Laura Bassi 4t. Mostra. Física i química

Fís ica uímica Q i

4 ESO DOSSIER

Programa Laura Bassi

ENLLAÇ

Formes al·lotròpiques del carboni

Fórmules i models moleculars

Hidrocarburs

5. Compostos de carboni oxigenats i nitrogenats

6. Molècules d’un interès especial

Ciència recreativa. Models moleculars

Treball pràctic. Solubilitat del suro blanc

Velocitat de reacció

Quantitat de substància

Càlculs estequiomètrics

5. L’energia en les reaccions químiques

Orientacions per a la resolució de problemes. Com resoldre un exercici d’estequiometria

Ciència recreativa. Reacció d’oxidació del ferro

Treball pràctic. Factors que afecten la velocitat de reacció

ALGUNES

2. Reaccions de combustió

3. Reaccions de síntesi

Orientacions per a la resolució de problemes. Volumetria de neutralització

Ciència recreativa. Indicadors casolans de pH

Treball pràctic. Identificació del CO2 en una combustió

Posa’t a prova

6. Interpretació de representacions gràfiques

Orientacions per a la resolució de problemes. Com resoldre un problema de cinemàtica

Ciència recreativa. Sistemes de referència i trajectòria

Treball pràctic. És un moviment uniformement accelerat?

de problemes.

de les lleis de

FORCES EN FLUIDS. PRESSIÓ

1. Pressió

Llei fonamental de la hidroestàtica

Principi d’Arquimedes

4. Llei de Pascal

5. Pressió atmosfèrica

6. Conceptes meteorològics

Orientacions per a la resolució de problemes. Problemes de pressió i empenyiment

Ciència recreativa. La pressió atmosfèrica

Treball pràctic. El barril de Pascal

ENERGIA MECÀNICA I TREBALL

6. Conservació de l’energia mecànica

7. Transport d’energia mitjançant ones mecàniques

Orientacions per a la resolució de problemes. Com resoldre problemes d’energia

recreativa. El Sol com a font d’energia renovable

pràctic. Conservació de l’energia mecànica

ENERGIA TÈRMICA I CALOR

1. Energia tèrmica . Temperatura

Equilibri tèrmic Calor i propagació

5. Degradació de l’enegia

Orientacions per a la resolució de problemes. Resolució de problemes d’escalfament

Ciència recreativa. Construcció d’un espectroscopi

Treball pràctic. Calor latent de fusió de l’aigua

» PRESENTACIÓ I ESTRUCTURA

Els continguts competencials del programa Laura Bassi corresponents a Física i Química 4 ESO s’estructuren en 12 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

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.

Quadres de definicions i conceptes destacats

Quadres al marge amb informació complementària

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

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.

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

AvaluApp

Amb ajuda d’Internet

Treball cooperatiu

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

Icona Internet.

Activitats en què l’alumnat ha de consultar Internet

Orientacions per a la resolució de problemes. Estratègies per resoldre problemes Inclouen l’anàlisi de l’enunciat i la discusió dels resultats

Material necessari per fer l’experiment

Activitats per interpretar els resultats obtinguts

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

Icona AvaluApp. Indica les activitats més competencials

» 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!

L’ACTIVITAT CIENTÍFICA

Una història per conèixer com és l’activitat científica

El 1821 Thomas J. Seebeck, després de diversos experiments fallits, va descobrir una fascinant relació entre calor i electricitat quan soldava dos filferros, un de coure i un altre de bismut, en forma de llaç. Així, va observar que, en escalfar un dels metalls a una temperatura alta, mentre l’altre es mantenia a una temperatura més baixa, es generava un camp magnètic. Encara que en aquell moment Seebeck no va reconèixer que en aquest fenomen físic hi estava implicat el corrent elèctric, poc temps després el físic danès Hans Christian Ørsted, que estava immers en investigacions dirigides a demostrar la relació entre electricitat i magnetisme, sí que va reconèixer la presència d’un petit voltatge a causa del gradient de temperatura generat. Aquest fenomen es va anomenar «efecte termoelèctric» o «efecte Seebeck», en honor al seu descobridor. Aquest breu passatge històric ens mostra l’alt component col·laboratiu de l’activitat científica, com també la possibilitat de cometre errors, bé en els procediments, o bé en la interpretació de les troballes. T’han sorprès aquestes característiques de l’activitat científica? Quines hi afegiries?

Generador termoelèctric.

COMPROMÍS ODS

L’any 2010 una empresa europea va desenvolupar un prototip de botes de pluja capaces de produir energia elèctrica aplicant l’efecte termoelèctric.

1. Cerca informació sobre aquest prototip i les seves aplicacions.

2. Com podria contribuir aquest element tecnològic a la consecució de les metes 7.1 i 7.3 dels ODS? Il·lustra la teva resposta amb un exemple i recorda que el setè ODS pretén millorar l’accessibilitat energètica a tot el món (pots consultar, en l’espai personal del web www.barcanova.cat, els vídeos sobre les metes citades).

3. Tant el prototip de botes de pluja comentat com les centrals tèrmiques utilitzen calor per generar energia elèctrica. Reflexiona sobre la manera en què cada un d’aquests elements genera energia i valora la seva participació positiva o negativa per a la consecució de les metes 3.9, 13.3 i 13.a dels ODS.

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

1. INVESTIGACIÓ CIENTÍFICA

Mètode científic

Les maneres de generar coneixement científic poden ser variades i de diferent complexitat. El mètode científic, expressió que engloba totes aquestes maneres, consisteix en un conjunt de requisits que han d’assegurar la fiabilitat de les conclusions finals. Actualment, s’accepta que el mètode científic consta d’etapes, algunes de les quals requereixen grans dosis de creativitat. En el marge es mostra un esquema simplificat de l’esmentat mètode.

Hipòtesis, lleis i teories

Les hipòtesis són conjectures, possibles explicacions al problema que es vol resoldre. Perquè una hipòtesi sigui científica, és necessari que es pugui contrastar amb la realitat.

Quan es comprova que la hipòtesi és correcta i és acceptada per la comunitat científica, passa a formar part del coneixement científic. Pot fer-ho en forma de llei científica, enunciat que descriu les regularitats presents en els fenòmens estudiats, o formant part d’una teoria científica, conjunt d’hipòtesi i regles amb què s’expliquen les esmentades regularitats.

En definitiva, les lleis descriuen i les teories expliquen, i mai no podran les unes convertir-se en les altres, per ser maneres de coneixement diferents.

En aquest apartat s’han mostrat els significats d’hipòtesi, llei i teoria des de la perspectiva de la terminologia científica. Però aquests termes tenen altres accepcions quotidianes, per la qual cosa has d’estar atent al seu ús correcte depenent del context en el que et trobis.

Coneixement científic

El coneixement científic, caracteritzat pel mètode científic, és un coneixement fiable, ja que compleix les condicions següents:

• És contrastable amb la realitat. S’ha de poder comprovar si allò que es comunica ocorre així en la naturalesa. No en va, un dels principals objectius de la ciència és el d’explicar el món que ens envolta.

• Els experiments dels quals sorgeix han de ser reproduïbles. Dit d’una altra manera: la contrastació amb la realitat s’ha de poder dur a terme tantes vegades com es necessiti, obtenint, en tots els casos, els mateixos resultats.

• Les conclusions finals han d’estar basades en les proves obtingudes durant la contrastació amb la realitat. El coneixement científic no es pot basar en creences, ideologies, etc., ja que, de ser així, no seria contrastable.

es proposa una possible resposta es

1. En una pàgina web pots llegir el següent text. Es tracta de coneixement científic?

«La llei de l’atracció és la creença que els pensaments influeixen sobre les vides de les persones, argumentant que són unitats energètiques que tornaran a la persona una ona similar. Segons els partidaris de l’esmentada llei, els pensaments que una persona té provoquen les emocions, les creences i les conseqüències. Aquest procés és descrit com a vibracions harmonioses de la llei de l’atracció. Alguns seguidors d’aquesta creença afirmen que la llei de l’atracció és una llei de l’univers, ja que s’aplica sempre a tots els éssers, sense excepció, i no és una cosa que una persona pugui escollir si l’aplica o no».

Encara que en el text s’utilitzin termes científics, el seu contingut no es pot qualificar de coneixement científic. Per poder afirmar això, n’hi ha prou amb comprovar que no té les característiques d’aquest tipus de coneixement. Si bé hi pot haver qui defensi que, d’alguna manera, és contrastable amb la realitat, o que està basat en proves, aquest coneixement no pot ser reproduïble, ja que no sempre s’obtindran els mateixos resultats. A més, en l’últim paràgraf s’afirma que aquesta «llei» és una creença. En definitiva, les afirmacions que es fan no són demostrables experimentalment. En molts dels missatges que reps en la teva vida quotidiana, s’utilitza terminologia científica. Però no per això, com acabes de comprovar, són científics. EXERCICI

Adaptat de l’article «La llei d’atracció» a Viquipèdia.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

1. Explica amb paraules teves com sorgeix i evoluciona el coneixement científic.

2. Per què Galileo Galilei és considerat el «pare de la ciència moderna»? Busca informació sobre ell i argumenta la fiabilitat de les fonts consultades.

5. Analitza les diferents accepcions del terme teoria en el diccionari. Quina s’acosta més a la que es presenta en aquest llibre? Amb quin altre terme podria confondre’s?

3. Per què es parla de la llei de conservació de la massa en lloc de la teoria de la conservació de la massa? I per què de la teoria atòmica de Dalton, en lloc de la llei atòmica de Dalton?

6. En moltes sèries de televisió, per donar resposta a un problema, els protagonistes afirmen tenir «una teoria». És apropiat d’utilitzar aquest terme des del punt de vista de la terminologia científica? Quin terme seria més adequat? Raona les teves respostes.

7. Esmenta una teoria i una llei física, i explica per què ho són. Si ho necessites, repassa algun contingut estudiat en cursos anteriors.

4. En els llibres més antics es parla de la hipòtesi d’Avogadro i, en els més moderns, de la llei d’Avogadro.

A què creus que es deu?

Experimentació

En un experiment es reprodueix un fenomen utilitzant control de variables. Per a això, de les magnituds que intervenen en el fenomen a estudiar es mantenen totes constants menys una, i es comprova com influeixen les variacions d’aquesta última en els resultats de l’experiment.

També hi ha ocasions en què, davant de la dificultat de plantejar un experiment, s’acudeix a experiments mentals, que són recursos de la imaginació a partir dels quals, s’extreuen conclusions conformes al coneixement científic.

Models científics

Un model científic és una representació abstracta i simplificada de la realitat que s’utilitza per obtenir una primera aproximació en l’estudi d’un fenomen. Per exemple, per estudiar el comportament d’un gas tancat en un recipient, s’utilitza el model del gas ideal (quadre inferior).

Ciència, tecnologia i societat

Ciència i tecnologia están íntimament relacionades. En certes ocasions, la investigació científica ha hagut d’esperar a disposar dels instruments de mesurament adequats, el desenvolupament dels quals ha estat possible gràcies a la investigació científica.

Per la seva part, la societat pot influir en el tipus d’investigació que es desenvolupa, en funció de les seves demandes o necessitats. A més, els projectes d’investigació poden requerir grans quantitats de finançament, cosa que obliga a la participació de diversos països. En definitiva, és difícil parlar de coneixement científic sense parlar, també, de desenvolupament tecnològic i interessos socials. És el que es coneix com relacions CTS, acrònim de ciència-tecnologiasocietat.

Models científics. Alguns exemples

Gas ideal

Per estudiar el comportament dels sistemes gasosos, es considera que les seves partícules constituents només interaccionen amb les parets del recipient.

Per representar les partícules del gas, s’utilitza el model de boles, que admet diferents nivells d’abstracció.

• Primer nivell d’abstracció

En el model de la imatge I, cada boleta representa una partícula del gas, siguin atoms o molècules.

• Segon nivell d’abstracció

En el model de la imatge II, cada boleta representa un àtom i s’aprecia l’estructura de cada partícula d’aire.

Investigació bàsica

Solem compartir la idea que la investigació científica, a priori, ha de tenir alguna utilitat. Però, en moltes ocasions, es realitza investigació bàsica, sense finalitats pràctiques; el seu únic objectiu és el d’ampliar el coneixement sobre el nostre entorn.

Això no vol dir que, amb el desenvolupament tecnològic adequat, els resultats d’aquesta investigació no puguin ser útils a la societat. Per exemple, la inducció electromagnètica de Faraday és la que ha permès que avui els nostres habitatges disposin d’energia elèctrica.

T1. En un full a part, dibuixa, utilitzant el model de boles amb nivells d’abstracció diferents, un recipient que conté vapor d’aigua.

Oxigen

Diòxid de carboni

Aigua

Argó

8. Cerca informació sobre el canó orbital de Newton. Què pretenia explicar Newton amb aquest canó? Es tracta d’un experiment mental? Per què?

Argumenta la teva resposta.

9. Explica amb les teves pròpies paraules que s’entén com a «control de variables».

12. Representa, en un dibuix, el model atòmic de Thomson, i en un altre el del Rutherford.

10. En astronomia només podem observar i mesurar (no podem reproduir un sol al laboratori), però podem emetre hipòtesis per explicar el que observem. Resumeix en poques línies de quines observacions sorgeixen la «matèria fosca» i «l’energia fosca», dues hipòtesis actuals.

11. En aquesta imatge, quin model s’utilitza?

5 àtoms de carboni 8 àtoms d’oxigen 4 molècules de CO2 1 àtom de carboni

Cada boleta, què representa?

A part d’amb els models, amb quins continguts dels apartats anteriors pot relacionar-se?

Quines semblances i quines diferències presenten?

