràfic de la pressió en funció de la temperatura. A més necessitareu l’equació que expressa aquesta relació per determinar el valor del zero absolut:

2. Cliqueu el botó Editar gràfic .

Poseu nom al gràfic, i seleccioneu els conjunts de valors que interessa que estiguin representats als eixos. Activeu a l’eix OY les dades de pressió i a l’eix OX les dades de temperatura. Desactiveu a l’eix OY les dades de temperatura. Després cliqueu D’acord.

3. Trobeu l'equació que relaciona la pressió i la temperatura amb el botó Ajust lineal. L’equació us apareixerà a la barra d’informació de la mateixa finestra (Noteu que la pressió ve expressada en Pa).

Qüestionari

1. La pressió i la temperatura de l'aire han començat a augmentar en el mateix instant? Si no és així, a què pot ser degut?

2. Quina relació de linealitat hi ha entre la pressió i la temperatura del gas? Què representa el pendent de la recta? Expresseu-la en el SI i amb les xifres adients.

3. Si repetiu l'experiència amb l'aire contingut en un recipient de diferent capacitat, la constant de proporcionalitat serà la mateixa?

4. Si representéssiu l'expressió P/T (absoluta) en funció del temps, quin tipus de gràfic obtindríeu?

5. A quina temperatura ha d’escalfar-se l’aire contingut en el tub de vidre perquè la pressió augmenti el doble?

6. Per què en els envasos dels aerosols es recomana no exposar-los al sol o a temperatures altes?

7. Quin és el volum molar de l'aire contingut al tub? Determineu aquest valor a partir de la relació P/T que heu obtingut a l’experiment, i compareu-lo amb el que s'obtindria en aplicar la llei dels gasos a l’aire contingut en el tub en las condicions inicials.

8. A partir de les dades de l'experiment, quin és el valor del zero absolut? Compareu el valor obtingut amb el valor comunament acceptat. Determineu el % d’error.

9. Quines són les fonts d’error de l’experiment?

Informe

Redacteu un informe de l'experiència. En aquest informe han de distingir-se clarament tres parts: objectius, realització i conclusió.



FP 3.4 Determinació experimental de la relació Volum - Temperatura a pressió constant.

Objectius

Comprovar que el volum que ocupa una determinada quantitat de gas depèn de la temperatura.

Trobar per extrapolació, la temperatura més baixa possible a la que es podria refredar un gas.

Introducció

Els gasos es dilaten en escalfar-se. La pressió, el volum, la temperatura i la quantitat de gas són les variables fonamentals que ens permeten descriure l’estat d’un gas. Per assolir el primer dels objectius d’aquest experiment:

Quines magnituds cal mesurar? Quina és la variable dependent i quina la independent? Feu una predicció de l’aspecte que pot tenir una representació gràfica d’aquestes dues magnituds.

Quines magnituds caldrà mantenir invariables?

Observeu més avall, l’esquema d’un dels possibles muntatges per aquest experiment. Descriviu de quina manera ens assegurem de mantenir invariables les magnituds que volem tenir controlades.


Equipament - Proveta de 10 cm3

- Vas de precipitats de 1000 cm3 o recipient de volum semblant. - Termòmetre 0 –100ºC - Vareta per agitar - Placa elèctrica per escalfar o resistència d'immersió amb un suport per aguantar-la - Suport amb pinça i nou per el termòmetre - Accés a un baròmetre, per saber la pressió atmosfèrica - Opcional: accés a un ordinador amb programa de full de càlcul

Procediment


1- Ompliu al màxim el vas de precipitats de 1000 cm3 amb aigua freda de la nevera. Ompliu la

proveta amb aigua fins un volum d'uns 8 cm3. Tapeu-la amb un dit i col·loqueu-la invertida

vas amb aigua freda

termòmetre

Muntatge amb placa elèctrica

termòmetre

Muntatge amb resistència d'immersió

proveta invertida que atrapa un volum d’aire

proveta invertida que atrapa un volum d’aire

vas amb aigua freda



dins el vas amb aigua. Ha de quedar aire atrapat dins, ocupant un volum d'uns 5 o 6 cm3. Procureu que el volum d'aire atrapat sigui un valor fàcil de llegir. (Tingueu en compte que en estar la proveta invertida, la numeració va a l'inrevés).

2- Instal·leu el vas sobre la placa elèctrica o col·loqueu dins el vas, la resistència d'immersió.

3- Col·loqueu un termòmetre aguantat per una pinça i un suport, dins l'aigua del vas a prop de la proveta.

4- Espereu uns minuts i preneu nota de la temperatura. Serà la temperatura del bany d'aigua i de l'aire dins la proveta.

5- Connecteu la placa o la resistència d'immersió. Heu de procurar que la temperatura pugi a poc a poc (a un ritme d'uns 5ºC cada 6 minuts). Preneu nota del volum d'aire i de la temperatura, fins als 60ºC.

Observeu que durant tot l'experiment, la pressió que actua sobre l'aire dins la proveta depèn de l'aigua que l'envolta. Aquesta pressió es manté constant.

Anàlisi de les dades A partir d’aquí et serà útil tenir accés a un full de càlcul d’ordinador 1- Construïu una taula de dades amb els valors de la temperatura i del volum. Comproveu que són magnituds directament proporcionals.

2- En realitat, dins la proveta hi ha l'aire que ha quedat atrapat quan l'heu tapat però també hi ha vapor d'aigua. De fet, en augmentar la temperatura s'evapora cada cop més aigua i la proveta conté una mescla d'aire i vapor d'aigua. Per fer un estudi rigorós de la relació entre el volum d'aire i la temperatura ens cal considerar exclusivament el volum d'aire i no el d'aquesta mescla. La "correcció" que cal fer és la següent: Vaire = Vtotal – Vvapor aigua

(Vtotal és el volum que heu llegit en la proveta; el Vaire és el que realment hem de considerar i el Vvapor aigua és el volum que ocuparia el vapor d'aigua dins la proveta si únicament hi hagués aigua en estat vapor).

Per fer els càlculs necessaris cal saber el valor de la pressió atmosfèrica i els valors de la pressió del vapor d'aigua a diferents temperatures, ja que el volum del vapor d'aigua depèn de la pressió que exerceix aquest vapor d'aigua dins la proveta.

En l'annex 1 teniu una taula de dades amb els valors de la pressió del vapor d'aigua a diferents temperatures.

3- Construïu ara la taula de dades següent:

T/ºC Vtotal/cm3 Pv aigua Paire = Pat-Pv atm

airetotalaire P

PVV =

4- Feu una gràfica, amb els valors de la temperatura (eix d'abscisses) i els volums d'aire, V aire (eix d'ordenades).



Conclusions

1- Observeu que si podeu dibuixar una recta que passa per la majoria dels punts vol dir que podeu demostrar numèricament que les magnituds volum i temperatura d'un gas són directament proporcionals.

Compareu aquesta gràfica amb la vostra predicció. Què passaria si en lloc d'escalfar anéssim refredant el gas?

La suposició més evident és que el volum del gas seria cada vegada menor. Fins quin límit? Com ja sabeu, arribaria un moment que el gas es liquaria i després, probablement solidificaria. Si en el gràfic s'extrapola la recta (és a dir, es prolonga més enllà dels valors experimentals) es troba que hi ha un punt d'intersecció amb l'eix d'abscisses. Si ho feu, comprovareu que el punt de tall correspon a un valor de temperatura per la qual el gas ocuparia un suposat volum zero. El valor d'aquesta temperatura és el que s'anomena el zero absolut de temperatura.

El significat és evident: a mida que anem refredant, el volum d'un gas va disminuint. El límit més petit de volum seria valor zero, llavors la temperatura seria la més baixa possible. D'aquí el nom de "zero absolut".

2- Els càlculs més precisos indiquen que la temperatura del zero absolut és de -273,15 ºC. Quin valor trobeu en la vostra gràfica per extrapolació de la recta? Quin error heu fet?. L'equació de Charles i Gay-Lussac

Aquests dos físics francesos, a principis del s. XIX van fer experiments semblants al que heu fet amb diferents gasos, procurant sempre mantenir constant la pressió. Van arribar a la conclusió que hi havia una relació directament proporcional entre la temperatura d'un gas i el volum que ocupa.

En tenir coneixement dels seus resultats, el físic angles W. Thomsom (que a més tenia el títol nobiliari de Lord Kelvin), va proposar establir com origen de l'escala de temperatures el valor -273,15. Per trobar una relació matemàtica senzilla entre el volum i la temperatura, agafem com a origen de coordenades el valor –273,15 de tal manera que els valors de temperatura que hem anotat es convertiran en valors de temperatura absoluta o Kelvin. Observeu que això representa que traslladem l'eix d'ordenades fins al punt –273,15 de manera que la recta dibuixada ara passa per l'origen de coordenades, amb la qual cosa tindrà d'equació: V = cte. T

3- Construïu una taula de dades amb els valors de temperatures i volums. Comproveu ara si es

compleix la relació : constantT

V = ; on T és la temperatura en graus Kelvin.



ANNEX 1 Taula de dades

PRESSIÓ DE VAPOR DE L'AIGUA A DIFERENTS TEMPERATURE S

T / ºC PV / mm Hg PV / Pa T / ºC PV / mm Hg PV / Pa 10 9,209 1227,5 46 75,65 10083,3 11 9,844 1312,1 47 79,60 10609,8 12 10,52 1402,2 48 83,71 11157,7 13 11,23 1496,8 49 88,02 11732,1 14 11,99 1598,1 50 92,51 12330,6 15 12,79 1704,8 51 97,20 12955,7 16 13,63 1816,7 52 102,09 13607,5 17 14,53 1936,7 53 107,20 14288,6 18 15,48 2063,3 54 112,51 14996,4 19 16,48 2196,6 55 118,04 15733,5 20 17,54 2337,9 56 123,80 16501,2 21 18,65 2485,8 57 129,82 17303,6 22 19,83 2643,1 58 136,08 18138,0 23 21,07 2808,4 59 142,60 19007,1 24 22,38 2983,0 60 149,38 19910,8 25 23,76 3167,0 61 156,43 20850,5 26 25,21 3360,2 62 163,77 21828,8 27 26,74 3564,2 63 171,38 22843,2 28 28,35 3778,8 64 179,31 23900,1 29 30,04 4004,0 65 187,54 24997,1 30 31,82 4241,3 66 196,09 26136,7 31 33,70 4491,9 67 204,96 27319,0 32 35,66 4753,1 68 214,17 28546,6 33 37,73 5029,0 69 223,73 29820,9 34 39,90 5318,3 70 233,71 31151,1 35 42,18 5622,2 71 243,91 32510,6 36 44,56 5939,4 72 254,61 33936,8 37 47,07 6273,9 73 265,71 35416,3 38 49,69 6623,2 74 277,21 36949,2 39 52,44 6989,7 75 289,11 38535,3 40 55,32 7373,6 76 301,41 40174,8 41 58,34 7776,1 77 314,11 41867,6 42 61,50 8197,3 78 327,31 43627,0 43 64,80 8637,2 79 341,01 45453,0 44 68,26 9098,3 80 355,1 47331,1 45 71,88 9580,8



FP 3.5 Laboratori virtual de gasos ideals

Objectius

Comprovar la llei de Boyle-Mariotte i la llei de Charles-Gay-Lussac i trobar el valor de les constants a partir de les dades de la simulació.

Predir i justificar la forma dels gràfics P-V i 1/P-V a T constant ,i V-T a pressió constant, a partir de les dades de les simulacions.

Utilitzar les lleis anterior per deduir la llei general dels gasos ideals.

Procediment

Entreu a la pàgina web http://www.educaplus.org/gases/labayuda.html A la pàgina principal trobareu un conjunt de simulacions d’experiments de laboratori per comprovar la llei de Boyle - Mariotte, i la llei de Charles - Gay Lussac. Llegiu les instruccions generals i entreu a les sales “Sala Boyle” i “Sala Charles”.

Sala Boyle

1) Llegiu les instruccions que apareixen en pantalla en un full agafat per dues mans. Observeu que amb les fletxes blaves de l’applet les mans es desplacen i s’accedeix a més informació i a propostes d’activitats. En l’apartat 3) haureu de realitzar les tres activitats proposades. Cliqueu a entrar.

2) Desplaceu l’èmbol per capturar les dades de volum i de pressió. En quines unitats estan la pressió i el volum mesurats? En clicar a gràfic accediu a una finestra on hi ha la taula de dades i la possibilitat d’observar els gràfics de la pressió enfront el volum (gràfic P-V) o el gràfic de la inversa de la pressió enfront el volum (gràfic 1/P-V). Quina forma preveieu que tindran aquests gràfics? Observeu els gràfics enregistrats i dibuixeu-los a continuació. Per què tenen aquestes formes?

3) Realitzeu les 3 activitats proposades en el full informatiu que hi ha en pantalla en entrar a la Sala de Boyle i escriviu els passos que seguiu i els resultats.

Sala Charles

4) Llegiu les instruccions que apareixen en pantalla en un full agafat per dues mans. Observeu que amb les fletxes blaves de l’applet les mans es desplacen i s’accedeix a més informació i a propostes d’activitats. En l’apartat 6) hauràs de realitzar les tres activitats proposades. Cliqueu a entrar.

5) Cliqueu l’opció Taula de dades i apareixerà una taula on s’enregistraran les dades de temperatura i volum. En quines unitats estan la temperatura i el volum mesurats? Observeu en la simulació de la xeringa el canvi de volum en variar la temperatura si s’activa l’opció d’escalfador o de refrigeració, segons el canvi de temperatura proposat, i com s’enregistra el gràfic V/T. Canvieu la temperatura 5 o 6 cops per enregistrar les dades en la taula. Com creieu que serà el gràfic V-T? Cliqueu a l’opció mostrar gràfic. Apareixerà en pantalla un gràfic amb els valors de temperatura i volum enregistrats. Quina magnitud hi ha representada en cada eix? Quina forma té aquest gràfic? Per què? Dibuixeu-lo.

6) Realitzeu les 3 activitats proposades en el full informatiu que hi ha en pantalla en entrar a la Sala de Charles i escriviu els passos que seguiu i els resultats.



