classificaciÓ de la matÈria les substÀncies pures · classificaciÓ de la matÈria. les...

CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA.LES SUBSTÀNCIES PURES

En aquesta unitat aprendràs a: Identificar els elements que formen els compostos.

Representar gràficament els diferents estats en què es pot trobar qualsevol substància pura segons la pressió i la temperatura, mitjançant diagrames de fases.

Aplicar la liofilització a alguns processos.

Eliminar productes industrials nocius.

Calcular l’energia necessària per canviar d’estat una substància pura.

Deduir l’equació dels gasos ideals a partir de considera-cions teòriques.

Esbrinar com varia la difusió dels gasos en funció de la seva massa atòmica.

1Sumari

1. Les substàncies pures dins la classificació de la matèria

2. Elements i compostos. Obtenció dels elements dels compostos

3. Diagrama de fases d’una substància pura. Con-cepte de punt triple

4. Canvis d’estat. Punt crític. Punt triple. Condició metaestable

5. Teoria cineticomolecular dels gasos6. Calor intercanviada en els canvis d’estat7. Les activitats industrials i el medi ambient

Tallem una barra de glaç sense serra ni eina de tall

Estudiarem els equilibris entre les fases sòlida i líquida en funció de la pressió.

Observarem com podem tallar una barra d’aigua glaçada amb un senzill filferro i una mica de força.

Estudiarem com és que això és possible i quina explicació té.

Experimentem!

Primerament hem d’obtenir una barra de glaç d’aigua. Agafeu una ampolla de plàstic d’1,5 o 2 L. La talleu pel llarg i pel mig amb unes tisores grosses o un cúter. L’ompliu d’aigua de l’aixeta. Ho poseu tot amb cura perquè no bolqui dins el congelador. Al cap d’un dia, agafeu el conjunt i el poseu sota l’aixeta. Se separarà el plàstic del gel.

Una altra opció és fer servir algun estri de cuina adient i emplenar-lo d’aigua.

Nota: També podeu comprar una barra de glaç grossa en un magatzem o botiga gran on venguin peix. Aquests establiments en tenen habitualment.

• Poseu la barra de glaç entre dos suports separats.

• Agafeu un fil ben prim metàl·lic o de plàstic. Per exemple, un dels filets existents als cables de la llum (de coure), un tros de fil de pescar, etc.

• Lligueu a cadascun dels dos extrems del fil un pes de l’ordre d’un o dos quilos. Poden ser dues ampolles plenes d’aigua, etc. Mireu la figura.

• Deixeu-ho tot en repòs.

• Aneu-hi observant el que va esdevenint.

• Anoteu el temps i feu fotografies del fenomen que està succeint.

• Què passa amb la temperatura de fusió del gel i la pressió que fa el fil?

• Expliqueu el fenomen.

Comencem!

El gel que s’utilitza per als còctels té bàsicament la funció de propor-cionar fred i, en alguns casos, re-duir la potència de la beguda; per tant, l’aigua de base cal que sigui com més bona millor, sense aportar sabors.

En general, en els còctels que no requereixen gaire fred, el gel ha de ser gran per evitar que es desfaci ràpidament; així, s’hi posen blocs o cubs grans. Altres combinacions necessiten que el gel estigui tritu-rat: per exemple, en el gintònic es recomana que s’utilitzi gel en cubs grans d’aigua mineral (sense restes de clor) i que pugui durar un temps sense que es dilueixin gaire els sa-bors. En canvi, per al mojito, es re-quereix gel picat per tal que refredi molt ràpidament l’elaboració.

El gel pot marcar la diferència en-tre un bon còctel i un còctel medio-cre. Si bé els novells en això de la cocteleria amb prou feines li donen importància, és un dels elements que més influeix en el gust i la pre-sentació final.

Sabies que...?

UNITAT 1. CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES 7

UNITAT 1. CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA. LES SUBSTÀNCIES PURES8

1. Les substàncies pures dins la classificació de la matèria

En la classificació de la matèria, les substàncies pures representen la part essencial a estudiar en profunditat, perquè les mescles, tant les heterogènies com les homogènies, estan formades per substàncies pures.

