Laura Bassi 2n. Mostra. Física i química

Fís ica uímica Q i

2 ESO DOSSIER

Programa Laura Bassi

LES FORCES I ELS

L’ENERGIA.

MECÀNICA

ENERGIA TÈRMICA

» PRESENTACIÓ I ESTRUCTURA

Els continguts competencials del programa Laura Bassi corresponents a Física i Química 2 ESO s’estructuren en 9 unitats didàctiques . Al llarg de cada unitat s’ofereixen explicacions dels continguts essencials de la matèria i activitats competencials per resoldre en el mateix dossier .

A la pàgina esquerra, es presenten els continguts

Quadres de definicions i conceptes destacats

Text breu que explora les relacions entre ciència, tecnologia i societat a través de fets rellevants relacionats amb els continguts que es tractaran .

Compromís ODS. Proposta d’activitats per conèixer les metes dels Objectius de Desenvolupament Sostenible

Repàs dels coneixements previs sobre el tema en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

A la pàgina dreta es proposen activitats amb l’espai corresponent per resoldre-les

Recursos, tècniques i activitats en l’espai personal del web www.barcanova.cat.

Quadres al marge amb informació complementària

Treballa amb la imatge. Desenvolupa la capacitat d’observació i interpretació de l’alumnat

Exercicis resolts que permeten l’aprenentatge de processos de raonament i estratègies de resolució de problemes

Dins del taller de ciències s’ofereixen experiments de ciència recreativa ben entretinguts

Els experiments de l’apartat Treball pràctic permeten aplicar el mètode científic

Posa’t a prova.

Activitats per consolidar l’aprenentatge, amb l’espai corresponent per resoldre-les

Icona Treball cooperatiu. Activitats que s’han de fer en grups reduïts

necessari per fer l’experiment

Activitats per interpretar els resultats obtinguts

Icona AvaluApp. Indica les activitats més competencials

Icona ODS. Indica les activitats que tracten alguns dels Objectius de Desenvolupament Sostenible de l’ONU .

Icona Internet. Activitats en què l’alumnat ha de consultar Internet

» PROJECTE DIGITAL

Una resposta global per a un entorn educatiu divers

La proposta digital de Barcanova és EDUDYNAMIC, un projecte digital complet que dona una resposta global a un entorn educatiu divers i dinàmic.

A partir d’un entorn senzill i intuïtiu, EDUDYNAMIC és un projecte digital multidispositiu i multisuport que s’adapta i es visualitza a totes les plataformes i a tots els entorns d’aprenentatge virtual (Blink Learning, Moodle, Alexia, Google Classroom, Clickedu, Office 365…).

La diversitat i riquesa de recursos, des d’activitats interactives traçables a vídeos, presentacions i ludificació, fa d’EDUDYNAMIC un projecte digital actualitzat i complet pensat per canviar amb tu.

Integració a totes les plataformes i entorns EVA.

Gestió en línia de les activitats i tasques assignades als alumnes.

Continguts i eines per treballar on-line i off-line

Compatibilitat i sincronització amb qualsevol dispositiu.

Amb suport paper o sense.

Les claus del projecte digital

VERSÀTIL

El projecte, adaptat a diferents enfocaments i necessitats, es pot utilitzar com a complement del llibre imprès o bé com a model autònom per a les aules més digitalitzades.

ENTORN SENZILL I INTUÏTIU

Des d’on poder accedir i treballar amb continguts digitals.

INTEGRACIÓ I SINCRONITZACIÓ

Els canvis que fa l’usuari se sincronitzen automàticament en connectar qualsevol dels dispositius amb què es treballa.

MULTISUPORT I UNIVERSAL

Són responsive i ajusten el seu contingut a qualsevol dispositiu: mòbil, tauleta, ordinador...

Tots els projectes digitals de Barcanova s’adapten i es visualitzen a totes les plataformes i a tots els entorns virtuals d’aprenentatge (EVA).

ON-LINE I OFF-LINE

Són descarregables per poder treballar també sense connexió a la xarxa.

DIVERSITAT I RIQUESA DE RECURSOS

Per millorar la comprensió dels continguts: activitats interactives traçables, vídeos, presentacions, imatges interactives, suggeriments didàctics, enllaços, ludificació i... molt més!

METODOLOGIA CIENTÍFICA

Hipòtesi d’un desequilibrat o d’un pioner?

El 1846, Ignaz P. Semmelweis va començar a treballar a l’Hospital General de Viena com a metge assistent. Aquest centre sanitari estava dividit en dos pavellons: un per als metges, on treballava Semmelweis, i un altre per a les llevadores. Johann Klein, metge i director del primer pavelló, va ser precursor de les pràctiques amb cadàvers en l’esmentat hospital. Així, únicament els metges que encara estaven completant la seva formació en obstetrícia feien pràctiques clíniques amb cadàvers i, també, atenien parteres. Des de la implantació d’aquest nou sistema de formació, els casos de febre puerperal en les dones que ingressaven per donar a llum van augmentar significativament al pavelló dels metges en comparació amb el de les llevadores. Després de setmanes d’observació i reflexió, Semmelweis va pensar que la febre puerperal era transmesa pels metges en formació, ja que aquests feien les pràctiques amb cadàvers i, després, sense desinfectar-se les mans, reconeixien les parteres. Així, Semmelweis, després de ser tractat com un trastocat i fins i tot un cop acomiadat, va implantar el rentat de mans i la seva desinfecció amb una dissolució de clorur de calci com a acció obligada per a aquells que fessin pràctiques amb cadàvers. Després de l’aplicació d’aquesta nova pràctica, els casos de febre puerperal van descendir dràsticament, fet que confirmava la hipòtesi de Semmelweis, tot i que la comunitat científica tardaria encara uns quants anys a reconèixer el valor científic de les seves aportacions.

COMPROMÍS ODS

Avui dia, el rentat i la desinfecció de mans s’han generalitzat en la comunitat mèdica.

1. Busca més informació a Internet sobre la història de Semmelweis i la febre puerperal. Com van influir la teoria miasmàtica i la teoria del contagi en les observacions de Semmelweis?

2. La crisi de la COVID-19 ha generalitzat el rentat i la desinfecció de mans també entre la població. En gran grup, investigueu com cal rentar-se les mans per evitar contagis. Aconseguiu un mural il·lustratiu (o elaboreu-ne un) i pengeu-lo a l’aula.

3. Quina relació existeix entre aquesta pràctica (rentat i desinfecció de mans) i les metes 3.3 i 3.8 dels ODS?

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què hauries de saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat

1. CONEIXEMENT CIENTÍFIC

El coneixement científic sorgeix de la necessitat de donar resposta a un problema basat en fets, o fenòmens, als quals es vol donar explicació utilitzant el que anomenem «mètode científic».

El coneixement científic té les característiques següents:

• És una construcció de l’ésser humà que es deu a la contribució de moltes persones al llarg de la història.

• Es desenvolupa mitjançant rigorosos mètodes de treball, englobats en el mètode científic.

• Es basa en proves; mai no es pot basar en creences, intuïcions o suposicions.

• Ha de ser conforme a la realitat, i s’ha de poder comprovar les vegades que calgui.

Ciències i pseudociències

Identificació d’un problema

Possible resposta (hipòtesi)

Comprovació amb la realitat

Hipòtesi vàlida

S’obté coneixement científic

Hipòtesi no vàlida

TREBALLA

AMB

LES IMATGES

T1. Analitza l’esquema del mètode científic i respon:

• Què és una hipòtesi?

• Què ha de complir una hipòtesi per arribar a ser coneixement científic?

En ocasions se’ns mostra alguna cosa com a coneixement científic quan no ho és. En aquests casos parlem de pseudociències (falsa ciència). Un exemple és l’astrologia, que no té base científica, ni poder de predicció.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

1. El coneixement científic es deu a la contribució de moltes persones. Anomena dues d’aquestes persones i cerca a Internet altres científics o científiques anteriors en els quals es van basar per fer que la ciència avancés.

2. Com sorgeix el coneixement científic? Què es fa quan una hipòtesi no es compleix?

físics

2. CANVIS FÍSICS I QUÍMICS

La física i la química són dues disciplines científiques el propòsit de les quals és el d’explicar els canvis que tenen lloc en el món en què vivim.

Ambdues centren el seu estudi en porcions de matèria que reben el nom de sistemes materials; si presenten límits definits, es parla de cossos. Per exemple, l’atmosfera és un sistema material, ja que no té límits definits, i un tros de ferro o el teu llapis són cossos, ja que sí que en tenen.

Els sistemes materials poden experimentar dos tipus de canvis.

Canvis químics

Són aquells en què, un cop s’ha produït el canvi, es conserven les mateixes substàncies

Si augmentem la temperatura d’un tros de ferro fins a fondre’l, continuem tenint ferro, al principi en estat sòlid i, després, en estat líquid, però no es forma una nova substància. El mateix passa quan es fon un glaçó; en aquest cas continuem tenint aigua.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Són aquells en què després del canvi les substàncies són diferents de les inicials.

Si deixem un tros de ferro a la intempèrie, aquest acaba oxidant-se, i es forma una nova substància, l’òxid de ferro, amb propietats diferents de la inicial. (Per exemple, al contrari que el ferro, l’òxid de ferro no condueix bé l’electricitat).

3. Raona la veracitat o la falsedat d’aquest enunciat: «En el món en què vivim, tot canvia».

4. Argumenta si els següents canvis són físics o químics:

a) Un objecte cau a terra 8

b) S’arruga un paper i després es crema 8

c) Es dissol sal en aigua 8

d) Es forma un núvol 8

e) La fruita madura 8

3. MAGNITUDS FÍSIQUES. UNITATS I MESURES

Magnitud física

Magnitud física és qualsevol propietat dels fenòmens que es pot mesurar de manera objectiva.

El temps, la massa i la longitud, entre altres, són magnituds físiques, ja que es poden mesurar de manera objectiva.

Tanmateix, la justícia, l’amor o la bellesa, no ho són. Com mesuraríem, per exemple, la bellesa d’un objecte? Arribaríem a un acord?

Unitats i mesura

En general, una magnitud física es pot expressar en diferents unitats.

Una unitat d’una magnitud física és una certa quantitat que s’utilitza per mesurar aquesta magnitud.

Una vegada decidida la unitat, es pot procedir a mesurar la magnitud.

Mesurar consisteix a comparar la magnitud que es mesura amb la unitat.

Així, quan diem que un cotxe fa dos metres de llarg, això significa que la unitat triada (el metre) cap dues vegades en la longitud que es mesura.

Magnituds fonamentals i derivades

Qualsevol magnitud física es pot expressar en termes de les anomenades magnituds fonamentals, que han estat triades per convenció. Les que s’obtenen a partir d’aquestes, s’anomenen magnituds derivades

El Sistema Internacional d’Unitats (SI), adoptat per convenció el 1960, és el sistema d’unitats més utilitzat en el món.

Expressió de valors de magnituds físiques

Longitud =

4,5 cm

Valor numèric

Magnitud

Símbol de la unitat

Resultat de la mesura

En física i química, tot valor numèric ha d’anar acompanyat de la unitat corresponent.

Símbols de les unitats

• Cada unitat es representa per un símbol, format per una o més lletres.

• Els símbols de les unitats s’escriuen amb minúscula, tret que derivin d’un nom propi, cas en el qual la primera lletra s’escriurà amb majúscula.

• En els símbols no s’hi afegeix mai la s del plural ni hi posem cap punt al final.