L’equació general dels gasos: una combinació entre les dues lleis

Tant la llei de Boyle, com la llei de Charles i Gay-Lussac són útils, però més útil encara ens serà una llei que combini les tres magnituds que descriuen l’estat d’un gas: pressió, volum i temperatura.

Aquesta expressió ens diu que mantenint constant la temperatura obtenim la llei de Boyle, i si mantenim la pressió constant obtenim la llei de Charles.

Aquesta equació no ens diu res sobre la massa de gas o la quantitat, en mols. Quan la quantitat de gas és d’un mol, i les magnituds P, V i T es mesuren en el sistema internacional, la constant té sempre el valor de 8,31 Joules/K·mol que anomenem constant dels gasos ideals i identifiquem com R.

Si la quantitat de gas és de n mols ja podem escriure la forma més general i útil de l’equació general dels gasos:

n.RT VP. =

o també: n.R.T P.V =


1. En un laboratori, un tècnic descobreix una bombona que conté un gas incolor abandonada fa temps en un racó i sense etiqueta identificativa. Per qüestions de seguretat decideix identificar quin gas pot ser. La llista de gasos possibles està reduïda als següents:

gas SO2 NO2 N2 CO2 Massa Molar/ g·mol-1 64 46 28 44

Per l’anàlisi, agafa una mostra amb una xeringa i fa les mesures següents:

- Temperatura ambient 25,0ºC - Pressió atmosfèrica: 101,3 kPa - Massa de la xeringa buida: 68,3 g - Volum del gas desconegut: 153 mL - Massa de la xeringa plena del gas 68,6 g

a. Quina quantitat de gas ha agafat?

Atenció a les unitats Per aplicar correctament l’equació general dels gasos, convé tenir present que la pressió es pot mesurar en diferents unitats: Pascal (Pa); atmosferes (atm); hectoPascal (hPa) ... També de vegades mesurem el volum en m3 i altres vegades en dm3 o litres. Segons quines unitats fem servir la constant R pren un valor o altre:

T .R . n V . P = Pascal. m3 = mol. 8,31 Kelvin R = 8,31 J.mol-1.K-1

T .R . n V . P = Atmosferes. dm3 = mol. 0,0821 Kelvin R = 0,0821 atm.dm-3 mol-1.K-1

constantVP =. : constantT

V =

constant T VP. =



b. Quin és el gas desconegut?

Resp. a) 6,54·10-3 mol; b) NO2

2. La densitat d’un gas es pot calcular a partir de la seva massa i del volum que ocupa en determinades condicions.

a. A partir de l’equació general d’estat dels gasos, comproveu que la densitat d’un gas es pot calcular per la fórmula:

R.TP.M=ρ

on ρ és la densitat, P la pressió, M la massa molar, R la constant dels gasos i T la temperatura absoluta.

b. Utilitzeu aquesta fórmula per calcular la densitat del gas metà (CH4) que es transporta en un vaixell metaner a una pressió de 35 atm i a –150ºC

c. Quina és la densitat d’aquest gas en condicions estàndard (pressió 1 atm i 25ºC)?

Resp. b) 55,45 g/L ; c) 0,65 g/L

3. Es diu que un gas està condicions normals (C.N.) quan la seva pressió és d’1 atmosfera i la temperatura de 0ºC. El volum que ocupa 1 mol de qualsevol gas en condicions normals s’anomena volum molar. Demostreu que el volum molar es Vm= 22,4 L mol-1).

4. Quin és el volum molar en condicions estàndard? (pressió 1 atm i 25ºC)

Resp. 24,5 L·mol-1



FP 3.6 Com podríeu trobar experimentalment la massa molar d’un gas?

Objectiu

Determinar la massa molar d’un gas aplicant la hipòtesi d’Avogadro.

Introducció

Amadeo Avogadro, un físic italià del s. XIX, va seguir el següent raonament: “El fet de que a pressió constant, el volum de qualsevol gas és directament proporcional a la seva temperatura, implica que si disposem de recipients d’igual volum amb gasos diferents, tots a igual temperatura, han de tenir el mateix nombre de partícules”.

En aquest treball pràctic heu de fer servir el raonament o “hipòtesis d’Avogadro” per trobar la massa molar d’un gas desconegut. Per això primer cal que trobeu una relació matemàtica senzilla entre les masses de dos gasos i les seves masses molars.

(Si voleu tenir més informació sobre la hipòtesi d’Avogadro podeu consultar l’annex que trobareu al final de l’activitat).

Disseny del procediment i execució de l'experiència

1 Suposeu que teniu dos gasos A i B en recipients d’igual volum (imagineu dues xeringues), ambdós recipients en estar un al costat de l’altre, podem assegurar que estan a igual temperatura i com que els èmbols de les dues xeringues estan immòbils, els gasos estan sotmesos a la mateixa pressió, que serà la de l’atmosfera.

Escrivint l’equació d’estat per cada gas, heu de demostrar que tots dos gasos contenen el mateix número de mols: nA = nB

2 A partir d’aquesta igualtat, heu d’arribar a la següent:

(MA i MB són les masses molars dels gasos A i B)

3 Suposeu que coneixeu la massa molar d’un gas (l’aire, per exemple) i voleu determinar la massa molar del butà. Penseu un procediment per fer aquesta determinació. Escriviu el procediment i especifiqueu, el material necessari i tots els passos a seguir, especialment les magnituds que caldrà mesurar i les que s’han de mantenir constants. Suposeu que el recipient és una xeringa de 50 cm3 de volum.

4 Compareu el vostre procediment amb el que us proporciona el full d’ajut. La comparació la podeu fer copiant i completant un quadre com el següent: Pas del procediment suggerit per el professor

El meu procediment Comentari (indiqueu quin considereu millor)

5 Un cop tingueu el vist i plau del professor, ara ja podeu seguir els passos del procediment.



Conclusions

Anàlisi de les dades 1 Calculeu la massa molar del gas butà, fent servir la fórmula que relaciona masses de gas amb masses molars. L’aire té una massa molar mitjana de 28,8 g·mol-1

2 Per saber l’error relatiu de la vostra mesura, calculeu la massa molar del butà, a partir de la seva fórmula i d’una taula de masses atòmiques relatives. Quin és l’error relatiu de la mesura que heu fet?



Disseny del procediment per la primera part (full d’ajut per l’alumne/a)


Equipament − Xeringa de 60 cm3 (la gradació d’aquestes

xeringues arriba fins els 50 cm3), preparada tal com s’indica en el pas 1

− Un clau d’uns 5 cm de llarg − Tub de goma (4 cm) acoblat a la xeringa amb

pinça metàl·lica per tancar el tub − Balança, sensibilitat 0,01 g

Reactius i altres materials − Butà ( d’una bombona petita)

Procediment

1 Xeringa per fer mesures quantitatives amb gasos: L’èmbol de la xeringa té un forat per on es passa un clau, de manera que així és pot fixar

l’èmbol en un volum determinat. La xeringa porta un tub de goma amb pinça metàl·lica. Vegeu figures 2 Treure el clau, obrir la pinça metàl·lica i baixar l’èmbol a

volum zero. Tancar el tub de goma amb la pinça i fent força (caldrà l’ajut d’algú) estirar l’èmbol per tal de fer el buit fins que es pugui passar el clau per el forat fet en l’èmbol. Ara, es pesa el conjunt: això és la massa de la xeringa buida.

3 Obrint la pinça, es deixa entrar aire, es torna a tancar la pinça (no s’ha de tocar el clau) i es pesa altra vegada. La diferència entre aquesta massa i l’anterior és la massa d’aire.

4 Per omplir de gas butà, es suficient connectar el tub de goma a la sortida de gas d’un bec

tipus “labo-gas”, l’èmbol està baixat i es va ajudant a pujar fins que es pot posar el clau que fixa el volum. Cal fer-ho prop d’una finestra oberta o en indret amb bona ventilació.

5 Posar la pinça metàl·lica tancant la xeringa i pesar-ho. La diferència entre aquesta massa i

la de la xeringa buida és la massa de butà. 6 Aplicar la fórmula deduïda a partir de la hipòtesi d’Avogadro



La llei de Gay-Lusac i la teoria d’Avogadro: com hem sabut que els gasos estan formats per molècules?

A finals del segle XVIII, els químics es van interessar particularment en les reaccions entre gasos. Ja coneixien que quan es feia explotar una mescla dels gasos hidrogen i oxigen, un volum determinat de gas hidrogen reaccionava sempre amb la meitat de volum de gas oxigen. El químic Joseph Louis Gay-Lussac ho va confirmar, afegint el detall que els volums de gasos calien ser mesurats en iguals condicions de temperatura i de pressió.

Impactat per la senzilla relació de 2:1, Gay-Lussac va examinar més casos de mescles de gasos que reaccionen i va trobar les següents relacions:

1 volum d'hidrogen + 1 volum de clor 2 volums de clorur d'hidrogen

1 volum de nidrogen + 2 volums d'oxigen 2 volums de diòxid de nitrogen

1 volum de nitrogen + 3 volums de nitrogen 2 volums d'amoníac

Gay-Lussac ho va expressar indicant que “Els volums dels gasos que reaccionen i els volums dels gasos que s’obtenen com a productes estan en una relació senzilla de nombres enters, sempre que es mesurin a igual temperatura i pressió” .

En conèixer aquesta afirmació de Gay-Lussac, els químics de l’època (cal recordar que això passava a principis del segle XIX, quan encara ningú tenia clar què era una molècula), intentaren trobar un model que ho expliqués. En aquella època l’únic model que estava admès era el del químic anglès John Dalton, per el qual, els gasos estaven formats per àtoms.

És a dir:


1 volum de nitrogen + 2 volums d'oxigen 2 volums de diòxid de nitrogen

?+

?

En ambdós casos es veu que el model no és correcte, implica que apareixen més àtoms dels que hi ha a l’inici.

Va ser el científic italià Amedeo Avogadro, que va proposar el model correcte, basant-se en la suposició, coneguda com “Hipòtesi o Teoria d’Avogadro”

“Gasos que ocupen igual volum contenen el mateix nombre de partícules, si estan en iguals condicions de pressió i de temperatura.”



Observeu que això implica que si un volum de hidrogen conté N molècules, un volum igual de clor, també tindrà N molècules i dos volums de clorur d’hidrogen contindran 2N molècules:

N molècules de hidrogen + N molècules de clor → 2N molècules de clorur d’hidrogen La qual cosa vol dir que: ½ molècula de hidrogen i ½ molècula de clor formen una molècula de HCl

Per que això tingui sentit, la solució és que la ½ molècula sigui un àtom i que una molècula tingui dos àtoms ! Ara si que el model s’ajusta a les observacions experimentals


+

H2 + Cl2 2 HCl

Els gasos estan formats per molècules. Les substàncies simples gasoses, excepte els gasos nobles, estan formades per molècules diatòmiques.



FP 3.7 Els autobusos del transport metropolità Amb la llei dels gasos, podem relacionar la quantitat de gas, la seva temperatura, el volum que ocupa i la pressió que exerceix. Tots aquests paràmetres cal considerar-los quan es dissenyen vehicles que utilitzen combustibles gasosos.

L’emmagatzematge i el repostatge

Els autobusos que utilitzen el gas natural comprimit porten el combustible en 8 cilindres d’uns 140 L cadascun, tal com mostra la fotografia. El gas natural que utilitzen prové de la xarxa domèstica de gas, en la qual la pressió és de 10 bar. Si el carreguessin directament, la quantitat de gas que portaria un autobús quan acabés d’omplir els dipòsits seria massa petita i el vehicle tindria poca autonomia. Per això, els autobusos carreguen els seus dipòsits en estacions preparades per a comprimir el gas fins uns 200- 250 bar de pressió.

Per aconseguir la pressió necessària, el gas natural de la xarxa es sotmet a una gran compressió El gas a altes pressions permet que en un volum no massa gran, es pugui transportar una massa suficient per tenir una autonomia de molts quilòmetres.

Els dipòsits de combustible Els autobusos de GNC porten els dipòsits de gas natural en el sostre, tal com mostra el dibuix següent. Tanmateix, aquests dipòsits es poden veure sotmesos a canvis importants de temperatura, especialment a l’estiu. És adequada aquesta ubicació per al combustible? Hi ha perill que puguin explotar?

Figura 1. Dipòsits de GNC dels autobusos

Figura 2. Esquema general d’una planta de subministrament de GNC per a autobusos.



Amb l’augment de temperatura, augmenta la pressió del gas. Els dipòsits dels autobusos estan fets de fibra de vidre i estan testats per aguantar pressions de 500 bar, el doble de la pressió màxima amb què es carreguen. També, tenen vàlvules de seguretat, tal com es veu en el dibuix, que contenen una pastilla d’estany i plom que es fon a 103ºC, i allibera de manera controlada el gas a l’atmosfera.


1. Calculeu la quantitat de metà que hi hauria en els dipòsits dels autobusos, a 20ºC, si s’omplissin amb el gas natural de la xarxa domèstica que està a 10 bar. R= 8.31 J·mol-1·K-1; 1 bar =105Pa Resp. 460 mol metà

2. Calculeu la quantitat de metà que hi ha en els dipòsits dels autobusos, a 20ºC, quan estan plens a 250 bar. Resp. 11500 mol metà

3. Els 8 dipòsits plens, a 250 bar, proporcionen una autonomia de 450 km. Quin recorregut es podria fer si el gas es trobés a 10 bar de pressió? Resp. 18 km

4. Si un volum de 140 L de metà a 10 bar es comprimís, sense variar la temperatura, quin volum ocuparia quan la pressió fos de 250 bar? Resp. 5,6 L

5. Durant el funcionament del autobús el gas natural surt del dipòsit per diferència de pressió, de manera que quan la pressió del gas és la pressió atmosfèrica, es pot considerar el dipòsit buit, tot i que encara conté metà a l’interior. Quina massa de metà queda en un dipòsit “buit” si està a 20ºC? Resp. 93 g

6. Els dipòsits s’omplen de gas natural a 250 bar i a una temperatura de 20ºC. Sabent que la màxima pressió que poden suportar és de 500 bar, fins quina temperatura podria escalfar-se el gas natural que contenen? Expresseu el resultat en ºC. Resp. 313ºC

7. Les vàlvules de seguretat serveixen per controlar la pressió dels dipòsits i evitar que arribin a valors de risc. A quina pressió estaria el gas en el moment en què es fonen les pastilles de seguretat? Resp. 320,8 bar

Figura 3.Esquema d’un autobús que utilitza el gas natural comprimit com a combustible.