Quin s’apropa més al model actual?

Com es va saber?

La representa fidelment?

13. En molts llibres trobaràs imatges similars a la següent per representar el sistema solar.

Es tracta d’un model?

Per què?

Amb el que coneixes de cursos passats, quines crítiques li podries fer?

2. MAGNITUDS FÍSIQUES I UNITATS

Magnituds escalars i vectorials

• Una magnitud física és tota propietat de la matèria susceptible de ser quantificada de forma objectiva.

• La unitat d’una magnitud física és qualsevol quantitat arbitrària d’aquesta magnitud que s’adopta com a patró.

Les magnituds escalars queden descrites mitjançant un valor numèric acompanyat de la unitat corresponent.

Les magnituds vectorials queden descrites mitjançant una direcció, un sentit i un mòdul. Aquestes magnituds es representen mitjançant segments orientats que reben el nom de vectors.

Operacions amb vectors

En les operacions amb magnituds vectorials, cal tenir en compte la direcció i el sentit, com pots observar en l’exercici resolt 2.

A més, no oblidis mai que, per sumar o restar magnituds, siguin aquestes escalars o vectorials, sempre han d’estar expressades en la mateixa unitat; en cas de no ser així, el resultat que obtinguis no serà correcte.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

14. Decideix si cada una de les magnituds de la següent llista és escalar o vectorial, i explica les raons de la teva elecció: massa, temps, longitud, força, velocitat, acceleració, pressió, energia, treball i calor.

15. Tria una de les magnituds vectorials de l’activitat anterior i dibuixa el vector que la representa, aplicat en un punt material. Descriu els elements del vector, i explica en què consisteix un punt material.

2. Sobre un objecte s’exerceix una força de 40 N en sentit nord i una altra de 20 N en sentit est. Quina és la suma d’aquestes dues forces?

Es representen els dos vectors i el vector suma, R :

Es calcula el mòdul del vector suma, R:

()() NN N

40202000

()() NN N

= Cal indicar també que la força resultant apunta cap al nord-est.

16. Siguin els vectors A i B , que poden representar qualsevol magnitud física («u» és la seva unitat):

Representa, en un full a part, AB + i 2 · A –

, i calcula el seu mòdul.

DIMENSIONS DE LES MAGNITUDS BÀSIQUES

Magnitud Dimensió

Massa [m] = M

Longitud [l ] = L

Temps [t ] = T

Temperatura [T ] = o

Intensitat de corrent [l ] = l

Intensitat lluminosa [l v ] = J

Quantitat de substància [n] = N

Magnituds bàsiques i derivades. Unitats del Sistema Internacional

Magnitud bàsica és la que, per conveni, no depèn de cap altra. Per exemple: massa, longitud, temps…

Quan es comuniquen resultats a nivell internacional, les magnituds s’han d’expressar en unitats del Sistema Internacional d’Unitats (SI).

Magnitud derivada és la que s’expressa en funció de les magnituds bàsiques. Per exemple: superfície, volum, densitat…

Múltiples i submúltiples

Quan el valor numèric d’una magnitud és molt gran, o molt petit, se solen utilitzar múltiples i submúltiples de les unitats del SI. Per a això es fan servir prefixos que indiquen el valor pel qual es multiplica o divideix la unitat.

Equació de dimensions

Equació de dimensions de la

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

A part de les unitats del SI i els seus múltiples i submúltiples, existeixen altres unitats per expressar les magnituds. Per exemple, per al temps es pot utilitzar el minut, el dia, etc. Per referir-nos a aquestes unitats en conjunt, es diu que la magnitud temps té dimensió de temps, i s’expressa com [t] = T, expressió en la qual la lletra «T» equival a ’unitat de temps’.

Les dimensions de les magnituds bàsiques són independents i les de les magnituds derivades s’expressen en funció de les dimensions de les bàsiques.

A més, tota equació física ha de ser dimensionalment homogènia, la qual cosa significa que l’equació de dimensions d’ambdós membres ha de ser la mateixa.

17. Per a les magnituds escalars massa, longitud, temps i temperatura, proposa dues unitats que no pertanyin al Sistema Internacional, i que tampoc no siguin múltiples o submúltiples d’aquestes. En cada cas, relaciona-les amb les unitats del SI.

18. La massa d’un objecte és de 750 g. Expressa-la en quilograms i en mil·ligrams.

19. Verifica l’homogeneïtat de l’equació de l’espai recorregut en un moviment uniformement accelerat:

3. MESURA DE MAGNITUDS FÍSIQUES. ERRORS

• Mesurar és una operació que consisteix a determinar la quantitat d’una magnitud en comparar-la amb la unitat.

• Els instruments de mesura es caracteritzen per les seves qualitats. Una d’aquestes és la sensibilitat, o variació mínima de la magnitud que un instrument pot apreciar, relacionada amb la subdivisió mínima de la seva escala.

• Tota mesura es veu afectada per errors. Si són fortuïts i impredictibles es denominen aleatoris, i si es deuen a l’equip de mesura o al seu ús incorrecte, sistemàtics.

Error absolut

Error absolut, ea, és la diferència, en valor absolut, entre el valor obtingut en una mesura i el valor real de la magnitud que es mesura.

L’error absolut és una estimació, ja que mai no es coneix el valor real de la magnitud.

Error relatiu

Error relatiu, er , és el quocient entre l’error absolut i el valor real de la magnitud que es mesura.

A menor error relatiu correspon una qualitat de la mesura més gran

Error d’una mesura individual

Essent conscients que tota mesura porta associada una incertesa, inherent al mateix procés de mesura, al valor obtingut se li associa un error absolut igual a la sensibilitat de l’instrument utilitzat.

En l’ús d’instruments amb escala graduada hi ha dos errors fàcilment evitables: l’error de zero i el de paral·laxi.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

20. Indica la sensibilitat d’instruments de mesura habituals amb què s’han pogut fer les mesures següents: a) l = 71 cm b) m = 24,5 g

t = 2,35 s

l = 35,7 cm

m = 1 235 g

t = 23,7 s

21. Expressa les mesures anteriors, indicant l’error absolut.

Errors de zero i paral·laxi

Error de zero

Propi d’instruments no calibrats, que marquen un valor sense que s’estigui mesurant res. Se soluciona calibrant l’instrument.

Error de paral·laxi

Es deu a una mala posició de l’observador que duu a terme la mesura. Se soluciona estant atent a la manera correcta de fer-ho.

T2. Després d’estudiar aquest apartat, expressa les mesures realitzades amb els instruments d’aquestes imatges:

Minimització d’errors

Per minimitzar els errors, es procedeix a fer diverses mesures de la magnitud; d’aquesta manera, els errors comesos per excés es poden compensar amb els comesos per defecte. Una vegada fetes, pren, com a valor de la mesura, la mitjana aritmètica de les mesures individuals.

Per estimar l’error associat a la mesura, en primer lloc, es calcula la dispersió estadísitica, que ve definida per la fórmula següent:

Arribats a aquest punt, l’error absolut de la mesura (e aX ) és el valor més gran d’entre la dispersió estadística i la sensibilitat de l’instrument amb què s’han fet les mesures individuals.

Finalment, la mesura s’expressa així: e XX ± Xa =

El procediment aquí descrit és vàlid per a mesures directes; és a dir, aquelles que s’obtenen amb l’ús d’instruments de mesura.

Expressió correcta d’una mesura

Com a norma, quan expressis el resultat d’una mesura, recorda sempre el següent:

L’error absolut només pot tenir una xifra diferent de zero, i el valor numèric de la mesura s’ha d’arrodonir a la posició de l’esmentada xifra.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

22. Arrodoneix a la centèsima:

a) 3,124 8

b) 15,357 8

c) 9,5850 8

d) 0,2350 8

23. Indica quines mesures estan mal expressades, i expressa-les correctament:

a) t = 1,236 ± 0,15 g 8

b) m= 15,4 ± 0,1 g 8

c) l = 3,98 ± 0,1 cm 8

24. Amb una balança digital de sensibilitat 1 cg es fan les següents mesures de la massa d’un objecte:

m1 = 12,00 g ; m2 = 11,89 g ; m3 = 11,94 g ; m4 = 12,07 g

Expressa el resultat de la mesura.

4. ANÀLISI DE DADES EXPERIMENTALS

Representacions gràfiques

En les abscisses es representa la variable independent (la que controlem), i en les ordenades, la que depèn d’aquella (la que estudiem).

Les representacions gràfiques són la manera gràfica d’expressar les lleis físiques.

De la gràfica s’estableix la relació entre les variables o magnituds físiques. En física, les relacions més habituals són les de proporcionalitat directa i inversa, i les quadràtiques.

Equacions físiques

Les equacions físiques són la manera matemàtica d’expressar les lleis físiques.

Les representacions gràfiques i les equacions físiques formen part del llenguatge habitual de la ciència.

EXERCICI RESOLT

3. Per estudiar la relació entre l’altura des de la qual es deixa caure un cos i el temps que tarda a impactar amb el terra, es deixa caure des de cinc altures diferents i es prenen, en cada cas, tres mesures de temps. S’obtenen les dades de la taula següent. A partir d’aquestes dades, enuncia la llei física que relaciona les dues magnituds.

h0 /m t1/s t2/s t3/s

1,00 0,43 0,46 0,45

1,50 0,58 0,55 0,57

2,00 0,67 0,64 0,65

2,50 0,72 0,71 0,73

3,00 0,78 0,79 0,76

Observa que la sensibilitat de l’instrument amb què s’ha mesurat l’altura és d’1 cm (e a = 0,01 m), i la del cronòmetre, d’1 cs (e a = 0,01 s), ja que aquests són els errors absoluts de les mesures. En primer lloc, es calcula la mitjana aritmètica i la dispersió estadística dels temps mesurats des de cada altura. En aquest exemple concret, la sensibilitat del cronòmetre és més gran que la dispersió estadística en tots els casos.

Per tant, es pren aquella com a error absolut de les mesures.

h0 /m t/s

1,00 ± 0,01 0,45 ± 0,01

1,50 ± 0,01 0,57 ± 0,01

2,00 ± 0,01 0,65 ± 0,01

2,50 ± 0,01 0,72 ± 0,01

3,00 ± 0,01 0,78 ± 0,01

La representació gràfica d’aquestes dades és aquesta: 3,00 2,50 1,50 0,50 2,00 1,00 0,000,200,400,60 0,45;1,00 0,57;1,50 0,65;2,00 0,72;2,50 0,78;3,00 0,801,00 h0/m t/s

De la gràfica podem deduir que l’altura des de la qual es deixa caure l’objecte i el temps que tarda a caure tenen una relació quadràtica directa: hk t 0 2 =

TREBALLA AMB LES IMATGES

T3. Representa gràficament, en un full a part, la velocitat d’un mòbil que durant cinc segons es mou amb velocitat constant.

Relacions entre magnituds

De proporcionalitat directa

Quadràtica directa

De proporcionalitat inversa

Lineal

Una magnitud (M2) és directament proporcional a una altra, (M1), quan en multiplicar M1 per un nombre, M2 queda multiplicada per l’esmentat nombre. És a dir:

Mk M 21 =

Una magnitud (M2) guarda relació quadràtica directa amb M1, si, en multiplicar M1 per un nombre, M2 queda multiplicada pel quadrat d’aquest:

Mk M 21 2 =

Una magnitud (M2) és inversament proporcional a una altra (M1) quan, en multiplicar M1 per un nombre, M2 queda dividida per aquest:

M M k 2 1 =

Es tracta d’una recta que no passa per l’origen de coordenades. La seva equació és aquesta:

M2 = k1 + k2 · M1

Si k1 augmenta, la recta es desplaça cap a a dalt, i viceversa.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

25. Es fan tres mesures de la deformació d’una molla (e a = 0,1 cm) en penjar-hi pesos de diferent massa. A partir de les dades, extreu la llei física.

26.

Quina llei física es pot extreure de la següent representació gràfica? Expressa-la en llenguatge verbal i matemàtic.

» TALLER DE CIÈNCIES

Projecte d’investigació

EN GRUPS

Un projecte d’investigació és un document en el qual es descriuen, minuciosament, tots els aspectes que, a priori, poden garantir l’èxit de la investigació.

Conclosa la investigació, cal presentar els resultats obtinguts i les conclusions que se’n poden extreure. Per a això, s’elabora la memòria final del projecte, o informe científic.

L’informe científic és un document que aplega el que s’ha especificat en el projecte d’investigació, més els resultats i les conclusions finals.

• Portada

Ha de contenir el títol del projecte, el nom dels investigadors, el centre a què pertanyen, el lloc i la data.

• Índex

Índex paginat amb l’estructura del projecte.

• Plantejament del problema

Es descriu el problema a investigar.

• Marc teòric

És important enquadrar el problema en el coneixement científic disponible, la qual cosa permetrà decidir quines lleis i teories científiques s’han d’utilitzar.

• Objectius

S’han de plantejar amb claredat. Si són complexos, es poden definir objectius secundaris.

• Hipòtesi

Cal emetre possibles respostes al problema, o als interrogants d’investigació.

• Procediment

S’ha de descriure el procediment a seguir per contrastar les hipòtesis, com també el material necessari.

• Finançament

Si el projecte requereix finançament econòmic, cal descriure en què s’invertirà l’import sol·licitat.

• Referències bibliogràfiques

Cal proporcionar una llista, per ordre alfabètic, amb totes les fonts d’informació utilitzades.

Consideracions generals

Un projecte d’investigació és un document en el qual es descriuen, minuciosament, tots els aspectes que, a priori, poden garantir l’èxit de la investigació.

Informe científic

• Portada

• Índex

• Plantejament del problema

• Marc teòric

• Objectius

• Hipòtesi

• Procediment

• Resultats

Es mostren mitjançant llenguatge verbal, matemàtic i gràfic.