Quan les substàncies pures (elements o compostos) es troben en estat sòlid poden formar cristalls. Un mateix compost pot cristal.litzar de maneres diferents. Aquest fenomen s’anomena polimorfisme. Per exemple, el carbonat de calci és polimòrfic i es pot trobar en dues formes cristal.lines.

Un sol element pot formar substàncies diferents, perquè els seus àtoms s’enllacen de manera diferent. Aquest fenomen rep el nom d’al.lotropia. Per exemple, l’oxigen, O2, i l’ozó, O3, són varietats al.lotròpiques d’un mateix element (l’oxigen), de la mateixa manera que el grafit i el diamant ho són del carboni.

Les substàncies pures només poden ser elements químics (per exemple, sofre o hidrogen) o compostos formats per elements (per exemple: aigua, H2O, o carbonat de calci, CaCO3).

Si barregem dos o més elements o compostos obtenim una mescla, que no és una subs-tància pura.

Taula 1.1. Diferències principals entre els compostos i les mescles.

Mescles Compostos

Tenen les propietats dels seus components. Si es barregen llimadures de sofre i ferro, la mescla té les propietats del sofre i del ferro.

Tenen propietats específiques pròpies i no les dels elements constituents. Així, l’àcid nítric, HNO3, no té absolutament cap semblança amb el nitrogen, l’oxigen i l’hidrogen que el constitueixen.

La formació d’una mescla no comporta cap bescanvi energètic amb l’entorn o, en tot cas, és negligible.

La formació d’un compost comporta un bescanvi energètic important amb l’entorn (reacció endotèrmica o exotèrmica).

Els components de les mescles es poden separar per mitjans físics, com ara la filtració, la decantació, la sedimentació, la centrifugació, l’evaporació, la destil.lació, les extraccions sòlid-líquid i líquid-líquid, la cristal.lització i la cromatografia.

Els constituents dels compostos no es poden separar per procediments físics, sinó que cal emprar mitjans que modifiquin químicament la combinació, com ara l’electròlisi.

Les mescles, en general, poden existir en qualsevol proporció dels seus components. El sofre i el ferro, per exemple, els podem barrejar en qualsevol proporció.

Els compostos es formen a partir dels elements en una proporció invariable. Per exemple, cada àtom d’oxigen de l’aigua, H2O, va acom panyat forçosament de dos àtoms d’hidrogen.

1> Esbrina quines diferències hi ha en les varietats al.lotròpi-ques del fòsfor blanc i el fòsfor roig.

2> La mantega de cacau presenta estructures cristal.lines polimòrfiques. Quantes i quines són?

Activ itats

Les substàncies pures també s’ano-menen espècies químiques.

Vocabulari

El carbonat de calci natural també té dues formes de cristal.lització: la calcita (sistema romboèdric) i l’aragonita (sistema ròmbic). Tant la calcita com l’aragonita són CaCO3. Aquest fenomen s’anomena dimorfisme.

Més dades

Matèria

Heterogènia Mescles heterogènies (sang)

Homogènia

Substàncies pures

Dissolucions (sal en aigua)

Elements (coure)

Compostos (sacarosa)

Mescles


2. Elements i compostos. Obtenciódels elements dels compostos

Els elements es troben combinats químicament entre si formant compostos que tenen unes propietats absolutament diferents de les dels elements constituents. Per exemple, els òxids de nitrogen, NxOy, són compostos de nitrogen i oxigen que no recorden gens les propietats dels dos elements constituents.

Per contra, en l’aire, que es defineix com una mescla bàsicament de molècules de nitrogen i d’oxigen, els elements constituents es poden separar mitjançant diferents procediments, com ara la refrigeració, fins a arribar a la liquació i la destil.lació posterior de l’aire líquid obtingut. Els dos constituents tenen diferent volatilitat, ja que les molècules de nitrogen són més peti-tes i destil.len a una temperatura més baixa que les d’oxigen, més grans. Per tant, si es con-trola la temperatura de destil.lació, es poden separar els dos elements.