8. Els dipòsits de gas natural estan situats en el sostre del vehicle. Quina és la densitat relativa del metà respecte l’aire, si estan a la mateixa pressió i temperatura? Cap on es mourà aquest gas? Es adequada la ubicació dels dipòsits de GNC en els autobusos? (Considereu que la massa molar de l’aire és 28,8 g·mol-1) Resp. Densitat relativa del metà= 0,56.



FP 3.8 Què hem après? En aquesta activitat trobareu una llista amb els punts fonamentals que convé que tingueu recollits en els vostres apunts i unes qüestions per comprovar els vostres coneixements de química.

Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades aquests conceptes i aquests procediments en estudiar unitats posteriors.

• Teoria cinèticomolecular dels gasos • Les relacions de les variables P, V i T dels gasos • Les lleis dels gasos • La llei dels gasos ideals • Volum molar d’un gas Exercicis i qüestions

1. Un motor de coet crema gas hidrogen per a impulsar-lo fora de l'atmosfera de la Terra. El coet té un dipòsit per contenir hidrogen d'un volum de 15 m3. Per omplir el dipòsit es fa a la pressió atmosfèrica (1,01. 105 Pa) i s'utilitzen 700 m3 de gas. Tot el procés es fa a la temperatura de 15ºC. a. Quina és la capacitat del dipòsit del coet, expressada en litres? b. Si l'hidrogen té una densitat de 0,085 g /L a la temperatura de 15ºC, quina massa

d'hidrogen hi ha en els 700 m3? c. A quina pressió ha d'estar el gas hidrogen comprimit en els dipòsits del coet? d. Quina massa d'hidrogen transporta el coet, amb el dipòsit ple? Resp. a) 15000 L; b) 59,3 kg; c) 4,71·106 Pa; d) 59,3 kg

2. Quan 1 mol de TNT explota en un recipient de 1.000 cm3 de capacitat, es formen 23 mols de productes gasosos a una temperatura de 727ºC (suposem que els únics productes presents en el recipient són: monòxid de carboni, diòxid de carboni, aigua i dinitrogen). Calculeu la pressió generada en el recipient (suposant que no fa explosió). Resp. 1886 atm

3. S’ha proposat l’hidrogen com a combustible per substituir el petroli. L’hidrogen planteja un problema: com es tracta d’un gas ocupa un volum molt gran (2 g en C. N. ocupen 22,4 L) i, per tant, cal comprimir-lo perquè una quantitat suficient d’hidrogen càpiga en el volum típic d’un dipòsit de combustible (uns 50 dm3). Si augmentem la pressió de l’hidrogen en el dipòsit, el volum ocupat pel gas disminueix. Admetent que la temperatura del gas roman constant:

a. Quin volum ocuparia l’hidrogen contingut en un dipòsit de 50 dm3 si la pressió augmentés d’una atm a:

I 15 atm II 70 atm

b. Quina massa d’hidrogen es pot emmagatzemar en un volum de 50 dm3 a temperatura ambient (25ºC) i a una pressió de:

I 1 atm II 30 atm III 200 atm

c. Quins problemes es poden plantejar a la pràctica, si utilitzem altes pressions per augmentar la quantitat d’hidrogen que es pot subministrar en cilindres o dipòsits?

Resp. aI) 3,3 dm3; aII) 0,7 dm3; bI) 4,1 g; bII) 122,8 g; bIII) 818,5 g;



4. Calculeu el nombre d'àtoms que formen les molècules de butà contingudes en un recipient de 100 cm3, a la pressió de 101kPa i a la temperatura de 400K. Resp. 2,56·1022 àtoms.

5. Una ampolla d'acer de 30 dm3 conté heli comprimit a una pressió de 10 atm. Si l'heli s'empra per omplir globus, calculeu quants globus se'n podran omplir amb l'heli de l'ampolla, si cada globus té un volum de 400 cm3 i la pressió a l'interior és d'1atm. Considereu la temperatura constant. Resp. 750 globus

6. Dos recipients A i B de 5,0 i 8,0 dm3 de volum contenen nitrogen. El recipient A conté 20,0 g de gas i el B 28,0 g. La temperatura de tots dos és de 20°C. Si es posen en comunicació tots dos recipients, calculeu, una vegada els gasos s'hagin difós:

a. La pressió final. b. La massa de nitrogen que deu haver passat d'un recipient a l'altre.

(Suposeu que la temperatura no es modifica) Resp. a) 3,17 atm; b) 1,53 g d’A a B

7. La densitat d'un gas en c.n. és de 1,43 kg m-3. Calculeu la densitat d'aquest gas a 300K i

104 Pa. Resp. 0,14 kg m-3

8. En un recipient de 5,0 dm3 que conté He en c.n., s'hi introdueixen 2,0 dm3 de nitrogen a 2,0 x105 Pa i 300 K. El recipient tancat s'escalfa després fins a la temperatura de 330K. Calculeu:

a. La pressió a l'interior del recipient, quan la temperatura és de 330 K.

b. La temperatura a què s'ha de refredar la mescla gasosa perquè la pressió a l'interior del recipient sigui d'1,5x105Pa.

Resp. a) 2,1·105 Pa; b) 235,7 K

9. Es tenen 250 g de diòxid de carboni: a. Quin volum ocuparan en c.n.? b. I si el CO2 estigués a 75ºC i 2,65 atm? Resp. a) 127,3 L; b) 61,2 L

10. En un dipòsit amb una capacitat de 50 m3 hi ha CH4 a 10ºC i 1,20 atm. a. Quina massa de CH4 hi ha? b. Quina serà la pressió a l’interior del dipòsit si un dia molt calorós la temperatura

arriba als 38ºC? Resp. a) 41,4 kg; b) 1,32 atm

11. Calculeu la densitat del gas expressada en g·L-1 dels gasos següents mesurats en c.n.: oxigen, diòxid de carboni, heli. Resp. d(O2)= 1,43 g/L ; d(CO2)= 1,97 g/L; d(He)= 0,18 g/L

12. En un recipient amb un volum de 5 dm3 hi ha 11,2 g d’un determinat gas, a una temperatura de 27ºC i una pressió de 1,4·105 Pa. Determineu la massa molar del gas. Resp. 40 g·mol-1

13. Calculeu la massa d’aire que hi ha en un pneumàtic d’automòbil de 20 L de volum que

s’ha inflat a una pressió de 120 kPa superior a la de l’aire atmosfèric, i que està a una temperatura de 18ºC. La massa molar mitjana de l’aire és de 28,8 g·mol-1 i la pressió

atmosfèrica és de 100,0 kPa. Resp. 52,4 g



FP 4 pàg La petjada ecològica. Emissió CO2. Petjada ecològica.

Alternatives a la gasolina: gas natural. Autobús TMB.

FP 4.1 95 Quines emissions de diòxid de carboni es produeixen?

Realització de càlculs estequiomètrics en reaccions en què intervenen sòlids, líquids, gasos i solucions. Càlculs estequiomètrics. Quantitats de reactius i productes. Reactiu limitant. Rendiment d’una reacció. Grau de puresa d’una mostra.

FP 4.2 101 Reaccions químiques animades. Reactiu limitant.

Interpretació molecular i representació d'una reacció química mitjançant una equació química. Identificació del reactiu limitant.

FP 4.3 Experiments de combustió Vídeo de dos experiments que porta a reflexionar sobre les relacions estequiomètriques i el concepte de reactiu limitant.

FP 4.4 103 Què hem après



FP 4.1 Quines emissions de diòxid de carboni es produeixen? pàg. 95



FP 4.2 Reaccions químiques animades pàg. 101

FP 4.3 Experiments de combustió



FP 4.1 Quines emissions de diòxid de carboni es produeixen? La petjada ecològica La petjada o empremta ecològica és un concepte que sintetitza l’impacte de l'activitat humana sobre el medi. Indica les hectàrees de terreny que és necessari cultivar per proveir-nos d'aliments, per tenir un habitatge, per escalfar-nos, per desplaçar-nos a treballar o estudiar, per anar de vacances, per consumir tot tipus de productes, etc. El seu objectiu fonamental consisteix a avaluar l'impacte sobre el planeta d'una determinada manera de viure i del seu grau de sostenibilitat.

La petjada ecològica varia segons els països, el seu grau de desenvolupament i el seu model econòmic i social tal com podeu veure en la figura següent.

Figura 1. Mapa mundial de petjada ecològica (2007).

Bàsicament la petjada ecològica està basada en dos aspectes: l’empremta del carboni i la que no és del carboni. L’empremta del carboni correspon a les hectàrees de bosc necessàries per a

absorbir el CO2 que provoca el nostre consum de combustibles fòssils per a la producció d’energia. L’empremta que no és del carboni correspon a la quantitat de superfície necessària per al desenvolupament d’altres activitats humanes com l’habitatge, l’agricultura, la ramaderia, la pesca i l’explotació forestal.

Tal com es pot comprovar en la gràfica, el gran augment en l’ús de combustibles fòssils ha estat la principal causa en l’augment de la petjada

ecològica durant els darrers 50 anys. Aquests combustibles s’han utilitzat majoritàriament per

al transport. En el futur probablement es substituirà la gasolina per altres combustibles, però, per ara, quasi tots els vehicles de transport siguin automòbils, vaixells o avions, cremen gasolina, gasoil o fuel-oil en els motors de combustió. La raó és l’enorme poder calorífic d’aquest combustible. Un litre de gasolina proporciona, quan es crema, una energia de 34.000.000 J.

La gasolina és una font d’energia altament concentrada. Si a més a més tenim en compte com n’és de fàcil i relativament econòmic construir motors de gasolina, no és gens estrany que la gasolina sigui tan popular.

Gràfic 1. Evolució de l'empremta ecològica.



Però la gasolina té dos inconvenients. Es tracta d’un recurs no renovable, ja que les reserves de petroli són limitades, probablement no duraran més de 100 anys (pel·lícula The Oil Crash). Un altre dels inconvenient de la gasolina és la contaminació que origina. Quan es crema produeix diòxid de carboni, CO2, que és la causa principal de l’efecte hivernacle. Aquesta emissió és la que es valora en la petjada ecològica.

L’emissió de CO2 en els mitjans de transport

Actualment tots els vehicles indiquen la seva producció de CO2 per cada quilòmetre recorregut. La taula següent (obtinguda de http://www.josoclasolucio.com/calculadora/indexcat.php) mostra aquesta dada per a diferents mitjans de transport. Tal com podeu observar l’emissió de CO2 varia força entre els tipus de transport.

Tipus de transport Emissions g CO2/km

Caminar 0 Bicicleta 0 Tramvia 25 Tren 25 Metro 25 Autobús 62 Moto 120 Cotxe petit 120 Cotxe mitja 190 Cotxe gran 220 Avió 450

Taula 1 Emissions de CO2 de diferents transports Com es calculen els grams de CO2/km que emet un vehicle?

Vegem-ho amb un exemple:

Posem 10 litres de gasolina sense plom 95 (densitat 718 g/L) en el dipòsit d’un Ford Focus Berlina 1.6 EcoBoost. Calcularem els grams de CO2 que s’alliberaran a l’atmosfera i els grams de CO2/km.

Per començar cal saber quina reacció química s’ha produït.

La gasolina no està formada per una substància única sinó que, tal com has vist en aquesta unitat, és una mescla molt complexa, però per simplificar, podem considerar que la seva fórmula és C8H18 (octà). En el motor, la gasolina es barreja amb l’oxigen de l’aire (es crema) i es converteix en diòxid de carboni i vapor d’aigua.

Aquesta transformació produïda en el motor s’indica mitjançant l’equació química. En ella s’hi escriuen les fórmules de les substàncies que hi ha al principi del procés (reactius) i les que es formen (productes de la reacció). Se sol indicar entre parèntesis l’estat en què es troba cada substància.

Figura 1. Omplint el dipòsit.

Figura 2. Alliberament de gasos.



C8H18 (l) + O2(g) →CO2(g) + H2O(g) La conseqüència d’aquesta reacció és que pel tub d’escapament surten els gasos que s’han format i l’energia alliberada serveix per moure el vehicle.

L’equació química s’ha d’igualar per obtenir informació de la proporció amb què reaccionen o es formen les substàncies implicades.

C8H18 (l) + 12,5 O2 (g) →8 CO2 (g) + 9 H2O(g)

Així, l’equació anterior igualada ens indica que en el procés cada molècula d’octà es combina amb 12,5 molècules d’oxigen i, com a resultat, es formen 8 molècules de diòxid de carboni i 9 molècules d’aigua.

Aquestes proporcions es refereixen a quantitats molt petites, a molècules, però serà més útil si ens referim a mols de molècules en lloc de molècules. La proporció entre les molècules es manté si multipliquem per 10 la reacció anterior,

10 C8H18 (l) + 125 O2 (g) →80 CO2 (g) + 90 H2O(g)

o si la multipliquem per qualsevol valor com 6 x1023

6 x 1023 C8H18 (l) + 12,5 x 6 x 1023 O2 (g) →8 x6 x1023 CO2 (g) + 9 x 6 x1023 H2O(g)

Si recordem que un mol d’una substància conté 6,02x1023 entitats materials elementals, que en el cas que ens ocupa són molècules, també podem dir que:

“1 mol de molècules d’octà reacciona amb 12,5 mols de molècules d’oxigen (O2) per donar 8 mol de molècules de diòxid de carboni (CO2) i 9 mols de molècules d’aigua (H2O)”.

C8H18 (l) + 12,5 O2 (g) →8 CO2 (g) + 9 H2O(g)

Aquesta equació igualada ens indica la proporció de la quantitat de cada substància que intervé en la reacció, expressada en mols. I això ens permet calcular la quantitat de productes que es forma en les reaccions.

Calculem la quantitat de gasolina que cremarem i l’expressem en mols: Dades: M(C8H18)= 114 g·mol-1 ; densitat(C8H18)= 718 g·L-1

10LC8H18 · = 62,98 mol C8 H18

Trobem la quantitat de diòxid de carboni que es generarà:

62,98mol C8 H 18·8mol CO2

1mol C8 H 18

= 503,86mol CO2

Expressem aquesta quantitat en grams:

M(CO2)= 44 g·mol-1

503,86mol CO2 ·44g CO2

1mol CO2

= 22169,8g CO2= 22kgCO2

Aquest primer resultat ens informa de la quantitat de diòxid de carboni que emet aquest vehicle quan consumeix els 10 litres de gasolina.

