UD 1:ESTRUC TURA DE LA MATÈRIA

0. Concept es fonament al s

La f ísica i l a química són ciències exper iment al s que est udien l a mat èr ia

La mat èr ia és t ot al l ò que t é massa i ocupa un vol um

La f ísica est udia el s canvis que exper iment a l a mat èr ia sense que s’al t er i l a seva nat ur al esaLa química est udia l a composició de l a mat èr ia i el s canvis quan s’al t er a l a nat ur al esa.

1. Pr opiet at s i cl assif icació de l a mat èr ia

mat èr ia

mescl es

homogènieshet er ogènies

Subst ància pur a

subst ànciasimpl e

( o el ement )

compost

es poden descomposar en subst àncies simpl es

per pr ocessos químics

El s component s d’una mescl a es poden separ ar per pr ocessos f ísics : f il t r ació, decant ació, sediment ació,dest il · l ació, ext r acció...

subst àncies pur es:

-composicio f ixa-pr opiet at s car cat er íst iques (p.f , p.eb, densit at ...)

el ement compost

-no es poden descompondr e en subst àncies més senzil l es-or denat s a l a t aul a per iòdica

- es poden descompndr e en subst àncies més senzil l es (pr ocessos químics)-es r epr esent en per fór mul es químiques

2. Evol ució hist òr ica de l es l l eis ponder al s:

S XVIII, es t enia coneixement de pr ocessos en el s qual s l a mat èr ia guanyava o per dia massa. (combust ió, cal cinació)

Ll ei de conser vació de l a massa ( o de Lavoisier )

Lavoisier , a par t ir del s r esul t at s obt ingut s en l a seva r ecer ca en l es r eaccions químiques est abl ir La l l ei de conser vció de l a massa en l es RQ

Reacció química

En una r eacció química l a massa del s r eact ius és l a mat eixa que l a del s pr oduct es( l a mat èr ia no es cr ea ni es dest r ueix, es t r ansfor ma)

Exempl e:S + Fe FeS

Ll ei de l es pr opor cions def inides ( o l l ei de Pr oust )

Sempr e que dos el ement s o més es combinen per for mar un mat eix compost , ho fan en una pr opor ció de masses const ant

Ll ei de l es pr opor cions múl t ipl es( o l l ei de Dal t on)

Quan dos el ement s es combinen per for mar més d’un compost , l es quant it at s d’un del s el ement s que es combinen amb una quant it at f ixa de l ’al t r e guar den ent r e sí una r el ació de nombr es ent er s senzil l s

Ll ei del s vol ums de combinació.(Ll ei de Gay-Lusssac)

El s vol ums del s gasos que int er venen en una r eacció química (mesur at s en l es mat eixes condicions de P i T) ,est an en una r el ació de nombr es ent er s senzil l s.

3. Teor ia at òmica de Dal t on

John Dal t on, angl ès, publ icà ent r e 1808 i 1810 una t eor ia que int ent ava expl icar t ot es l es l l eis de l es Rx químiques descober t es f ins el moment .

Hipòt esis de l a t eor ia at òmica de Dal t on1.La mat èr ia est à for mada per àt oms indivisibl es i inal t er abl es.2.Les subst àncies compost es est an for mades per àt oms compost os (que avui anomenem mol ècul es) .3.Tot s el s àt oms d’una subst ància són idènt ics i, per t ant , t enen l a mat eixa massa i l es mat eixes pr opiet at s.4.El s àt oms de subst àncies difer ent s t enen masses difer ent s i t ambé l es al t r es pr opiet at s.5. Quan es pr odueix una RQ, el s àt oms, com són inal t er abl es, ni es cr een ni es dest r ueixen, t an sol s s’agr upen d’una al t r a maner a.

Aquest a int er pr et ació, a més, posa de manifest l a l l ei de conser vació de l a massa i l a r el ació en què es combinen l es seves masses. És a dir , l a t eor ia de Dal t on dóna una expl icació a l es dues l l eis exper iment al s més impor t ant s de l es r eaccions químiques, l a l l ei de Lavoisier i l a l l ei de Pr oust

Mal gr at el s avenços de l a t eor ia, ar a sabem que al gunes de l es seves hipòt esi no er en cor r ect es. A més, Dal t on t enia al gunes concepcions de l a mat èr ia que no l i van per met r e t r obar expl icacions sat isfact òr ies a al guns fenòmens.

a. Dal t on suposava que el s gasos est aven for mat s per àt oms en cont act e, no admet ia l ’exist ència del buit ent r e el s àt oms, i est aven en r epòs. Això impl icava que el vol um del s gasos depenia de l a gr andàr ia del s àt oms o mol ècul es. Aquest a cr eença t enia sèr ies dif icul t at s per expl icar l a compr essió i/o expansió del s gasos.

b.La r egl a de l a màxima simpl icit at sempr e que dos el ement s es combinen per a donar un únic compost aquest a ser à sempr e l a més simpl e. Si hi ha l a possibil it at que donin més d’un compost , l l avor s l es combinacions possibl es ser an l a binàr ia i l a t er nàr ia.