• Conclusions

Es verifica la hipòtesi? Es cobreixen els objectius?

• Limitacions

Es defineix l’àmbit de validesa de les conclusions.

• Línies futures

Noves línies d’investigació que puguin sorgir d’aquesta.

• Referències bibliogràfiques

Una referència bibliogràfica és el conjunt de dades que cal proporcionar perquè es pugui localitzar una font d’informació. Existeixen diferents estils de referències, però tots han de complir unes normes internacionals: les normes ISO (International Organization for Standardization).

Com dur a terme el projecte

Aquest projecte s’ha de dur a terme al llarg del curs; segons vagis avançant en el coneixement dels conceptes químics que es desenvoluparan, podràs anar resolent les activitats proposades.

Projecte d’investigació

Una Terra sense ferro

El ferro és un element químic molt present en la nostra vida quotidiana. La seva abundància a l’escorça terrestre s’acosta al 5 % i el seu ús ha marcat la història de la humanitat. L’aprofitament d’aquest metall en àmbits tan diferents com la fabricació d’instruments i eines, armes i elements de construcció fa que aquest 5 % de l’escorça terrestre sigui determinant. A més, el ferro és un dels oligoelements que existeixen; forma part, per tant, del nostre organisme, i la seva funció en aquest és vital.

Al llarg de les etapes d’aquest projecte d’investigació aniràs descobrint la importància del ferro en àmbits molt diferents. En finalitzar-lo, podràs escriure un informe argumentant sobre la rellevància del ferro en el nostre planeta i en els éssers que hi habiten; o bé fer una presentació amb la informació més rellevant de cada etapa, o d’aquella que t’hagi cridat més l’atenció.

Recorda que has d’abordar cada qüestió utilitzant la metodologia científica per contrastar hipòtesis. En cas de recerca d’informació, recorda que has de citar sempre la font que utilitzis en la teva documentació (si és una pàgina d’Internet, hi has de fer constar la seva URL).

1. Busca informació sobre el comportament dels materials paramagnètics, diamagnètics i ferromagnètics, i sobre la temperatura de Curie. A partir d’aquesta, argumenta sobre la qüestió que es proposa a continuació: «El camp magnètic terrestre, està causat exclusivament per la presència de ferro en el nucli del nostre planeta?».

2. Identifica el tipus de substància que és el ferro i les seves propietats mecàniques. Com variarien aquestes propietats amb l’addició de carboni al ferro en l’acer?

4. El ferro és el responsable del color de la nostra sang, gràcies a la seva presència en el grup hemo. Per transportar l’oxigen, n’hi ha prou amb el grup hemo o és necessària, a més, la presència d’una proteïna?

3. Un dels problemes que presenten més freqüentment els objectes de ferro (Fe) és la seva corrosió mitjançant la formació de rovell (Fe2O3). Aquesta corrosió s’accentua en les zones costaneres o en zones on és més freqüent la pluja àcida. Per què?

5. Existeix un tipus de combustible que es denomina «gasolina sense plom»; La gasolina que s’obté del petroli, conté plom inicialment? Per què creus que és un fet destacable que la gasolina no contingui plom?

6. Una de les substàncies que han substituït els compostos de plom en les gasolines han estat els ferrocens; per què s’afegeixen els ferrocens a les gasolines? Com afecten, els ferrocens, l’índex d’octà?

» TALLER DE CIÈNCIES

CIÈNCIA RECREATIVA

Experiments mentals

EN GRUPS

Per contrastar les hipòtesis amb la realitat, es dissenyen experiments en condicions controlades que permeten estudiar la dependència entre magnituds físiques. Si no és possible, es pot recórrer als anomenats experiments mentals, com el de Galileo Galilei, que en el segle  XVII, mitjançant un diàleg entre Salviati i Simplicius, intenta demostrar que Aristòtil no tenia raó quan afirmava que els cossos pesants cauen abans que els lleugers.

SALVIATI: Aristòtil diu: «Mentre una bola de ferro de 100 lliures de pes arriba a terra caient des d’una altura de 100 braces, una altra bola d’una lliura amb prou feines ha recorregut una braça».

Jo dic que ambdues arriben alhora; Faci vostè mateix l’experiència i constatarà que, tant si cauen d’una altura de 50 braces com de 100 braces, ambdues toquen el terra alhora...

Però, fins i tot sense fer l’experiència, pot provar-se clarament, mitjancant una demostració senzilla i concloent, que no és cert que un mòbil més pesant caigui més de pressa que un altre de menys pesant, suposant que tots dos siguin del mateix material, que és el cas a què es refereix Aristòtil...

Si tinguéssim dos mòbils les velocitats naturals dels quals fossin desiguals i els uníssim, és evident que, en cert sentit, el més ràpid seria frenat pel més lent i aquest seria accelerat pel més ràpid. No sou d’aquesta opinió?

SIMPLICIUS: Crec efectivament que les coses serien així.

SALVIATI: Però, si això és veritat, i si és a més veritat que una pedra grossa cau a una velocitat de, diguem-ne 8 unitats i que una pedra petita ho fa a una velocitat de 4 unitats, llavors si les unim totes dues, lligant-les, perquè caiguin juntes, s’hauran de moure a una velocitat inferior a 8 unitats.

Però, d’altra banda, les dues pedres juntes serà el mateix que una de més grossa que la primera i, per tant, haurien de caure a una velocitat més gran que 8 unitats.

SIMPLICIUS: Ben confós em trobo.

Proposta de treball

Problema Solució

Representació de l’experiment mental de Galileu.

EXPERIMENT MENTAL

Hipòtesi

Desenvolupament de l’experiment

Conclusions

1. Organitzeu la classe en petits grups de tres o quatre components. Cada grup ha de preparar un pòster sobre un experiment mental, assenyalant la hipòtesi que es defensa i les conclusions a les quals s’arriba. Una vegada tingueu els pòsters fets, poden exposar-se a classe.

TREBALL PRÀCTIC

Orientacions

• S’ha d’evitar l’error de zero de la balança.

• S’ha de tenir en compte l’error de paral·laxi, tant en la regla com a la proveta.

• Per a totes les magnituds, han de fer-se tres mesures (amb l’error corresponent) i expressar correctament el resultat final de la mesura.

• Les mesures s’han d’organitzar en taules, com la de sota.

m ± ea/g

m –= Dm =

V ± ea/mL

V –= DV =

m =

V =

EXTRAIEU CONCLUSIONS…

Es pot parlar de «la densitat» de la plastilina?

Plantejament

Existeixen plastilines de diferents marques i colors. Tenen totes la mateixa densitat? Busca informació sobre el procés de fabricació industrial de la plastilina, i emet la teva hipòtesi.

La vostra proposta

Abans de llegir la nostra proposta, elabora la vostra i, si és possible, comproveu si amb aquesta proposta podeu respondre al repte que es planteja.

La nostra proposta

Per calcular la densitat d’un objecte cal dividir la seva massa entre el seu volum. En petits grups, mesureu la densitat de la plastilina fent servir dos procediments:

• Es divideix la massa que indica el fabricant entre el volum, calculat a partir de l’amplada, l’alçada i el gruix de la barra de plastilina.

• Pren un fragment de plastilina i divideix la seva massa entre el seu volum.

Procediment

• Amb aquestes orientacions, mesureu la densitat de la plastilina i responeu al problema de partida.

1. Elaboreu un breu informe sobre el treball pràctic, que contingui els apartats descrits en la unitat.

2. S’ha confirmat la vostra hipòtesi? Per què?

Material

• Barres de plastilina de diferents fabricants i colors (una per grup)

• Regla

• Balança

• Proveta

4. Les magnituds que intervenen en la pràctica, són bàsiques o derivades? Les seves mesures, han estat directes o indirectes?

3. Coincideixen les densitats obtingudes pels dos procediments? En cas negatiu, a què pot ser degut?

5. Podríeu afirmar que heu participat en un experiment científic? Per què?

» POSA’T A PROVA

4. La llei de conservació de l’energia estableix que en un sistema aïllat l’energia es conserva. Per què es parla de «llei» i no de «teoria»?

Investigació científica

1. En el següent text, identifica les etapes del mètode científic.

A l’antiga Grècia, el rei Hieró va encarregar una corona d’or i li va quedar el dubte de si l’orfebre havia substituït part de l’or per plata, o coure. Va demanar a Arquimedes que ho comprovés.

Arquimedes no sabia què fer. Si hagués substituït or per altres metalls més lleugers, la corona hauria ocupat més espai, però no sabia com mesurar el seu volum.

Un dia es va submergir en una banyera i va observar que l’aigua vessava, i en aquell moment va pensar que el volum d’un cos coincideix amb el de l’aigua que desplaça. Va sortir corrents, nu, cridant «Eureka!».

Va introduir la corona en un recipient amb aigua i va mesurar el volum d’aigua que desplaçava. Va fer el mateix amb un tros d’or pur del mateix pes i... el rei va ordenar executar l’orfebre.

5. Busca informació sobre el teu horòscop i raona si es tracta de coneixement científic.

2. Repassa l’apartat sobre el mètode científic i descriu alguna situació quotidiana en la qual pensis que l’utilitzes.

6. Què significa «experimentar»? Sempre que s’utilitza un instrument de mesura s’està experimentant?

7. Busca informació sobre l’esgotament de recursos i analitza’l des d’una perspectiva CTS; és a dir, indica com intervenen la ciència, la tecnologia i la societat en aquesta problemàtica mundial.

3. Explica què és, en el camp científic, una hipòtesi, una llei i una teoria. N’hi ha alguna que pugui convertir-se en les altres?

Magnituds físiques

8. Descriu aquests vectors.

9. Dues persones empenyen un objecte amb forces del mateix mòdul, F = 90 N. Representa la força resultant, F R 8 , i calcula el seu mòdul, si les forces s’exerceixen en direccions perpendiculars.

10. Indica a quines magnituds corresponen els següents valors i expressa’ls en el SI amb notació científica:

a) 18 Gm 8

b) 11,6 µs 8

c) 54 cg 8

d) 9,56 MN 8

11. Comprova que la gravetat té les mateixes dimensions expressada en m/s2 i en N/kg.

14. Expressa bé les mesures mal expressades:

a) t = 3,45 ± 0,01 s 8

b) V = 123 ± 2,5 mL 8

c) l = 3,46 ± 0,1 cm 8

15. Es fan tres mesures de la massa d’un objecte (e a = 0,1 g): m1 = 45,8 g, m2 = 45,6 g; m3 = 46,1 g. Quin és el resultat final de la mesura?

Anàlisi de dades experimentals

16. Es fan, per a tres voltatges, tres mesures de la intensitat de corrent que circula per un llum incandescent. Extreu la llei física que relaciona aquestes magnituds, i expressa-la verbalment, matemàticament i gràficament.

12. L’equació dels gasos ideals és aquesta:

p · V = n · R · T

En aquesta equació, p és la pressió; V és el volum; n la quantitat de substància, i T la temperatura. Determina l’equació de dimensions de la constant dels gasos, R.

Mesura de magnituds físiques

13. Amb una balança antiga es mesura la massa d’un pes que marca 50 g, i s’obté el valor següent: m = 53,3 g. Quin error relatiu s’ha comès?

17. Amb quin tipus de moviment associes cada gràfica?

s t a t v t v

s t a t v t v

1 U N I T A T L’ÀTOM I EL SISTEMA PERIÒDIC

Una història per conèixer la complexitat de l’àtom

Abans de començar la unitat, tingues en compte que el diàmetre d’un àtom, aproximadament de 0,1 nanòmetres (10–10 m), és deu mil vegades més petit que el d’un Staphylococcus aureus (un tipus de bacteri que produeix diferents infeccions cutànies). Tan cert és això que el fet de conèixer l’estructura atòmica ha estat un vertader repte per a la comunitat científica durant els segles xix i xx. A inicis del segle xix, John Dalton afirmava, en una de les seves hipòtesis atòmiques, el següent: «la matèria està formada per àtoms indivisibles». Després, J. J. Thomson va descobrir l’electró el 1897; E. Rutherford, el protó el 1919; J. Chadwick, el neutró el 1932; i, el 1964, M. Gell-Mann i G. Zweig descobreixen els quarks! Aquestes partícules, encara més petites que les anteriors, combinades entre elles, formen partícules subatòmiques com els protons i els neutrons.

Aquest breu passatge històric ens evidencia el següent: (1) el coneixement està en contínua evolució; (2) tot descobriment va començar amb una pregunta; i (3) per preguntar, cal tenir curiositat. Arran d’aquesta història, cal que ens preguntem: de què estan fets els electrons, si és que estan compostos per alguna partícula? Vet aquí una pregunta sense resposta, de moment.

COMPROMÍS ODS

El 1953, el president d’EUA. Eisenhower, va presentar a les Nacions Unides el programa Atoms for Peace per impulsar diferents projectes nuclears pacífics i generar desenvolupament agrícola, industrial, mèdic, de transport i energètic. El maig de 2018 i amb propòsits similars va tenir lloc a Espanya el simposi internacional Atoms for Peace and Europe: Nuclear Energy Networks in Europe and around the Globe.

1. Busca informació a Internet sobre les diferents aplicacions de l’energia nuclear.

2. De quina manera podria contribuir l’energia nuclear a la consecució de les metes 2.1, 3.4, 9.1 i 16.4 dels ODS? Pots consultar els vídeos en l’espai personal del web www.barcanova.cat

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

1. ELS PRIMERS MODELS ATÒMICS

Model atòmic de Thomson

La primera prova que els àtoms eren més complexos que el que havia proposat Dalton la va obtenir J. J. Thomson, que el 1897 va descobrir l’electró, i va concloure que els electrons eren part de l’àtom.