Per trobar els grams de CO2/km necessitem conèixer el consum que té aquest vehicle. Des de l’any 2002 hi ha una normativa3 que obliga als fabricants d’automòbils a informar del consum dels vehicles i de les emissions de CO2 que generen. A http://www.idae.es/coches/ hem trobat la següent informació sobre el vehicle.

1 http://www.idae.es/Coches/Repositorio/Ficheros/4/Real%20Decreto%20837-2002.pdf

Per comprendre millor aquesta transformació hem d’analitzar-la a escala microscòpica tal com es fa a l’activitat final.



Informació tècnica: Ford Focus Berlina 1.6 Ecoboost (150cv) Auto-Start-Stop Característica Valor

Segment Comercial Berlines i Familiars Mitjans

Combustible Gasolina Cilindrada (cm3) 1596 Tipus de Canvi M Tara Nominal Mínima (kg) 1258 Potència Màxima CV (kW) 149,46 (110) Dimensiones (llargada x amplada x alçada (mm))

4358 x 1823 x 1484

Nº de Places Màximes 5 Consum (l/100 km) 6 Emissions (gCO2/km) 139 Classificació per Consum Relatiu Quants km recorreríem amb aquests 10 litres de gasolina? Considerem el consum que trobem en la informació tècnica (6 litres/100 km)

10L gasolina·100km

6 L gasolina= 166,67km

Haurem emès:

22169,8g CO2

166,67km= 133g CO2/km

Fixeu-vos que el valor obtingut és molt semblant al que ens indiquen en la informació tècnica. Tanmateix, si volem reduir la quantitat de CO2 emès a l’atmosfera podem utilitzar alguns trucs com circular a menys de 2500 revolucions per minut, evitar les velocitats elevades o limitar l’ús de l’aire condicionat. Tot i que, si mirem la taula 1 , sempre hi ha opcions millors.

Exercici 1

Escolliu un trajecte que feu amb certa regularitat en un vehicle motoritzat i calculeu els grams de CO2 que allibereu a l’atmosfera cada vegada que feu aquest trajecte.

Dades que heu de tenir: - Distància recorreguda - Consum del vehicle - Tipus de combustible (Utilitza les dades següents per als càlculs)

Dades que heu de calcular: - Quantitat de combustible gastada - Quantitat de CO2 emesa

Tipus de combustible Fórmula química aproximada Densitat (g/L) gasolina 95 C8H18 718 gasolina 98 C8H18 769

gasoil C12H26 850



ACTIVITAT : Igualació d’equacions químiques Objectius

Comprendre què succeeix en una reacció química a nivell atòmico-molecular.

Saber igualar les equacions químiques. Procediment

L’equació que analitzarem és la combustió de l’octà: C8H18 + O2 →CO2 + H2O 1. Per representar la reacció química utilitzarem boles de colors i mides diferents. Com que la

reacció que analitzarem és la combustió de l’octà necessitareu tres tipus de boles diferents per representar els àtoms de carboni, els d’hidrogen i els d’oxigen.

2. Prepareu dos espais propers, en un situareu els reactius i en l’altre els productes.

3. Espai dels reactius: - Ajunteu els àtoms necessaris per fer la molècula C8H18. - Formeu també algunes molècules d’oxigen.

4. Espai dels productes de la reacció: • Compteu els àtoms que heu posat a l’espai dels reactius i poseu-los a l’espai dels

productes. • Combineu aquests àtoms per tenir molècules de CO2 i d’H2O. Si veieu que us falten

àtoms podeu afegir més molècules de reactius i els àtoms corresponents en els productes.

5. Recordeu que SEMPRE heu de tenir el mateix nombre de cada tipus d’àtoms en els dos espais.

Conclusions:

- Observeu els dos espais i expliqueu què succeeix en una reacció química amb els àtoms? - Imagineu que poguéssiu pesar les boles que heu utilitzat. Compareu el pes de l’espai dels

reactius i el dels productes. - Compteu el nombre de molècules que heu utilitzat i escriviu-lo davant la seva fórmula.

C8H18 + O2 → CO2 + H2O El nombre mínim de molècules de cada espècie que heu necessitat s’anomena coeficient estequiomètric. L’equació química que queda està igualada.


De la mateixa manera que heu fet amb les boles, podeu igualar una equació química comptant els àtoms que hi ha a cada costat de l’equació. Si el nombre és desigual multipliqueu les fórmules per un nombre, per aconseguir igualar el nombre d’àtoms.

Podeu practicar amb les equacions següents:

Fe S2 + O2 → Fe2 O3 + SO2

C4 H10 + O2 → CO2 + H2O CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + HF K + H2O → KOH + H2

H2O+ SO2→ H2S+ O2



N2+ H2→ NH3

CO2+ H2O→ C6H12O6 + O2

KClO3→ KCl+ O2

CaO +H2O→ Ca(OH)2

Podeu fer més pràctiques a http://funbasedlearning.com/chemistry/chemBalancer/default.htm



FP 4.2 Reaccions químiques animades. Reactiu limitant En aquesta activitat utilitzareu diferents simulacions per entendre què succeeix a nivell microscòpic quan es produeix una reacció química i poder deduir què obtindrem en finalitzar la reacció. Què és el reactiu limitant?

Observeu l’animació que trobareu a: http://www.deciencias.net/proyectos/Tiger/paginas/LimitingReactant.html

Fixeu-vos en els aspectes següents:

- nombre de molècules inicials de N2 - nombre de molècules inicials de O2 - nombre de molècules formades de NO - nombre de molècules dels reactius que no

reaccionen

Quina conclusió en traieu?

Heu d’explicar què entenem per reactiu limitant i reactiu en excés. També heu de poder preveure quantes molècules de producte es formaran.

Comproveu les vostres conclusions en altres reaccions, com les que trobareu a:

http://phet.colorado.edu/en/simulation/reactants-products-and-leftovers Obriu la pestanya Real Reaction i estudieu les tres reaccions que us proposen. Càlculs utilitzant quantitat de substància

Els vostres resultats també són vàlids si considereu les quantitats expressades en mols. Això us permetrà fer càlculs en les reaccions químiques, esbrinar quin és el reactiu limitant i el reactiu en excés i trobar les quantitats de producte que es formen. Connecteu-vos a http://www.chemcollective.org/applets/stoich.php

1. Escolliu la reacció Fe + S → FeS fent un clic amb el botó dret en la zona de reactius i productes.



2. Fixeu les quantitats de reactius que hi ha en el quadre de càlculs. Per fer-ho, cliqueu amb el botó dret sobre el nombre de mols.

3. Penseu quin és el reactiu limitant i quin està en excés i anoteu-ho en el quadre. Determineu també la quantitat de producte que es formarà i comproveu-ho fent lliscar la barra fins al 100%.

Fe S FeS Quantitat inicial (mol) 2 5

Quantitat que no reacciona (mol)

Quantitat formada (mol)

4. Proposeu un altre exemple de càlcul per aquesta reacció i dos més per la reacció

H2 + I2 → 2 HI Càlculs utilitzant la massa

Quan les quantitats dels reactius les tenim expressades en massa necessitem passar-les a quantitat de substància per poder trobar el reactiu limitant i determinar la massa de productes que es formarà.

5. Completeu el quadre de càlcul següent per a la reacció:

2 NH3 + CO2 → (NH2)2CO + H2O

NH3 CO2 (NH2)2CO H2O Quantitat inicial (g) 10 20

Quantitat inicial (mol)

Quantitat que no reacciona (mol)

Quantitat que no reacciona (g)

Quantitat formada (mol)

Quantitat formada (g)

6. Proposeu unes quantitats inicials diferents d’aquests dos reactius i elaboreu tot el quadre

de càlculs.

1

2

3



FP 4.4 Què hem après?

En aquesta activitat trobareu una llista amb els punts fonamentals que convé que tingueu recollits en els vostres apunts i unes qüestions per comprovar els vostres coneixements de química.

Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades aquests conceptes i aquests procediments en estudiar unitats posteriors.

• Interpretació molecular i representació d'una reacció química mitjançant una equació química.

• Igualar les equacions químiques.

• Realització de càlculs estequiomètrics en reaccions en què intervenen sòlids, líquids i gasos.

• Identificació del reactiu limitant.


1. Es produeix la combustió completa de 76 g d’hidrocarbur C10H18:

a. Escriviu i igualeu la reacció que es produeix.

b. Calculeu el nombre de mols de CO2 que es produeixen.

c. Determineu el volum d’oxigen i després el volum d’aire, a 25ºC i 1 atm, necessari per a la combustió completa d’aquesta quantitat d’hidrocarbur.

Dades: H=1; C=12; O=16. Considereu que l’aire en aquestes condicions conté el 21% en volum d’oxigen. Resp: b) 4,9 mol CO2 c) 195,5 dm3 O2, 930,9 dm3 aire

2. El gas hidrogen s’obté industrialment fent reaccionar una barreja de metà amb vapor d’aigua. Com a producte de la reacció s’obté també diòxid de carboni. Escriviu, igualeu l’equació química i calculeu:

a. El volum d’aigua que hauríem de vaporitzar perquè reaccioni amb 80 g de metà. Densitat de l’aigua: 1 g/mL.

b. El volum de gas hidrogen que s’obtindrà a 80 ºC i 5 atm de pressió. Resp: a) 180 mL b) 115,8 L

3. El benzè (C6H6) és líquid a temperatura ordinària i té una densitat de 878 kg·m-3.

a. Escriviu la reacció de combustió del benzè.

b. Si cremem 50 cm3 de benzè, calculeu el volum d’aire necessari per a la combustió, mesurat a 20 °C i 1 atm. Contingut d’oxigen a l’aire: 21 % en volum.

c. Trobeu el nombre de molècules de CO2 obtingudes en la combustió. Resp: b) 482,9 L aire

4. A les centrals tèrmiques s’hi crema combustible per obtenir energia. A causa de l’origen del petroli, el combustible sol dur compostos de sofre que, quan es cremem produeixen SO2, un gas irritant que pot causar pluja àcida. Per tal d’evitar-ho, a les xemeneies s’hi col·loca un filtre amb hidròxid de magnesi, que reacciona amb el gas donant sulfit de magnesi (una sal no volàtil) i aigua.

a. Escriviu i ajusteu la reacció.



b. Determineu el volum de SO2 que evitem que vagi a parar a l’atmosfera si cada hora es recullen 1,67 kg de sulfit de magnesi. El gas surt a una temperatura de 70ºC i a la pressió atmosfèrica.

c. Calculeu la massa d’ hidròxid de magnesi que es necessita cada hora. Resp: b) 450 dm3; c) 932,8 g

5. La nitroglicerina és l’explosiu més utilitzat i sorprenentment també es fa servir com a vasodilatador per a malalties cardíaques a dosis molt baixes, per la qual cosa s’aplica en el tractament de l’angina de pit. Fou descoberta per Ascanio Sobrero el 1846, però a causa de la seva gran sensibilitat al xoc que tenia era molt perillosa, fins que 1866 Alfred Nobel la va barrejar amb altres substàncies, de manera que manipular-la i transportar-la resultava menys perillós. Una d’aquestes mescles rep el nom de dinamita.

L’explosió de la nitroglicerina obeeix a l’equació següent:

2 C3H5(NO3)3 (l) � 6 CO2 (g) + 3 N2 (g) + ½ O2 (g) + 5 H2O (l)

a. Calculeu quants grams i quants mil·lilitres de nitroglicerina han explotat si s’han produït 60,61 L de N2 en condicions normals? La densitat de la nitroglicerina és 1,26 g/mL.

Resp: a)409,48 g de nitroglicerina i 324,98 ml de nitroglicerina.

6. La descomposició de l’aigua oxigenada o peròxid d’hidrogen, en determinades condicions produeix aigua i oxigen. Quants litres d’oxigen, a 400 ºC de temperatura a 2,2 atm de pressió, s’obtindran a partir de la reacció total de 300 g d’aigua oxigenada? Resp: 110,66 L O2

7. El crom en el seu estat d’oxidació (VI) es considera perillós i es pot eliminar segons la reacció:

4 Zn(s) + K2Cr2O7(aq) + 7 H2SO4(aq) � 4 ZnSO4(aq) + 2 CrSO4(aq) + K2SO4(aq) + 7 H2O(l)

Si es barreja 1 mol de cada reactiu, determineu quin és el reactiu limitant de la reacció i quina quantitat de sulfat de crom (II), CrSO4, s’obté.

8. L’azobenzè, (C6H5N)2 , és un producte industrial, intermedi en la preparació de tints, que s’obté a partir de la següent reacció entre el nitrobenzè, C6H5NO2, (ρ = 1,20 g·ml-1) i el trietilenglicol (ρ = 1,12 g·ml-1).

2 C6H5NO2(l) + 4 C6H14O4(l) � (C6H5N)2(s) + 4 C6H12O4(l) + 4 H2O(l)

Es fan reaccionar 0,25 l de cadascun dels dos reactius, calculeu la quantitat d’azobenzè que es formarà. Dades: Masses atòmiques relatives: H: 1,008; C: 12,011; N:14,007 Resp: 0,45 mol

9. El carbur de calci (CaC2) utilitzat per produir acetilè es prepara a partir de l’equació següent:

CaO (s) + C(s) � CaC2(s) + CO2(g)

Si una mescla sòlida conté 1150 g de cada reactiu, quina massa de carbur de calci es poden preparar? Dades: Masses atòmiques relatives: C: 12; O:16 i Ca: 40. Resp: 1314 g.



FP 5 Pàg. Derivats del petroli com a

matèries primeres per a l’obtenció de polímers sintètics i medicaments.

Polímers i medicaments.

FP 5.1 110 Polímers a partir del petroli i polímers solubles.

Relació entre propietats, estructura i aplicacions dels polímers.

FP 5.2 121 Fabricació d’un gel polimèric. Caracterització de les reaccions de polimerització i identificació experimental dels polímers a partir de les seves propietats.

FP 5.3 123 Vídeo d'obtenció de niló al laboratori.