Molts compostos es poden separar en els seus elements per diferents mètodes, alguns dels quals s’esmenten tot seguit:

• Descomposició. Aquest mètode només es pot emprar en alguns casos. Per exemple, l’òxid de mercuri(II), HgO, si l’escalfem, es descompon en oxigen gasós i mercuri metàl.lic:

2 HgO(s) → 2 Hg(l) + O2(g) ↑• Reducció. Un procediment molt utilitzat en metal.lúrgia és l’aïllament dels metalls mit-

jançant la reducció amb carbó o un altre reductor potent. D’aquesta manera, es pot aïllar el ferro dels seus òxids, FeO, Fe2O3 i Fe3O4. L’estany també es pot aïllar del SnO2; i el zinc, del ZnO:

2 FeO(s) 1 C(s) → 2 Fe(s) 1 CO2(g) ↑• L’electròlisi. Una manera usual de separar els elements d’un compost és mitjançant

l’electròlisi, un procés electroquímic que provoca el canvi químic gràcies a l’electricitat.

L’electròlisi es produeix sempre en fase líquida. Aquest líquid, anomenat electròlit, ha de ser conductor elèctric, i perquè ho sigui cal que contingui ions, positius i negatius. Com que té càrrega elèctrica, pot conduir l’electricitat si hi apliquem una diferència de potencial elèctric. Els ions poden provenir d’un mineral en estat fos o d’una solució líquida:

– Si es tracta d’un mineral fos, per exemple bauxita, Al2O3 hidratat, el líquid fos conté ions Al31 i ions O22. En aquest cas, el Al2O3 és un electròlit de primera espècie.

– En canvi, si es tracta d’una solució, per exemple de clorur de sodi en aigua, l’aigua gairebé no està ionitzada en H1 i OH2, però conté ions Cl2 i ions Na1, que són els responsables de la conductivitat elèctrica. En aquest cas, el NaCl(aq) és un electròlit de segona espècie.

Algunes de les aplicacions indus-trials més importants de l’electròlisi són l’obtenció de l’alumini i del coure pur. El paper d’alumini, per exemple, permet conservar millor els aliments i coure a la papillota. En aquest tipus de cocció s’embolica amb un full de paper d’alumini un aliment, generalment carns i peixos, per coure’l al forn.

Sabies que...

Fig. 1.1. L’electricitat provoca el trencament de la molècula d’aigua en hidrogen i oxigen (gasos).


La conductivitat elèctrica és deguda als ions positius, o cations, i als negatius, o anions. Sempre s’esdevé un canvi químic prop dels elèctrodes o borns de contacte amb l’electròlit.

Els elèctrodes són dues barres, de metall o de grafit, connectades als borns d’un generador de corrent continu de baix voltatge. Un elèctrode és positiu i l’altre negatiu:

• L'ànode és l’elèctrode positiu en l’electròlisi.

• El càtode és l’elèctrode negatiu en l’electròlisi.

Els elèctrodes han de ser d’un material adient que no reaccioni amb el compost que volem separar en els elements constituents, és a dir, han de ser inerts per a la reacció electroquímica en qüestió.

Com a exemple, estudiarem una electròlisi senzilla: la de la sal comuna fosa. Introduïm el NaCl en un recipient o cubeta anomenada cel.la electrolítica (fig. 1.2) i l’escalfem fins a fondre’l. Fem passar un corrent elèctric de pocs volts entre els dos elèctrodes que estan en contacte amb la sal fosa.

Observem que de l’ànode es desprenen bombolles de clor, Cl2, mentre que al càtode es diposi-ta el sodi, Na, que sura damunt la sal fosa. L’equació corresponent és:

2 NaCl(l) → 2 Na(s) 1 Cl2(g) ↑

3> A la Solvay de Martorell es produeix PVC (policlorur de vinil). En la primera fase es realitza una electròlisi. Podries indicar per què?

4> Esbrina per què van acidular l’aigua Nicholson i Carlisle.

5> Informa’t sobre què són els cromats i els niquelats de l’acer.

6> Des dels moviments ecologistes cada vegada es dona més informació als consumidors sobre els productes que utilitzen en la seva vida quotidiana. Un d’aquests productes que està en el punt de mira és l’alumini i, sobretot, com es produeix. Per què es tan controvertida ecològicament aquesta producció?

Activ itat

En electroquímica:

L'ànode és on s’esdevé l’oxidació i en les piles és l’elèctrode negatiu.

El càtode és on s’esdevé la reducció i en les piles és l’elèctrode positiu.

Vocabulari

Un element s’oxida quan perd elec-trons.