Anys abans, W. Crookes va experimentar amb tubs de descàrrega. En aplicar un gran voltatge entre els elèctrodes, apareixia una luminescència en el costat de l’ànode: els raigs catòdics. Els experiments de Crookes van portar aquest químic a les conclusions següents:

• Els raigs catòdics anaven del càtode cap a l’ànode.

• Els raigs catòdics estan formats per partícules.

Thomson va modificar aquests tubs i va portar a terme una sèrie d’experiments a partir dels quals va deduir que els raigs catòdics tenen càrrega negativa. Amb tot això, Thomson va proposar el 1904 el seu model per a l’àtom.

Segons el model de Thomson, un àtom és una esfera de càrrega positiva en què es troben incrustats els electrons, que poden sortir o entrar de l’àtom, donant lloc a un ió.

El 1910, R. A. Millikan va aconseguir mesurar la càrrega de l’electró, obtenint un valor de –1,6 · 10–19 C.

Zona carregada positivament

Els electrons es distribueixen uniformement

Recorda que…

• La matèria està formada per àtoms.

• Els àtoms d’un mateix element químic són idèntics.

• Els compostos químics estan formats per àtoms de diferents elements químics.

• Durant una reacció química es produeix una reordenació d’àtoms.

• Per descriure l’àtom, al llarg de la història recent de la ciència s’han fet servir diversos models. El més utilitzat és el model planetari.

• Un element químic està determinat pel nombre de protons que conté: el seu nombre atòmic, Z.

• La suma de protons i neutrons rep el nom de nombre màssic, A

• Es denominen isòtops els àtoms del mateix element químic que tenen diferent massa.

• Un catió és un ió amb càrrega positiva.

• Un anió és un ió amb càrrega negativa.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

1. En cursos anteriors es van estudiar els encerts i els inconvenients actuals de la teoria atòmica de Dalton. Prepara un informe sobre els uns i els altres.

2. Associa els resultats de Crookes i Thomson amb les característiques de l’electró.

3. Segons el model atòmic de Thomson, quin és el menor valor de càrrega elèctrica que es pot aïllar?

4. Quin dels següents fenòmens es pot explicar a partir del model atòmic de Thomson?

a) La formació d’ions.

b) L’existència d’isòtops.

c) Les reaccions nuclears.

5. Explica quina és la part especulativa del model atòmic de Thomson.

6. Busca informació sobre l’experiment de Millikan i prepara, en un full a part, un treball senzill explicant-lo.

Model atòmic de Rutherford

El 1911, E. Rutherford i els seus col·laboradors Geiger i Marsden van bombardejar amb partícules alfa (la càrrega de les quals és positiva) una fina làmina d’or i van analitzar els resultats obtinguts. Amb aquestes conclusions, van proposar un nou model per a l’àtom: el model nuclear.

El model de Rutherford descriu l’àtom com un gran espai fonaen el centre del qual es troba el nucli, amb càri gairebé la totalitat de la massa, i al voltant del qual orbiten els electrons, que tenen càrrega negativa.

La descripció de l’escorça de l’àtom amb els electrons orbitant al voltant del nucli no es dedueix dels experiments; és la part especulativa del model.

El 1919, Rutherford va descobrir que podia convertir un element en un altre bombardejant-lo amb partícules alfa de més energia. Com a resultat d’aquest bombardeig, a més del nou element, s’obtenia una partícula de càrrega +1 de característiques similars al nucli d’hidrogen; l’esmentada partícula era un . S’havia aconseguit un element en l’altre, alterant el nombre de protons en el

Segons Rutherford, el nucli de l’àtom és un espai molt petit, on es concentren tots els protons amb càrrega positiva. En comparar la massa dels protons amb la del nucli, es va postular que havia d’existir una altra partícula (el neutró), que va ser descobert per Chadwick el 1932. Treballa en grup i respon a la pregunta següent: Per què creus que els protons en el nucli no es

Indica què representa aquesta figura en relació amb el model atòmic de Rutherford:

2. ELS ESPECTRES ATÒMICS

I EL MODEL DE BOHR

Inconsistències del model de Rutherford

• Segons l’electromagnetisme clàssic, l’electró no podria estar girant en qualsevol òrbita, ja que, en ser una partícula carregada, emetria energia en el seu gir i s’aniria acostant al nucli fins a col·lidir amb aquest.

• Aquest model no podria explicar tampoc un fenomen que ocorria quan, amb un prisma de vidre, es descomponia la llum emesa per substàncies incandescents: els espectres atòmics.

El model atòmic de Bohr

El 1913, Niels Bohr, col·laborador de Rutherford, va millorar el model d’aquest introduint el concepte de quantització de l’energia

Segons Rutherford, l’òrbita de l’electró es podia trobar a qualsevol distància del nucli, sent més gran l’energia com més allunyat es trobés. Però Bohr va introduir dues hipòtesis a aquest model:

• L’electró gira al voltant del nucli en certes òrbites, amb un radi determinat; en aquestes òrbites no guanya ni perd energia: són òrbites estacionàries.

• Un electró pot passar d’una òrbita de menys energia a una altra de més energia absorbint una determinada quantitat d’energia; i si el procés és el contrari, emetent aquesta mateixa quantitat d’energia.

Amb la primera hipòtesi se soluciona la incompatibilitat amb l’electromagnetisme, i amb la segona, s’expliquen els espectres atòmics.

Espectres atòmics i model de Bohr: relació

En el model atòmic de Bohr s’aplica la idea que l’energia dels electrons de l’àtom és discreta; és a dir, no és contínua.

La quantització de les energies dels electrons en l’escorça dels àtoms és una propietat fonamental d’aquests.

Bohr va aconseguir determinar quantitativament els nivells d’energia dels electrons d’un àtom determinat en funció del seu nombre atòmic i d’un paràmetre, n, el valor del qual és sempre un nombre natural (1, 2, 3, etc.), que indica el nombre de cada òrbita. D’aquesta forma, podem relacionar directament l’energia d’un nivell amb el valor corresponent de n.

Si un electró no es troba en el nivell de menor energia possible, l’àtom està en estat excitat; si tots els electrons ocupen els nivells de menor energia possible, l’àtom està en el seu estat fonamental.

Tipus d’espectres

• Espectre continu: quan la llum blanca que emet un llum incandescent passa a través d’un primsa de vidre, es descompon en colors. A cada franja de color li correspon un interval diferent d’energia i la separació entre colors no és nítida; és a dir, és un espectre continu.

• Espectre discontinu: quan la llum emesa per una substància prou calenta passa per un prisma, veiem que només existeixen algunes línies; es a dir, és un espectre discontinu.

Espectes atòmics: exemples

Espectre continu (llum blanca)

L’espectre de la llum blanca és continu. Per aquesta raó, com pots observar, no hi ha una separació entre els diferents colors que s’aprecien en la imatge.

Espectre discontinu de l’hidrogen

L’espectre de l’hidrogen no és continu. Observa que apareixen quatre línies, cada una de les quals correspon a un valor determinat d’energia: l’energia està quantitzada.

TREBALLA AMB LA IMATGE

T1. Per què creus que els esglaons d’aquesta escala s’han representat amb una altura diferent?

Quants salts entre esglaons hi hauria en l’escala del dibuix?

Explicació de l’espectre de l’hidrogen

Les quatre línies de l’espectre de l’hidrogen són relatives a salts d’electrons des de nivells d’energia que corresponen a estats excitats fins al nivell n = 2:

Salt de n = 6 a n = 2 8 E6

Salt de n = 5 a n = 2 8 E5

Salt de n = 4 a n = 2 8 E4

Salt de n = 3 a n = 2 8 E3

Els salts electrònics des de nivells superiors fins al nivell n = 1 corresponen a la zona de l’ultraviolat, no visible per l’ull humà.

Una analogia de les energies de l’electró

Podem imaginar que l’energia d’un electró és anàloga a l’energia potencial d’un objecte en una escala.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

No són possibles tots els valors, sinó tan sols els que corresponen a l’altura de cada esglaó.

Quan un electró puja, és perquè ha absorbit la diferència d’energia, i quan baixa, l’emet en forma de radiació. Aquestes diferències d’energia són les que es detecten en els espectres atòmics.

9. Explica què significa que una òrbita sigui estacionària.

10. Relaciona cada model atòmic amb la prova experimental que va fer que es dugués a terme.

11. Explica per què els espectres atòmics són de línies; és a dir, per què no són continus.

12. Hi podria haver més línies en l’espectre d’hidrogen amb valors d’energia diferents? En cas afirmatiu, a quin salt d’energia correspondrien?

13. Indica si aquesta afirmació és vertadera o falsa i explica per què: «Per fer que un electró passi del nivell n = 2 a l’n = 3, és necessari que absorbeixi energia».

3. MODEL QUÀNTIC DE L’ÀTOM

Orbitals atòmics

En el model quàntic de l’àtom, en lloc de parlar d’òrbites, parlem d’orbitals.

Un orbital atòmic és una regió de l’espai on la probabilitat de trobar un electró és molt elevada. A cada orbital es poden ubicar un màxim de dos electrons.

Els orbitals atòmics es designen amb lletres. Els més simples: s, p, d i f. Cada capa d’electrons, és a dir, cada nivell d’energia, pot acollir un nombre diferent d’electrons. Per tant, a cada nivell li corresponen diferents orbitals.

Configuració electrònica

El nombre d’electrons que hi ha en l’últim nivell energètic determina quines seran les seves propietats químiques. Per a això necessitem conèixer la configuració electrònica.

La configuració electrònica d’un àtom és la forma en què es distribueixen els electrons a la seva escorça.

Abans d’escriure la configuració electrònica necessitem conèixer les regles d’ompliment dels orbitals atòmics.

Regles d’ompliment d’orbitals atòmics

• Els orbitals atòmics s’omplen de menor a més energia.

• En completar els orbitals del mateix valor d’energia, començarà l’ompliment dels següents.

• Els electrons ocupen el major nombre possible d’orbitals de la mateixa energia. Aquest fet es coneix com a màxima multiplicitat.

Escriptura de les configuracions electròniques

• Col·loquem el símbol de l’element químic entre claudàtors per indicar que ens referim a la seva configuració electrònica.

• Denominarem els orbitals dels diferents nivells com s’indica al marge.

• Utilitzarem un superíndex per indicar el nombre d’electrons totals que hi ha en cada tipus d’orbital.

Electrons de valència

Les propietats d’un element venen donades per la seva configuració electrònica; en concret, pels electrons de valència.

Els electrons de l’últim orbital ocupat es denominen electrons de valència.

Distribució

Les fletxes representen els dos electrons de cada orbital; per diferenciar-los, una apunta cap a dalt i una altra cap a baix.

Diagrama de Moeller

Diagrama de Moeller

Per recordar l’ordre d’energies dels orbitals atòmics, se sol utilitzar el diagrama de Moeller, en què es mostra la seqüència dels orbitals distribuïts per ordre d’energia creixent seguint les fletxes de les diagonals. Si seguim l’ordre que el diagrama ens indica, veiem, per exemple, que des de l’orbital 4 s els següents a omplir-se són el 3 d, el 4 p i el 5 s, continuant pel 4 d, el 5 p, el 6 s i el 4 f

1. A partir del nombre atòmic del germani (Z = 32):

5 s2 6 s2

7 s2

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

a) Escriu la configuració electrònica de l’àtom neutre de germani.

b) Indica quins són els electrons de valència.

c) Escriu la configuració electrònica del catió Ge2+

a) Si es tracta de germani neutre tindrà 32 electrons. Escrivim el diagrama de Moeller complet i seguim les fletxes fins a completar els 32 electrons. Així, obtenim: [Ge] = 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p2

b) L’últim nivell amb electrons; en aquest cas, és el quart. Els electrons de valència són dos electrons en 4 s i dos en 4 p.

c) La configuració electrònica del Ge2+ és: [Ge2+] = 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2

14. Explica la diferència entre òrbita i orbital.

17. Explica per què és possible tenir només dos electrons en un orbital 2 s i sis en els orbitals 2 p.

15. Indica quants electrons té un àtom si la seva configuració electrònica és aquesta: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2

16. Indica quants orbitals queden ocupats en l’últim nivell d’energia d’un àtom la configuració electrònica del qual és aquesta: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p3. Quina regla has utilitzat?

18. Escriu la configuració electrònica dels àtoms neutres dels elements següents:

a) liti (Z = 3)

b) sodi (Z = 11)

c) potassi (Z = 19)

19. Escriu la configuració electrònica del catió Li+

20. Explica per què en el nivell n = 4 hi pot haver fins a 32 electrons.

4. EL SISTEMA PERIÒDIC DELS ELEMENTS

QUÍMICS

Propietats periòdiques i grups d’elements

En el sistema periòdic podem distingir els elements següents:

• Metalls. És el grup més nombrós. Tenen tendència a perdre electrons, formant així cations.

• No metalls. Són elements que tenen tendència a formar anions. No són bons conductors de la calor i l’electricitat.

• Semimetalls o metal·loides. Aquesta denominació significa «semblança a un metall». Comparteixen propietats amb els metalls i els no-metalls.

• Gasos nobles. Es tracta del grup 18 de la taula periòdica. Tots són gasosos i difícilment formen compostos.

Propietats periòdiques

En col·locar els elements químics per ordre creixent dels seus nombres atòmics, s’observa una variació periòdica en algunes propietats.

Són les propietats periòdiques. En aquesta unitat n’estudiarem dues:

L’afinitat electrònica (AE), que és l’energia que allibera un àtom en estat gasós en adquirir un electró i formar un anió. Com més gran és l’afinitat electrònica, més gran és la tendència de l’element a formar anions.