Caracterització de les reaccions de polimerització i identificació experimental dels polímers a partir de les seves propietats. Compostos orgànics oxigenats:aldehids i cetones.

FP 5.4 124 Medicaments i petroli? Compostos nitrogenats: amines i amides. Revisió de tots els grups funcionals.

FP 5.5 129 Síntesi d’un fàrmac: àcid acetilsalicílic.

Caracterització dels processos de síntesi d'alguns compostos orgànics i, en particular, d'algun medicament.

FP 5.6 131 Quin/s principis actius contenen els analgèsics?

Realització experimental d'una separació de components per cromatografia en capa fina. Descripció d'alguns mètodes emprats per identificar principis actius en un fàrmac, com ara cromatografia en capa fina.

FP 5.7 134 Química dels nous materials.




FP 5.1 Polímers a partir del petroli i polímer solubles. pàg. 110

FP 5.2 Fabricació d’un gel polimèric pàg. 121



FP 5.3 Vídeo d’obtenció de niló al laboratori pàg. 123

FP 5.4 Medicaments pàg. 124



FP5.5 Síntesi d’un fàrmac: àcid acetilsalicílic pàg. 129

FP 5.6 Quins principis actius contenen els analgèsics? pàg. 131



FP 5.7 Química dels nous materials pàg. 134




FP 5.1 Polímers a partir del petroli i polímers solubles De l’etè al poli(etè). Un descobriment accidental El 1930, la indústria química ICI del Regne Unit, va endegar un programa d’investigació sobre el desenvolupament de processos a elevades temperatures i pressions amb l’objectiu de dissenyar nous colorants. Els seus resultats no foren satisfactoris i el projecte fou finalment abandonat.

El treball de l’equip d’investigació s’orientà aleshores cap al camp de les reaccions gasoses a pressions elevades. El divendres 24 de març de 1933, dos químics dugueren a terme la reacció entre l’etè i el benzaldehid a una pressió propera a les 2.000 atmosferes. Ambdós investigadors esperaven obtenir una cetona a partir dels dos productes esmentats, segons la reacció present en la Figura1.

Deixaren reaccionar la mescla durant tot el cap de setmana, però el muntatge devia tenir alguna fuita i en un moment determinat hagueren d’afegir una quantitat addicional d’etè. Figura 1 Obtenció d’una cetona a partir del benzaldehid i l’etè.

Obriren el matràs el dilluns següent i trobaren una substància blanca d’aspecte ceri. L’analitzaren i comprovaren que la seva fórmula empírica era CH2. En intentar reproduir

l’experiment, no foren capaços de repetir els mateixos resultats: algunes vegades obtenien el sòlid blanc descrit i en altres ocasions tenien pitjor sort, fins el punt que la mescla explotava deixant-los emmascarats de sutge. El treball fou interromput en juliol de 1933 a causa del caràcter no reproduïble i perillós de la reacció.

El desembre de 1935 els mateixos químics van reprendre el treball i trobaren la manera de controlar el calor després en la reacció afegint etè fred a un ritme adequat. D’aquesta forma es regulava la temperatura de la mescla i es prevenia la possibilitat d’explosió. També observaren que podien controlar la velocitat de reacció i la massa molar del producte sòlid obtingut fent variar la pressió. Un mes més tard disposaven ja de la suficient quantitat de material com per fondre’l, emmotllar-lo i utilitzar-lo com a aïllant. Havien sintetitzat el primer polímer artificial de la història de la química!

El més decisiu de tot va ser la identificació del paper de l’oxigen en el procés. Si l’oxigen no es trobava present, la polimerització no tenia lloc; tanmateix, un excés d’oxigen impedia mantenir sota control la reacció. L’estratègia consistia, per tant, a afegir la quantitat justa d’oxigen. Això explica el paper que va tenir la fuita que hi havia al muntatge inicial, que permeté l’entrada d’una petita quantitat d’oxigen, sense la qual el descobriment del polietilè no s’hauria produït.

El polietè ( o politè, com se’l denomina habitualment) és resistent, durador i posseeix unes excel·lents qualitats com a aïllant elèctric. A diferència del cautxú, utilitzat anteriorment com a aïllant de cables, el polietilè no és afectat per l’aigua ni

Figura 2. Molts objectes són de polietilè.



pels agents atmosfèrics, ni absorbeix senyals elèctriques, la qual cosa va ser decisiva per al seu ús com a aïllant en cables telefònics. Les seves peculiars propietats elèctriques també foren determinants en el desenvolupament del radar durant la Segona Guerra Mundial.

-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2- polietè

Aldehids i cetones

Els aldehids i cetones contenen el grup carbonil, \

C = O / En un aldehid, el grup carbonil és troba a l’extrem d’una cadena hidrocarbonada. Per tant, el grup funcional és R \ C = O / H Els aldehids s’anomenen amb el sufix –al. Per exemple: CH3CHO etanal

En una cetona, el grup carbonil està a l’interior de la cadena carbonada. El grup funcional és, doncs R \ C = O / R’ Les cetones s’anomenen amb el sufix –ona. Per exemple: CH3COCH3 propanona

Què és un polímer?

Denominem polímer a una substància constituïda per grans molècules (macromolècules) que estan formades a partir de la unió de petites molècules, anomenades monòmers.

Si totes les molècules del monòmer són idèntiques i les representem per mitjà de la lletra A, el polímer format seria:

A+A+A+A.... → -A-A-A-A........ El polietè i el PVC són exemples d’aquest tipus de polímers.

Si s’utilitzen dos monòmers diferents, es forma un polímer del tipus A-B, en el qual els monòmers A i B s’alternen al llarg de la cadena:

A+B+A+B+A..... → A-B-A-B-A..... El niló 6,6 i els polièsters són exemples d’aquest tipus de polímers A-B.



La representació completa de les llargues cadenes de les molècules d’un polímer és molt llarga i costosa. És necessari expressar-les d’una forma més senzilla. Vegem, per exemple, com representem el polipropè (o polipropilè):

Estructura del polipropilè

A la cadena, la unitat bàsica que es repeteix, on n és un número molt gran, pot expressar-se abreujadament així:

Unitat que es repeteix a l’ estructura del polipropilè

Hem de tenir en compte que aquest tipus d’estructures gaudeixen d’una important presència en la naturalesa, tant en els minerals com en la composició dels éssers vius. Així, per exemple, els silicats, constituents d’una multitud de roques i minerals, són polímers inorgànics. Les proteïnes, constituents essencials de la matèria viva, són també macromolècules constituïdes per nombroses unitats encadenades anomenades aminoàcids.

Figura 2.Estructura d’ un silicat.

Figura 3 Estructura d’una proteïna.

CH2CHCH2CHCH2CH

CH3 CH3 CH3

(CH2CH)n CH3



En tots aquests casos, la clau de la gran diversitat d’estructures moleculars associades a molt distintes propietats característiques, es troba en la naturalesa i propietats de l’enllaç covalent. En essència, aquest tipus d’enllaç, a diferència de l’iònic, es caracteritza per establir-se entre un conjunt definit d’àtoms segons certes disposicions espacials, formant-se així molècules amb una composició i una estructura determinada, de les quals depenen les propietats. La possibilitat de formació d’enllaços covalents entre un ampli nombre d’unitats químiques idèntiques és el que dóna lloc a les ja esmentades macromolècules.

Diferents tipus de polímers sintètics orgànics segons les seves aplicacions: fibres, plàstics i elastòmers

Les propietats dels polímers varien àmpliament. Els polímers tous i elàstics, que poden ser deformats i recuperar la seva forma inicial, són denominats elastòmers. El cautxú és un elastòmer.

El polietilè no és tan elàstic, i quan es deforma per damunt d’un cert límit, tendeix a conservar la forma adquirida, experimentant així una deformació plàstica permanent. Les substàncies que es comporten d’aquesta forma s’anomenen plàstics.

Els polímers més forts, que no es deformen fàcilment, són precisament els que s’utilitzen en la indústria tèxtil i poden preparar-se en forma de fibres resistents que poden teixir-se. Aquests polímers constitueixen les anomenades fibres sintètiques, com el niló. Aquesta classificació no pot acceptar-se d’una forma massa rígida: alguns polímers com el polipropilè o el polietilè, utilitzats moltes vegades per fabricar objectes rígids o làmines, posseeixen unes propietats que permeten la seva utilització per obtenir fibres amb les quals teixir estores i tapissos.

Fent i desfent polímers...Les reaccions de polimerització Polimerització per addició

La reacció pot ser resumida en:

CH2 = CH2 + CH2 = CH2 + CH2 = CH2 → -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2- etè polietè La reacció requereix la presència d'algun catalitzador. En el procés original desenvolupat per la industria química ICI, el catalitzador utilitzat va ser l’O2, però habitualment s’utilitza un peròxid orgànic. En el mecanisme de reacció intervenen radicals, sent el catalitzador el que els proporciona perquè s’iniciï la reacció. Vegem les tres etapes de la reacció per separat.

• Iniciació aquesta etapa implica la reacció de radicals a partir del catalitzador. Si el catalitzador és un peròxid orgànic, el primer pas consisteix en el trencament de l'enllaç feble O-O. Si la lletra R s'utilitza per representar un grup alquil, el trencament del peròxid pot representar-se com:

ROOR → RO• + RO•

• Propagació

ara un radical es combina amb un dels electrons del doble enllaç de l'alquè. RO• + CH2 = CH2 → ROCH2CH2•

El segon electró de l'enllaç trencat, roman a l'altre àtom de carboni, cosa per la qual el producte també és un radical. Observa que ara només hi ha un enllaç simple entre els dos àtoms de C. El nou radical continuarà reaccionant amb més alquens.



ROCH2CH2• + CH2 = CH2 → RO CH2 CH2CH2CH2• ... i la cadena continua creixent. L'etapa de propagació és molt ràpida. A mesura que les cadenes creixen, aquestes es mouen “imitant els flagels”, i poden produir un atac sobre si mateixes. La figura il·lustra el que succeeix. El resultat d'aquest atac és la creació d'un nou punt de creixement en un lloc central de la cadena. Ara creixerà una cadena ramificada. Això és el que passa en el procés que sol produir polietilè de baixa densitat (PEBD o LDPE), per terme mitjà, hi ha una ramificació cada 50 àtoms de carboni.

• Acabament La reacció acaba quan s’han esgotat tots els radicals. Una forma en què això pot succeir és, per exemple, quan els radicals reaccionen entre si.

RO (CH2)nCH2• + RO (CH2)mCH2•

↓ RO (CH2)nCH2 CH2(CH2)mOR

El polietilè produït per aquesta reacció és el que anomenem polietilè de baixa densitat (LDPE). A nivell molecular, és una estructura molt irregular, amb cadenes molt ramificades. Per això, difícilment podien alinear-se d’una forma definida, s’enrotllent aleatòriament i formen un complicat embolic. Aquest tipus d’estructura dóna lloc, òbviament, a que, a igualtat de massa, el volum ocupat sigui major que si les cadenes es disposessin d’una forma ordenada i, per tant, més juntes unes de les altres, obtenint-se, conseqüentment, un material de menor densitat. Aquesta estructura relativament desorganitzada i oberta també comporta una disminució en la resistència mecànica del polietilè.

El polietilè d’alta densitat (HDPE) s’utilitza sovint per fabricar palanganes, bidons i tubs per a conduccions. És fort i fàcilment emmotllable en formes complicades: dipòsits de combustible en automòbils, per exemple. A diferència del LDPE, el polietilè d’alta densitat no es deforma fàcilment en escalfar-lo i per això va tenir un dels seus primers usos més característics en la fabricació de recipients per guardar aliments. Com que mantenen la seva forma en escalfar-se poden utilitzar-se en la fabricació d’articles que hagin de ser esterilitzats, com ara els equipaments sanitaris, coberts, etc.

Les propietats físiques, dels polímers no depenen tant de com estan constituïdes les cadenes, sinó de les interaccions entre aquestes i el tipus d’empaquetament a què donen lloc. En aquest sentit, el descobriment del polietilè d’alta densitat (HDPE) n’és un exemple molt il·lustratiu. La possibilitat de formació d’enllaços entre les cadenes de polímers, siguin de dipol induït o de ponts d’hidrogen quan la cadena conté grups OH, és el que explica el comportament diferent dels polímers quan són sotmesos a forces d’estirament o de compressió.

L’extrem de la cadena que conté el radical, està cargolat. Un àtom d’hidrogen d’un CH2 de la cadena, se’n va….

…i el radical queda en el centre de la cadena, des de aquest punt, la cadena continua creixent



Polimerització per condensació: el niló El 1928 el químic nord-americà Wallace Carothers dirigia un equip d’investigació que tenia com a objectiu la producció de polímers per a la elaboració de fibres sintètiques. Era precisament en aquests anys que els científics començaven a tenir una major comprensió de l’estructura dels polímers; d’aquesta manera, Carothers disposà d’una fonamentació teòrica per al seu treball.

Se sabia que la llana i la seda posseïen l’estructura de les proteïnes, que, en definitiva, són polímers constituïts per l’enllaç peptídic Els químics també començaren a descobrir que les fibres naturals estaven constituïdes per molècules molt llargues i estretes, com les dels polímers sintètics.

Carothers no realitzà els seus descobriments accidentalment, sinó que dugué a terme un intent sistemàtic de creació de nous polímers. En una sèrie d’experiments va decidir intentar produir polímers sintètics en els quals les molècules estigueren formades amb una seqüència similar a la de les cadenes proteiques de la llana i la seda. En lloc d’utilitzar aminoàcids (elements bàsics de les esmentades cadenes), Carothers va

partir d’amines i àcids carboxílics. El polímer sintetitzat es va comercialitzar amb el nom de NYLON (niló).

Les amines són compostos orgànics relacionats amb l' amoníac. Les seves estructures són similars a les molècules d'amoníac en les quals grups alquil han substituït un dos o els tres àtoms d'hidrogen.