Per exemple: Fe0 22 e2

Fe21

Un element es redueix quan en gua nya.

Per exemple: Cl20

12 e2

2 Cl2

Fixa-t'hi

El PVC o policlorur de vinil es pro-dueix a partir d’etilè o etè i de clor obtingut de l’electròlisi de la sal comuna (clorur de sodi).

Més dades

Els primers experiments sobre l’electròlisi daten de l’any 1800. W. Nicholson i A. Carlisle van fer pas-sar el corrent d’una pila de Volta a través d’una dissolució d’aigua aci-dulada, de manera que es van obte-nir hidrogen i oxigen gasosos.

2 H2O(l) → 2 H2(g) ↑ 1 O2(g) ↑

Sabies que...

Fig. 1.2. Esquema de l’electròlisi del NaCl fos.

Ànode (+) Cànode (–)

e– e+

Oxidació2 Cl–(aq) Cl2(g) + 2 e–

Reducció2 Na+

(aq) + 2 e– 2 Na(s)


3. Diagrama de fases d’una substància pura. Concepte de punt triple

Hi ha diferents maneres de saber si una substància és pura o no. La més senzilla consisteix a obtenir-ne la corba d’escalfament. Si una substància és pura, durant el canvi d’estat (per exemple, de sòlid a líquid o a l’inrevés) la temperatura de la substància és constant.

La temperatura d’un canvi d’estat té un valor concret per a una pressió ambiental determina-da. Per exemple, a una pressió atmosfèrica normal (101,3 kPa), quan fem bullir aigua pura líquida i passa a gas, la temperatura d’ebullició es manté a 100 °C. Mentre hi hagi una mica d’aigua líquida, el conjunt aigua líquida-gas es mantindrà a 100 °C. Just en el moment en què s’hagi evaporat la darrera gota líquida, l’aigua en estat gasós pujarà de temperatura si la con-tinuem escalfant (fig. 1.3). L’aigua en estat gasós se sol anomenar vapor d’aigua.

Observa la figura 1.4. Si tenim glaç d’aigua a una pressió inferior a 4,58 mm Hg, el gel pot passar a l’estat vapor directament sense passar per la fase líquida. Aquest canvi d’estat s’ano-mena sublimació. S’utilitza en la liofilització de les substàncies, la qual consisteix en una congelació seguida d’una deshidratació mitjançant la sublimació; es realitza en un recipient tancat on prèviament s’ha fet el buit.

Si fem el mateix procés a una pres-sió atmosfèrica diferent, per exem-ple creant un buit parcial, l’aigua bullirà a una temperatura inferior. Una olla de pressió a la cuina tre-balla a pressió superior a l’atmosfè-rica i, per tant, els líquids aquosos del seu interior podran estar a més de 100 °C. Així, doncs, els aliments es couran amb més rapidesa.

Atenció

La relació entre la pressió de vapor d’una dissolució i la pressió de va-por del dissolvent pur és donada per la llei de Raoult, que estableix que, en una dissolució en què el solut no és volàtil, el descens rela-tiu de la pressió de vapor és igual a la fracció molar del solut, segons l’expressió següent:

Dp—— 5 xs, o bé Dp 5 xs ? p

0

p0

En què Dp és la disminució de la pressió de vapor, és a dir, la di-ferència entre la pressió de vapor del dissolvent pur i la pressió de vapor de la dissolució, xs és la frac-ció molar del solut i p0 és la pressió de vapor del dissolvent pur.

Conceptes bàsics

El punt O es coneix amb el nom de punt triple. En aquest punt poden coexistir les tres fases: sòlida, líquida i gasosa. S’esdevé només a una pressió de vapor i una temperatura concretes. En el punt triple les tres fases són distingibles entre si, ja que hi ha interfase entre elles (fig. 1.4).

760 mmHg

4,58 mmHg

B

O

Sòlid

Líquid

Punt triple

Gas

AC

0,01º 100º T (ºC)

Fusió

Solidi�cació

Vaporització

Condensació

Sublimació

p

Fig. 1.4. Diagrama d’equilibri de fases de l’aigua.A una pressió inferior a la del punt triple, l’aigua pot passar d’estat sòlid a estat gasós sense passar per estat líquid, és a dir, pot sublimar.