MAGNITUDS FONAMENTALS

I LES SEVES UNITATS EN EL SI

Magnitud Unitat Símbol

Massa Quilogram kg

Longitud Metre m

Temps Segon s

Temperatura Kelvin K

Intensitat de corrent elèctric Ampere A

Intensitat lluminosa Candela cd

Quantitat de substància Mol mol

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

ALGUNES MAGNITUDS DERIVADES I LES SEVES UNITATS

Magnitud Unitat Símbol

Superfície Metre quadrat m2

Volum Metre cúbic m3

Densitat Quilogram per metre cúbic kg/m3

Velocitat Metre per segon m/s

Acceleració Metre per segon al quadrat m/s2

Força Newton N (kg m/s2)

Pressió Pascal Pa (N/m2)

Energia Joule J (N m)

5. Raona si les següents característiques d’una persona són magnituds físiques. En els casos afirmatius, indica si es tracta d’una magnitud fonamental o derivada, i les seves unitats en el SI.

a) Intel·ligència

b) Solidaritat

c) Estatura

d) Edat

6. Per què la pressió i l’energia són magnituds derivades? Com es relacionen amb les fonamentals?

7. Les unitats següents són d’us freqüent, tot i que no pertanyen al SI. A quina magnitud física corrresponen?

a) Quilòmetre per hora (km/h) 8

b) Mil·límetre de mercuri (mmHg) 8

c) Gram per centímetre cúbic (g/cm3) 8

d) Hectàrea (ha) 8

e) Litre (L) 8

f) Caloria (cal) 8

8. Busca informació a Internet sobre les magnituds i les unitats que pots veure en les taules d’aquesta pàgina i que desconeixes. Tria’n tres i defineix-les breument.

Consulta l’índex del llibre i pensa si utilitzaràs totes aquestes magnituds durant aquest curs.

Notació científica

En física i química de vegades hem de treballar amb nombres molt grans, o molt petits. Per exemple:

• La distància entre la Terra i el Sol és d’uns 150 milions de quilòmetres (150.000.000.000 m).

• La grandària d’un gra de pol·len és de l’ordre de la mil·lèsima part d’un mil·límetre (0,000 001 m).

Per expressar aquests valors, s’utilitzen les potències de 10. Per exemple:

1.000 = 103 ; 0,001 = 1 1.000 = 1 103 = 10–3

La notació científica és molt utilitzada en ciències. Consisteix a expressar els nombres amb una xifra entera, seguida o no de decimals, i la potència de deu adequada.

Amb aquesta notació, la distància Terra-Sol és d’1,5 · 1011 m, i la grandària dels grans de pol·len, de l’ordre de 10–6 m.

Múltiples i submúltiples

Altres vegades utilitzem múltiples o submúltiples de les unitats del SI, afegint-hi prefixos (taula del marge). Així, la distància Terra-Sol és de 150 Gm, i la grandària d’un gra de pol·len, de l’ordre d’1 µm.

Instruments de

mesura

La mesura de magnituds físiques es duu a terme mitjançant l’ús d’instruments dissenyats per a aquesta finalitat.

L’elecció d’un instrument adequat és fonamental. Per això cal conèixer les qualitats dels instruments de mesura. Aquest curs ens centrarem tan sols en dues:

• Cota mínima i cota màxima. Són el valor més petit i el més gran, respectivament, que l’instrument pot mesurar. La diferència entre l’una i l’altra és l’interval de mesura.

• Sensibilitat. És la resposta de l’instrument davant de les variacions de la magnitud que mesura. Està relacionada amb la subdivisió mínima de la seva escala.

Qualitats dels instruments de mesura

Les mesures efectuades amb aquestes dues provetes s’obtenen en la mateixa unitat de volum, el mil·lilitre, mL (la mil·lèsima part d’un litre). No obstant això, presenten qualitats diferents:

• Proveta 1.

– Cota mínima: 5 mL / Cota màxima: 50 mL / Sensibilitat: 1 mL.

• Proveta 2.

– Cota mínima:

– Cota màxima:

– Sensibilitat:

MÚLTIPLES I SUBMÚLTIPLES

Prefix Símbol Potència

Giga G 109

Mega M 106

Quilo k 103

Hecto h 102

Deca da 10

Unitat – 1

Deci d 10–1

Centi c 10–2

Mil·li m 10–3

Micro µ 10–6

TREBALLA AMB LES IMATGES

T2. Completa les dades que hi falten.

Nano n 10–9 1 2

EXERCICIS RESOLTS

1. El radi de la Terra és de 6.380 km. Expressa’l en notació científica i en unitats del SI.

En primer lloc, s’expressa el radi en el SI, tenint en compte que el prefix «quilo» equival a 103:

RT = 6.380 km = 6.380 · 103 m = 6.380.000 m

Per deixar només una xifra entera, cal dividir entre 1.000.000 (106). Per tant, perquè el valor no canviï, caldrà multiplicar per 106.

En notació científica resulta, doncs, així:

RT = 6,38 · 106 m

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

9. Contesta raonadament les preguntes següents:

a) Quin és l’interval de mesura de les provetes de la imatge de la pàgina anterior?

Proveta 1:

Proveta 2:

b) Amb quina proveta mesuraries aquests volums?

15,5 mL 8

60 mL 8

175,5 mL 8

10. La velocitat límit en autovia és de 120 km/h.

Expressa-la en unitats del SI.

2. Una moto circula a 90 km/h. Expressa la seva velocitat en unitats del SI.

Per canviar d’unitats, s’utilitzen factors de conversió, tants com unitats calgui transformar: .s s h km km m hm v 90 1 10 3600 1 25 3 == Y Y

Els factors de conversió es trien de manera que vagin quedant les unitats desitjades.

Així, per al canvi contrari s’escriurien d’aquesta manera: s .s m m km hh km v 25 10 1 1 3600 90 3 == Y Y Y Y

11. Aconsegueix un telèfon mòbil amb cronòmetre i esbrina’n aquestes qualitats:

Sensibilitat:

Interval de mesura:

12. La densitat de l’aigua destil·lada és d’1 g/cm3. Quin és el seu valor en unitats del SI?

Ajuda: 1 m = 100 cm = 102 cm

Per tant: (1 m)3 = 1 m3 = (102 cm)3 = 106 cm3

13. La distància entre la Terra i la Lluna és de 384.000 km aproximadament. Expressa-la en unitats del SI, en notació científica i amb els prefixos dels múltiples i els submúltiples de les unitats.

14. Treballa amb les aplicacions interactives de transformació d’unitats que trobaràs en l’espai personal del web www.barcanova.cat

4. EL LLENGUATGE DE LA CIÈNCIA

Per comunicar els resultats de la investigació científica, s'utilitza un llenguatge verbal molt rigorós, que a més se sol acompanyar d'equacions físiques, taules de dades i gràfiques.

Equacions físiques

Una equació física és una expressió matemàtica que relaciona magnituds físiques.

Per exemple, la rapidesa mitjana es defineix com l’espai que recorre un cos en la unitat de temps. La seva equació física és aquesta: v t e =

Les equacions físiques, a més d’utilitzar-se per calcular els valors de les magnituds relacionades, també serveixen per conèixer les relacions de proporcionalitat entre aquestes magnituds.

Dues magnituds són directament proporcionals quan, en multiplicar-ne una per un nombre, l’altra queda multiplicada pel mateix nombre, i són inversament proporcionals quan en multiplicar-ne una per un nombre, l’altra queda dividida per aquest nombre.

Taules i gràfiques

Per estudiar la relació entre dues magnituds, es dissenyen experiments en els quals es varien els valors d’una magnitud (variable independent) i es mesuren els que va prenent l’altra (variable dependent). Després, aquestes mesures s’organitzen en taules de dades, a partir de les quals s’elaboren representacions gràfiques seguint aquests passos:

• Es tracen els eixos de coordenades.

• S’indica, en cada un, la magnitud que representa i la unitat en què es mesura. La variable independent se situa en l’eix d’abscisses (eix X ), i la dependent, en el d’ordenades (eix Y ).

• S’assenyalen les divisions adients en els eixos.

• Es representa un punt per cada parell de dades de la taula.

• S’uneixen els punts mitjançant una línia.

• De les gràfiques es pot deduir la relació entre les magnituds.

Proporcionalitat lineal i directa

Relacions de proporcionalitat

Proporcionalitat directa

Si una magnitud, A, és directament proporcional a una altra, B, la relació matemàtica entre totes dues és: Ak B =

Per exemple, quan estirem una molla amb una força F, l’allargament, x, és directament proporcional a F: F = k · x on k és una constant característica de cada molla.

Proporcionalitat inversa

Si una magnitud, A, és inversament proporcional a una altra, B, la relació matemàtica entre totes dues és: A B k = on k és una constant.

3. Estudia les relacions de proporcionalitat de la velocitat mitjana amb l’espai recorregut i el temps.

Si prenem un espai doble, ee 2 = l , i el substituïm en l'equació v = e/t, s’observa que la velocitat es duplica: v t e t e t e v 2 22 == == l l

Si prenem un temps doble, t l = 2 · t, i el substituïm en l'equació, veiem que la velocitat es redueix a la meitat: v t e t e t e v 22 1 2 == == l l

Per tant, la velocitat és directament proporcional a l’espai recorregut i inversament proporcional al temps emprat.

EXERCICI RESOLT

4. Es mesura l’allargament d’una molla en funció de la massa que s’hi penja, i s’obtenen les dades següents:

m/kg 1 2 3 4 5

Dl/cm 2 4 6 8 10

Representa gràficament aquestes dades i obtén la relació entre l’allargament i la massa.

En aquest cas, la massa és la variable independent (el que nosaltres variem) i l’allargament és la variable dependent (el que mesurem). La representació gràfica és la que es mostra a la dreta.

S’hi observa una relació de proporcionalitat directa; és a dir, Dl = k · m. De les dades de la taula és fàcil deduir que k = 2 cm/kg. Per tant, Dl = 2 · m, expressió en què Dl es mesura en cm, i m en kg.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

15. La pressió es defineix com la força exercida per unitat de superfície (p = F/S). Estudia les relacions de proporcionalitat entre les esmentades magnituds.

16. En l’exercici resolt 4, expressa, en llenguatge verbal, la relació entre les magnituds que hi apareixen: allargament i massa. Què és k? Quina és la seva unitat?

17. Es mesura el volum que ocupa un fragment de mineral en funció de la seva massa. S’obté:

m/g 10 20 30 40 50

V/mL 4 8 12 16 20

Representa la gràfica i estudia la relació V-m

5. MATERIAL DE LABORATORI

Normes de seguretat al laboratori

Al laboratori s’han de complir les següents normes de seguretat. En cas d’accident, comunica-ho immediatament al docent que tinguis més a prop:

• Mantén l’àrea de treball neta i ordenada.

• En finalitzar l’experiment, neteja el material i ordena’l. Després, renta’t les mans amb aigua i sabó.

• Si tens cap ferida, tapa-la abans de començar.

• Si és necessari, utilitza ulleres protectores i guants de làtex.

• No portis peces de roba o objectes que dificultin la teva mobilitat.

• No et desplacis sense cap motiu i, sobretot, no corris.

• No oloris, ni tastis ni ingereixis productes.

• Els àcids i les bases s’han de fer servir amb precaució, ja que la majoria són corrosius.

• Si t’has esquitxat amb algun producte, renta’t la zona afectada amb aigua abundant.

• Fixa’t en els signes de perillositat que hi ha en les etiquetes dels productes químics.

Productes químics: etiquetes

Cancerigen, mutagen

Substàncies inflamables

COMPRÈN, PENSA,

Substàncies comburents

Substàncies corrosives

Toxicitat per inhalació

Gas a pressió

Nociu per al medi ambient

Substàncies explosives

Toxicitat aguda

18. Amb la supervisió dels teus pares, revisa els productes de neteja de la teva llar i busca símbols de perillositat en les etiquetes. Elabora una taula amb el nom del producte, la fórmula química (si hi consta), el símbol trobat i el seu significat.

Gestió de residus

El treball al laboratori genera residus que cal eliminar.

• Alguns poden ser eliminats pels canals habituals; és a dir, dipositant-los en els contenidors de recollida selectiva (orgànic, paper, plàstic, etc.).

• D’altres, al contrari, poden danyar el medi ambient, i han de ser envasats, emmagatzemats i classificats, segons les seves propietats i segons el grau de perillositat, per després lliurar-los a empreses especialitzades per al seu tractament i eliminació (figura inferior).

Abans de llençar cap residu a la paperera o al contenidor del laboratori, o d’abocar un producte per l’aigüera, assegura’t que ho estàs fent en el lloc adequat.

És molt important participar en la conservació del medi ambient, i les petites accions ajuden a fer-ho possible.

Generació de residus

interna

Incineració

Encapsulació

Confinament

Combustible alternatiu

19. El tractament final dels residus consisteix en la incineració, encapsulació, confinament o en el seu ús com a combustible alternatiu. Busca informació sobre aquests termes i prepara un breu informe sobre el tipus de residus que acaben sent tractats per cada un d’aquests mètodes.