H–N–H CH3–N–H CH3CH2CH2–N–H C2H5–N–C2H5

H H CH3 C2H5

Amoníac metilamina metilpropamina trietilamina (amina primària) (amina secundària) (amina terciària)

• Les amines amb un grup alquil s’anomenen amines primàries, amb dos grups alquil

amines secundàries, i amb tres grups alquil amines terciàries. • Els grups alquil en una amina secundària o terciària no tenen per què ser els mateixos. • Els noms de les amines segueixen les normes usuals: els grups alquil s'ordenen

alfabèticament. De vegades s'utilitza el prefix amino per tal d'indicar el grup –NH2, quan és

un substitut d’una cadena carbonada. Per exemple:

CH3CH2–CH–CH2CH3

NH2

3-aminopentà Les amines de massa molar relativa baixa són gasos o líquids volàtils. Les amines volàtils s'assemblen també a l'amoníac per les seves fortes olors. L'olor característica del peix en fase de descomposició prové d'amines tals com l'etilamina i trietilamina. La carn animal putrefacta emet les diamines H

2N(CH

2)4NH

2 i H

2N(CH

2)5NH

2, que reben el nom de putrescina i cadaverina,

respectivament.

Figura 4 Wallace Carothers



Propietats de les amines

Les propietats de les amines són similars a les de l'amoníac, però modificades per la presència de grups alquil. La majoria de les propietats es deuen al parell d’electrons solitaris de l'àtom de nitrogen.

Els enllaços de l'àtom de nitrogen en una amina són similars als enllaços de l'hidrogen en l'amoníac. Tres parells d'electrons formen enllaços covalents localitzats mentre que els altres dos electrons constitueixen un parell solitari El parell d'electrons solitari és el responsable què l'amoníac sigui molt soluble en aigua i tingui caràcter bàsic. També trobem aquestes propietats en les amines. Polimerització per condensació amb el grup NH2

Quan un grup –NH2 reacciona amb el grup –COOH d'un àcid carboxílic, es forma un grup

amida secundària, amb l'estructura –CONH–. En aquest procés, s'elimina una molècula d'aigua.

+

àcid carboxílic amina grup amida Si utilitzem diamines i àcids dicarboxílics, els quals posseeixen els grups reactius en dues posicions en les seues molècules, podem sintetitzar una cadena d’un polímer, en la qual els monòmers s’uneixen per grups amida (Figura 4). El procés s’anomena polimerització per condensació.

Figura 5 Formació del polímer per condensació.

Com a exemples de diamina i d'àcid dicarboxílic que poden polimeritzar-se d’aquesta manera tenim:

H2NCH2CH2CH2CH2CH2CH2NH2 1,2-diaminohexà

HOOCCH2CH2CH2CH2COOH àcid hexanodioic

Com que el grup que es forma al reaccionar és un grup amida i és aquest grup el que uneix els monòmers, aquests polímers s’anomenen poliamides. Però, comunament, se’ls coneix com nilons.

N

HH Hamoníac: forma piramidal

CO

O HR

HN

R'

H

CO

NR H

R'



La síntesi industrial del niló a partir d’una diamina i d’un àcid dicarboxílic és molt lenta. És més fàcil demostrar el procés al laboratori si s’utilitza un clorur de díacil derivat de l’àcid. D’aquesta manera, l’1,6-diaminohexà i el diclorur de decanodioïl reaccionen ràpidament. L’equació és: n H2N(CH2)6NH2 + n ClCO(CH2)8COCl → [NH(CH2)6–NH–CO–(CH2)8CO]n + 2n HCl

1,6-diaminohexà clorur de decanoïl Fixeu-vos que en aquesta reacció de condensació s’elimina una molècula d’HCl en lloc d’una d’aigua.

Les proteïnes són també polímers de condensació que contenen el grup –CONH–. En les proteïnes, aquest grup s’anomena grup pèptid, i els monòmers són aminoàcids.

L’any 1939 es van comercialitzar les primeres mitges de niló (Figura 6). En aquells anys, el niló es va fer servir, sobre tot, per fabricar els paracaigudes per als soldats de la segona guerra mundial. Posteriorment es van sintetitzar moltes poliamides.

Figura 6 Múltiples usos del niló, a l’esquerra un anunci de les primeres mitges posades a la venda el 1940. El primer dia, se’n van vendre 72.000 parells !

El niló s’usa actualment com a fibra i també com a substitut de peces metàl·liques, com rodes i engranatges i molts altres usos, com cordes per guitarra (Figura 5). Les seves propietats són en part degudes a que les cadenes de poliamida estan unides per enllaços d’hidrogen, mentre que les de polietè, ho estan per forces de dipol, més febles.

L’ús de teixits de niló presentava un problema: les fibres són molt hidròfobes, és a dir repel·len l’aigua, per tant la roba i els vestits de niló no absorbeixen la humitat corporal impedint l’evaporació de la suor, la qual cosa generava una sensació molt desagradable. La investigació sobre les fibres de poliamida es va dirigir llavors a intentar imitar les propietats de les fibres naturals. Es va desenvolupar un procés d’obtenció on que es formaven nombrosos porus entre les fibres de poliamida. La nova fibra, fou anomenada Tactel. Aquesta fibra, és capaç de permetre que l’aigua en forma de vapor passi a través, però impedeix el pas de l’aigua líquida, de tal manera que permet la transpiració corporal, però és impermeable.

CH3NH

NHCH3

O

O

enllaç amida o enllaç peptídic



Més polímers de condensació: els polièsters

El més conegut dels poliesters és el polietilè teraftalat, més conegut per les sigles PET. La figura 6 representa un fragment de la cadena de polímer, el seu nom prové que la polimerització es fa per una reacció d’esterificació entre un àcid dicarboxílic i el 1,2-etanodiol.

Figura 6 Fragment del polietilè tereftalat.

Segons com s’orienten les macromolècules del polímer, el PET té tres usos diferents (figura 7):

- Com a fibra textil, amb els noms comercials de Terylene i Dracon - Làmines pel·lícules - Per ampolles de begudes amb gas

Figura 7 a PET emprat com a fibra tèxtil: les molècules estan orientades en una sola direcció. b PET emprat per fer làmines: les molècules estan orientades en dues direccions.

c PET emprat per ampolles de begudes amb gas: les molècules estan orientades en tres direccions.

Reduint residus: plàstics solubles en aigua Els polímers han estat uns dels materials sintètics més utilitzats en les darreres dècades. Les seves propietats, com la duresa, estabilitat i d’altres, han fet que els polímers siguin els materials més utilitzats tant en les activitats domèstiques com en les industrials.

La quantitat de residus que es generen és un problema a solucionar, ja que la majoria de plàstics no són biodegradables és a dir no es descomponen de forma natural per l’acció dels agents de la natura (fongs, llum, Sol....)

La investigació ha portat a l’elaboració de polímers que són biodegradables i polímers solubles en aigua.

Un d’aquest polímers és el polietanol o alcohol polivinílic. Aquest polímer és un polímer sintètic que s’obté a partir d’altres polímers com l’acetat de polivinil o polietanoat. Té una estructura semblant al polietilè, però la presència de grups –OH li donen unes característiques especials. És un polímer hidròfil i per tant soluble en aigua. La solubilitat del plàstic depèn del percentatge de grups OH presents en l’estructura.



% grups OH Solubilitat en aigua 100-99 insoluble 99-97 Soluble en aigua calenta 97-90 Soluble en aigua tèbia <90 Soluble en aigua freda La solubilitat dels polietanols en aigua s’explica per la presència de ponts d’hidrogen entre les cadenes de polietanol, un tipus de força intermolecular forta. La solubilitat augmenta en incrementar el nombre de grups ester en la cadena polimèrica.

Si rentem la roba a 40ºC, quin % de grups OH ha de tenir el plàstic que recobreix el sabó?

Aquests plàstics solubles en aigua s’utilitzen en els hospitals. Es recull la roba bruta i es deposita en bosses de plàstic fabricades amb aquests materials i es posen dins la rentadora. D’aquesta manera no es manipulen materials que poden estar contaminats. Altres aplicacions són les bossetes que contenen detergents que s’introdueixen directament a les rentadores. Les bosses de plàstic dels hospitals estan fetes amb polímer que és soluble en aigua calenta, quina explicació podem donar a aquest fet?

Els polièsters formats a partir de monòmers que tenen grups –OH i grups –COOH en la mateixa molècula s’hidrolitzen lentament. Els monòmers que s’utilitzen són l’àcid làctic (2-hidroxipropanoic) o bé àcid glicòlic (2-hidroxietanoic). Aquests polímers formen fibres dures, però l’aigua pot hidrolitzar l’enllaç ester lentament. Els productes de degradació són productes no tòxics pels cos humà. Aquests polímers els utilitzen els cirurgians per sutures. També s’utilitzen com a recobriments de medicaments d’assimilació lenta (etil cel·lulosa).

La velocitat de degradació del polímer és molt important i això s’aconsegueix variant la massa molecular del polímer i el grau de cristal·lització.


1. Escriviu l’equació química de l’obtenció del polietè o polietilè a partir de l’etè

a. Dibuixeu la fórmula estructura d’un fragment de la cadena de polietilè. Expliqueu per què el polietilè pot ser descrit com un alcà de cadena molt llarga.



2. Escriviu la fórmula dels dos monòmers emprats en el polímer PET.

a. Quin tipus de forces intermoleculars es donen entre les cadenes d’aquest polímer?

3. Anomeneu les amines que tenen les estructures següents a C2H5NH2

b (CH3)2NH

4. Dibuixeu les estructures de les següents amines: a propilamina b fenilamina c dietilmetilamina d butiletilmetilamina

c CH3-CH-NH2

CH3

d (CH3)2NC2H5



FP 5.2. Fabricació d’un gel polimèric

Després de veure el vídeo d’obtenció de l’anomenat Blandi Blue (http://cluster-divulgacioncientifica.blogspot.com/2011/04/fabricando-blandi-blub.html) ara sereu vosaltres els encarregats de preparar-lo al laboratori.

Són molts els polímers amb propietats sorprenents. La reacció de l’alcohol polivinílic (PVA) amb bòrax dóna un polímer fluid, enganxós i viscós. El bòrax és capaç d’unir dues cadenes de PVA, com si fos un pont, i formar un polímer entrecreuat més gran que el PVA original. Aquest augment de mida és el que provoca un augment de la viscositat de la solució.

L’alcohol polivinílic és un polímer soluble en aigua. El bòrax, també anomenat tetraborat de sodi, és una sal soluble en aigua i s’utilitza com a detergent, desinfectant, i també com a matèria primera per a la fabricació de vidres i ceràmica.

“Gel” és el nom que reben les dispersions col·loïdals, que tenen aigua com a fase dispersant i que estan parcialment deshidratades. Els gels tenen una elevada viscositat i si no es mantenen en recipients tancats hermèticament acaben perdent quasi tota l’aigua, transformant-se en col·loides sòlids.

Aquest experiment consisteix en obtenir un “gel”, el blandiblub o slime (figura 1), format per cadenes d’un polímer, el polietenol o alcohol polivinílic, unides per enllaços d’hidrogen mitjançant anions borat.

Figura 1. Fragment de dues cadenes d’alcohol polivinílic unides per anions borat, i aspecte del blandiblub.

Prepareu el polímer fluid, investigueu les propietats d’aquest material i relacioneu-les amb la seva estructura.

Material i reactius Provetes de 10 cm3 i de 100 cm3 Vas de precipitats de 100 cm3

Palets de fusta plans per remenar

Reactius − Solució d’alcohol

polivinílic al 4%

Solució de metaborat de sodi (“borat de sodi”), Na2B4O7.10H2O al 4%

Colorant alimentari (solució preparada)



El gel polimèric no és tòxic, el pots tocar amb les mans, però s’enganxa a la roba, moquetes, cabells, papers...etc i costa molt de treure.

Procediment


Mesureu amb la proveta 50 cm3 de la solució d’alcohol polivinílic i poseu-lo en un vas de precipitats. Si voleu, podeu afegir ara unes gotes d’un colorant alimentari per tenyir-lo.

Mesureu 10 cm3 de solució de borat de sodi. Afegiu a poc a poc i agitant amb el palet aquesta solució a la d’alcohol polivinílic que teniu en el vas de precipitats. Observeu com la mescla va adquirint cada vegada més viscositat. Quan ja ha adquirit una consistència prou compacte atureu l’addició de borat de sodi, el gel polimèric ja s’ha format.

Investigueu les propietats del gel obtingut

- Com es comporta quan l’estireu amb suavitat? I quan l’estireu amb un esforç violent? - Proveu si conserva la forma de bola quan el deixeu damunt la taula. - Deixeu-lo caure sobre la taula des d’un metre d’altura i observeu si rebota. Llenceu-lo amb

força contra la taula. - Si teniu un retolador de tinta soluble en aigua (moltes marques barates de retoladors ho

són), escriviu alguna cosa en un paper, després poseu el gel sobre l’escrit i traieu-lo a continuació. Què observeu?

Qüestions Redacteu unes frases explicant les propietats del gel polimèric que heu fabricat. Pot ser coneixeu algun producte comercial amb propietats semblants (els SLIME o BLANDI BLUB). Si podeu, feu un estudi comparatiu de propietats amb el gel que heu fabricat.

Assenyaleu les diferències entre la solució d’alcohol polivinílic que prepareu i el gel. Indiqueu quin és el paper de les forces intermoleculars en el gel polimèric.



FP 5.3 Obtenció del niló al laboratori En aquesta activitat us proposem veure el vídeo d’obtenció de niló al laboratori que trobareu a http://www.youtube.com/watch?v=6-h0K9KuMMk&feature=plcp

Després d’observar el vídeo podeu realitzar les tasques següents: Escriviu el procediment experimental d’obtenció del niló. Intercanvieu la tasca feta amb el vostre company i proposeu millores en el seu text per tal que sigui sintètic, rigorós i entenedor. Finalment, entre els dos, redacteu un text del procediment experimental que incorpori les propostes de millora als textos que inicialment havíeu escrit cadascú de vosaltres.

Responeu les següents qüestions.

Què és un polímer?

Què és una síntesi per condensació?

Quina és la principal característica que diferencia la polimerització per condensació de la polimerització per addició?

Quins grups funcionals identifiqueu en la fórmula dels reactius i dels productes finals de la reacció?



Isaria sinclairii the cyclosporin fungus

FP 5.4 Medicaments i petroli?

Els derivats del petroli també són importants per a la salut humana. S’utilitzen en la preparació de productes fisiològicament actius com l’àcid acetilsalicílic que és el principi actiu de l’analgèsic conegut com aspirina, i en la fabricació de l’anestèsic local anomenat benzocaïna.