L’energia d’ionització (EI), que és l’energia que ha d’absorbir un àtom en estat gasós per perdre un electró i formar un catió. Com més petita és l’energia d’ionització, més tendeix l’element a formar cations.

Sistema periòdic i configuració electrònica

A partir de la configuració electrònica d’un element, podem situar aquest element en el sistema periòdic. El nivell principal d’energia dels electrons de valència coincideix amb el període a què pertany l’element. A partir de la ubicació d’un element en la taula periòdica, podem escriure la seva configuració electrònica escurçada i predir el seu comportament químic.

La configuració electrònica escurçada inclou la del gas noble anterior i en aquesta hi queden destacats els electrons de valència.

Per exemple, la del calci és la següent:

El sistema periòdic de Mendeleiev

L’ordenació dels elements químics es basa en el patró de variació de les propietats químiques i físiques, periodicitat observada per Mendeleiev i Meyer el 1869. Aquests químics van situar els elements coneguts fins aleshores en funció de la seva massa atòmica i van observar patrons de repetició en les seves propietats.

El sistema periòdic actual

Va ser proposat per H. Moseley el 1913. Els elements químics estan ordenats per nombre atòmic creixent i es distribueixen d’aquesta manera:

• 7 períodes o files. Els àtoms d’elements d’un mateix període tenen el mateix nombre de capes o nivells principals d’energia.

• 18 grups o famílies. Els elements d’un grup tenen la mateixa configuració electrònica dels seus electrons de valència.

TREBALLA AMB LA IMATGE

T2. Amb l’ajuda de la taula periòdica ubica els elements Fe, Ni, Au i Hg, escriu la seva configuració electrònica i relaciona la configuració electrònica dels seus electrons de valència amb el que podem veure en la imatge.

Relació entre la configuració electrònica d’un element i la seva posició en la taula periòdica

(n –1)d1(n –1)d10

(n –2)f1(n –2)f14

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

21. Indica el nombre d’elements que té cada període del sistema periòdic.

25. Per què un element amb una elevada energia d’ionització no tendeix a formar cations?

22. Classifica els següents elements en metalls, no-metalls, semimetalls o gasos nobles: potassi, ferro, crom, silici, clor i argó.

23. Busca informació sobre la biografia de Henry Moseley i reflexiona sobre la implicació de la participació de científics en conflictes bèl·lics. Reflexiona sobre la relació d’aquest fet amb la meta 16.4 dels ODS.

26. Escriu la configuració electrònica escurçada i indica els electrons de valència dels elements següents:

a) fòsfor (Z = 15)

b) estany (Z = 50)

c) iode (Z = 53)

d) franci (Z = 87)

27. Dels elements de les activitats anteriors, indica quins tendiran a formar cations i quins anions.

24. Ordena aquests elements per afinitat electrònica creixent: Ca, Se, Ga, Br i Cu.

28. L’element amb una configuració electrònica acabada en 4 s2 3 d 6, és metall, no-metall o gas noble?

29. Escriu el nom i el símbol dels elements que tenen aquests electrons de valència:

a) 3s2 3p2

b) 4s2 4p5

5. MASSES ATÒMIQUES

El descobriment del neutró

Des de la publicació del model atòmic de Rutherford se sabia que el nombre atòmic d’un àtom, Z, era, aproximadament, la meitat del seu nombre màssic, A. El 1932, Chadwick va descobrir una nova partícula: el neutró.

En el nucli de l’àtom hi ha una partícula de massa similar a la del protó i elèctricament neutra, denominada neutró.

Massa atòmica mitjana

La massa teòrica d’un àtom és la suma de les masses dels seus protons i els seus neutrons (no tenim en compte la massa dels electrons perquè resulta menyspreable comparada amb la dels protons i la dels neutrons).

EXERCICI RESOLT

2. L’urani té tres isòtops ( U 234 , U 235 i U 238 ) les abundàncies relatives dels quals són 0,0057 %, 0,72 % i 99,27 %, respectivament. Calcula la massa atòmica mitjana de l’urani, expressada en u.

1 Partirem de la idea que el nombre màssic és la massa en unitats de massa atòmica de cada àtom.

;; uuumm m 2342 UU35 234235 == ;; uuumm m 23423523 UU8 234U235238 –===

;; uuumm m 23423523 UU8 234U235238 –===

No tots els àtoms del mateix element químic tenen la mateixa massa, ja que cada element té diversos isòtops. Per tant, la massa atòmica d’un element químic s’ha de calcular a partir de la massa dels seus isòtops d’acord amb l’abundància relativa de cada un d’aquests.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

30. El bor té dos isòtops estables: B-10 i B-11. Utilitzant la definició de massa teòrica de l’àtom, i sabent que les abundàncies relatives d’aquests isòtops són 19,78 % i 80,22 % respectivament, calcula la massa atòmica mitjana del bor.

2 La contribució de cada isòtop a la massa atòmica mitjana és aquesta:

U 234 : , , u u 100 23400057 00 =13

U 235 : , , u u 100 235072 16 =9

U 238 : , , u u 100 2389927 23 =63

31. Determina quina és l’abundància relativa dels isòtops del clor sabent que són dos, les masses atòmiques reals dels quals són 34,97 u i 36,97 u, i que la massa atòmica mitjana del clor és de 35,45 u.

Observem que l’isòtop menys abundant és el que té una aportació menor a la massa atòmica, com era d’esperar.

3 Finalment, sumem les contribucions de cada isòtop per obtenir la massa atòmica mitjana: ,,, uu uu m 00131692363238 U =++= ,,, uu uu m 00131692363238 U =++=

32. Explica per què els valors de les masses isotòpiques de l’activitat anterior no són valors enters de la unitat de massa atòmica.

COM RESOLDRE UN EXERCICI D’ABUNDÀNCIA ISOTÒPICA

El magnesi, la massa atòmica mitjana del qual és de 24,3 u, té tres isòtops naturals, amb una massa atòmica de 24 u, 25 u i 26 u respectivament. El més abundant dels tres és el Mg-24, l’abundància relativa del qual és del 78,99 %. Quina és l’abundància relativa dels altres dos isòtops del magnesi?

Passos

1 Entén l’enunciat i extreu dades

Es tracta d’un problema relacionat amb el càlcul de la massa atòmica mitjana. Tanmateix, no ens demanen la massa mitjana, sinó l’abundància de dos isòtops del magnesi.

• Hem de recordar que la suma de les abundàncies relatives dels isòtops és del 100 %.

2 Fes un dibuix de la situació

En aquest cas, no es tracta d’un problema purament de química, sinó d’una aplicació del càlcul de mitjanes ponderades al càlcul de l’abundància relativa de dos isòtops. Per comprendre millor l’activitat, podem fer el següent:

Representar, en un esquema, l’abundància relativa de cada isòtop.

Representar, alternativament, la contribució de cada isòtop a la massa atòmica relativa.

3 Identifica les lleis físiques que intervenen

En aquest cas, es tracta més d’una relació matemàtica que química.

Convé, per tant, plantejar les equacions que relacionen les dades de l’enunciat, i comprovar que hi ha homogeneïtat en les dimensions de l’equació.

4 Obtén el resultat i analitza la seva validesa

Decidides les equacions que relacionen les incògnites, resolem el sistema pel mètode que ens resulti més senzill; per exemple, el de substitució.

Analitzem la validesa del resultat obtingut.

Resolució

• Hem de saber que la massa atòmica mitjana d’un element s’obté a partir de les masses dels seus isòtops i de la seva abundància relativa.

• Les dades proporcionades per l’enunciat són aquestes:

– Mg-24: m = 24 u; abundància, 78,99 %

– Mg-25: m = 25 u; abundància, x?

– Mg-26: m = 26 u; abundància, y?

Abundància: 100 %

x + y 78,99%

Contribució a la massa atòmica: 100 % 24,3 u

25u· x + 26u· y 24u·78,99%

Es tracta d’un càlcul de les abundàncies de dos dels tres isòtops del magnesi.

Necessitem, doncs, un sistema d’equacions:

Relació entre abundàncies: x + y + 78,99 = 100

Relació entre contribucions: , , uu uu x y 251002610024100 7899 ++243 =

• Aïllant x de la primera equació: x = 21,01 – y

• Substituint en la segona equació: 0,25 · (21,01 – y) + 0,26 · y + 18,94 = 24,3

• S’obté això: y = 10,75; x = 10,26.

• Les abundàncies del Mg-26 i del Mg-25 són 10,75 % i 10,26 %, respectivament. En sumar aquestes abundàncies amb la del Mg-24, el resultat que s’obté és del 100 %, la qual cosa verifica, en principi, la validesa dels resultats obtinguts.

ORIENTACIONS PER A LA RESOLUCIÓ DE PROBLEMES…

» TALLER DE CIÈNCIES

CIÈNCIA RECREATIVA

«Les petites Curie»

Introducció

EN GRUPS

Marie Curie, una de les dones de ciència més reconegudes de la història, va contribuir, de manera excel·lent, amb una vida marcada per la seva infatigable tasca científica, al coneixement científic i tècnic.

El 1903 va rebre el Premi Nobel de Física juntament amb el seu marit Pierre Curie, i el seu company de feina Henri Becquerel, pel seu descobriment en el camp de la radioactivitat. El 1911 va rebre el Nobel de Química, el lliurament del qual va estar envoltat de polèmica.

La capacitat de treball i l’afany amb què va encarar els reptes que es va proposar en la seva vida la defineixen, en l’actualitat, com una persona molt emprenedora. Aquestes qualitats són valuoses en l’activitat científica, per desenvolupar tasques investigadores i també per aconseguir el finançament necessari per dur-les a terme.

L’estiu de 1914, Marie Curie va decidir que la seva participació a França, en la Primera Guerra Mundial, seria cuidar-se de l’organització dels serveis de radiologia als hospitals de campanya.

Els raigs X havien estat descoberts el 1895 per Roentgen, i durant les dècades posteriors, s’havien aplicat reeixidament en l’obtenció d’imatges que permetien localitzar fractures i en situacions bèl·liques, per localitzar metralla i bales, sense necessitat de manipular la ferida que aquests impactes havien causat. Tanmateix, utilitzar equips de raigs X era difícil, per la seva mida i pel fet que necessiten, a més, un generador elèctric perquè funcionin.

Marie Curie va estendre l’ús i la sistematització dels raigs X al front. Per dur-ho a terme, va buscar el finançament i les donacions de vehicles adaptats per transportar-los, en els quals, a més dels equips de raigs X, es van instal·lar dinamos per obtenir corrent elèctric a partir del moviment del motor del vehicle i una cambra fosca per revelar les imatges obtingudes.

A més, va organitzar un centre de formació per a tècnics en radiologia, al qual van assistir, de manera voluntària, desenes de dones, pel fet que la major part de la població masculina era al front. La flota de les «petites Curie» (tal com es coneixien aquestes unitats mòbils de raigs X amb finalitats de diagnòstic) era de 20 vehicles amb 175 operàries, i la mateixa Marie Curie va fer més de 1.200 exàmens radiològics.

Imatge de raigs X de la mà d’Anna Bertha Roentgen, considerada la primera radiografia.

Infografia

1. Les aportacions de Marie Curie al coneixement científic i tècnic estan extensament documentades i, fins i tot, han estat novel·lades i portades al cinema en diferents ocasions. Et proposem que busquis informació sobre aquestes aportacions i facis una infografia amb els objectius científics i personals més rellevants de l’apassionant vida d’aquesta extraordinària científica, que va ser la primera dona que va rebre un Premi Nobel.

Descobriments

EN GRUPS

Material

• Tubs de descàrrega

• Tub de raigs catòdics

• Imant

• Rodet de Ruhmkorff

• Font d’alimentació de corrent continu.

Tub de raigs catòdics o de Thomson.

TREBALL PRÀCTIC

Raigs catòdics i tubs de descàrrega

Plantejament del problema

Constatar la naturalesa elèctrica dels raigs catòdics. Observar que, si els tubs de descàrrega contenen diferents gasos, emetran llum de diferent color.

Procediment

Mesures de seguretat

El rodet de Ruhmkorff és un transformador elèctric que permet obtenir elevats voltatges. Mentre estigui en funcionament, no s’ha de tocar.

Experiment 1. Naturalesa dels raigs catòdics

• Connectar el tub de raigs catòdics al rodet de Ruhmkorff i aquest a una font d’alimentació contínua de voltatge adequat.

• Connectar els elèctrodes secundaris del tub de raigs catòdics a una altra font d’alimentació, de manera que generem una diferència de potencial de forma transversal a la direcció dels raigs catòdics. Anotar el que succeeix.

• Desconnectar els elèctrodes secundaris i acostar un imant al tub de raigs catòdics. Anotar el que succeeix en fer aquest canvi.

Experiment 2. Tubs de descàrrega

• Connectar, de manera successiva, els diferents tubs de descàrrega als borns del rodet de Ruhmkorff i aquest a una font d’alimentació contínua.

• Observar la llum emesa per cada tub de descàrrega.

EXTRAIEU CONCLUSIONS…

1. En connectar els borns secundaris del tub de raigs catòdics es produeix una diferència de potencial.

a) En quin altre context heu utilitzat la magnitud diferència de potencial? Com es relaciona amb la intensitat de corrent que circula per un conductor?

b) A partir del que heu observat i dels coneixements que heu utilitzat per respondre a la pregunta anterior, quina conclusió obteniu pel que fa a la naturalesa dels raigs catòdics?

2. Com ja sabem, al voltant de tot imant hi ha un camp magnètic i, a més, els camps magnètics i els corrents elèctrics interaccionen. A partir d’aquesta idea, expliqueu el que ha succeït en acostar l’imant al tub de raigs catòdics.