Material bàsic de laboratori

El material que pots trobar en un laboratori és molt divers; aquí en tens una mostra. Durant el curs s’anirà descrivint la manera d’utilitzar-lo, com també es farà amb el nou material que es vagi necessitant.

Vas de precipitats

d’Erlenmeyer

de destil·lació

6. CIÈNCIA, TECNOLOGIA I SOCIETAT

En moltes ocasions es confonen la ciència i la tecnologia, encara que es diferencien en molts aspectes, com ara aquests:

• Propòsit. El de la ciència és explicar el món que ens envolta; el de la tecnologia, la fabricació de dispositius.

• Punt de partida. La ciència parteix de la necessitat de respondre a un problema; la tecnologia, de les nostres necessitats.

• Procediment. La ciència busca solucions emetent hipòtesis que han de ser conformes a la realitat; la tecnologia elabora dissenys i després fabrica el producte, que ha de funcionar.

• Producte acabat. El de la ciència és coneixement que es pot generalitzar; el de la tecnologia, un objecte particular.

Malgrat aquestes diferències, ciència i tecnologia estan íntimament relacionades i, a més, influeixen en la societat que, per la seva part, pot prendre decisions que determinen cap a on es dirigeix la investigació cientificotecnològica.

Totes aquestes relacions fan que sigui difícil parlar de ciència, tecnologia o societat de forma aïllada i, per tant, hem de referir-nos a totes en conjunt. Es parla, en general, de relacions ciència-tecnologia-societat, o relacions CTS.

Relacions CTS

La ciència necessita la tecnologia per millorar els instruments d’observació i mesurament. Aquests instruments són possibles gràcies als avenços científics.

CIÈNCIA

La ciència ens permet conèixer el món en què vivim i millorar les nostres condicions de vida.

La societat pot determinar en què s’investiga, i influeix en la ciència a través de subvencions.

TECNOLOGIA

Ciència, tecnologia i societat estan íntimament relacionades

SOCIETAT

La tecnologia forma part de les nostres vides, pot millorar-les o empitjorar-les segons com s’utilitzi.

La societat influeix en el desenvolupament de la tecnologia per demanda de consum.

Alguns exemples de relacions CTS

Sector farmacèutic

La indústria farmacèutica ha augmentat la nostra esperança de vida. La investigació científica participa en la determinació dels principis actius (part fonamental del medicament), i la tecnològica, en la fabricació dels medicaments.

Indústria automobilística

Per fabricar un cotxe es necessiten entre 70.000 i 90.000 peces, i totes es dissenyen amb relació a la investigació cientificotecnològica. Un cop fabricat, facilita els nostres desplaçaments.

Sector tèxtil

Cada vegada hi ha més persones al planeta i, en conseqüència, es necessiten més peces de vestir. A més, s’investiga en nous teixits més resistents i amb millors propietats tèrmiques.

Comunicacions

Els telèfons mòbils són fruit d’un llarg camí d’investigació científica i tecnològica, que ha permès comunicar-nos amb persones de tot el planeta amb dispositius que caben a la nostra mà.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

20. Malgrat que en l’actualitat es fabriquen medicaments i roba en quantitats massives, al planeta hi ha encara moltes persones que no poden accedir a aquests béns, i fins i tot que no poden cobrir les seves necessitats bàsiques d’aigua i aliments. Consulta les metes 2.1 i 6.1 dels Objectius de Desenvolupament Sostenible, reflexiona sobre aquest fet i resumeix la teva opinió per debatre-la a classe.

21. Des de quan creus que existeixen els telèfons mòbils? Com eren els de fa, per exemple, quinze anys? Després de respondre, busca informació a Internet i contrasta-la amb les teves respostes.

22. En l’actualitat, la majoria dels cotxes funcionen amb gasolina o gasoil, encara que cada vegada hi ha més cotxes elèctrics o que fan ús d’altres combustibles. En petits grups, busqueu informació sobre els tipus de motors i prepareu una presentació sobre un d’aquests tipus.

23. Per fabricar les bateries dels mòbils cal coltan, un mineral de columbita i tantalita. Cerca informació sobre la «guerra del coltan» i, tenint en compte les dades relatives a les metes 8.7 i 8.8 dels ODS, elabora un breu informe. Comenta les teves conclusions amb la resta de la classe.

» TALLER DE CIÈNCIES

CIÈNCIA RECREATIVA

Informe científic

Repassa les fases del mètode científic en l’esquema del marge.

Imagina que arribem al final d’aquest esquema. Hem validat les hipòtesis i hem obtingut coneixement científic d’alguna mena. El procés no acaba aquí; un aspecte molt important de la investigació científica és la comunicació de resultats, que es duu a terme mitjançant l’elaboració d’un informe científic.

Normalment l’informe consta dels apartats següents:

• Portada.

• Índex.

• Plantejament del problema.

• Hipòtesi.

Reflexiona

• Procediment.

• Resultats.

• Conclusions.

• Referències bibliogràfiques.

Un dia d’hivern, nevat, passes l’estona amb uns amics fent un ninot de neu. Quan acabeu, algú proposa de posar-li un abric perquè tardi més a fondre’s. Té raó? Tardarà més a fondre’s si li poseu un abric?

Formeu petits grups i abordeu el problema seguint el mètode científic. Per comunicar els resultats, elaboreu un informe.

En cas que no sigui factible el desplaçament a un indret nevat, podeu fer servir diversos glaçons i una peça de tela.

Orientacions per a la realització de l’informe científic

Cal especificar, de manera clara, el problema a resoldre.

Identificació d’un problema

Possible resposta (hipòtesi)

Comprovació amb la realitat

Hipòtesi

vàlida

S’obté coneixement científic

Hipòtesi no vàlida

S’ha d’especificar la hipòtesi, explicant per què es pensa que dona resposta al problema. Hi pot haver més d’una hipòtesi.

Després cal indicar el procediment mitjançant el qual es comprova cada una de les hipòtesis, especificant tant els materials que s’utilitzen en l’experiència com la manera en què s’utilitzen.

Per a cada una de les hipòtesis, s’han de presentar els resultats obtinguts, en llenguatge verbal, matemàtic o gràfic.

Les conclusions s’han de basar en els resultats obtinguts. Si les conclusions donen suport a la hipòtesi, haurem donat resposta al problema; si no, caldrà emetre noves hipòtesis.

RESPON…

1. Per comprovar les hipòtesis es recorre a l’experimentació. En aquesta fase cal parar atenció al fet que altres investigadors puguin repetir les experiències. Raoneu en grup i justifiqueu per què la reproductibilitat és un aspecte fonamental del mètode científic.

Expressió de la mesura

Tota mesura es veu afectada per un error, o incertesa, igual, com a mínim, a la sensibilitat de l’instrument de mesura.

Conegut l’error, la mesura s’expressa així: t = 3,64 ± 0,01 s Unitat

Magnitud

TREBALL PRÀCTIC

Els errors de mesura

Objectiu

Reconèixer que sempre que es duu a terme una mesura es cometen errors, que cal indicar en la mesura.

La

vostra proposta

Penseu alguna manera de comprovar que, en fer una mesura, sempre es cometen errors. Comenteu com ho faríeu.

La nostra proposta

Incertesa Valor numèric

Això significa que el valor de la mesura pot oscil·lar entre 3,63 s i 3,65 s.

Material

• Regla

• Cinta mètrica

• Cronòmetre

• Telèfon mòbil

La mesura d’una magnitud es veu influïda, entre altres possibles causes, per les característiques de l’instrument que s’utilitza, i la manera d’utilitzar-lo. Ho comprovarem fent algunes mesures de dues magnituds fonamentals: la longitud i el temps.

Mesura de longituds

• Mesureu l’amplada i la llargada d’un telèfon mòbil, primer, amb el regle i, després, amb la cinta mètrica. Anoteu els resultats i, al seu costat, la sensibilitat de l’instrument de mesura utilitzat.

• Si l’extrem del mòbil queda entre dues marques de l’escala, es pren la marca de valor més petit (s’actua així sempre que s’utilitzen escales graduades).

Mesura de temps

• Deixeu caure un objecte des d’1 m d’altura i mesureu el temps que tarda a impactar amb el terra; primer, amb el cronòmetre de laboratori i, després, amb el de l’aplicació d’un telèfon mòbil.

• Feu dues mesures amb cada un dels cronòmetres, anoteu els resultats i, al seu costat, la sensibilitat del cronòmetre utilitzat.

1. Amb el regle i amb la cinta mètrica, heu obtingut les mateixes mesures pel que fa a l’amplada i a la llargada del mòbil? I pel que fa al temps de caiguda amb els dos cronòmetres? Quina és la diferència en cada cas?

2. Per a quina magnitud, longitud o temps, són més grans les diferències? Indiqueu, de forma raonada, a què pot ser degut.

3. Expresseu les mesures realitzades en l’experiment indicant la seva incertesa.

4. Busqueu informació sobre els «errors aleatoris i sistemàtics» i feu-ne un resum, incloent-hi exemples.

» POSA’T A PROVA

Coneixement científic

1. Explica, amb paraules teves, què és el mètode científic. Recordes cap situació de la teva vida quotidiana en la qual, de manera conscient o no, l’hagis utilitzat?

4. La física i la química, juntament amb altres disciplines, s’anomenen «ciències experimentals». Per què creus que és així?

Magnituds físiques. Unitats i mesura

5. Proposa dos exemples de magnituds físiques i uns altres dos de propietats o característiques d’un cos que no siguin magnituds físiques. Per a cada magnitud física, indica almenys dues unitats de mesura, diferents de les del SI.

2. Quin és el teu signe de l’horòscop?

Busca a Internet les dates que corresponen al teu signe i llegeix la predicció per a avui. Raona si el que has llegit és coneixement científic.

6. a) Respon a aquestes preguntes:

Quina amplada fa la teva taula?

Quant fas d’alçada?

Quina distància hi ha entre Barcelona i París?

Canvis físics i químics

3. Classifica els següents canvis en físics o químics:

a) S’obté ferro a partir d’òxid de ferro. 8

b) L’alcohol de farmàcia solidifica. 8

c) Formació dels núvols. 8

d) S’estripa un paper. 8

e) Fonem ferro. 8

f) Encenem el llum d’una habitació. 8

g) Es crema una torrada. 8

Explica les raons de les teves decisions.

b) Has utilitzat unitats diferents en cada cas? Per què?

7. Quines d’aquestes longituds estan mal expressades? Per què?

10 ms 25 m. 42 mt

8. Proxima Centauri és l’estel més proper a la Terra, després del Sol. Es troba a una distància de 4,36 anys llum. Sabent que 1 any llum equival a 9,46 · 1015 m, aproximadament, expressa la distància a l’estel en unitats del SI i en notació científica.

9. Indica quina magnitud física podries mesurar amb aquest instrument, i esmenta les seves qualitats.

Magnitud:

Qualitats de l’instrument:

10. Un avió vola a 2.000 peus d’altitud i es desplaça a 400 mph (milles per hora). Utilitza els factors de conversió que necessitis per expressar les dades en unitats del SI.

12.

Dissenya un procediment per mesurar el radi d’un senyal de trànsit. Imagina el resultat que obtindries, i depenent dels instruments utilitzats, expressa la mesura.

El llenguatge de la ciència

13.

La gràfica representa l’espai recorregut per un vehicle en funció del temps que fa que es mou.

a) Completa la taula de dades.

b) Estudia la relació entre les magnituds i expressa-la en llenguatge verbal i matemàtic.

c) Determina la rapidesa mitjana del vehicle.

14.

Expressa, en llenguatge verbal i matemàtic, la relació entre les magnituds representades en la gràfica.

11. Quan fem operacions, cal arrodonir el resultat a la xifra decimal del nombre que en tingui menys. Sabent això, expressa correctament el resultat de les operacions següents:

a) 15,069 + 12,17 – 6,2 8 21,0

b) 55,78 + 16,3 + 6,274 8

c) (5,7 + 1,49)/0,082 8

d) 0,265 + 26,34/3,72 8

U N I T A T

LA MATÈRIA 1

La decantació de l’aigua en temps de Roma

Els enginyers romans van demostrar, àmpliament, que coneixien algunes propietats de la matèria, en aplicar amb correcció conceptes com els de pressió o densitat, i que dominaven tècniques de separació de mescles com la decantació. Això pot comprovar-se observant i analitzant les seves increïbles construccions; exemples d’aquestes són l’aqüeducte de Segòvia o el de Nimes (França).