Aquest a segona idea feia que Dal t on imagines mol ècul es que no er en cor r ect es. L’est udi del s gasos, per par t de Gay-Lussac va posar de manifest al guns d’aquest s er r or s. Això ho podem veur e en l a r eacció de for mació de l ’aigua:

Dal t on ho imaginava així: H + O -> HO

Gay-Lussac t r obà exper iment al ment que

4. Hipòt esi d’Avogadr o

El vol um que ocupa un gas depèn fonament al ment de l a dist ància ent r e l es mol ècul es i no de l a gr andàr ia d’el l es, que és ir r el l evant pel que fa al vol um ocupat per el gas.

Hipòest i d’Avogadr o (1811)En l es mat eixes condicions de pr essió i t emper at ur a, el s vol ums igual s de gasos difer ent s t enen el mat eix nombr e de mol ècul es

Això impl ica que si, en l es mat eixes condicions de pr essió i t emper at ur a, un gas t é el dobl e de vol um que un al t r e el pr imer t indr à el dobl e de mol ècul es que el segon. Això és el que passa en l a r eacció de for mació de l ’aigua :

Això no és possibl e!

Avogadr o sol uciona el pr obl ema int r oduint el concept e de mol ècul a, el que dur a difer enciar ent r e mol ècul a i àt om, encar a que es t r act és de subst àncies simpl es. Així és dóna cabuda a mol ècul es del t ipus Cl 2, H2, O2.

Int er pr et ació d’Avogadr o de l a for mació de l ’aigua a par t ir d’hidr ogen i oxigen.

D’aquest a maner a, es sat isfan l a Ll ei de l a conser vació de l a massa i l a l l ei del s vol ums de combinació de Gay-Lussac.

La hipòt esi d’Avogadr o t ambé expl ica el per què t ot s el s gasos es dil at en de l a mat eixa maner a (Ll ei de Gay-Lussac de l a dil at ació de gasos) .

Segons DaltonActualment sabem

Hidrogen HH2

Oxigen OO2

Clor ClCl2

Aigua HOH2O

Amoníac NHNH3

Òxid (N) NONO

Òxid (N) NO2

NO2

5.Masssa at òmica r el at iva

Dal t on pr oposà el concept e de massa at òmica r el at iva:

Massa at òmica r el at iva: númer o de vegades que l a massa d’un àt om d’un el ement és més gr an que l a massa (no t é unit at s)

Per fer -ho és suf icient donar un val or ar bit r ar i a l a massa de l ’àt om d’hidr ogen, el més fàcil és l a unit at , i ut il it zar l a Ll ei de Pr oust de l es pr opor cions const ant a l a qual l a t eor ia at òmica de Dal t on j ust if ica.

Per exempl e:• Segons Dal t on l a r eacció d’obt enció del cl or ur d’hidr ogen ser ia:

H + Cl = HCl

• Segons l a r egl a de màxima simpl icit at de el nombr e d’àt oms d’hidr ogen ha de ser igual al nombr e d’àt oms de cl or : NCl = NH.

• Les masses de cl or i hidr ogen que r eaccionar ien vindr ien donades per :- massa de cl or = nombr e d’àt oms de cl or x l a massa d’un àt om de cl or .- Massa d’hidr ogen = nombr e d’àt oms hidr og. x massa d’un àt om d’H.

La r el ació ent r e l es masses ser ia:

D’aquest r esul t at podem concl our e dos coses:a.Dal t on j ust if ica l a Ll ei de Pr oust .b. Si coneixem l a r el ació ent r e l es masses de dos subst àncies simpl es amb què r eaccionen per a donar un det er minat compost , podem saber l a massa r el at iva de l es dos subst àncies que r eaccionen. Això és així sempr e que sigui vàl ida l a r egl a de màxima simpl icit at .

Pr obl ema 1: a)Si l a massa r el at iva del cl or és Ar (Cl )= 35,5, què signif ica aquest númer o?.b.)Quant es vegades més gr an ser à l a massa de 10 àt oms de cl or que 10 àt oms d’hidr ogen?.c)Quant es vegades més gr an ser à l a massa de 1000 àt oms de cl or que 1000 àt oms d’hidr ogen?.d)Quant es vegades més gr an ser à l a massa de 106 àt oms de cl or que 106 àt oms d’hidr ogen?.e.)Quant es vegades més gr an ser à l a massa de NA àt oms de cl or que NA àt oms d’hidr ogen?.