–200 –100 0 100 2000

1

2

atm

P

P, bar

T, oC

T amb.Cafetera exprés (9 a 21 bar, 85-95 oC)

150 oC

65 oC Coagulacióproteïnes

Reaccionsde Maillard

Congelador

Nitrogenliquid

–65 oC

Nevera Olla de pressió

Fregir,planxa

Forn

Ebullició normalmicroones

Cocció baixa T

Cocció al buitImpregnacions

Lio�litzacióPunt triple

>1960

>2000

<1960

AIGUA LÍQUIDA

AIGUA SÒLIDA

VAPOR D’AIGUA

Fig. 1.5. Diagrama de fases de l’aigua aplicat a diagrama de coccions. «La nueva cocina científica», Claudi Mans i Pere Castells. Investigación y Ciencia (octubre de 2011).

Fig. 1.3. Diagrama dels canvis d’estat d’una substància pura en funció de la temperatura.

T

Te

Tf

t

Sòlid i líquid en equilibri

Líquid i gas en equilibri

Sòlid

Líquid

Gas

Les baixes temperatures en la liofi-lització eviten alteracions quími-ques i pèrdues de components vo-làtils. Les baixes temperatures i la manca d’aigua eviten el desenvolu-pament de microorganismes que podrien fer malbé els productes ali-mentaris i ocasionar problemes sa-nitaris.

Sabies que...?


4. Canvis d’estat. Punt crític. Punt triple. Condició metaestable

A. Sòlid-líquidEn els sòlids, les partícules —molècules, àtoms o ions, segons el tipus de sòlid— no es poden moure, només vibren al voltant d’una posició fixa. Això és així perquè la seva energia tèrmica no pot vèncer les forces d’atracció entre elles (fig. 1.6).

Quan escalfem un sòlid es transmet energia a les seves partícules, la qual les fa vibrar més ràpidament, de manera que se separen una mica més les unes de les altres i augmenta una mica el volum del sòlid. Quasi tots els cossos sòlids es dilaten en escalfar-los.

Quan s’arriba a la temperatura de fusió, Tf, l’agitació de les partícules és prou gran perquè s’allunyin de les posicions fixes al voltant de les quals vibren, i el cos fon.

L’ordre cristal.lí del sòlid es trenca i les partícules es mouen i xoquen les unes amb les altres. Si el sòlid és amorf, o no és una substància pura, la temperatura de fusió, Tf, no es manté constant; és a dir, no hi ha un únic punt de fusió, sinó que es mou en un marge de valors.

La calor latent de fusió, lf, té el mateix valor que la calor latent de solidificació, ls, que correspon al procés de solidificació o pas d’estat líquid a estat sòlid.

B. Líquid-gasEn els líquids, les partícules es poden moure perquè tenen una energia cinètica més gran que en el sòlid. Quan els líquids s’evaporen, algunes de les partícules amb energia més alta acon-segueixen separar-se de les del seu voltant i passar a vapor. Per fer-ho han d’agafar energia de l’entorn, i per això la temperatura del líquid baixa. Aquest fenomen el podem observar fàcil-ment si ens posem acetona al palmell de la mà i deixem que s’evapori: la mà es refreda perquè la calor corporal ha servit per evaporar l’acetona.

El trànsit de líquid a gas es pot realitzar per evaporació o per ebullició. En tots dos casos s’esdevé una vaporització.

• L’evaporació és un fenomen superficial que es produeix a qualsevol temperatura. Només unes quantes partícules properes a la interfase líquid-gas es poden escapar.

• En l’ebullició tot el líquid assoleix una temperatura suficient perquè les partícules puguin passar a fase gas o vapor. Si la substància és pura, la temperatura d’ebullició, Te, es manté constant.

La calor latent de vaporització és igual a la calor latent de condensació, lc, que correspon al procés de condensació o pas d’estat gasós o vapor a estat líquid.

• Concepte de punt crític. Caracterització del procés de liquació d’un gas.

En comprimir un gas la pressió augmenta, les molècules s’atansen i s’atrauen una mica (per les forces de Van der Waals), perquè estan més properes. Si la pressió és prou alta, és pos-sible que el gas es condensi i passi de l’estat gasós al líquid. Però perquè un gas pugui passar a l’estat líquid cal que estigui a una temperatura inferior a la temperatura crítica. Cada substància pura té una temperatura crítica característica. En la taula 1.2 n’hi ha al-guns exemples:

La quantitat de calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa passi de l’estat sòlid a l’estat líquid s’anomena calor latent de fusió, lf.