Durant molt temps, es va pensar que la civilització romana es limitava a emmagatzemar aigua en els grans dipòsits que tradicionalment es trobaven en les proximitats de les ciutats on acabaven els aqüeductes o en els dipòsits que es construïen per recollir l’aigua de pluja, com la cisterna de Monturque (Còrdova) o la de Teodosi (Istanbul). Tanmateix, estudis recents han demostrat que el propòsit d’aquests era molt diferent. Així, aquests immensos dipòsits presumiblement actuarien com a decantadors, a fi de separar les partícules sòlides suspeses a l’aigua. Aquest fet, juntament amb la pintura vermellosa que recobria les parets interiors de l’aqüeducte (recentment s’han emès hipòtesis que li atribueixen una funció bactericida i fungicida), evidencia la rellevància atorgada per la civilització romana al sanejament de l’aigua.

Aqüeducte de Segòvia.

COMPROMÍS ODS

1. Busca a Internet iniciatives actuals que pretenguin millorar la qualitat de l’aigua o reduir la quantitat d’elements contaminants en pantans, rius, mars o oceans. Esmenta’n una que t’hagi cridat l’atenció.

2. L’accés a l’aigua ja era una prioritat per a la civilització romana. Però 2.000 anys després encara hi ha 2.000 milions de persones que manquen d’accés als serveis bàsics d’aigua i sanejament. Consulta en l’espai personal del web www.barcanova.cat el vídeo sobre la meta 6.4 dels ODS i elabora una llista d’accions que pots fer per contribuir al seu compliment (ajuda: busca, en la pàgina web de l’ONU sobre els ODS, el document «170 accions diàries per transformar el nostre món», en el qual trobaràs algunes idees).

3. En grups, penseu una estratègia que permeti millorar el sanejament de l’aigua de la vostra localitat. Després, representeu-la en una infografia indicant l’impacte que tindria en les metes de l’ODS 6.

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què hauries de saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat

1. PROPIETATS DE LA MATÈRIA

La matèria, o sistema material, és tot el que té una propietat fonamental anomenada massa, i ocupa un espai, és a dir, un volum.

La diferent percepció que tenim de la matèria depèn les seves propietats:

• Propietats generals. Són les que ens permeten distingir el que és matèria d’allò que no ho és, però no ens permeten diferenciar uns materials dels altres. Les més importants són massa i volum.

• Propietats característiques o específiques. Són les que ens permeten diferenciar un tipus de matèria d’una altra. Algunes són la densitat, les temperatures de canvi d’estat o la conductivitat elèctrica.

Propietats generals: massa i volum

La massa és la quantitat de matèria que té un cos o sistema material. Es tracta d’una magnitud fonamental.

La massa es mesura amb una balança. La seva unitat en el SI és el quilogram (kg).

Tipus de balances

Balança de dos braços

Balança d’un braç

El volum és l’espai que ocupa un cos o un sistema material.

La seva unitat en el SI és el metre cúbic, m3

El volum d’un sòlid regular s’obté mesurant les seves dimensions i aplicant l’expressió matemàtica corresponent; per exemple, el volum d’un cilindre de radi r i altura L és aquest:

AMB LES IMATGES

T1. Investiga i explica el funcionament dels tres tipus de balances.

Balança digital o electrònica

Mesura de volums de líquids i sòlids irregulars

Per mesurar diferents volums de líquids, utilitzem material graduat, com ara provetes graduades, pipetes o buretes; tanmateix, per mesurar volums concrets de líquids utilitzem material aforat, com ara els matrassos i les pipetes aforades.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

El volum d’un sòlid irregular coincideix amb el volum d’aigua que desplaça i s’obté restant els volums d’aigua amb el sòlid introduït i sense ell.

1. Treballeu per parelles. És matèria la llum? Responeu a aquesta pregunta donant arguments a partir de les propietats generals de la matèria.

2. Quina magnitud s’ha mesurat en la imatge del marge de la pàgina anterior?

Es tracta d’una mesura expressada en unitats del SI?

Si la teva resposta és negativa, escriu el valor d’aquesta mesura en unitats del SI.

3. No tot el material de vidre del laboratori s’utilitza per mesurar volums. Identifica, en la fotografia de l’esquerra, els recipients d’aquest material que tenen altres usos; dibuixa’ls i explica per a què es fan servir.

4. Un error comú és confondre el centilitre, cL, amb el centímetre cúbic, cm3. Utilitzant les equivalències que hem vist, indica quina relació existeix entre aquestes unitats.

1 cL = cm3

Pots trobar una presentació del material necessari per mesurar volums de líquids al laboratori en l’espai personal del web www.barcanova.cat

Una propietat específica: la densitat

La densitat és la relació entre la massa d’un cos, o sistema material, i el volum que ocupa.

Aquesta relació, en llenguatge matemàtic, es representa mitjançant un quocient:

d = m V

En l’expressió anterior, m és la massa, que en unitats del SI es mesura en kg, V és el volum, expressat en m3 i d serà, per tant, la densitat en kg/m3, que és la unitat del SI que s'empra per mesurar aquesta magnitud.

El valor d’aquesta propietat, que és una magnitud derivada, ens permet diferenciar unes substàncies de les altres.

Mesura de la densitat

Mesura directa de la densitat

La densitat d’un líquid es pot mesurar de forma directa utilitzant el densímetre, un instrument de vidre que consisteix en un cilindre buit amb un bulb pesant en un dels seus extrems que pot surar en posició vertical. Per mesurar el valor de la densitat, el col·loquem verticalment en el líquid i el deixem surar lliurement. Quan es manté, llegim el valor de la densitat en una escala (imatge de la dreta).

Mesura indirecta de la densitat

La densitat és una magnitud derivada, per la qual cosa pot calcular-se a partir dels valors de les magnituds que la defineixen: la massa i el volum. Per fer-ho, mesurarem els valors de la massa i del volum del cos de forma independent, i calcularem el seu quocient.

Procediment experimental

Amb una balança, mesurem la massa de l’objecte del qual volem conèixer la seva densitat.

Amb una proveta, calculem el seu volum.

DENSITAT D’ALGUNS TIPUS DE MATÈRIA

Matèria Densitat (kg/m3)

Aigua (4°C) 1.000 Aigua de mar (valor mitjà) 1.027 Etanol 789 Plom 11.340 Ferro 7.870

Mercuri 13.600

Diòxid de carboni 1,96

TREBALLA AMB LA IMATGE

T2. Investigueu en equip sobre la flotabilitat dels objectes i compartiu les conclusions.

m = 24 g = 0,024 kg V = 8 mL = 0,000 008 m3 d = m V d = 0,024 kg 0,000 008 m3 = 3 000 kg/m3

Finalment, dividim la massa de l’objecte entre el seu volum, i apliquem les regles d’arrodoniment.

EXERCICI

1. Esbrina una forma per determinar el material del qual estan fets dos objectes, si sospitem que un d’ells és de ferro i l’altre de plom.

Dades:

Objecte A: massa = 36,2 g; volum = 3,20 mL

Objecte B: massa = 33,8 g; volum = 4,30 mL

Una forma pot ser calcular la densitat de cada un i comparar els resultats amb les densitats tabulades del ferro i del plom.

Per obtenir la densitat en unitats del SI, hem d’expressar la massa i el volum en les seves corresponents unitats del SI, kg i m3, respectivament.

Per obtenir la massa en kg, dividim entre 103:

mA = 36,2 g = 0,0362 kg = 3,62 · 10–2 kg

mB = 33,8 g = 0,0338 kg = 3,38 · 10–2 kg

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

Sabem que 1 mL = 1 cm3. Per expressar el volum en m3, haurem de dividir entre 106:

VA = 3,20 mL = 3,20 · 10–6 m3

VB = 4,30 mL = 4,30 · 10–6 m3

Dividint massa entre volum, obtenim la densitat en cada cas:

d = m V

dA = 3,62 · 10–2 kg 3,20 · 10–6 m3 = 11.343 kg m3

dB = 3,38 · 10–2 kg 4,30 mL = 4,30 · 10–6 m3 = 7.860 kg m3

Comparant aquests resultats els de la la taula, observem que el material A correspon al plom, i el B, al ferro.

5. Utilitza els factors de conversió i la notació científica per realitzar els canvis d’unitats de les mesures expressades en l’exercici resolt anterior.

mA = 36,2 g

mB = 33,8 g

= 3,20 mL

= 4,30 mL

6. Indica com mesuraries el volum dels objectes de l’exercici resolt. Per què creus que donen aquesta dada expressada en mil·lilitres?

7. Podries emmagatzemar 8 kg d’etanol en una garrafa de 7 L?

• Calcula si sobrarà o faltarà etanol.

8. La fusta de balsa (Ochroma pyramidale) és una fusta molt cotitzada, ja que és molt poc densa (d = 160 kg/m3) i, no obstant això, és molt resistent. Quines aplicacions creus que té aquest tipus de fusta?

2. SUBTÀNCIES PURES I MESCLES

Una substància pura és un tipus de matèria que no pot descompondre’s en altres de més simples per mètodes físics. Al contrari, una mescla és un sistema material format per diferents substàncies pures, que sí que poden separar-se mitjançant mètodes físics.

Substàncies simples i compostos

Existeixen dos tipus de substàncies pures:

• Les substàncies simples són les que estan formades per àtoms del mateix element químic, per la qual cosa no es poden descompondre mitjançant un canvi químic (no se’n formen altres de noves). Per exemple, l’O2 és una substància simple formada únicament per l’element químic oxigen, O.

• Els compostos són substàncies que es descomponen en altres mitjançant mètodes químics.

Mescles heterogènies

Les seves propietats físiques varien d’una part a l’altra. Les substàncies que componen aquest tipus de mescles es distingeixen, de vegades, a simple vista.

Hi ha mescles heterogènies en estat sòlid (figura del marge), i també en estat líquid i gasós.

Mescles homogènies o dissolucions

Les seves propietats són iguals en totes les seves parts. A simple vista no podem diferenciar entre una substància pura i una mescla homogènia. Les dissolucions poden estar en estat sòlid, líquid i gasós.

Moltes medicines són substàncies compostes que es descomponen en altres de més simples quan les ingerim.

La sorra és una mescla heterogènia. A simple vista es poden distingir els diferents materials que la componen, ja que tenen diferents mides, textures, colors, etc.

Aire: dissolució en estat gasós

L’aire és una mescla de gasos. Es tracta d’una dissolució en estat gasós. La seva composició aproximada és de 79 % de nitrogen i 21 % d’oxigen.

Aigua potable: dissolució en estat líquid

L’aigua potable és una dissolució en estat líquid de sals i aigua. Si ingeríssim aigua pura, es provocaria un desequilibri en el nostre cos.

Acer: dissolució en estat sòlid

L’acer és una dissolució en estat sòlid de ferro i carboni. Les dissolucions de metalls en estat sòlid s'anomenen aliatges.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

9. L’aigua embotellada sol mostrar, en l’etiqueta de l'envàs, una anàlisi química, on es dona informació sobre les substàncies presents. Podríem dir que es tracta d’una substància pura?

• Argumenta la teva resposta.

10. La llet, és una substància pura?

• Idea un mètode per comprovar la teva resposta; i després, representa les seves etapes i conclusions.

11. Explica la diferència entre un mineral i una roca. Quin és una substància pura i quin una mescla? Posa un exemple de cada un.

12. Indaga sobre l’etimologia de la paraula electròlisi i relaciona-la amb el que s’observa en la imatge. Quines aplicacions té l’electròlisi de l’aigua?

3. DISSOLUCIONS EN ESTAT LÍQUID

En qualsevol dissolució anomenem els components que la formen d’aquesta manera:

• Dissolvent: és la substància que està en una proporció més gran en una dissolució. Si es tracta d’una dissolució en què és present l’aigua (les anomenades dissolucions aquoses) considerarem sempre que el dissolvent és l’aigua, encara que estigui en menor proporció.