6.El mol

Tenim com unit at ar bit r àr ia per mesur ar l es masses del àt oms l a “Unit at At òmica de Massa”. A més, sabem que l a r el ació d’aquest a unit at amb l a unit at int er nacional de massa és:

1 u = 1,66x10-27kg= 1,66x10-24g.

Si vol em cont r ol ar l es masses de l es diver ses subst àncies que int er venen en una r eacció química és impossibl e fer -ho a nivel l de mol ècul es, és a dir , en un l abor at or i nor mal amb una bal ança és impossibl e mesur ar l a massa d’una mol ècul a. Per ò, podr ia ser mol t út il ut il it zar un númer o mol t gr an de par t ícul es, mol ècul es en aquest cas, de maner a que l a seva massa fos de l ’or dr e del s gr ams. És a dir , una massa fàcil ment mesur abl e en un l abor at or i qual sevol . Aquest a és una gr an idea, per ò cal posar -nos d’acor d en quin ha de ser aquest enor me númer o de mol ècul es.

Exempl e 1: Si l a massa d’un àt om d’hidr ogen és 1 u quina quant it at d’àt oms hem de t enir per aconseguir que l a seva massa sigui de 1 g?. És un càl cul que no és dif ícil j a que sabem l a r el ació ent r e u i el s gr ams.

La massa d’un àt om d’hidr ogen = 1 u = 1,66·10-24g

Exempl e 2: Sabem que l a massa at òmica r el at iva del cl or és Ar (Cl )=35,5. quant s àt oms de cl or hem de t enir per aconseguir una massa de 35,5 gr am de cl or ?. Per fer -ho, cal r epet ir exact ament el que hem fet amb l ’hidr ogen:

La massa d’un àt om de cl or és = 35,5 u = 35,5 · 1,66·10-24g

t or na a donar NA=6,022·1023 àt oms de cl or

Exempl e 3: El mat eix podem fer amb mol ècul es, per exempl e l es de l a r eacció ant er ior :La massa d’una mol ècul a d’hidr ogen, H2, = 2 u = 2 x 1,66·10-24g d’hidr ogen

NA = 6,022·1023 mol ècul es d’hidr ogen, H2

Exempl e 4: r eal it za el s càl cul s en el cas de l ’amoníac,NH3

En t ot s el s casos ens t r obem que sempr e necessit em el mat eix nombr e de mol ècul es o àt oms per a t enir una massa en gr ams numèr icament igual a l a massa de l a mol ècul a o àt om expr essada en u.

Això ens per met fer una dobl e int er pr et ació de l a r eacció de for mació del cl or ur d’hidr ogen

H2 + Cl 2 -> 2 HCl

- una mol ècul a d’hidr ogen, H2, r eacciona amb una mol ècul a de cl or , Cl 2, per donar dos mol ècul es de cl or ur d’hidr ogen, HCl .

- NA mol ècul es d’hidr ogen r eaccionen amb NA mol ècul es de cl or per donar 2xNA

mol ècul es de cl or ur d’hidr ogen.

Mol : és l a quant it at de mat èr ia que cont é el nombr e d’Avogadr o de par t ícul es ( j a siguin mol ècul es, àt oms,

ions)

Per t ant :- En un mol d’hidr ogen, H, hi ha 6,022x1023 àt oms d’hidr ogen i l a seva massa és de 1 gr am.- En un mol de mol ècul es d’hidr ogen, H2, hi ha 6,022x1023 mol ècul es d’hidr ogen i l a seva massa és de 2 gr ams.- En un mol de car boni, C, hi ha 6,022x1023 àt oms car boni i l a seva massa és de 12 gr ams.- En un mol de mol ècul es d’oxigen, O2, hi ha 6,022x1023 mol ècul es d’oxigen i l a seva massa és de 32 gr ams.- En un mol de met à, CH4, hi ha 6,022x1023 mol ècul es de met à i t enen una massa 16 gr ams.

Així, podem int er pr et ar l es r eaccions químiques en t er mes de mol s, i r eal it zar càl cul s de l es masses del s r eact ius i pr oduct es

Resum: Ar a podem fer l es següent s int er pr et acions d’una r eacció química, t ot es el l es vàl ides:1. 1 mol ècul a de H2 + 1 mol ècul a de Cl 2 -> 2 mol ècul es de cl or ur d’hidr ogen.2. 1 mol de H2 + 1 mol de Cl 2 -> 2 mol s de cl or ur d’hidr ogen.3. 2,0 g H2 + 71,0 g Cl 2 -> 2 x 36,5 g HCl