La calor necessària, a pressió atmosfèrica, perquè la unitat de massa d’una substància es vaporitzi s’anomena calor latent de vaporització, lv.La calor de vaporització ens dona

un valor aproximat de les forces d’enllaç entre les partícules d’un líquid. En passar de sòlid a líquid la substància només es desordena una mica, i es mantenen en bona part els enllaços entre partícules. En canvi, en passar de líquid a gas aquests enllaços s’han de trencar tots. Per això la calor de vaporitza-ció és molt més gran que la calor de fusió.

Tingues en compte

Fig. 1.6. Partícules d’un sòlid vibrant a l’entorn de posicions fixes.


Per damunt de la temperatura crítica és del tot impossible liquar un gas per molt que el com-primim. En aquestes condicions, aquests fluids s’anomenen fluids supercrítics i tenen propie-tats especials que els fan, sobretot, aplicables a extraccions molt selectives i sense utilitzar dissolvents que podien distorsionar el producte final extret.

En el punt crític són indistingibles les fases líquida i gasosa. No existeix interfase entre gas i líquid. A una temperatura i una pressió superiors a les del punt crític, és a dir, en condicions supercrítiques, els fluids no es poden considerar ni líquids ni gasos, sinó ambdues coses al-hora. Un fluid en condicions supercrítiques no liquarà per molt que el comprimim, ni tampoc gasificarà per molt que l’escalfem. A una temperatura fixa supercrítica donada, el fluid es po-dria comprimir teòricament tant com es vulgui (compressibilitat isotèrmica). La calor o ental-pia de vaporització hi és nul·la. Els fluids supercrítics tenen una viscositat unes deu vegades menor que els líquids. La tensió superficial i la densitat hi són molt més baixes que en els lí-quids, cosa que permet els fluids supercrítics difondre’s i penetrar fàcilment els materials sòlids. Observa la taula anterior. Imagina’t aigua a 375ºC (648,2 K); no liquarà per molt que la comprimim. O bé acetona (dimetil cetona) a 240ºC (513,2 K); estarà en condicions supercríti-ques: serà del tot impossible liquar-la i romandrà en estat de fluid supercrític.

C. Sòlid-gasEls líquids purs a una temperatura determinada tenen una pressió de vapor característica. En els sòlids també existeix la pressió de vapor, si bé en una magnitud que sol ser molt inferior. Si les partícules del cristall vibren prou enèrgicament, poden vèncer les forces cristal.lines de cohesió que les enllacen i les partícules perifèriques poden arribar a passar a l’estat gasós. En aquest cas, diem que el sòlid sublima.

Cada sòlid té una pressió de vapor característica a una temperatura determinada. Per exem-ple, l’aigua sòlida a 0 °C té una pressió de vapor de 0,00603 atm (4,58 mmHg). Si escalfem aigua sòlida que està a una temperatura una mica inferior als 0 °C en un recipient que està a una pressió per sota de 0,00603 atm —creada mitjançant el buit—, l’aigua passa direc-tament d’estat sòlid a estat gasós. Passa el mateix si el gel està en contacte amb un aire molt sec, sempre que el vapor d’aigua sigui el que tindria si estigués sol en el mateix volum, a la pressió de 0,00603 atm o menys.

La pressió de vapor dels sòlids, com la dels líquids, creix amb la temperatura.

Un altre exemple característic de sublimació és el del gel sec, que és CO2 sòlid que es fa servir per refrigerar aliments, el qual sublima sense fondre a pressió atmosfèrica, perquè la pressió del CO2 a l’atmosfera és més baixa que la pressió de vapor del sòlid (fig. 1.8).

La quantitat de calor necessària per sublimar la unitat de massa en estat sòlid fins a l’estat gasós a pressió atmosfèrica s’anomena calor latent de sublimació.

Taula 1.2.