• Solut: és la substància que es dissol en el dissolvent. Normalment, es troba en menor proporció que el dissolvent. En una dissolució podem tenir més d'un solut. Hi ha dissolucions en estat sòlid, líquid i gasós.

Procediment de preparació d’una dissolució

Quan preparem una dissolució d’un sòlid en un líquid al laboratori, seguim un procediment en quatre passos. Vegem, a tall d’exemple, la preparació d’una dissolució de 4 g de solut en 100 mL de dissolució.

TREBALLA AMB LES IMATGES

T3. Completa les explicacions.

1. Mesurem la massa de utilitzant una

3. Transferim la dissolució des del fins al amb l’ajuda de l’embut.

EXEMPLES DE DISSOLUCIONS SEGONS L'ESTAT D'AGREGACIÓ

Estat físic Dissolvent Solut Exemple

Sòlid Sòlid Sòlid Acer

Gas Oxigen en aigua

Líquid Líquid

Gas

Gas

Líquid Alcohol en aigua

Sòlid Sucre en aigua

Gas Aire

2. Aboquem el sòlid en un , en què es dissoldrà amb aigua destil·lada.

4. Finalment, amb un flascó rentador i un afegim aigua destil·lada fins a l’enrasament.

Concentració

C = m s (g)

VT (L)

mS: massa de solut en grams, g

VT: volum de la dissolució en litres, L

Concentració d’una dissolució

La concentració d’una dissolució és la quantitat de solut que hi ha en una quantitat determinada de dissolució.

Si una dissolució té la màxima concentració possible, l’addició de més solut provoca que aquest ja no es dissolgui; tindrem llavors una dissolució saturada. Si afegim més solut a una dissolució saturada obtindrem un precipitat, que és solut que no aconseguim dissoldre.

La solubilitat és la concentració de la dissolució saturada. Aquest valor depèn del solut, del dissolvent i de la temperatura.

TREBALLA AMB LES IMATGES

T4. Escriu el nom de cada tipus de dissolució. (concentrada - diluïda - saturada - sobresaturada)

La concentració és molt menor que la solubilitat.

Tipus de dissolucions segons la seva concentració

La concentració s'acosta al valor de la solubilitat.

S’assoleix el valor de la solubilitat. La dissolució no admet més solut.

No és possible dissoldre més solut. El solut comença a precipitar.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

13. L’aire està compost principalment per nitrogen (en un 79 %); el solut de més proporció és l’oxigen. En té més, de soluts, l'aire?

14. Calcula la concentració, expressada en g/L, de la dissolució de les fotografies de la pàgina anterior.

15. Compara l’expressió matemàtica de la densitat amb la de la concentració. Quines semblances i quines diferències trobes entre l'una i l'altra? Es tracta de la mateixa magnitud?

4. TÈCNIQUES DE SEPARACIÓ DE MESCLES

Tècniques per separar mescles heterogènies

Consisteixen en mètodes físics que es basen en el diferent valor d’una propietat dels components de la mescla, com ara l’estat d’agregació, la densitat o la mida.

1 Decantació

Es basa en la diferència de densitat. Pot aplicar-se a una mescla de líquids immiscibles (que no es dissolen, com l’aigua i l’oli), o a un sòlid suspès en un líquid o un gas. Tenim una mescla de dos líquids immiscibles; que aboquem dins un embut de decantació com el de la figura. Al cap d'un cert temps, el líquid menys dens sura en l’altre. En aquest moment, obrim la clau per separar el líquid més dens, que recollim en un vas de precipitats.

2 Filtració

Si tenim una mescla formada per un sòlid i un líquid, serà possible separar les partícules del sòlid, d'una mida més gran, utilitzant un filtre, o un material que actuï de medi filtrant. El paper de filtre de la imatge reté les partícules de sorra, mentre que l’aigua passa a través seu.

3 Centrifrugació

També es basa en la diferència de densitat dels components. Se sotmet la mescla a l’acció d’una força centrípeta, provocada per un moviment de gir a gran velocitat. Aquesta tècnica s’utilitza en mescles heterogènies per a les quals la decantació o la filtració no són suficients; es fa servir, per exemple, per separar el plasma de la sang.

Tècniques per separar mescles homogènies

1 Cristal·lització

Aquesta tècnica és molt adequada en el cas que tinguem un solut sòlid; per exemple, una sal, dissolt en aigua.

Consisteix en l’evaporació del dissolvent per aconseguir una dissolució saturada, en la qual el sòlid començarà a precipitar. Per a això, aboquem la dissolució en un cristal·litzador. Una vegada evaporat el dissolvent, obtindrem els cristalls de sal.

2 Destil·lació

Es basa en la diferència de temperatures d’ebullició. La dissolució s’introdueix en un matràs de fons rodó i s’escalfa. En assolir-se la temperatura d’ebullició de la substància més volàtil, aquesta passa a estat gasós. Els vapors generats passen al tub interior del refrigerant, on es condensen i són recollits en el col·lector.

Vapors d’alcohol

Refrigerant

Aigua freda

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

16.

Completa aquest esquema amb la classificació de les mescles i les tècniques de separació que es poden utilitzar en cada cas, atenent a l’estat d’agregació de les substàncies que formen la mescla i a la propietat en la qual es basa cada tècnica de separació.

Tipus de mescla

Homogènies

Per la mida

Filtració

Destil·lació

17. Tens una mostra d’un residu format principalment per sorra i aigua. S’observa també, en aquesta mescla, un líquid viscós que sembla ser oli. Et demanen que determinis si a més conté sals dissoltes. Com procediries per separar els components d’aquesta mescla?

5. SUSPENSIONS I COL·LOIDES

Hem vist que una mescla homogènia és aquella en la qual no és possible distingir els seus components a simple vista, però de vegades podem creure, erròniament, que una mescla és homogènia quan, en realitat, ens trobem davant d’una suspensió o un col·loide.

Suspensions

Pensem, per exemple, en un sòlid finament dividit (en pols), que és dispers en un líquid o en un gas. En absència d’agitació, i amb prou temps, el sòlid es diposita en el fons del recipient. Es tracta d’una mescla heterogènia que rep el nom de suspensió. Les suspensions més habituals són de sòlids en gasos o en líquids. La fase en què té lloc la dispersió s’anomena fase dispersant i el sòlid que està suspès es coneix com a fase dispersa.

Col·loides

Un col·loide és una mescla amb característiques intermèdies entre la suspensió (heterogènia) i la dissolució (homogènia).

En aquest cas, les partícules no es dipositen en el fons en el transcurs del temps. Es tracta de partícules molt petites, que són molt difícils de separar de la fase dispersant.

Estrictament parlant, un col·loide no és ni una dissolució, ni una mescla heterogènia. No obstant això, en molts casos, per fer referència a un col·loide, s’utilitza la terminologia pròpia de les dissolucions. Per exemple, parlem de solut per referir-nos a la substància que està en menor proporció en aquesta mescla.

Existeixen col·loides formats per la dispersió d’un sòlid o un líquid en un gas o en un líquid, o per condensació d’un gas en una altra fase gasosa, com és el cas dels núvols

EXEMPLES DE SUSPENSIONS

Estat físic Fase dispersant Fase dispersa Exemple

Gas Gas

Sòlid Contaminació atmosfèrica

Líquid Líquid Sòlid Orxata

EXEMPLES DE COL·LOIDES

Estat físic Fase dispersant Fase dispersa Exemple

Líquid Núvols

Els antibiòtics per a infants són una suspensió del medicament en aigua.

Les gelatines casolanes són un exemple de col·loides.

Gas Gas

Sòlid Fums

Líquid Líquid Líquid Llet, maionesa

TREBALLA AMB LA IMATGE

T5. A partir d’aquesta explicació sobre l’efecte Tyndall, idea un experiment per demostrar que els núvols són realment un exemple de col·loide.

Com diferenciar un col·loide d’una dissolució

Les partícules sòlides que formen un col·loide són més grosses que les del solut que es troba dissolt en una dissolució. Per això, aquestes partícules són capaces de fer canviar la direcció de propagació de la llum, dispersant-la.

Això es deu al fet que cada una de les petites partícules que componen la fase dispersa actua com un emissor de llum fent que la seva direcció canviï i provocant que els rajos de llum puguin ser vistos.

Aquest fenomen es coneix com a efecte Tyndall i es pot observar clarament en cel parcialment ennuvolat, ja que els núvols són un exemple de col·loide.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

18. Indica quina tècnica utilitzaries per separar els components d’aquestes mescles. Es tracta de dissolucions, suspensions o col·loides?

a) Aigua salada 8

b) Núvol de pols 8

c) Llet 8

d) Una mostra de sang 8

e) Pintura de parets 8

19. Defineix, amb les teves pròpies paraules, els termes següents. Posa un exemple de cada un.

a) Suspensió:

b) Col·loide:

c) Emulsió:

20. La maionesa, igual que la llet, és una emulsió. Una variant d’aquesta salsa es prepara a partir de llet i oli d’oliva. Per què creus que és necessari batre la mescla per obtenir la salsa? Què passa quan diem que la salsa s’ha «tallat»?

21. Busca a casa teva els productes que t'oferim a continuació. Observa’ls i classifica’ls com a mescles homogènies, heterogènies o col·loides:

a) Suc fet a partir de concentrat 8

b) Llet sencera 8

c) Desodorant en esprai 8

d) Infusió de camamilla 8

e) Aigua oxigenada 8

f) Crema corporal 8

g) Nata 8

» TALLER DE CIÈNCIES

CIÈNCIA RECREATIVA

Sòlid o líquid viscós?

Introducció

Una de les característiques que ens permeten reconèixer els tres estats d’agregació és la viscositat; és a dir, la resistència a fluir que tenen gasos i líquids. En l’experiència següent aprendrem a identificar-la.

Construeix

Elaborarem slime de manera casolana.

Material

» Midó en pols

» Cola de fuster

» Colorant alimentari

» Una cullera

» Aigua

Analitza

» Un got

» Un bol

» Una bossa de plàstic de tanca hermètica

• Si vessem aigua, oli o mel sobre una super- fície, què passa? El seu comportament és força diferent: l’aigua s’escampa més que l’oli i que la mel, ja que és menys viscosa.

• Si has jugat amb slime, una pasta verdosa que venen per fer bromes, hauràs notat que el seu comportament és diferent del dels líquids i els sòlids.

1 En mig got d’aigua temperada, hi diluïm una culleradeta de midó.

2 En un bol, hi tirem una cullerada sopera d’aquesta dissolució i dues cullerades soperes de cola de fuster. S'hi poden afegir unes quantes gotes de colorant alimentari.

3 Remenem la mescla, al principi amb la cullera i després amb els dits. Guardem la pasta a la bossa de tanca hermètica i la refrigerem.

Experimenta

• La pasta preparada, flueix? Més que la mel o menys? I que l’oli? És un líquid o és un sòlid? La viscositat, és el mateix que la densitat?

• Aboquem la pasta amb cura en un got i fem que llisqui. Mesurem el temps que tarda a arribar a la vora del got. Fem el mateix amb l’oli i l’aigua; així, estarem comparant la viscositat d’aquests materials.

• Pastem aquest material amb les mans fent una bola. Observem que, com més gran és la força aplicada, menys s’assembla el comportament de la pasta al d’un líquid; és a dir, la seva viscositat augmenta.

Conclusions

La pasta que hem preparat es comporta com un líquid molt viscós. A més, la seva viscositat augmenta quan la sotmetem a algun tipus d’esforç, com tensions, torsions, o si la colpegem. Per això, diem que alguns fluids, com el que hem fabricat, poden comportar-se com sòlids. Aquests fluids es denominen no newtonians, i són molt habituals.

Busca informació sobre els fluids no newtonians. Explica les seves característiques i posa'n exemples quotidians.

EN GRUPS

TREBALL PRÀCTIC

Dissolució, col·loide o suspensió?

Plantejament del problema

L’objectiu d’aquesta pràctica és classificar mescles de substàncies quotidianes en dissolucions, col·loides i suspensions.