Altres vegades ens proporciona productes intermedis de síntesi, com el formiat de metil sintetitzat a partir del metanol i el àcid fòrmic, que s’utilitza com un dels reactius per produir vitamina B.

Alguns productes petroquímics s’utilitzen com a medicaments, per exemple la glicerina, usada per fer supositoris i la nitroglicerina empleada per alleugerir els dolors d’angina de pit en dilatar les artèries coronàries.

La preparació d’antibiòtics, vacunes, drogues, hormones, esteroides, vitamines, etc., necessiten dissolvents per a l’extracció dels principis actius de les plantes i altres productes naturals. Aquests dissolvents són, majoritàriament derivats petroquímics com l’acetat d’etil, l’acetat de butil i l‘acetat d’amil.

A continuació us presentem un resum d’un article aparegut en una revista especialitzada en recerca química avançada, on trobareu informació sobre la recerca en química farmacèutica i de quina manera els investigadors que treballen en laboratoris de la indústria farmacèutica dissenyen nous medicaments, a partir de productes naturals.

A compound that may lead a safer class of immune system drugs can trace its roots to a parasitic fungus (Isaria sinclairii) that preys on insects and eventually grows out of their dead carcasses. And while the

practitioners of ancient oriental medicine may not have understood the fungus’ complex life cycle when they named it “insect in winter, plant in summer”, they did understand the powerful health effects bestowed by a broth made from the fungus. Modern molecular medicine studies have shown that the traditional remedy practiced for thousands of years contains several chemicals that potently modify the body’s immune response.

The parasite fungi gave us the first type of immune system-suppressing drug- cyclosporin- used to fight off rejection of transplants. Cyclosporin inhibit white blood cells in the body, from becoming activated, resulting, in a general immune

system suppression.

Unfortunately, all conventional immunosuppressant drugs have some side effects. The drugs block cells from dividing, keeping lymphocytes activated and expanding, as such they have some of the same toxic side effects as many chemotherapy drugs (e.g., nausea, muscle pain, and weakness).

Cyclosporin revolutionized transplant therapy after it was discovered in the 1970s, but it has some negative effects too. It's hard on the kidneys, may cause nervous system issues, and promotes build up of harmful lipids like cholesterol in the vascular system.



In 1994, however, a new compound from the same group of fungi described above was isolated by Japanese researches, and it was soon apparent that it also had an immune suppressing activity. Researches at the Novartis Institutes for BioMedical Research in Basel, Switzerland, would later show, that a synthesized cousin of the compound acts in a powerful new way on the immune system. Their findings make a strong case for this drug, FTY720, to become a less toxic alternative for transplant patients and possibility an effective treatment for autoimmune disorders.

When the chemical structure of FTY720 was published, the compound showed a very high synergy with cyclosporin. However, FTY720 did not appear to act on cells in the same way as other immune suppressing drugs did and its chemical structure hinted that it might act like a detergent. It resembles a lipid molecule called sphingosine, a natural chemical made in the body for protein signalling.

Ajuda per a la comprensió del text: that prays on insects: Viu a costa dels insectes effects bestowed by a broth: els efectes atribuïts a un brou cyclosporin: ciclosporina

immunosuppressant drugs: fàrmacs immunodepressors chemotherapy drugs: medicaments de quimioteràpia sphingosine: esfingosina

Cyclosporine molecule

CH3

OH

NH2

OH

CH 3

N H 2

OH

O H

Les molècules de esfingosina ( a dalt) i de FTY720( a baix)

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en Ciències

Futur del petroli 126 Química en context

El desenvolupament d’un nou medicament és complex i extraordinàriament car. El preu de mercat que les companyies farmacèutiques decideixen hauria de ser suficient no només per cobrir les despeses de producció i marketing del producte, sinó també, per recuperar els costos de recerca i de desenvolupament.

Si una altra companyia simplement copiés el medicament, podria vendre’l a un preu molt més baix. Aquí és on les patents esdevenen importants.

Quan una companyia farmacèutica descobreix un nou medicament, treu una patent per protegir el seu descobriment. Les patents només són vàlides en un país, per tant s’han de treure diverses patents, per tal d’evitar que companyies en altres països puguin produir el medicament. Quan el medicament és aprovat, la companyia farmacèutica el posa al mercat amb un nom comercial o marca comercial. Les patents tan sols duren un temps determinat, però mentre estan vigents en un país, cap altra companyia farmacèutica pot fabricar-lo en aquest territori.

Els fàrmacs, normalment, són compostos complexos amb un nom químic llarg i difícil de dir. Per comoditat, els medicaments s’anomenen amb noms curts i més trivials. Aquests es diuen “noms genèrics” en el món de la farmàcia. Així molts fàrmacs tenen tres noms:

· El nom químic. · El nom genèric. · El nom comercial.

Un exemple és l’àcid 2-(4-(2-metilpropil)fenil)propanoic, conegut amb el nom genèric ibuprofen, mentre els seus noms comercials són és Brufen (de Boots), Lidifen (de Berk) i Mortin (de Upjohn).

Abans no s’acabi la vigència d’una patent, la companyia que havia fet el descobriment de la medecina n’hauria d’haver venut prou quantitat per cobrir els costos totals del desenvolupament. A partir de llavors qualsevol companyia pot fabricar i vendre el medicament normalment amb un nom comercial propi. Aquesta és la raó per la qual hi ha tant ibuprofen en el mercat.

El 1899, quan la companyia alemanya Bayer va decidir llançar al mercat l’àcid acetilsalicílic, com que no es tractava d’un compost nou, no podia ser protegit per una patent. Aleshores, la companyia va patentar el procés d’obtenció i també va enregistrar el nom comercial Aspirina en tants països com va ser possible. La protecció del nom comercial va romandre fins la Primera Guerra Mundial, quan altres països no podien obtenir aspirina d’Alemanya, un farmacèutic australià, va desenvolupar un procés per fabricar una forma “soluble” del medicament i la va treure al mercat sota el nom comercial Aspro.

Quan les empreses poden prescindir dels costos de desenvolupament del medicament, les noves marques comercials poden ser més barates que les originals. Normalment, els governs animem als metges i metgesses a prescriure alguns medicaments genèrics. A les farmàcies es poden dispensar les marques més barates, sempre que es tracti del mateix principi actiu, la mateixa dosi i la mateixa forma farmacèutica. Aquesta estratègia fa baixar els preus dels serveis sanitaris.




1. En el text heu pogut llegir que el fàrmac no s’ha aïllat d’un medicament natural, sinó que s’ha buscat una molècula que tingués efectes en el cos humà semblants als del producte natural. Malgrat que el nou medicament es va sintetitzar l’any 1994, han passat uns anys fins que no s’ha presentat beneficiós i aplicable als trasplantats d’òrgans. Aneu a les pàgines web: http://www.nibr.novartis.com/research/drug-discovery.shtml#page-top i http://www.xplorehealth.eu/ca/media/la-llarga-i-increible-historia-dun-comprimit i trobeu les fases que cal seguir des que es sintetitza una molècula fins que es comercialitza.

2. La molècula de ciclosporina, té una estructura cíclica. Localitzeu i identifiqueu els

enllaços que obliguen a que la molècula mantingui la forma d’un cicle allargat.

3. Les molècules d’ esfingosina i de FTY720, són isòmeres? Justifiqueu la vostre resposta.

4. Busqueu la fórmula molecular i estructural per tal d’identificar els grups funcionals de les substàncies següents: àcid acetilsalicílic, benzocaïna, format de metil, glicerina, nitroglicerina i acetat d’amil.

5. Identifiqueu tots els grups funcionals dels següents compostos:

CAPSICINA, component picant del bitxo

OCH3

O

H

O

NH

CH3

CARVONA, responsable del sabor de la menta

CH3

O

CH2 CH3

ZINGERONA, component del gingebre

PROCAÏNA, anestèsic local

NH2

O ON CH3

CH3



LEVODOPA, antiparquinsonià

O

OHHO

HONH2

NICOTINA

N

NH

GABAPENTIN, analgèsic i anticonvulsionant

OH

O

H2N

ACETAMINOFEN, analgèsic i antipirètic

NH

HOO

6. Les feromones es coneixen com atractors sexuals. L’estructura d’una feromona de la abella reina és trans- CH3- CO – (CH2)5- CH = CH- COOH

a. Escriviu la fórmula estructural de la feromona b. Identifiqueu i anomeneu els grups funcionals presents en la molècula.

7. L’article de la Wikipèdia en català sobre medicament4 conte una taula sobre els

medicaments més venuts. Busqueu la seva estructura química, per a què s’utilitza i identifiqueu els grups funcionals principals.

Medicament Nom comercial Fórmula molecular Atorvastatina Lipitor C33H35N2FO5

Clopidogrel Plavix C16H16NClO2S

Celecoxib Celebrex C17H14N3F3O2S

Omeprazole Losec/Prilosec C17H19N3O3S

Fexofenadina Telfast/Allegra C32H39NO4

Quetiapina Seroquel C21H25N3O2S1 Metoprolol Seloken/Toprol C15H25NO3

Budesonida Pulmicort/Rhinocort C25 H34 O6

4 http://ca.wikipedia.org/wiki/Medicament



FP 5.5 Síntesi d’un fàrmac: l’àcid acetilsalicílic Hi ha algun medicament més conegut que l’aspirina? Fins i tot segur que l’heu sentit anomenar pel seu nom químic: àcid acetilsalicílic.

En aquest treball pràctic us proposem sintetitzar aspirina a partir de l’àcid salicílic.

O

OH

OH

O

O

CH3 O

OH

àcid salícilic àcid acetilsalicílic (aspirina) L’àcid salicílic té propietats analgèsiques i es pot extreure de vàries plantes medicinals o bé es pot sintetitzar al laboratori. Des que es va aïllar a partir de l’escorça del salze es va començar a utilitzar per les seves propietats analgèsiques en forma de la seva sal sòdica, però produïa efectes secundaris molests com el seu gust amarg i lesions a la boca.

Quan un fàrmac té efectes secundàris, es sintetitzen compostos similars, per estudiar si tenen propietats similars i evitar així els efectes secundaris. Aquest és el cas de l’àcid acetilsalicílic (aspirina) compost tan eficaç com el salicilat de sodi però amb menors efectes secundaris.

L’àcid salicílic té un gust molt amarg i pot provocar lesions en el teixit bucal i la gola. Per pal·liar aquests inconvenients es va sintetitzar el seu derivat, l’aspirina, àcid acetilsalícilic, que és igualment eficaç com analgèsic i no té els inconvenients que presenta l’àcid salicílc. A partir de l’any 1899 va començar la seva producció a gran escala i molt aviat es convertí en el medicament de més consum a nivell mundial. Aquesta situació encara es manté ara.

Objectiu

Sintetitzar l’àcid acetilsalicílic a partir d’àcid salicílic.

Equipament i reactius

Erlenmeyer de 100 mL (2) Vas de precipitats de 500 mL Proveta de 10 mL Vareta de vidre Embut cònic Kitasato i buchner

Àcid salicílic

Anhídrid acètic

Àcid fosfòric al 85%

Etanol

Hidròxid de sodi 0,1 M

Procediment

Per aconseguir-ho haureu de dur a terme una reacció d’esterificació, reacció en la qual es forma un ester. Caldrà que seguiu curosament el procediment que s’especifica.

1. Introduir dins un erlemneyer 1 g d’àcid salicílic i 3mL d’anhídrid acètic i unes gotes d’àcid fosfòric al 85%.



2. Escalfar aigua en el vas de precipitats i submergir l’erlenmeyer dins el vas de precipitats amb aigua calenta durant 10 min. 3. Afegir gota a gota 1 mL d’aigua (molt lentament ja que pot esquitxar) i després continuar afegint 10 mL d’aigua. S’escalfa fins que la solució quedi transparent.

4. Es deixa refredar la solució (preferentment submergint l’erlenmeyer en un bany de gel) i es rasquen les parets de l’erlenmeyer amb una vareta de vidre fins que apareixen cristalls blancs. Es deixa una estona fins que cristal·litzi totalment l’ester.

5. Es renta el precipitat amb aigua freda i es recullen els cristalls per filtració al buit.

6. Es recristal·litza el precipitat afegint en primer lloc uns 10 mL d’etanol, s’escalfa en bany maria i s’afegeixen 15 mL d’aigua i es continua escalfant dins el bany maria fins que arribi a ebullició.

7. Es deixa refredar i quan comenci a veure’s tèrbol, es rasquen les parets de l’erlenmeyer.

8. Es filtra al buit per separar els cristalls d’àcid acetilsalicílic. S’assequen amb un paper de filtre.

Qüestions

Discutiu en petit grup i /o cerqueu la informació necessària per trobar resposta a les següents qüestions: - Per què recristal·litzem el precipitat obtingut? - Com podríem saber si els cristalls blancs obtinguts són àcid acetilsalicílic, o bé si ha quedat l’àcid salicílic sense reaccionar? - Per què es rasquen les parets de l’erlenmeyer per iniciar la precipitació? - Assenyaleu la diferència entre les dues molècules representades i expliqueu perquè per obtenir àcid acetilsalicílic a partir d’àcid salicílic cal una esterificació. Assenyaleu la funció ester en la molècula d’aspirina.



FP 5.6 Quin principi actiu contenen els analgèsics? Els analgèsics alleugen els símptomes del dolor i són medicaments probablement coneguts per tots vosaltres, ja que n’haureu pres en alguna ocasió. Entre els més freqüents hi ha l’Aspirina i el Gelocatil, que tenen respectivament àcid acetilsalicílic i paracetamol com a principis actius. La majoria de principis actius dels medicaments actuals són substàncies orgàniques de síntesi. En els medicaments, s’anomena principi actiu la substància responsable de l’acció farmacològica i les altres substàncies s’anomenen excipients. Un medicament pot contenir un o més principis actius i diversos excipients, és a dir els medicaments són mescles de diversos components. Hi ha analgèsics com l’Actron (figura 1) que contenen més d’un principi actiu -Quins analgèsics coneixeu? Quin principi actiu contenen? En les caixes i els prospectes dels medicaments, com és el cas d’aquesta caixa de comprimits de Gelocatil o d’Aspirina en sobres, hi ha el nombre de grams i el nom de cadascun dels principis actius que contenen. - Quants grams de principi actiu contenen els comprimits de Gelocatil i els

sobres d’Aspirina que mostren les caixes d’analgèsics de la figura 2?