Substància Pressió crítica (MPa) T(K) crítica P(MPa) punt triple T(K) punt triple

Aigua H2O 22,12 647,3 0,612 · 10-3 273,16

Etanol CH3-CH2OH 6,14 513,9 4,3 · 10-10 150

Diòxid de carboni CO2 7,38 304,1 0,517 216,55

Metà CH4 4,60 190,4 0,0117 90,68

Dimetilcetona C3H6O 4,70 508,1 0,026 178,46

Observeu la figura 1.7. Les corbes representen els valors simultanis de p i T en els quals dues fases d’aigua poden coexistir en equilibri. Per exemple, l’aigua sòlida coexisteix amb l’aigua en estat gasós (vapor) en tots els valors de p i T corresponents a la línia OB.

p

punt crític

Punt triple

F

ED

A B C T

Sòlid Líquid

Gas

(Fluid supercrític)

Fig. 1.7. Punt crític.

Fig. 1.8. A dins d’un extintor el CO2 es troba en estat líquid i a una pressió elevada. En obrir-ne l’aixeta, es descomprimeix sobtadament, i en fer-ho necessita calor, que agafa d’ell mateix, refredant-se molt i sortint sòlid. Però a la pressió atmosfèrica, el CO2 és gas i, per tant, aquell CO2 sòlid sublima.

Algunes aplicacions de dissolvents supercrítics:

• Descafeïnament del cafè o del te • Eliminació de la nicotina del ta-

bac• Recuperació d’oli• Extracció de colorants

Més dades


En el punt O, anomenat punt triple, poden coexistir les tres fases en equilibri. El punt triple de l’aigua correspon a una pressió de 0,00603 atm i a una temperatura de 0,01 °C.

Les zones entre corbes corresponen a condicions de p i T en què només pot existir aigua en una sola fase.

L’aigua a una temperatura d’1 °C i a una pressió de 2 mmHg estarà en forma de gas. Caldrà aplicar-hi una pressió de 8-10 mmHg o més per liquar (condensar) l’aigua. Si l’aigua estigués a 250 °C i 1 mmHg de pressió estaria en fase gas però no aconseguiríem la liquació per molt que comprimíssim, ja que no entraríem en la zona líquida. L’aigua es congelaria i passaria de gas a sòlid directament (sublimació regressiva).

El trànsit M denota que a una temperatura donada fixa i menor que la del punt triple T, si augmentem la pressió, passem de l’estat gas al sòlid. Es tracta de sublimació regressiva.

El trànsit V denota que, a una pressió donada fixa i menor que la del punt triple T, podem passar de sòlid a gas directament; és a dir, es produeix sublimació.

El trànsit R denota que, a una temperatura donada fixa i major que la del punt triple T, en augmentar la pressió podem passar directament de gas a líquid; és a dir, es produeix conden-sació.

El trànsit S denota que, a una temperatura donada fixa i major que la del punt crític C, en augmentar la pressió entrem en la zona supercrítica, on no es pot distingir si és un gas o un líquid.

D. MetaestabilitatUna substància en estat metaestable té una relativa poca estabilitat que no li correspon per pressió i temperatura.

Per exemple, a la figura 1.7 es poden intuir línies d'estats metaestables de l'aigua. L’aigua en finíssimes gotes i a la pressió atmosfèrica normal pot romandre molts graus sota zero en forma líquida (hauria d’estar sòlida), malgrat sigui un estat molt inestable. Aquelles microgotetes, quan topen amb alguna substància sòlida com el sòl, les plantes o el glaç, es congelen i soli-difiquen immediatament, transformant-se en gebre, passant a una situació termodinàmica estable i de menor energia.

Una aplicació metaestable s’ha uti-litzat en alguns restaurants. Per exemple, al Celler de Can Roca, en la recepta «Cromatisme verd» van fer una infusió de fulles d’eucalip-tus en situació metaestable: la van deixar en un congelador especial a –5 ºC i en abocar-la al plat es va convertir en un producte sòlid en forma d’estalagmita.

http://www.rtve.es/television/20160621/receta-del-postre-jordi-roca-masterchef-4-croma-tismo-verde/1361500.shtml

A Internet

Fig. 1.9. Diagrama de fases típic de la majoria de substàncies pures; per exemple, el CO2, on T és el punt triple i C és el punt crític.