Elaboreu la vostra proposta

Com podríem diferenciar una suspensió d’una dissolució? I una dissolució d’un col·loide? Quines proves podem plantejar per determinar si ens trobem davant d’algun d’aquests tipus de mescles?

La nostra proposta

Material

» Aigua

» Farina

» Cafè

» Llet

» Paper de filtre

» Embut

» Balança

» Proveta

» Vasos de precipitats

» Punter làser o llanterna.

Ens fixarem en algunes propietats que ens permeten diferenciar entre suspensió, dissolució i col·loide:

• La mescla se separa en capes quan es deixa en repòs durant cert temps.

• La mescla completa travessa el paper de filtre o en queda una part sense filtrar-se.

• És transparent a la llum d’un punter làser o, al contrari, fa que aquesta llum es dispersi i pugui ser observada.

Orientacions per a la realització de l’experiència

Preparació de les mescles

Elaborem tres mescles diferents: una d’aigua i farina, una altra d’aigua i cafè i, finalment, una altra d’aigua i llet. Per a aquestes dues últimes, utilitzeu només unes quantes gotes de cafè o de llet.

Seqüència de proves

• Filtració. En primer lloc, farem que les mescles passin a través del paper de filtre, utilitzant l’embut (muntatge mostrat en l’apartat 4). Observarem si hi ha diferències entre l’aspecte de la mescla original, el filtrat i la part retinguda en el paper de filtre.

• Sedimentació. A continuació, deixarem les mostres en repòs, cada una en un recipient, durant diverses hores; observarem si existeixen diferències abans i després del temps de repòs.

• Efecte Tyndall. Fem passar la llum d’un punter làser a través de les mescles. Observarem si el raig de llum s'aprecia en travessar la mescla. Per veure'l millor, apagarem els llums del laboratori.

EXTRAIEU CONCLUSIONS

1. Completeu l’esquema amb el tipus de mescla que en resulta.

Separem els components per filtració?

l’efecte Tyndall?

2. Expliqueu per què és possible veure el raig de llum a través d’un col·loide i d’una suspensió.

» POSA’T A PROVA

Propietats de la matèria

1. Indica si les següents mesures són de massa (m), densitat (d), volum (V) o cap de les anteriors (Ø):

3 kg 4 cL 27 m3

3 g/L 690 mm 120 mg

2. Quantes garrafes de 7 L es necessiten per omplir una piscina de 3 m3? Podríem instal·lar-la en una terrassa que suportés una massa màxima de 1.500 kg?

Densitat de l’aigua = 1 kg/L.

3. Tenint en compte que la conductivitat tèrmica de la baquelita, una resina sintètica, és molt inferior a la dels metalls, explica per què les paelles estan fetes de metall, mentre que el seu mànec sol ser de baquelita. És la conductivitat tèrmica una propietat característica?

6. Classifica aquests materials:

Aire • Ferro • Quars • Suc de taronja

Subtàncies pures Mescles homogènies Mescles heterogènies

Dissolucions

7. Preparem al laboratori una dissolució que conté 70 g d’alcohol en 100 mL d’aigua. Indica quins són:

• El solut

• El dissolvent

8. Calcula la concentració de la dissolució de l’exercici anterior, expressada en g/L.

4. Tenim dues barres de diferent material, ambdues de la mateixa longitud i volum. Si una té més massa que l’altra, podríem saber de quin material és feta cada una? Suposa que ens donessin els valors de les magnituds que esmentem en l’enunciat.

9. Si preparem una altra dissolució, però utilitzant, en aquest cas, 20 g d’alcohol, la dissolució serà més concentrada o més diluïda respecte de l’anterior?

10. Hi ha mescles en estat sòlid?

Es tracta de mescles homogènies o heterogènies?

11. Indica el material de laboratori que necessites per preparar una dissolució aquosa de 10 g de sal per cada 250 mL de dissolució.

Substàncies pures i mescles

5. Indica la diferència entre substància química i element químic.

• Quina és la concentració d’aquesta dissolució?

12. En grups, responeu: Podem comparar la solubilitat de dues sals en aigua?

• Desenvolupeu un procediment per comprovar quina de les dues sals és més soluble.

13. Quan preparem una llimonada casolana amb sucre, de vegades, en refrigerar-la, observem que es forma un dipòsit de sucre en el fons del recipient. Pots explicar aquest fet? Recorda que la solubilitat varia amb la temperatura.

16. Dissenya un mètode per separar una mescla d’oli, vinagre i sal. Explica el material que utilitzaries, les etapes que seguiries i l’objectiu que tindria cada una.

Material:

Procediment:

17. En quina propietat es basa la separació per decantació?

• Podríem separar l'aigua de la sal mitjançant aquesta tècnica? Explica la teva resposta.

14. La solubilitat dels gasos disminueix en augmentar la temperatura. Utilitza aquest fet per explicar per què moren peixos a causa dels abocaments d’aigües calentes als rius.

18. Tenim una suspensió en aigua d’un sòlid, les partícules del qual tenen una mida molt petita (pols). Posem aquesta suspensió en un recipient i observem que les partícules tarden molt temps a dipositar-se en el fons. Quina tècnica de separació utilitzaries per accelerar el procés? Per què?

19. Per parelles: observeu la imatge i expliqueu quin tipus de mescla hi ha en cada un dels dos tubs. Indiqueu el nom de l’efecte observat.

Tècniques de separació de mescles

15. Escriu el nom d’aquests materials i digues si s’utilitzen en tècniques de separació de mescles homogènies o heterogènies. a) b)

ESTATS D’AGREGACIÓ 2 U N I T A T

Gasos amb efecte d’hivernacle

La científica estatunidenca Eunice Foote va predir el 1856 que l’increment de la concentració de CO2 en l’atmosfera provocaria un ascens de les temperatures, atesa la seva capacitat per bloquejar la radiació infraroja procedent del Sol. Malgrat això, encara alguns científics consideren John Tyndall com el primer científic que va preveure els efectes de la concentració de diòxid de carboni en l’atmosfera, encara que les seves investigacions es desenvolupessin tres anys més tard.

Actualment, sabem que existeixen altres gasos amb efecte d’hivernacle. Ens referim al metà, a l’òxid nitrós i als gasos fluorats. Així, la manera en què aquests gasos afecten l’escalfament global depèn de dos factors: la seva concentració en l’atmosfera i el seu potencial d’escalfament global, que es calcula a partir de la capacitat del gas per absorbir la radiació infraroja i del temps que romanen en l’atmosfera.

L’emissió de gasos amb efecte d’hivernacle a l’atmosfera és un dels factors que provoquen el canvi climàtic.

COMPROMÍS ODS

Responeu, en grup, a les preguntes següents:

1. La científica Eunice Foote no va poder presentar el seu estudi titulat Circumstances Affecting the Heat of the Sun’s Rays en la Vuitena Reunió Anual de l’Associació Americana per a l’Avenç de la Ciència, celebrada l’agost de 1856, pel fet de ser dona. Busqueu a Internet més informació sobre aquest cas i altres de similars en la comunitat científica i doneu una breu explicació. Després, debateu sobre els avenços socials aconseguits en igualtat, relacionant-los amb la meta 5.5.

2. Quin és el potencial d’escalfament global del diòxid de carboni? Quin gas amb efecte d’hivernacle té un potencial d’escalfament global més gran?

3. Dissenyeu una infografia en la qual abordeu l’impacte dels gasos amb efecte d’hivernacle en el clima, a fi de contribuir en la consecució de la meta 13.3.

Abans de començar a estudiar aquesta unitat, consulta la presentació «Què hauries de saber» en l’espai personal del web www.barcanova.cat

1. CARACTERÍSTIQUES DELS ESTATS

D’AGREGACIÓ

Vegem quines són les característiques que diferencien els estats sòlid, líquid i gasós.

Forma, volum i capacitat per fluir

• Tenen forma pròpia.

• El seu volum és constant.

• No tenen capacitat per fluir.

• Adapten la seva forma al recipient que els conté.

• Mantenen el seu volum constant.

• Tenen capacitat per fluir.

Capacitat per comprimir-se

Els sistemes materials que poden comprimir-se són aquells que tenen la capacitat de disminuir el seu volum sota l’acció d’una força. Per tant, els sòlids no són compressibles, els líquids amb prou feines són compressibles i els gasos són molt compressibles.

Capacitat per difondre’s

La difusió és un fenomen que ocorre quan una substància es pot entremesclar amb una altra. Un gas es difon en un altre de forma molt ràpida, per això, percebem tan fàcilment les olors. Els líquids també poden difondre’s, encara que ho fan de forma més lenta que els gasos. Entre sòlids, la difusió és extremadament lenta; per això, la considerem gairebé inexistent.

Viscositat

La viscositat és la resistència al moviment dels fluids; per tant, com més viscós és un sistema material, més difícilment flueix. Existeixen líquids més viscosos que l’aigua, com l’oli o la mel. És important no confondre la viscositat amb la densitat.

• S’adapten a la forma del recipient que els conté.

• Ocupen tot el volum de què disposen.

• Tenen capacitat per fluir.

El volum disminueix notablement en el cas del gas i molt poc al líquid.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

1. Explica què significa que una porció de matèria sigui compressible.

2. Quina és la diferència entre fluir i difondre’s? Explica-ho amb un exemple.

3. El combustible que utilitzen les calderes de moltes llars hi arriba a través de canonades. Es tracta d’un combustible sòlid?

Esbrina de quina substància es tracta i quina és la seva procedència.

4. Elabora un esquema amb les característiques de la matèria en estat líquid. Fes aparèixer en l’esquema totes les característiques vistes en aquest apartat.

5. Realment els líquids es difonen? Per contestar aquesta pregunta, investiga utilitzant tinta i un got amb aigua. Pren dades durant l’experiència i compara els teus resultats amb els de la resta de companys i companyes. Explica el teu procediment, observacions i conclusions.

2. LA TEORIA CINÈTICA DE LA MATÈRIA, TCM

Totes les característiques que hem vist es poden explicar utilitzant un model per descriure la matèria: la teoria cineticomolecular o teoria cinètica de la matèria, TCM.

Postulats de la teoria cinètica

La TCM es basa, principalment, en tres idees per descriure la matèria:

• La matèria està formada per partícules, que podran ser molècules, àtoms o ions. Les partícules que componen la matèria són característiques de cada substància, no del seu estat d’agregació. Per exemple, les molècules d’aigua que componen l’aigua líquida són idèntiques a les que componen el gel o el vapor.

• Les partícules que formen la matèria estan en moviment continu. El moviment de les partícules és lliure en l’estat gasós, més restringit en l’estat líquid i es limita només a una vibració en l’estat sòlid.

• Les partícules que formen la matèria s’atreuen entre si. La intensitat d’aquestes forces d’atracció serà més gran en l’estat sòlid que en el líquid, mentre que en l’estat gasós serà pràcticament inexistent.

Els estats d’agregació segons la TCM

Els estats d’agregació es poden descriure atenent a tres característiques: el moviment de les partícules que formen la matèria, les forces d’atracció entre les partícules i l’ordre o el desordre d’aquestes partícules en el seu conjunt.

Estats d’agregació segons la TCM

Sòlid

• Les forces d’atracció entre partícules són molt intenses.

• El moviment de les partícules és només de vibració, no es desplacen unes respecte de les altres.

• Són estructures ordenades.

Líquid

• Les forces d’atracció entre partícules són intermèdies.

• Les partícules es desplacen unes respecte de les altres.

• El seu estat és més desordenat que el sòlid.

Com es mouen les partícules en un gas?

Les partícules d’un gas es mouen per tot el volum disponible en línia recta, i el seu recorregut serà lliure fins al moment en què xoquin amb una altra partícula o contra les parets del recipient, quan canviaran de direcció.

Gas

• Les forces d’atracció entre partícules són gairebé inexistents.

• El moviment de les partícules és pràcticament lliure, sense direcció ni sentit concrets.

• És l’estat més desordenat.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

6. Busca el significat del terme «discontinu» al diccionari i explica l’enunciat següent: «A partir de les idees de la TCM, podem afirmar que la matèria és discontínua».

7. En parelles, proveu de donar una resposta raonada a aquestes preguntes:

a) S’aprecia el moviment a les partícules d’un sòlid?

b) A partir de la vostra experiència, diríeu que la TCM és errònia en descriure l’estat sòlid?