3. Repasseu les idees fonamentals del model atòmic de Bohr i responeu a les qüestions següents:

a) Què és un àtom en estat excitat?

b) Per què cada gas emet una llum d’un color diferent?

» POSA’T A PROVA

7. Les partícules subatòmiques, són totes elementals? Raona la teva resposta.

Els primers models atòmics

1. Explica com va arribar Thomson a la conclusió que els electrons tenen càrrega elèctrica i que aquesta és negativa.

Els espectres atòmics i el model

atòmic de Bohr

8. Explica què significa la frase següent: «L’energia, en l’àtom, està quantitzada».

2. Explica com es va arribar a la conclusió que els electrons eren partícules constituents de la matèria, presents en tots els àtoms.

9. Explica les diferències entre el model atòmic de Rutherford i el de Bohr. Utilitza aquestes paraules: òrbites, energia, continu, estacionàries

3. Representa gràficament el model atòmic de Thomson.

El model quàntic de l’àtom

10. Respon breument a aquestes preguntes:

a) Anomena els tipus d’orbitals que coneixes.

b) Quants orbitals diferents es poden trobar en el nivell n = 3?

c) Quants electrons pot acollir un orbital?

4. Explica quina és la part especulativa del model de Rutherford.

5. Explica per què, en els experiments que van donar com a resultat el descobriment de l’electró, no es va produir la transmutació d’un element químic en un altre de diferent, mentre que en els que van conduir al descobriment del protó sí.

d) Quants electrons es poden trobar en el nivell n = 2? A quins orbitals es troben els diferents electrons?

11. Indica si les següents afirmacions són vertaderes o falses i corregeix les que siguin falses:

a) Un orbital descriu, amb precisió, la trajectòria d’un electró.

b) En cada orbital s’hi poden trobar, com a màxim, quatre electrons.

6. Quin és el valor de càrrega elèctrica més petit que es pot aïllar? Expressa-ho mitjançant un submúltiple adequat del coulomb.

c) Existeixen tres orbitals del tipus p i nou del tipus f.

d) Si un àtom en estat fonamental té el nivell 2 ple, vol dir que té deu electrons.

12. Corregeix, si cal, les configuracions electròniques següents:

a) 1 s2 2 s2 2 p8 3 s2

b) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s1

c) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 4 p6

d) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d6

13. Anota el nombre d’electrons de valència del liti, el sodi, el potassi i el rubidi. El fet d’escriure la configuració electrònica de cada un t’ajudarà.

ELEMENTS

Li 3

Na 11

K 19

Rb 37

14. Dibuixa un diagrama de caixa per representar els electrons de valència del magnesi, el sodi, el fòsfor i el clor.

15. El procés de formació d’ions passa pel guany o la pèrdua d’electrons. A partir de la configuració electrònica dels següents ions, indica quina càrrega elèctrica tindran. En cada cas, després d’anotar la configuració electrònica de cada ió hem indicat l’element químic a què correspon.

a) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6; ZCa = 20

b) 1 s2 2 s2 2 p6; ZNa = 11

c) 1 s2 2 s2 2 p6; ZAl = 13

d) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6; ZCl = 17

El sistema periòdic

i les propietats periòdiques

16. Elabora, en un full a part, un esquema del sistema periòdic, indicant la relació entre els diferents grups d’elements i el nombre d’electrons de valència de cada grup.

17. Anota quina relació existeix entre el nombre d’elements de cada període del sistema periòdic i el nombre d’electrons que poden allotjar els diferents tipus d’orbitals.

18. Fixa’t en les següents configuracions electròniques escurçades i corregeix-les:

a) [Cs] = [Kr] 6 s1

b) [Cr] = [Ar] 4s2 4 d4

c) [Sr] = [Kr] 4 s2

d) [Pb] = [Xe] 6 s2 6 p2

19. Fixa’t en aquestes configuracions electròniques i indica el següent: el grup a què pertany l’element químic i el període, la capa de valència i el nombre d’electrons de valència.

a) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d10 4 p5

b) [Ar] 4 s2 3 d 2

c) 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s

d) [Kr] 5 s1

20. Tenim dos elements químics, un dels quals té més energia d’ionització que l’altre:

a) Quin formarà cations amb més facilitat?

b) Quin tindrà una afinitat electrònica més gran?

ENLLAÇ QUÍMIC I FORCES INTERMOLECULARS 2 U N I T A T

Una història sobre l’enllaç químic

Isaac Newton va ser un dels primers a esbossar una hipòtesi en la qual intuïa que «algun tipus de força» mantenia unides les petites partícules. Això va ocórrer a inicis del segle xviii. Tres segles més tard, concretament el 2012, una investigació desenvolupada en el centre IBM de Zuric (Suïssa) va permetre visualitzar, per primera vegada, els enllaços químics existents en molècules individuals fent servir la tècnica de microscòpia de forces atòmiques

Gràcies a aquesta troballa, en la qual també van participar científics de la Universitat de Santiago de Compostel·la (Espanya) i del CNRS francès, la comunitat científica podrà explorar amb més detall la naturalesa dels enllaços químics i les forces intermoleculars. No obstant això, diversos científics han avisat que «ens aproximem al límit de les possibilitats que ens brinda la tecnologia actual».

Aquest petit relat ens evidencia que la ciència i la tecnologia estan estretament vinculades. Així, l’avenç científic descrit permetrà continuar amb el desenvolupament tecnològic, però, en quin moment arribarà una nova tecnologia que traspassi els límits de l’actual? Recordem que el microscopi de força atòmica —instrument que ha permès aquest avenç científic— va ser dissenyat el 1986.

COMPROMÍS ODS

El 2016 un equip de científics de la Universitat de Manchester (Anglaterra) va descobrir, en gran manera, que els actínids formaven enllaços covalents amb altres elements, la qual cosa podia significar un gran avenç per al reciclatge de residus radioactius.

1. Documenta’t sobre la producció i la gestió dels residus nuclears.

2. Quines implicacions tindria en la salut, el medi ambient i la indústria, rebaixar la radioactivitat dels residus nuclears? Relaciona les teves respostes amb, com a mínim, tres metes dels ODS relatius a aquests àmbits (pots consultar en l’espai personal del web www.barcanova.cat els vídeos sobre les metes).

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

1. L’ENLLAÇ QUÍMIC

L’enllaç químic i els seus tipus

En les substàncies pures, a excepció dels gasos nobles, els àtoms es troben enllaçats entre ells, formant agregats més o menys grossos.

Es diu que existeix un enllaç químic entre dos àtoms o grups d’àtoms quan entre ells hi ha una força d’atracció que permet la formació d’una entitat química estable i independent.

Energia i estabilitat

Quan dos àtoms s’acosten, el nucli d’un es veu atret pel núvol electrònic de l’altre, i viceversa. Aquesta atracció fa disminuir l’energia del sistema, i és més intensa com més a prop siguin els àtoms. Alhora, els dos àtoms experimenten la repulsió que es produeix entre els seus núvols electrònics i entre els seus nuclis. Aquesta repulsió desestabilitza el sistema, augmentant la seva energia a mesura que s’acosten.

La combinació dels dos fenòmens produeix un mínim d’energia que permet la formació d’un enllaç químic estable.

Regla de l’octet

Els àtoms dels gasos nobles no s’enllacen amb altres àtoms, perquè tenen una configuració electrònica de mínima energia que els confereix molta estabilitat.

La regla de l’octet estableix que els àtoms s’uneixen mitjançant enllaços químics per adquirir la configuració electrònica del gas noble que tenen més a prop, la qual cosa normalment implica tenir 8 electrons de valència, i així assolir una estabilitat més gran.

Diagrames de Lewis

Els diagrames o estructures de Lewis permeten representar, d’una manera senzilla, els electrons de valència, facilitant la visualització de la regla de l’octet per a la formació de l’enllaç químic.

En un diagrama de Lewis, el símbol de l’àtom que es vol representar s’escriu envoltant-lo de tants punts com electrons de valència presenti.

Inicialment, els electrons es distribueixen entre els quatre costats del quadrat imaginari en què estaria inscrit el símbol. Cada parell d’electrons també es pot representar mitjançant un guió. En el cas de l’argó, amb vuit electrons, la representació seria aquesta:

Enllaç químic

uneix

ions àtoms

Enllaç iònic

Enllaç covalent

restes catiòniques

Enllaç metàl·lic

Diagrames de Lewis d’alguns elements

Diagrames de Lewis

Quan s’accepten o se cedeixen electrons

NaClNaNaCl + +–Cl

NaONa +Na + +2–NaNa2 O+O

Els àtoms poden aconseguir la configuració del gas noble més pròxim acceptant o cedint electrons. Perquè un àtom perdi un electró n’ha d’existir un altre que pugui acceptar-lo, i viceversa.

Quan es comparteixen electrons

ClClCl Cl2+Cl

OOO O2+O

Els àtoms també poden aconseguir la configuració del gas noble més pròxim compartint electrons. En aquest cas, els electrons compartits pertanyen als dos àtoms, i es col·loquen entre els dos símbols dels elements.

T1. A partir de la imatge i tenint en compte el que hem explicat en la pàgina anterior, comenta el que indiquen els paràmetres destacats en vermell: Emínima (Em) i d0.

Energia de les forces repulsives

Energia de les forces atractives Em d 00 E d

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

1. Per què els àtoms de molts elements tendeixen a adquirir la configuració electrònica dels gasos nobles?

2. Representa, amb diagrames de Lewis, el beril·li (Be), el magnesi (Mg) i el calci (Ca), segons les seves configuracions electròniques. Quin seria el diagrama de Lewis de l’estronci (Sr) sense fer la seva configuració electrònica?

3. Si el brom (Br) i el calci (Ca) s’enllacen cedint i acceptant electrons, quina seria la fórmula química del compost format? Escriu els diagrames de Lewis corresponents per mostrar la transferència d’electrons.

4. Escriu les configuracions electròniques escurçades i representa, mitjançant diagrames de Lewis, les següents espècies químiques: H, N, Si, S2–, Al3+

2. L’ENLLAÇ IÒNIC

Definició d’enllaç iònic

L’enllaç iònic es forma a causa de l’atracció electroestàtica existent entre les càrregues dels ions de diferent signe.

Perquè es produeixi aquest enllaç, un àtom amb facilitat per perdre electrons (un metall) els cedeix a un àtom amb gran tendència a acceptar electrons (un no-metall), formant un catió i un anió, respectivament. Les substàncies els àtoms de les quals s’uneixen amb enllaços iònics es denominen compostos iònics, com ara el fluorur de liti (LiF).

Xarxes cristal·lines iòniques

Per poder formar substàncies iòniques en estat sòlid, és necessari que els ions no es repel·leixin entre ells, de manera que cada catió sol estigui envoltat d’anions, i viceversa. La disposició espacial ordenada dels ions que es repeteix en totes les direccions i que minimitza la repulsió entre els seus ions es denomina xarxa cristal·lina iònica.

Fórmula empírica

El nombre d’àtoms que formen una xarxa cristal·lina és enorme, per la qual cosa no té sentit especificar quants àtoms hi ha exactament en un cristall; és més útil especificar la proporció de cada un dels ions.

La fórmula empírica d’un compost representa la relació de nombres més simple possible entre els diferents tipus d’àtoms que componen el compost. Està formada per símbols, que indiquen els elements presents, i per subíndexs, que indiquen la proporció entre aquests elements.

del fluorur de liti (LiF)

Tendència metàl·lica en la taula periòdica

No-metalls Gasos nobles

es forma

Els metalls presenten baixa energia d’ionització, per la qual cosa perden electrons amb facilitat. Els no-metalls tenen una alta afinitat electrònica, i per això tendeixen a acceptar electrons.

El liti, en cedir un electró, adquireix la configuració de l’heli, més estable. El mateix li passa al fluor quan accepta un electró, que adquireix la configuració electrònica del neó. Els ions formats s’uneixen per atracció electroestàtica.

Propietats més característiques dels compostos iònics

• Són sòlids a temperatura ambient, i tenen temperatures de fusió i ebullició mitjanament altes.

• Són durs.

• Són fràgils.

• La majoria es dissolen bé en aigua. Aquest fenomen rep el nom de solvatació.

• No condueixen l’electricitat en estat sòlid però sí en dissolució o fosos.

L’estructura cristal·lina els confereix estat sòlid.

En colpejar-los, poden trencar-se.

En dissolució, condueixen l’electricitat.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

5. Escriu les configuracions electròniques dels següents àtoms i indica quins ions serà més probable que formin:

K 8

Sc 8

B 8

Se 8

Mg 8

Br 8

I 8

6. Raona si és vertadera o falsa aquesta afirmació: «L’enllaç iònic es forma entre elements que es troben molt separats en el sistema periòdic».

7. Tenint en compte que les fórmules empíriques indiquen la proporció més simple d’àtoms diferents, assenyala quines d’aquestes fórmules són empíriques:

Na2O2

H2SO4

K2Cr2O7

AlCl3

LiF

Fe2S4

8. Si en una determinada quantitat de CaCl2 hi ha 4 · 1024 ions de calci, quants ions clorur hi haurà?

9. En el bromur de potassi, cada àtom de potassi està envoltat per sis àtoms de brom, i viceversa. Quants àtoms de potassi penses que hi pot haver per cada àtom de brom?

3. L’ENLLAÇ COVALENT

Definició d’enllaç covalent

L’enllaç covalent és l’enllaç format entre dos àtoms quan comparteixen electrons.

Aquest tipus d’enllaç es produeix entre dos elements no metàl·lics; els compostos els àtoms dels quals estan units mitjançant enllaços covalents es denominen compostos covalents; és el cas de l’aigua.