Figura 2. Caixes de Gelocatil i d’Actron

La figura 3 representa les fórmules semidesenvolupades de compostos orgànics de dos principis actius freqüents en els analgèsics i de la cafeïna, compost orgànic que en ocasions incorporen els analgèsics per ser un estimulant que ajuda a ajuda a sentir-se millor en cas de decaïment o cansament.



Àcid acetil salicílic

Paracetamol Cafeïna

Figura 3. Fórmules semidesenvolupades de l’àcid acetilsalicílic, el paracetamol i la cafeïna. - Indiqueu quines funcions orgàniques reconeixeu en les fórmules de l’àcid acetil salicílic, del paracetamol i de la cafeïna? - Escriviu la fórmula i el nom de compostos senzills que continguin els grups funcionals que heu identificat (un compost per a cada grup funcional). Segurament en alguna ocasió haureu fet una cromatografia en paper per separar, per exemple, els pigments d’algun vegetal. En aquest cas, com que les substàncies són acolorides es poden veure a simple vista. Aquesta tècnica cromatogràfica permet separar i identificar components d’una mescla que tinguin diferents propietats, i tinguin major o menor afinitat per la fase estacionària (en aquest cas el paper) i per la fase mòbil (eluent), que és líquid que puja per capil·laritat i que serveix per arrossegar els diferents components de la mescla. Segons siguin les substàncies a identificar i a separar, s’utilitzen fases estacionàries i fases mòbils diferents. Si les substàncies són acolorides no és necessari cap revelat, si no ho són, per poder veure les taques, es pot utilitzar la llum ultraviolada o el revelat amb iode. La cromatografia de capa prima és molt similar a la cromatografia en paper, però utilitza plaques d’alumini recobertes d’un gel polimèric que te millors característiques i s’obtenen millors resultats. Les tres substàncies de la figura 3, es poden separar per cromatografia de capa prima i revelat per amb UV o amb vapors de iode. - Observeu l’estructura de les molècules, i discutiu en grup i amb l‘ajut del professor/a perquè les substàncies utilitzades són visibles amb llum ultraviolada i amb vapors de iode. - De quina manera podríem saber quina taca correspon a cada principi actiu? - Què són les substàncies patró o control? Quins patrons o control necessitaríem en el nostre cas?



Tot seguit es descriu el procediment experimental amb les fases estacionària i mòbil adequades per a la separació i identificació de les 3 substàncies. Procediment experimental - Fase estacionària: capa prima de sílica-gel (si el revelat es fa amb llum ultraviolada cal que siguin capes primes amb marcador per a UV) - Fase mòbil (eluent): acetat d’etil - Marqueu amb una línia recta amb llapis a 1 cm de la part inferior de la capa prima. Amb un regle, marqueu sobre aquesta línia senyals a intervals d’1 cm, començant a 1 cm del costat – - Dipositeu, amb l’ajut d’un capil·lar una petita taca de cadascuna de les substàncies patró i de les especialitats farmacèutiques a investigar (podreu posar major o menor nombre d’especialitats farmacèutiques segons sigui la mida de les plaques; si són petites haureu d’utilitzar una capa prima per a cada medicament). No oblideu posar sempre les substàncies control. - Introduïu la capa prima en la cubeta amb molta cura i traieu-la quan l’eluent arribi a 0,5 cm de la part superior. Marqueu amb un llapis la posició final del front de l’eluent. - Després que s’hagi evaporat el dissolvent, col·loqueu la capa prima sota la làmpada ultraviolada (254nm) i marqueu amb un llapis les taques que observeu.

Figura 4. Esquema d’una cromatografia capa prima i imatge d’una capa prima en la qual

les substàncies a separar són acolorides. A) Discutiu a nivell de grup de treball els resultats obtinguts i indiqueu quin/quins principis actius contenen els analgèsics investigats B) Poseu en comú els resultats de tota la classe.



FP 5.7 La química dels nous materials Objectius

Observar les propietats d’alguns dels materials més recents sintetitzats.

Relacionar les propietats observades amb l’estructura d’aquests materials

Introducció

Es tracta de donar a conèixer materials fabricats en els últims 50 anys per respondre a diferents necessitats. En cada cas és interessant relacionar les propietats del compost que observem, relacionant la seva estructura amb els conceptes de forces intermoleculars i d’enllaç químic. Els materials que es us proposem són:

- La fibra de carboni, com un cas d’estructura que té propietats del diamant i del grafit.

- El Kevlar� ,com exemple d’un material amb l’estructura d’un polímer d’elevada resistència.

- Cristalls líquids, com exemple de la relació entre les propietats òptiques i la polaritat de les molècules.

- Gels, que absorbeixen aigua i s’expandeixen. Material i equipament

Bec Bunsen Pinces per agafar les mostres Vasos de precipitats de 250 cm3

Polímetre

Mostres de - Fibra de carboni - Kevlar�

- Cristalls líquids - Polímers absorbents de l’aigua

A- La fibra de carboni

La fibra de carboni té duresa elevada, és tèrmicament estable i és flexible. La relació entre la resistència a la tracció i el seu pes és molt alta, i també condueix el corrent elèctric. Es fa servir per fer laminats, amb resines epoxi. Aquests laminats són peces d’alta resistència per objectes tan diversos com poden ser esquís, quadres de bicicleta de competició o cascs per a motoristes, entre molts altres.

La fibra de carboni es ven en establiments especialitzats en materials composites. Es presenta com una tela brillant de color marró; consta d’una trama de fibres d’uns dos mil·límetres d’amplada. Cada fibra és un conjunt de fils molt fins. Essent la seva utilitat el fer laminats en motlles, en el mateix establiment s’hi troben les corresponents resines.

Per tallar la fibra es fan servir tisores. Els experiments proposats a continuació requereixen només unes poques fibres d’un metre de longitud. Propietats que es poden estudiar:

- La resistència a la tracció i a l’estirament - La conductivitat elèctrica - La seva combustibilitat

Proposeu un procediment per estudiar cada una d’aquestes propietats. Espereu tenir el vist i plau del professor i, un cop fetes les proves, redacteu un informe amb les vostres observacions.



B- El Kevlar

El Kevlar� es coneix com una “superfibra”, en reunir la resistència tèrmica de l’amiant i la rigidesa del vidre; efectivament les fibres són resistents al foc i extremadament fortes i flexibles, alhora que tenen una baixa densitat. Per aquestes qualitats el Kevlar� substitueix a l’acer en la carcassa dels pneumàtics, serveix per fer les armilles contra les bales i laminats amb resines d’elevada resistència per els cascs integrals dels motoristes. Es ven en establiments especialitzats en materials composites. Es presenta com una tela brillant de color groc; consta d’una trama de fibres d’uns dos mil·límetres d’amplada. Cada fibra és un conjunt de fils molt fins.

La seva estructura és la d’una poliamida aromàtica.

Propietats que es poden estudiar: - La resistència a la tracció i a l’estirament - La conductivitat elèctrica - La seva combustió


C- Els cristalls líquids

En un líquid les molècules estan desordenades a l’atzar, mentre que en un cristall hi ha un elevat grau d’ordre. Això pot fer pensar en una contradicció en parlar d’un “cristall líquid”. Malgrat tot hi ha un elevat nombre de substàncies que estan formades per molècules en forma de pal allargat que tenen un estat físic anomenat “mesofase” que es troba entre l’estat sòlid i el líquid. En aquest estat les molècules han perdut la seva ordenació, però romanen orientades en la mateixa direcció. Aquesta direcció tant pot ser paral·lela a la superfície com perpendicular a ella, degut a l’acció de forces intermoleculars entre les superfícies i les molècules del “cristall líquid”.

Quan les molècules que estan en l’estat de “cristall líquid” es situen dins un camp elèctric o magnètic, es reordenen col·locant-se sempre perpendiculars a la superfície.

Els primers cristalls líquids d’ús pràctic es van obtenir l’any 1970. El dispositiu que forma la pantalla d’una calculadora, consta d’ un “entrepà” format per dues capes de vidre entre les quals hi ha un cristall líquid de molècules polars. Diferents sectors dels vidres s’han fet conductors del corrent en dipositar-hi damunt una fina capa d’òxids d’indi i d’estany. A més els vidres són polaritzadors de la llum i estan muntats de manera que la llum no els podria travessar si no fora perquè les molècules del cristall líquid es situen paral·leles a la direcció de cada polaritzador. El conjunt ens dóna una vista de color gris.

Quan s’aplica una diferència de potencial entre els sectors dels dos vidres, es crea dins el cristall líquid un camp elèctric, que obliga a reordenar les molècules en direccions perpendiculars als dos vidres. Ara, la llum ja no pot travessar aquest sector entre els vidres. Aquest sector concret, el veiem negre. Així, aconseguim “escriure” en la pantalla.



La figura de l’esquerra és un esquema que mostra com en arribar llum al primer dels dos vidres que formen el dispositiu de la pantalla d’una calculadora, la llum queda polaritzada, les molècules de cristall líquid entre aquest vidre i l’inferior, estan paral·leles a ells i “giren” la direcció de polarització de la llum, de manera que la llum emergeix per el vidre inferior malgrat està orientat en direcció de polarització perpendicular. Quan es reordenen les molècules i s’orienten perpendiculars, ja no permeten que passi llum. Observeu la simulació a http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl Heu de clicar a “Einstein's Legacy i després a : “Laptop Screens” Un experiment per fer a casa.

Una calculadora senzilla es deixa un parell d’hores en un congelador. Immediatament després de treure-la, s’intenta usar-la per qualsevol operació aritmètica fàcil. Com s’explica l’extraordinària lentitud en què la màquina fa la simple operació? Pantalla de cristall líquid - Tub de néo - transsistors - fils conductors - filtre polaritzador - cristalls líquids - filtre polaritzador - fils conductors - Filtres de color

D-Gels que absorbeixen aigua

Són polímers de poliacrilamida que en contacte amb aigua n’absorbeixen en quantitats elevades comparades amb la seva massa inicial.

Les poliacrilamides són bastant solubles en aigua i tenen múltiples aplicacions: com agents floculants, com absorbents de líquids en els bolquers, i per mantenir la humitat quan es mesclen amb terres de conreu.



Estructura d’una poliacrilamida: -CH2-CH - CH2-CH- CH2-CH- CH2- | | | C=O C=O C=O | | | NH2 NH2 NH2

i d’un poliacrilat de sodi: -CH2-CH- CH2-CH- CH2-CH- CH2- | | | C=O C=O C=O | | | O- Na+ O- Na+ O- Na+

Característiques que es poden estudiar:

- Quina massa d’aigua pot absorbir una determinada massa del polímer - Una vegada deshidratat, torna a absorbir la mateixa quantitat d’aigua?




FP 5.8 Què hem après?

En acabar aquest apartat heu de ser capaços de:

• Explicar què són els polímers, citant-ne exemples.

• Identificar les reaccions de polimerització per addició i per condensació.

• Mostrar de quina manera, la modificació de l’estructura de les cadenes d’un polímers, modifica les seves propietats.

• Posar exemples de com la síntesi orgànica és útil per a l’obtenció de gran diversitat de substàncies, com és el cas de la síntesi d’alguns medicaments.

Funció Fórmula Com s’anomena Exemples Alcohol Èter Àcid carboxílic Aldehid Cetona Ester Amida Amina


1. Llegiu el text d’una noticia publicada recentment.

a. Quin nom tenen els polímers amb propietats elàstiques?

b. A continuació teniu representada una secció del polímer Polipropilè. Quin és el monòmer d'aquest polímer? Escriviu la seva fórmula.

2. A partir del conjunt de fórmules de les molècules següents:

a. Indiqueu quins grups funcionals té cada molècula

Una de las razones por las que los plásticos abundan es que se les puede conferir una gran variedad de propiedades mecánicas, desde la rigidez hasta la elasticidad. Ahora, un grupo de químicos de las universidades de Ulm (Alemania) y Helsinki (Finlandia) han desarrollado un procedimiento para modular fácilmente las características del polipropileno.

El polipropileno se produce enlazando moléculas de propileno, que tienen cada una un grupo metilo De la orientación de estos grupos dependen en gran medida las propiedades del material: si todos se alinean ordenadamente en una dirección el resultado será parecido a un cristal, mientras que si la orientación varía aleatoriamente el plástico será flexible

El proceso de catálisis presentado en el Journal of the American Chemical Society permite inducir en la producción de plásticos rígidos (con los brazos de las moléculas ordenadamente orientados) una tasa de error controlable que determina el grado de flexibilidad resultante. Cuando la tasa de error es baja, el plástico será rígido, mientras que una tasa de error alta producirá un material

CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3

CH3 CH3

CH3 CH3 CH3



b. Escriviu el nom de cada una de les substàncies que corresponen a aquestes fórmules

c. Feu una predicció de quina o quines d'aquestes substàncies presenta enllaços d'hidrogen.

A B

C D

E F

3. El niló (6,6) conté l'enllaç amida en el polímer. Una amida es forma per reacció entre un àcid carboxílic i una amina

a. Escriviu la fórmula dels següents àcids carboxílics:

àcid etanoic ("àcid acètic")

àcid 1,6-hexanodioic

b. Escriviu la fórmula de les següents amines:

etilmetilamina trimetilamina

c. Alguns nilons són polímers formats entre l'àcid 1,6-hexanodioic i l'1,6-diaminohexà. Escriviu una secció del polímer niló.

4. Moltes bosses de plàstic són de polietilè. Quan aquest polímer s'escalfa en presència d'un catalitzador, es descompon en etè, que és un gas combustible. Això es diu "despolimeritzar"

a. Feu un esquema del muntatge per despolimeritzar el polietilé.

b. Expliqueu en quina propietat es fonamenta la utilització d’”aigua de brom” per identificar l'etilè.

5. Quines són les fases que cal seguir des que es sintetitza una molècula fins que es comercialitza?

Podeu seguir una explicació a: http://www.novartis.com/innovation/research-development/drug-discovery-development-process/index.shtml

CH3 CH3

OH

OH

OH O

NH2

CH3

O

OH

CH3 O

O CH3

CH3

O

OH

O

OH

OH

OH

OH

OH

CH3

CH3

centre de documentació i experimentació en...

Documents