11. La imatge representa les partícules d’un sòlid, d’un líquid i d’un gas continguts en un recipient. Amb ajuda de la imatge justifica, a partir de la TCM, la capacitat per fluir en els tres estats de la matèria.

8. Com podries explicar què és un «model» en un context científic? Utilitza l’explicació de la teoria cineticomolecular de la pàgina anterior i completa la teva explicació a partir d’altres models que hagis utilitzat en el teu aprenentatge de ciències.

12. En aquest cas, la imatge representa dos gasos diferents tancats en un recipient i separats per una pantalla. Amb ajuda de la imatge justifica, a partir de la TCM, què passa en aixecar la pantalla.

9. Explica, utilitzant les idees de la TCM, per què els gasos no tenen volum propi, mentre que els líquids sí.

13. Cerca informació sobre l’osmosi. Com podries relacionar aquest procés amb la difusió? Destaca la importància dels dos moviments de partícules dins del nostre cos.

10. Indica de manera raonada si les afirmacions següents són vertaderes o falses:

Les partícules que formen la matèria en estat sòlid no es mouen.

Les partícules que formen una substància en estat gasós són diferents de les que formen aquesta mateixa substància en estat líquid.

Els gasos són fàcilment compressibles perquè les seves partícules són més petites que les que componen l’estat líquid o sòlid.

14. Per grups, expliqueu la viscositat amb el que heu après sobre la TCM.

3. PRESSIÓ I TEMPERATURA

Pressió

La pressió és una magnitud derivada que es defineix com la força exercida sobre una unitat de superfície. La seva unitat en el SI és el pascal (Pa), que es defineix com la força que exerceix un newton sobre una superfície d’un metre quadrat, 1 Pa = 1 N/m2.

Pensem, ara, en un gas tancat en un recipient de parets rígides. Segons la TCM, aquest gas exerceix una pressió sobre el recipient, que depèn de la intensitat del moviment de les partícules.

Temperatura

La temperatura és una magnitud fonamental i la seva unitat en el SI és el kelvin, K.

La temperatura està relacionada de forma directa amb l’energia cinètica mitjana del conjunt de partícules que formen el sistema material.

Escales de temperatura

Els termòmetres són instruments que mesuren la temperatura dels cossos. Utilitzen una escala de temperatura.

Les escales de temperatures denominades centígrades estan dividides en cent unitats entre la temperatura de fusió i la d’ebullició de l’aigua.

• En l’escala Celsius, les temperatures de fusió i d’ebullició de l’aigua són, respectivament, 0 °C i 100 °C.

• En l’escala Kelvin, les temperatures de fusió i d’ebullició de l’aigua són, respectivament, 273 K i 373 K.

Altres unitats de pressió 1

15. Fes un esquema en el qual relacionis aquests conceptes: energia cinètica de les partícules; velocitat de les partícules; nombre de xocs; intensitat dels xocs; pressió; temperatura.

16. Explica per què per mesurar la quantitat d’aire que hi ha dins d’una roda d’un automòbil s’utilitza un aparell que mesura la pressió.

17. Quin valor de pressió és l’habitual en una roda de bicicleta? Et sembla adequat expressar la pressió d’una roda de bicicleta en unitats del SI?

18. Utilitza factors de conversió per expressar aquestes mesures en unitats del SI i extreu conclusions sobre la relació que existeix entre les dues últimes:

a) 0,98 atm · =

c) 1 mbar =

b) 1,25 bar · =

d) 1 hPa · =

19. La pressió que exerceix la massa d’aire que forma l’atmosfera sobre l’escorça terrestre és l’anomenada pressió atmosfèrica. Aquest valor disminueix amb l’altitud, ja que, a mesura que ascendim, la massa d’aire que exerceix pressió sobre nosaltres és menor. Esbrina quin és el valor de la pressió atmosfèrica al nivell del mar i quines unitats, diferents de les del SI, s’utilitzen per mesurar la pressió atmosfèrica.

20. Obtén una expressió per calcular la temperatura en kelvin a partir d’una mesura expressada en graus Celsius, i viceversa, compara-la amb la del teu company o companya i arribeu a una resposta comuna. Després exposeu-la a una altra parella de la classe.

21. Utilitza l’expressió que has deduït en l’exercici anterior per expressar en kelvin:

a) –10 °C

b) 5 °C

4. LLEIS DELS GASOS IDEALS

El model de gas ideal considera que les partícules que componen el gas ocupen un volum menyspreable davant el del recipient que el conté, essent nul·les les forces d’atracció entre les partícules.

Les lleis dels gasos ideals mostren la relació entre la pressió, el volum i la temperatura d’un gas. Aquestes lleis estan considerades lleis empíriques, ja que estan basades en l’experiència.

Lleis dels gasos

Llei de Boyle-Mariotte

Si es manté constant la temperatura, en disminuir el volum del recipient, la pressió augmenta, i viceversa. p

constant

En empènyer el pistó, fem disminuir el volum de l’interior de la bomba, fent que la pressió augmenti i surti l’aire.

Primera llei de Charles i Gay-Lussac

Si es manté constant la pressió, el volum del gas augmenta de manera proporcional a l’augment de temperatura.

En augmentar la temperatura de l’aire, el volum també ho fa, provocant que disminueixi la densitat i el globus ascendeixi.

Segona llei de Charles i Gay-Lussac

A volum constant, la pressió, del gas augmenta de manera proporcional a l’augment de temperatura.

En augmentar la pressió dins de l’olla, augmenta la temperatura del vapor, ja que el volum és constant en tractar-se d’un recipient rígid i hermètic.

EXERCICI RESOLT

1. Un cilindre amb un èmbol mòbil conté un gas tancat a 2,25 atm de pressió. Si es mou l’èmbol fins a un volum de 13,9 dm3, la pressió baixa fins a 0,98 atm. Quin volum ocupava el gas inicialment?

Fem un esquema per visualitzar les dades de les quals disposem i la magnitud física que hem de calcular:

p1 = 2,25 atm

V1 = ?

p2 = 0,98 atm

V2 = 13,9 dm3

A partir de la llei de Boyle-Mariotte, resulta:

p1 · V1 = p2 · V2

2,25 atm · V1 = 0,98 atm · 13,9 dm3

V1 = 6,05 dm3

EXERCICI RESOLT

2. Un cilindre de 15,0 m d’altura i 2,5 m de radi està proveït d’una paret mòbil, i conté un gas a –10 °C. Si s’escalfa el gas fins a 0 °C, quin volum ocuparà finalment?

Plantegem el problema de manera anàloga a l’exercici resolt 1, calculant prèviament el volum del cilindre:

Situació inicial

V1 = 294,4 m3

T1 = –10 + 273 = 263 K

Situació final

V2 = ?

T2 = 0 + 273 = 273 K

Substituint les dades en l’expressió matemàtica de la primera llei de Charles i Gay-Lussac, s’obté el resultat següent:

3. Un cilindre de parets fixes conté certa massa de gas a 12,5 atm i 40 °C. Si la pressió màxima que pot suportar és de 25,0 atm, fins a quina temperatura es podrà escalfar sense perill?

El plantejament del problema queda reflectit en l’esquema següent, en el qual tenim en compte que la temperatura s’ha d’expressar en kelvin:

Situació inicial

p1 = 12,5 atm

T1 = 40 + 273 = 313 K

Situació final

p2 = 25,0 atm

T2 = ?

8 , T T 313 25 0 K atm 12,5 atm 626 K(353ºC) 2 2 ==

Per tant, si s’ha duplicat la pressió, és perquè ho ha fet la temperatura. Això només succeeix si es resol l’exercici en l’escala Kelvin.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

22. Un grup d’estudiants troba que, quan el volum que ocupa un gas tancat en un cilindre amb un èmbol mòbil és de 2,5 dm3, la pressió que exerceix és de 2,0 atm. Amb aquesta dada, completa els valors de la següent taula, expressant la pressió en atm i el volum en dm3

24. En un recipient rígid amb una de les parets mòbil, s’introdueix un gas que ocupa un volum de 40 L a 60 °C. Si la pressió és constant i la temperatura ascendeix fins a 130 °C, què succeeix amb el gas: s’expandeix o es comprimeix?

25. Un gas tancat en un recipient de volum constant té el comportament següent:

Una vegada completada la taula, dibuixa la gràfica corresponent en un full de paper mil·limetrat, col·locant la pressió en l’eix X i el volum en l’eix Y

23. Amb un cilindre d’èmbol mòbil que porta acoblat un termòmetre, es va mesurant el volum que ocupa una massa de gas a mesura que es va escalfant. Els valors obtinguts apareixen en la taula: t/° C 10 25 40 60 85

15,0 15,9 16,7

a) Comprova que el coeficient V/ t és constant.

b) Representa, en un full de paper mil·limetrat, les parelles de valors (la temperatura ha d’estar en kelvin).

c) A partir de la gràfica, calcula el volum que ocuparia el gas a t = 35 °C.

Calcula els valors de les magnituds que falten per completar la gràfica i dibuixa la gràfica corresponent en un full de paper mil·limetrat, col·locant la temperatura en l’eix X i la pressió en l’eix Y

26. Un globus conté 35 L d’un gas a una pressió d’1,3 atm. Sabem que el volum màxim que pot tenir és de 55 L. Quina pressió tindrà com a màxim en aquestes circumstàncies?

5. ELS CANVIS D’ESTAT

Segons siguin les condicions de pressió i temperatura, una mateixa substància es pot presentar en diferents estats d’agregació; per tant, variant aquestes condicions es pot provocar un canvi d’estat.

Un canvi d’estat és un canvi físic que experimenta un sistema material en passar d’un estat d’agregació a l’altre.

Característiques dels canvis d’estat

Sigui quin sigui el canvi d’estat, es compleix que:

• La temperatura a què té lloc, per a un determinat valor de pressió, és un valor fix, denominat temperatura de canvi d’estat. Aquest valor és propi de cada substància.

• Mentre té lloc un canvi d’estat, la temperatura no varia, encara que estiguem refredant o escalfant.

• Els canvis d’estat són reversibles; si revertim les condicions de temperatura, la matèria torna al seu estat original.

Canvis d’estat regressius

• El sistema es refreda fins a assolir la temperatura de canvi d’estat, i es continua refredant durant el canvi d’estat.

• L’estat d’agregació final és més ordenat que l’estat inicial.

• Són la sublimació inversa, la condensació i la solidificació

Canvis d’estat progressius

• El sistema s’escalfa fins al valor de temperatura de canvi d’estat i es continua escalfant mentre dura el canvi d’estat.

• L’estat d’agregació final és més desordenat que l’estat inicial.

• Són la sublimació, la vaporització i la fusió

Temperatures de canvi d’estat

A cada canvi progressiu n’hi correspon un de regressiu. La temperatura a què té lloc cada parella de canvis d’estat, per a una pressió donada, és idèntica i característica de cada substància.

Les temperatures de fusió i ebullició són característiques de cada substància; per tant, es tracta de propietats específiques, que ens permeten diferenciar una substància de l’altra.

Temperatura de fusió (Tf )

És la temperatura a què tenen lloc la fusió i la solidificació. Per exemple, en el cas de l’aigua, la temperatura a què s’esdevé la solidificació és la mateixa a la qual s’esdevé la fusió, i és de 0 °C, per a la pressió atmosfèrica.

Temperatura d’ebullició (Te)

És la temperatura a què té lloc l’ebullició. A aquesta temperatura es produeix simultàniament la condensació del gas a líquid. El valor de la temperatura d’ebullició de l’aigua a la pressió atmosfèrica és de 100 °C.

Dues formes de vaporització: evaporació i ebullició

Evaporació

És un fenòmen lent i només té lloc a la superfície del líquid.

S’esdevé en un ampli interval de temperatures, des de la temperatura de fusió fins a la temperatura d’ebullició.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

27. Busca les temperatures de fusió i ebullició de l’aigua, l’etanol i el mercuri.

a) Completa la taula indicant en quin estat d’agregació es troben les substàncies en cada temperatura.

Substància –50 °C –10 °C 10 °C 120 °C

Aigua

Etanol

Mercuri

b) En quin estat d’agregació es troba l’aigua a 0 °C?

c) I l’etanol a –114 °C?