Ordre d’enllaç

Exemples

d’enllaç covalent

BrBrBrBr Br2+BrBr

BrBrBrBr Br2+BrBr

HH+O+HHH OHO

HH+OH2 +O HHH OHO

Dos àtoms podem tenir diferents tipus d’enllaços covalents: senzill, si comparteixen un parell d’electrons; doble, si en comparteixen dos, o triple, si en comparteixen tres.

Polaritat de l’enllaç covalent

Els enllaços covalents es produeixen entre àtoms amb electronegativitat similar.

L’electronegativitat és la tendència que té un àtom per atreure els electrons d’un enllaç.

És també una propietat periòdica i està molt relacionada amb l’energia d’ionització i amb l’afinitat electrònica. Si dos àtoms tenen la mateixa electronegativitat, l’enllaç serà de tipus covalent apolar. Si no tenen la mateixa electronegativitat, l’enllaç serà covalent polar. Els compostos que presenten una determinada polaritat es denominen dipols.

Xarxes cristal·lines i molècules

Els compostos covalents poden ordenar els seus àtoms formant dues estructures molt diferents: xarxes cristal·lines o molècules.

En les substàncies covalents reticulars, els àtoms s’ordenen unintse mitjançant enllaços covalents i formant xarxes cristal·lines, l’estructura i la disposició atòmica de les quals es repeteix en totes les direccions de l’espai.

Una molècula és una entitat química elèctricament neutra formada per més d’un àtom, units entre ells per enllaços covalents.

La majoria de les molècules estan constituïdes per un nombre reduït d’àtoms, per la qual cosa és interessant especificar el nombre exacte que hi ha de cada element.

La fórmula molecular indica el nombre d’àtoms dels diferents elements que formen una molècula.

Propietats dels compostos covalents reticulars

• Són sòlids a temperatura ambient, i tenen temperatures de fusió i ebullició molt altes.

• Són molt durs.

• Són fràgils.

• No condueixen l’electricitat ni són solubles en aigua.

Propietas de les substàncies moleculars

• Baixes temperatures de fusió i ebullició.

• En general, no són solubles en aigua.

• No condueixen l’electricitat.

TREBALLA AMB LA IMATGE

T2. Fixa’t. Representa els diagrames de Lewis corresponents als tres compostos de la imatge.

Ordre d’enllaç

Enllaç senzill

Enllaç doble

Enllaç triple

Consulta la taula periòdica d’electronegativitats que trobaràs en l’espai personal del web www.barcanova.cat i indica quins són els cinc elements més electronegatius.

En la molècula de F2, els dos àtoms de F comparteixen un parell d’electrons.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

10. L’hidrogen, és un metall o un no-metall? Per què en algunes taules periòdiques està situat en el lloc dels metalls alcalins?

En la molècula de O2, els àtoms d’O comparteixen dos parells d’electrons.

En la molècula de N2, els àtoms de N comparteixen tres parells d’electrons.

11. L’òxid de calci (CaO), és un compost covalent? Justifica la teva resposta.

15. Explica per què el quars és un gran aïllant elèctric.

16. Quin és el material més dur de la natura?

17. En què es diferencien una substància covalent reticular i una molècula? Posa un exemple de cada tipus.

12. Quin compost covalent es forma entre els àtoms de O i de F? Quina serà la seva fórmula química?

13. Raona el tipus d’enllaç del clorur sòdic (NaCl) i del clorur d’hidrogen (HCl).

NaCl 8

HCl 8

14. Entre quins elements del sistema periòdic es formarà l’enllaç més polar? Serà covalent?

18. Indica, en cada cas, si es tracta d’una substància covalent reticular o d’una molècula:

a) La seva temperatura de fusió és d’uns 3.000 K.

b) És un líquid a temperatura i pressió ambient.

c) Es dissol en etanol.

d) S’utilitza en eines per tallar acer.

4. FORCES INTERMOLECULARS

Definició i tipus

Les forces intermoleculars són les forces d’atracció existents entre les molècules.

Les forces intermoleculars són les causants de la solvatació dels ions o de la formació de xarxes cristal·lines de molècules. N’existeixen de dos tipus: forces de van der Waals i enllaços d’hidrogen.

Forces de Van der Waals

Les forces de Van der Waals són forces d’atracció febles que es produeixen entre totes les molècules.

Com més intenses siguin les forces de Van der Waals, més gran serà la temperatura de fusió i d’ebullició de les substàncies que les experimenten.

Enllaços d’hidrogen

Els enllaços d’hidrogen són els que es produeixen entre un àtom petit i electronegatiu, com el N, el O o el F, d’una molècula, i un hidrogen d’una segona molècula.

Els enllaços d’hidrogen impliquen forces molt més intenses i localitzades espacialment que les anteriors, per la qual cosa arriben a assemblar-se a la formació d’enllaços febles entre molècules.

Un dels compostos més importants que experimenten aquest tipus de força intermolecular és l’aigua. Per això, les temperatures de fusió i d’ebullició de l’aigua són molt més altes que les dels altres compostos del grup 16 amb l’hidrogen (H2S, H2Se i H2Te).

La formació d’enllaços d’hidrogen entre les molècules d’aigua fa que aquesta sigui líquida de 0 a 100 °C, però també és la causant que, en estat sòlid, formi una xarxa cristal·lina menys densa i així el gel floti sobre l’aigua. Aquestes dues característiques van facilitar l’aparició de la vida.

L’aigua, per ser un dipol, també és capaç de generar forces de Van der Waals, la qual cosa la converteix en el dissolvent ideal tant per a compostos iònics com per a molècules polars. Aquesta característica fa que l’aigua sigui el component fonamental dels fluids de transport de les substàncies dins dels organismes vius i sigui, per tant, imprescindible per a la vida.

Les forces intermoleculars tenen una gran rellevància per explicar les propietats i fins i tot l’estructura de moltes molècules, entre elles les constituents dels éssers vius: les biomolècules

Xarxes cristal·lines en sòlids moleculars

Xarxa cristal·lina de I2

Les molècules s’uneixen mitjançant forces de Van der Waals.

Xarxa cristal·lina de H2O

Les molècules s’uneixen mitjançant enllaços d’hidrogen. Les molècules en estat sòlid també formen xarxes cristal·lines.

En els sòlids moleculars, els nusos de la xarxa cristal·lina estan ocupats per molècules. Aquest fet les diferencia de les xarxes cristal·lines vistes anteriorment, en les quals aquests nusos estaven ocupats per àtoms o ions individuals, i no per agregats d’àtoms.

A causa del fet que les molècules estan unides per forces intermoleculars febles, els sòlids que es formen són tous i presenten poca resistència a ser ratllats.

TREBALLA AMB LA IMATGE

T3. Observa els gràfics. Quina molècula presentarà unes forces de Van der Waals més intenses: el H2S o el HCl? Calcula la diferència d’electronegativitats dels elements que s’enllacen a cada una de les molècules i treu conclusions.

Fixa’t en les temperatures d’ebullició i dedueix l’estat físic a 0 °C dels compostos que apareixen.

Variació de les forces de Van der Waals

En funció de la polaritat

Temp. fusió Temp. ebullició

En funció de la mida

Temp. ebullició

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

19. Per què el Cl2 és un gas a temperatura ambient i el I2 un sòlid? D’aquest fet, pots treure alguna conclusió de la mida relativa entre el Cl2 i el I2?

22. A més de les temperatures de fusió i ebullició, quines altres propietats diferents presenta l’aigua? Han influït en la vida a la Terra? Busca una notícia recent sobre contaminació marina, identifica els contaminants i proposa mesures per pal·liar els seus efectes nocius en relació amb la meta 14.1 dels ODS.

20. Una de les propietats dels compostos iònics és que es dissolen bé en aigua. Raona si aquesta dissolució seria possible si no existissin forces intermoleculars entre els ions i els dipols de l’aigua.

21. Sabent que l’àtom d’oxigen és més petit que el de sofre, raona quin compost tindrà la temperatura d'ebullició més alta: el diòxid de carboni (CO2) o el sulfur de carboni (CS2); comprova la teva resposta.

23. L’ADN té una estructura espacial característica de doble hèlix. Esbrina a quin tipus de força intermolecular es deu.

24. Rosalind Franklin, cristal·lògrafa, va contribuir a elucidar l’estructura de l’ADN. Esbrina quin va ser el seu paper.

5. L’ENLLAÇ METÀL·LIC

Definició d’enllaç metàl·lic

L’enllaç metàl·lic és la força d’atracció que es produeix entre els àtoms d’elements metàl·lics.

Les substàncies els àtoms de les quals s’uneixen per enllaços metàllics s’anomenen compostos metàl·lics.

En els compostos metàl·lics, els electrons de valència es comparteixen entre tots els àtoms existents, i no tan sols entre dos, com en l’enllaç covalent. Per tant, en aquest tipus de compostos, els electrons es mouen lliurement entre les restes catiòniques dels àtoms metàllics, mantenint les restes catiòniques unides.

Xarxes cristal·lines metàl·liques

En estat sòlid, els àtoms dels metalls s’agrupen mantenint-se molt a prop, per la qual cosa formen estructures molt compactes, conferint, a aquest tipus de compostos, alts valors de densitat. A les xarxes cristal·lines metàl·liques només hi ha àtoms d’un tipus d’element determinat.

Les propietats físiques més representatives dels compostos metàl·lics es presenten en el quadre del marge.

COMPRÈN, PENSA, INVESTIGA…

25. En què es diferencia la ductilitat de la mal·leabilitat? Un material pot ser, alhora, fràgil i dúctil?

Propietats dels compostos metàl·lics

26. Explica les diferències i les semblances entre la conductivitat elèctrica iònica i la metàl·lica.

• Són sòlids a temperatura ambient. El mercuri, líquid a temperatura ambient, és una excepció.

• Tenen temperatures de fusió i ebullició altes.

• Són dúctils, mal·leables i durs.

• Són bons conductors elèctrics i tèrmics.

28. Per què creus que algunes eines metàl·liques tenen un recobriment plàstic en els mànecs?

27. Basant-te en la teoria cinèticomolecular (TCM) que vas estudiar el curs passat, intenta explicar per què els compostos metàl·lics són bons conductors elèctrics i tèrmics.

29. Quin tipus de compost químic triaries si necessitessis construir un filament que conduís l’electricitat? Per què?

30. Busca informació sobre els materials amb què es fan els cables elèctrics i el motiu pel qual estan recoberts de plàstic.

COM RESOLDRE UN EXERCICI D’ENLLAÇ QUÍMIC

Utilitza els diagrames de Lewis per predir l’estructura i la fórmula dels compostos que es formen amb aquests parells d’àtoms: a) Mg i Cl; b) C i O.

Passos

1 Entén l’enunciat i extreu dades

Determina si conté conceptes com ara compost, estructura, iònic, covalent, metàl·lic, etc.

Extreu les idees principals, escriu les dades i anota què t’estan preguntant.

Resolució

Trobem termes com ara estructura i compost; per tant, es tracta d’un problema d’enllaç químic.

• Hem de formar dos compostos; un a partir de Mg i Cl, i un altre a partir de C i O.

• Ens demanen l’estructura i la fórmula dels compostos obtingudes amb els diagrames de Lewis.

2 Fes un esquema de la situació

És imprescindible que facis un dibuix o un esquema que t’ajudi a resoldre el problema. En aquest cas ens interessa fer un esquema que remarqui les diferències entre l’enllaç iònic i el covalent, i que ordeni els passos a seguir.

3 Identifica les lleis físiques que hi intervenen

Quins coneixements has d’utilitzar per a la resolució de l’exercici?

4 Obtén el resultat i analitza la seva validesa

Resolució:

• Aplica els coneixements adquirits i resol el problema.

• Planteja’t la coherència dels resultats obtinguts i comprova que has respost a tot el que es demanava.

• Expressa els resultats del problema en forma de solució.

Tipus de compost

Iònic Cedeix o accepta electrons Covalent Comparteix electrons

Configuració electrònica

Regla de l’octet Diagrama de Lewis Ordre d’enllaç

Estructura i fórmula

Hem d’aplicar els coneixements següents:

• Reconeixement i característiques de compostos iònics i covalents.

• Configuracions electròniques.

• Regla de l’octet i diagrames de Lewis.

• Ordre d’enllaç.

• a) Metall (Mg) + No-metall (Cl) 8 Iònic. [Mg] = [Ne] 3 s2 8 cedeix 2 electrons 8 [Mg2+] = [Ne]

[Cl] = [Ne] 3 s2 3 p5 8 accepta 1 electró 8 [Cl–] = [Ne] 3 s2 3 p6 = [Ar]

ClMgClCl2–Mg+Cl–

• b) No-metall (C) + No-metall (O) 8 Covalent.

[C] = [He] 2 s2 2 p2 8 Necessita 4 electrons

[O] = [He] 2s2 2 p4 8 Necessita 2 electrons O++OOCOOO CC

• Tots els àtoms tenen configuració electrònica de gas noble.

• L’estructura del primer és Cl-Mg-Cl i la seva fórmula, MgCl2. L’estructura del segon compost és O=C=O i la seva fórmula CO2

» TALLER DE CIÈNCIES

CIÈNCIA RECREATIVA

Tipus de substàncies

Introducció

EN GRUPS

Estem envoltats d’objectes compostos per substàncies iòniques, covalents reticulars, moleculars o metàl·liques. Aprofitem això per construir un joc que ens ajudarà a conèixer les propietats dels diferents tipus de substàncies d’una manera senzilla i divertida.