28. Defineix utilitzant les teves pròpies paraules:

a) Solidificació.

b) Sublimació.

Ebullició

És un canvi brusc que té lloc a tota la massa del líquid alhora.

A una pressió determinada, l’ebullició sempre succeeix a un valor fix de temperatura.

c) Vaporització.

29. Observa l’esquema dels canvis d’estat de la pàgina anterior i explica què diferencia els canvis progressius dels canvis regressius.

30. No totes les substàncies sublimen. Busca informació sobre una substància que sublimi i explica en què consisteix el procés.

En l’espai personal del web www.barcanova.cat pots visualitzar una presentació que explica la fusió i la vaporització a partir de la TCM.

6. GRÀFIQUES DE CANVIS D’ESTAT

Gràfica de canvis d’estat progressius

Quan augmentem l’energia tèrmica del sistema, augmenta l’energia cinètica de les seves partícules i es poden produir dues situacions:

• L’augment d’energia cinètica de les partícules es manifesta com un augment de temperatura.

• L’augment de l’energia cinètica de les partícules provoca un canvi d’estat.

La gràfica següent l’obtenim en anar escalfant de manera constant una mostra sòlida d’aigua (gel) fins al seu estat gasós. En el procés, anem mesurant la temperatura a intervals constants de temps.

Energia tèrmica

L’energia tèrmica està relacionada amb el moviment de les partícules que constitueixen un sistema material; per tant, està directament relacionada amb l’energia cinètica de les esmentades partícules.

1 L’energia subministrada augmenta l’agitació de les partícules del sòlid, i augmenta la seva temperatura.

2 Temperatura de fusió. L’energia s’utilitza per donar llibertat a les partícules del sistema, que passa a estat líquid. La temperatura no varia durant el canvi d’estat.

3 Una vegada fos tot el sòlid, l’energia s’utilitza per augmentar la temperatura; és a dir, la velocitat de les partícules.

4 Temperatura d’ebullició. Es produeix la vaporització de forma sobtada. La temperatura roman constant mentre duri l’ebullició.

5 Si continuem escalfant, obtindrem un vapor la temperatura del qual anirà augmentant (vapor sobreescalfat).

Gràfica de canvis d’estat regressius

Imaginem que fem l’experiment contrari, és a dir, partim d’un sistema material en estat gasós i l’anem refredant de manera constant. La temperatura disminueix fins a arribar a la temperatura de canvi d’estat. Mentre duri el canvi d’estat, la temperatura romandrà constant, igual que quan té lloc un canvi d’estat progressiu.

La temperatura d’un canvi d’estat progressiu és la mateixa que la del seu corresponent canvi d’estat regressiu. Podem afirmar que en aquesta temperatura hi coexisteixen els dos estats d’agregació.

A partir de les temperatures de fusió i ebullició d’una substància, és possible dibuixar, de forma esquemàtica, la gràfica de canvis d’estat progressius i regressius.

4. Les temperatures de fusió i ebullició de l’acetona són –95 °C i 56 °C, respectivament.

Dibuixa esquemàticament la gràfica de refredament d’aquesta substància i, a partir d’aquesta gràfica, indica l’estat d’agregació en el qual es trobarà l’acetona a:

a) 0 °C

b) 100 °C.

Construïm la gràfica de refredament de manera esquemàtica (figura de la dreta). No coneixem els valors d’energia que aquesta substància cedeix durant el seu refredament o durant els canvis d’estats regressius; per això, l’escala de l’eix d’abscisses és arbitrària (si suposem que l’energia s’absorbeix a un ritme constant, podem situar, en l’eix d’abscisses, el temps que dura el procés en lloc de l’energia absorbida, de manera que, per confeccionar la gràfica experimentalment, mesurarem la temperatura a intervals de temps fixos).

a) A 0 °C, l’acetona estarà en estat líquid.

b) A 100 °C estarà en estat gasós.

Solidificació

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

31. Explica si la següent afirmació és vertadera o falsa: «Totes les substàncies es congelen a la temperatura de 0 °C i bullen a 100 °C».

32. Construeix les gràfiques d’escalfament i refredament de l’etanol sabent que la seva temperatura de fusió és de –117 °C i que la d’ebullició és de 79 °C.

» TALLER DE CIÈNCIES

CIÈNCIA RECREATIVA

Glaçons d’oli

Introducció

Moltes de les característiques de l’aigua difereixen de les de la resta de substàncies, encara que per la seva quotidianitat ens resultin familiars. De fet, l’aigua és una excepció per a gairebé tot.

Experimenta

• Omple la meitat dels compartiments de la glaçonera amb aigua i l’altra meitat amb oli d’oliva.

• Fica el recipient al congelador i espera un dia.

• Treu els glaçons de gel i posa’ls en un got amb aigua líquida.

• Omple un got amb oli d’oliva i, amb compte, diposita-hi, a dins, els glaçons d’oli. Fes servir la cullereta.

Reflexiona

Compara el que passa en el got amb aigua i en el got amb oli. En el primer, el sòlid sura sobre el líquid, i en el segon, el sòlid s’enfonsa en el líquid. Per tant, es pot afirmar que la densitat de l’aigua sòlida, el gel, és més petita que la de l’aigua líquida i que succeeix el contrari en l’oli.

Conclusions

Normalment, una substància en estat sòlid és més densa que en estat líquid, ja que les partícules que la formen estan més separades en l’estat líquid i, per tant, ocupen més volum, per a la mateixa massa. Això és el que passa en l’oli.

Tanmateix, les molècules d’aigua, per la seva forma particular i les seves propietats elèctriques, en l’estat sòlid s’agrupen formant una estructura molt més oberta i menys densa.

PAS MÉS

A partir de la meta 13.2, respon:

Material

» Aigua

» Oli d’oliva

» Glaçonera

» Congelador

» Dos gots

» Cullereta de plàstic

Analitza

El gel sura en l’aigua líquida. Ho observem quan:

• Bevem un refresc en el qual hem posat gel.

• Toquem el gel que s’ha format a la superfície d’un llac, o d’un bassal.

1. Segons la tendència de les últimes dècades, el nivell del mar continuarà pujant. Per què pot produir-se aquest fet?

2. La fusió del gel, ¿afecta de la mateixa manera l’augment del nivell del mar en el cas dels gels continentals i dels oceànics?

TREBALL PRÀCTIC

Ebullició d’una mescla

Objectiu

Observar un canvi d’estat d’una mescla d’etanol i aigua i prendre nota de la temperatura a la qual es produeix.

Abans de començar

Informeu-vos de les temperatures d’ebullició de l’etanol i de l’aigua, i de l’evolució de la temperatura en el canvi d’estat d’una mescla.

Procediment

Muntatge per realitzar l’experiència.

EXTRAIEU CONCLUSIONS

Material

• Matràs de fons rodó amb branca lateral

• Tap perforat

• Refrigerant

• Termòmetre

• Suport

• Pinça

• Nou doble

• Font de calor

• Gomes connectores

• Aixeta d’aigua

Durant el canvi d’estat d’una substància pura, la temperatura no varia. Tanmateix, en el cas d’una mescla, la temperatura varia gradualment. Preneu nota de la variació de la temperatura d’ebullició d’una mescla d’etanol i aigua, seguint els passos de l’experiència.

Orientacions per a la realització de l’experiència

• Prepareu una mescla a volums iguals d’aigua i etanol. La proporció és orientativa.

• Aboqueu la mescla en el matràs de fons rodó. Introduïu el termòmetre en el tap perforat i tapeu el matràs.

• Introduïu la branca lateral en el refrigerant i connecteu l’aigua de refrigeració.

• Subjecteu el matràs al suport amb l’ajuda de la nou doble i la pinça. A continuació apliqueu-hi la font de calor.

• Preneu nota de la temperatura a intervals de temps iguals, mantenint la velocitat de calefacció constant. Anoteu la temperatura a la qual comença l’ebullició.

• Anoteu els resultats en una taula.

1. A quina temperatura ha començat l’ebullició de la mescla?

Heu observat el despreniment de vapors abans que comencés l’ebullició?

Com podríeu explicar-ho?

2. Construïu, en un full a banda, una gràfica de canvi d’estat amb els resultats de l’experiència. Anoteu-hi el valor de la temperatura a la qual comença l’ebullició de la mescla.

3. Busqueu a Internet les gràfiques de canvi d’estat de l’aigua i de l’etanol, i compareu-les amb la que heu obtingut en l’experiència.

Quin líquid bull primer?

» POSA’T A PROVA

Característiques dels estats

d’agregació

1. Per parelles, indiqueu, de manera raonada, si les afirmacions següents són vertaderes o falses.

La variació de volum que pot experimentar un gas és molt més gran que la que pot produir-se en un sòlid.

Tant líquids com gasos són fàcilment compressibles; és a dir, podem disminuir el seu volum aplicant-hi pressió.

Diem que els gasos no tenen forma pròpia perquè poden fluir.

La teoria cinètica de la matèria

2. Indica raonadament quines d’aquestes afirmacions són falses:

La matèria és contínua.

Les partícules que formen l’estat sòlid no es mouen en absolut.

Les partícules que formen una substància són diferents si la substància es troba en estat sòlid, líquid o gasós.

3. Si tenim una substància, per exemple l’aigua, en els tres estats d’agregació de la matèria, quina d’aquestes opcions és certa?

Les partícules que la componen són més pesants en estat sòlid.

Les partícules en estat gasós no tenen massa.

Les partícules en estat líquid es deformen amb facilitat.

Les partícules són iguals, i tenen les mateixes característiques sigui quin sigui l’estat d’agregació.

Pressió i temperatura

4. Per grups, feu un esquema que relacioni la descripció de la matèria segons la TCM en estat gasós (partícules, velocitat, xocs) i les magnituds observables de pressió i temperatura.

Quina d’aquestes magnituds és una magnitud fonamental? Quina una magnitud derivada?

Lleis dels gasos

5. Indica si les afirmacions següents sobre el comportament dels gasos són vertaderes o falses, i explica per què:

En augmentar la temperatura d’un gas tancat en un recipient rígid, disminueix la seva pressió.

En disminuir el volum d’un gas tancat en un recipient, mantenint constant la temperatura, augmenta la pressió que exerceix el gas.

6. Raona sobre la veracitat o la falsedat d’aquesta frase: «En triplicar el volum d’un gas, la pressió que exerceix es fa tres vegades més gran.»

7. Representa en una gràfica els valors d’aquesta taula. A partir de la representació, determina el valor aproximat de la pressió –en unitats del SI– que exercirà el gas quan el volum sigui de 0,7 L.

p/atm 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3

V/L 0,18 0,225 0,3 0,45 0,9

8. Explica com és la relació entre les magnituds p i V, i posa’n dos exemples numèrics concrets.

9. Un cilindre de 2,5 m3 amb un èmbol mòbil conté nitrogen. Si la pressió inicial és de 13,0 atm i després augmenta fins a 19,5 atm, l’èmbol, pujarà o baixarà?

Quin volum ocuparà el gas?

10. Què passaria si s’escalfés molt una olla de pressió i fallés la vàlvula de seguretat?

13. Dibuixa un esquema del cicle de l’aigua fent constar els canvis d’estat que es produeixen.

11. Un cilindre amb un èmbol s’omple amb 25 cm3 d’aire a 15 °C. Si el seu volum màxim és de 30 cm3, fins a quina temperatura es pot escalfar a pressió constant?

Els canvis d’estat

12. Indica si aquestes afirmacions són vertaderes o falses. Justifica la teva resposta:

La temperatura de fusió és el moment en què té lloc la fusió d’una substància.

Quin és l’interval de temperatures en què té lloc tot el cicle?

Quin és el valor de la temperatura d’ebullició de l’aigua?

Per què no està inclosa aquesta temperatura en l’interval total del cicle de l’aigua?

Gràfiques de canvis d’estat

14. Indica, en aquesta gràfica, els trams en què es produeix un augment de temperatura i els trams en què es produeix un canvi d’estat. Escriu el nom del canvi d’estat que s’origina en cada cas.

La temperatura de fusió és aquella a la qual es produeix la solidificació d’una substància.

La temperatura d’ebullició és l’única temperatura a la qual pot produir-se la vaporització.