DIA 1. Passos previs

Es divideix la classe en quatre grups i a cada un se li assigna un d’aquests tipus de substàncies: iònica, covalent reticular, molecular o metàl·lica. Cada grup, ha de triar objectes quotidians que estiguin formats pel tipus de substància que els ha tocat. S’assigna un objecte a cada membre, el qual ha de fer una foto a l’objecte.

Dia 2. Construint el joc

Es reparteixen cartolines d’un mateix color a tots els grups. Cada grup retalla rectangles de 8 Ò 12 cm i elabora una fitxa com la del marge per a cada un dels objectes triats. D’altra banda, es preparen petites fotografies de 5 Ò 5 cm amb cada un dels objectes.

Dia 3. Jugant: endevina qui soc

Les fotografies es posen de cara amunt ordenades aleatòriament. Les fitxes es col·loquen de cap per avall i es barregen. Es fan dos equips. L’equip que pregunta tria una fitxa i, sense mirar-la, la dona a l’altre equip. Es poden preguntar fins a tres propietats de l’objecte per deduir el tipus de substància de què es tracta. Si s’encerta, es podran fer tres preguntes addicionals sobre l’aspecte de l’objecte. Les preguntes s’han de poder respondre amb SÍ o NO. A mesura que l’equip que pregunta descarta els objectes, han d’anar girant les fotografies corresponents, fins a aconseguir endevinar-lo. L’equip que, en menys temps, endevini més objectes, guanya.

PROPIETATS

Estat d’agregació: sòlid

Temperatura de fusió/ ebullició: baixa

Duresa: tou

Fragilitat: no

Solubilitat en aigua: no

Conductivitat elèctrica: no

TIPUS DE SUBSTÀNCIA

Molecular

OBJECTE

Pinta

Diferents substàncies i objectes quotidians.

1. Busca vídeos a Internet sobre les propietats de l’hexafluorur de sofre o del nitinol. Coneixies ja aquestes substàncies? Quin tipus de substàncies diries que són?

2. Investiga una mica més per descobrir per què presenten unes propietats tan sorprenents com les que observaràs en els vídeos.

EN GRUPS

Material

• Vidre de rellotge

• Substància química sòlida

• Pila de 4,5 V

• Tres cables de connexió amb pinces de cocodril

• Amperímetre

• Dos elèctrodes inerts

• Vas de precipitats

• Aigua destil·lada

• Cullereta

• Vareta de vidre

TREBALL PRÀCTIC

Determinació del tipus d’enllaç

Plantejament del problema

Trobeu una substància sòlida sense identificar. Com determinaríeu si és iònica, covalent o metàl·lica?

La

vostra

proposta

Trieu una o diverses propietats que us ajudin a diferenciar uns compostos dels altres i, basant-vos en aquestes propietats, dissenyeu una sèrie d’experiències que us permetin anar descartant possibilitats.

La nostra proposta

El disseny experimental que us proposem està basat en la conductivitat elèctrica i en la solubilitat en aigua.

Procediment

Mesures de seguretat

• Utilitzeu guants de goma per manipular les substàncies.

• Feu els mesuraments tocant la part plastificada dels connectors.

Fase experimental

Muntatge del circuit elèctric

Amperímetre Aigua destil·lada Pila

I) Evitant que els elèctrodes es toquin entre ells, poseu en contacte cada un d’aquests amb la substància en qüestió. Observeu l’amperímetre i comproveu si existeix corrent elèctric. Si és així, heu acabat l’experiment. De quin tipus de substància es tracta?

Substància química Elèctrodes inerts

EXTRAIEU CONCLUSIONS…

II) Ompliu un vas de precipitats amb una mica d’aigua destil·lada. Afegiu una mica de la substància sòlida a l’aigua i remeneu amb una vareta de vidre fins que es dissolgui. Si no es dissol, heu acabat l’experiment. Quin tipus de substància pot ser?

III) Si es dissol, introduïu els dos elèctrodes en la dissolució sense que es toquin i comproveu si existeix corrent elèctric. Indiqueu el tipus de substància que es podria esperar tant si condueix el corrent elèctric com si no ho fa.

1. Basant-vos en l’aspecte de la substància, podríeu determinar si es tracta d’un metall? Cerqueu informació sobre la brillantor metàl·lica. Només en tenen els metalls?

2. Mitjançant aquesta pràctica no us és possible distingir si la substància problema és un compost covalent reticular o una molècula no polar. Per què? Proposeu experiments que us permetin distingir entre els dos tipus de compostos covalents en funció de la duresa del sòlid i de les seves temperatures de fusió i sublimació.

» POSA’T A PROVA

L’enllaç químic i la regla de l’octet

1. Explica per què els enllaços químics entre àtoms es produeixen per formar compostos.

2. Raona si aquesta afirmació és vertadera o falsa: «L’atracció que experimenten dos àtoms en acostar-se provoca la seva energia augmenti i, per tant, es tornen més estables».

3. Indica quines de les següents substàncies simples són gasos monoatòmics a temperatura ambient:

a) H2 d) Li b) Cu e) As c) Ne f) He

4. Escriu la configuració electrònica escurçada, indica el nombre d’electrons de valència i representa el diagrama de Lewis dels àtoms següents:

a) Ba (Z = 56) 8

b) Al (Z = 13) 8

c) P (Z = 15) 8

d) Ar (Z = 18) 8

5. Escriu la configuració electrònica escurçada, indica el nombre d’electrons de valència i representa el diagrama de Lewis d’aquests ions:

a) Be2+ (Z = 4) 8

b) N3– (Z = 7) 8

c) F– (Z = 9) 8

d) K+ (Z = 19) 8

6. La regla de l’octet afirma que els àtoms s’uneixen per adquirir la configuració electrònica del gas noble més proper. La configuració de quin gas noble tendiran a adquirir els elements següents?

a) H (Z = 1) 8

b) Mg (Z = 12) 8

c) P (Z = 15) 8

d) Rb (Z = 37) 8

7. Indica quants electrons els falten o els sobren, a aquests elements, per complir la regla de l’octet:

a) S (Z = 16) 8

b) Cs (Z = 55) 8

c) Na (Z = 11) 8

d) He (Z = 2) 8

8. El calci (Ca) i el sofre (S) aconsegueixen la configuració del gas noble més proper acceptant o cedint electrons entre ells. Representa el diagrama de Lewis amb el moviment d’electrons i el compost que es forma.

9. Raona si són correctes aquests diagrames de Lewis i corregeix els que no ho siguin:

a) HH H N 8

b) ClCl 8

c) HF 8

L’enllaç iònic

10. Explica si el clor pot formar un enllaç iònic amb algun dels àtoms següents. Escriu la fórmula empírica d’aquells compostos que sí que es formen.

a) S 8

b) Mg 8

c) Na 8

d) Li 8

11. Fixant-te en la ubicació dels següents elements del sistema periòdic, assenyala les parelles d’àtoms que poden formar un enllaç iònic:

a) O i Sc

b) Cu i Sn c) Br i S d) Cs i Ar Ar Br Sn Cu Sc Cs

Metalls No-metalls Gasos nobles

12. Els compostos iònics, es representen amb diagrames de Lewis en els quals s’accepten i se cedeixen electrons o o bé amb diagrames en què es comparteixen electrons?

13. A continuació, trobaràs una sèrie d’instruccions desordenades per fer el diagrama de Lewis d’un compost iònic. Ordena-les de forma lògica, i quan tinguis la seqüència correcta, aplica-les a la formació del MgO.

a) Representa el diagrama de Lewis dels elements neutres.

b) Indica amb fletxes la trasferència d’electrons.

c) Calcula els electrons que ha de cedir o acceptar cada element per adquirir una configuració de gas noble, basant-te en el seu diagrama de Lewis.

d) Comprova que se cedeixen tants electrons com els que s’accepten. Si no és així, afegeix tants ions d’aquests elements com facin falta.

e) Representa el diagrama de Lewis del compost.

f) Escriu la configuració dels elements.

14. L’òxid de bari (BaO) s’utilitza per fer lents d’alta qualitat; creus que és convenient netejar aquestes lents amb un drap humit? Raona la teva resposta.

15. Si els compostos iònics no presenten electrons lliures, per què una dissolució de NaCl en aigua condueix l’electricitat?

16. Raona si és vertadera o falsa l’afirmació següent: «Que la fórmula empírica del borur de liti sigui Li3B no significa que només hi hagi 3 àtoms de liti, sinó que el 75 % dels àtoms existents en la substància són àtoms de liti».

17. Reflexiona sobre si és possible ratllar un vidre de fluorita (CaF2) amb l’ungla.

L’enllaç covalent

18. Classifica aquests compostos en iònics o en covalents:

a) CO 8

b) BeO 8

c) F2 8

d) CsF 8

19. Representa les següents substàncies covalents mitjançant un diagrama de Lewis:

a) HF b) I2 c) H2O2 d) CCl4

20. Indica l’ordre d’enllaç de cada un dels enllaços de l’àcid nitrós (HNO2) sabent que el seu diagrama de Lewis és el següent:

HNOO

21. Compara la polaritat de l’enllaç F2 amb la del fluorur d’hidrogen (HF). Algun dels dos és un dipol?

22. El diamant té una duresa de 10 en l’escala de Mohs; raona si és una substància covalent reticular o una molècula. Sense tenir en compte el seu preu, creus que és pràctic tenir un martell de diamant? En quin tipus d’eines es podrien aprofitar les propietats físiques del diamant?

23. Sabent que un dels enllaços del cianur d’hidrogen (HCN) és triple, representa el seu diagrama de Lewis.

c) Relaciona la intensitat de les forces intermoleculars amb la variació de les temperatures de fusió dels compostos del teu gràfic.

d) Amb les dades de la taula, es pot saber si algun dels compostos estarà en estat gasós a 25 °C? Raona la teva resposta.

27. La temperatura d’ebullició del fluorometà (CH3F) és de –78,4 °C, mentre que la del difluorometà (CH2F2) és de –51,6 °C. Com expliques aquests resultats sabent que la molècula de CH3F és més petita que la de CH2F2?

24. L’acetona és un dissolvent líquid que s’utilitza per retirar l’esmalt de les ungles. Raona si és una substància covalent reticular o una molècula. En el cas que sigui una molècula, creus que serà polar o apolar?

25. El cianur d’hidrogen (HCN) és un líquid incolor, volàtil, que bull a 26 °C i que presenta una gran toxicitat. Raona si es tracta d’una substància covalent reticular o d’una molècula.

Forces intermoleculars

26. Respon a les següents qüestions, relacionades amb els compostos formats per un carboni enllaçat a quatre halògens:

a) Determina el tipus de força intermolecular que existirà entre dues molècules d’aquest compost.

b) Amb les dades de la taula següent, confecciona, en un full a part, un gràfic temperatura-compost. Indica si a 25 °C aquestes substàncies estarien en estat sòlid o no.

28. Raona si les forces intermoleculars entre les molècules d’amoníac i les d’aigua són de Van der Waals o són enllaços d’hidrogen. Creus que si intentéssim dissoldre l’amoníac en un dissolvent no polar aconseguiríem retenir-lo a la dissolució?

29. Raona si és vertadera o falsa l’afirmació següent: «Com més grans siguin les forces intermoleculars existents entre les molècules d’una substància, més gran serà la seva temperatura de fusió».

30. A mesura que l’aigua s’escalfa, l’energia cinètica de les seves molècules augmenta, per la qual cosa aquestes se separen més i la densitat del líquid disminueix. Esbrina si la densitat de l’aigua líquida a una temperatura de 100 °C ha disminuït tant que el gel s’hi enfonsaria.

31. Quines substàncies d’interès biològic coneixes que presentin forces intermoleculars i com influeixen en aquestes substàncies?

32. Assigna raonadament cada figura a un compost iònic, covalent o metàl·lic.

a)b)c)

33. Com explica, el model d’electrons lliures, el fet que els metalls no siguin fràgils? Fes un dibuix.

Resum de les propietats dels compostos químics

38. Raona quina d’aquestes tres substàncies (CO, CuO i Co) pot tenir les característiques següents: ser un sòlid, insoluble en aigua i conductor del corrent elèctric.

39. La sorra de la platja no és adequada per fer ciment perquè el seu contingut en clorur sòdic (NaCl) fa que es produeixi un ciment de mala qualitat que posteriorment pot generar problemes en la construcció realitzada. Com separaries fàcilment la sorra (SiO2) dels grans de clorur sòdic?

34. Raona per què utilitzem els metalls a l’hora de fer canonades per conduir l’aigua corrent o el gas ciutat. Quines propietats influeixen més?

40. Tria un objecte de la teva vida quotidiana que estigui construït majoritàriament per un únic tipus de material. Dissenya, en un full a part, un assaig de laboratori que et permeti deduir el tipus d’enllaç present en aquest material i que puguis realitzar a casa. Després de fer l’experiment, exposa les teves conclusions a classe.

35. Raona l’afirmació següent: «Els materials més durs de la naturalesa són els compostos metàl·lics».

36. Anomena cinc objectes utilitzats en la vida diària que estiguin fets de materials metàl·lics i intenta explicar les seves característiques amb les propietats dels compostos metàl·lics estudiades.

41. A continuació, et presentem una sèrie de materials i l’ús de cada un. Raona el tipus de compost de què es tracta en cada cas.

a) Cinta aïllant: cinta adhesiva que serveix per aïllar cables elèctrics, evitant així que es produeixin corrents elèctrics indesitjats.

b) Punta de diamant: material que, col·locada a la punta d’una eina, serveix per tallar vidres.

c) Sals de bany: substàncies que, dissoltes en aigua, milloren les propietats de l’aigua de bany.

37. Quin tipus de material utilitzaries per tallar un metall?

d) Paper alumini: làmina fina de color metàl·lic utilitzada per embalar els aliments i augmentar el període de conservació.