7> Investiga per què:

a) S’eixuga la roba mullada tant si fa vent com si fa calor.

b) L’aigua dels càntirs i sellons de material porós es manté fresca si es col.loquen en un lloc on hi hagi corrent d’aire, sempre que es tracti d’aire sec.

8> Quin es el fenomen que es produeix en escalfar iode?

9> Si tenim gel a 20,5 ºC i hi apliquem un buit inferior a 0,00603 atm (4,58 mmHg), què penses que passarà?

Activ itats


5. Teoria cineticomolecular dels gasosLa matèria sòlida es compon de partícules que vibren i no es traslladen.

En els líquids, en canvi, les partícules ja es mouen una mica i canvien de posició.

En els gasos, les partícules tenen llibertat total de moviment. El moviment que anima aquestes partícules depèn de la temperatura. Com més elevada és la temperatura, més energia tenenles partícules i més ràpidament vibren i es mouen. L’energia cinètica de les partícules depèn, doncs, de la temperatura. Sabem que l’energia cinètica és:

1Ec 5 — m v2

2

en què m és la massa de la partícula i v és la velocitat.

Ara bé, no totes les partícules es mouen a la mateixa velocitat. Parlem, aleshores, d’una ener-gia cinètica mitjana a una temperatura determinada. Per a totes les partícules d’un gas es compleix que l’energia cinètica mitjana de cada molècula a la temperatura T és:

32Ec 5 — ? k ? T 2

en què k és la constant de Boltzmann, que val 1,38 ? 10223 J/K, i T la temperatura absoluta en kelvin.

Aquesta equació ens indica que:

• Dos gasos diferents, a la mateixa temperatura absoluta, tenen la mateixa energia cinètica mitjana.

• L’energia interna d’un gas depèn del moviment de les seves molècules; per tant, només depèn de la seva temperatura absoluta.

Si relacionem les dues equacions anteriors ens adonem que, en augmentar la temperatura, també augmenta la velocitat de les partícules i la seva velocitat mitjana. Si la temperatura és 0 K, l’energia cinètica mitjana també és zero. Això vol dir que, a mesura que la temperatura baixa, les partícules es mouen menys. Prop dels 0 K, les partícules de sòlid pràcticament no vibren.

També podem comprendre per què la pressió d’un gas augmenta en pujar la temperatura. Quan això succeeix, l’energia cinètica de les partícules augmenta i, per tant, la seva velocitat creix; com més velocitat, més xocs de les partícules hi haurà amb les parets per unitat de temps, cosa que provoca una pressió més gran.

Així, per exemple, en un globus aerostàtic, s'escalfa l'aire i, per tant, es dilata. Aquesta dila-tació provoca una ocupació del volum del globus amb menys massa d'aire i, per tant, com que el volum del globus es manté constant i té menys pes, el globus puja.

L'olla de pressió és una aplicació que sorgeix del coneixement en profunditat dels gasos. A l'interior d'un recipient hermètic es produ-eix un augment de la pressió; aquest fet fa que el punt d'ebullició de l'aigua augmenti. La conseqüèn-cia és que el temps de cocció dis-minueix.

Sabies que...?

Fig. 1.10. En els globus aerostàtics és important escalfar l'aire.


A. Deducció de la llei dels gasos idealsa partir de la mecànica

L’equació d’estat:

p ? V 5 n ? R ? T

es pot deduir a partir de l’aplicació de la mecànica clàssica a les partícules d’un gas qual sevol.

La teoria cineticomolecular parteix del desenvolupament d’uns postulats o principis ideals. Aquests postulats són els següents:

• Un gas està format per partícules en moviment constant, que topen constantment entre elles. Les col.lisions són perfectament elàstiques.

• No hi ha atracció ni repulsió entre les partícules (ja sabem que això no és del tot cert; tan sols és una aproximació).

El fenomen de la pressió és degut a les col.lisions de les partícules amb les parets del recipient.

Suposem N partícules, cadascuna de massa m, contingudes en un volum V de forma cúbica (fig. 1.11).

Les partícules, en moure’s, tenen associada una quantitat de moviment, que segons la mecà-nica és el producte de la massa per la velocitat:

p→ 5 m ? →v (cap a la dreta)

Tanmateix, la velocitat és una magnitud vectorial i, per tant, cal tenir en compte el sentit del moviment. Així, quan la partícula en qüestió es dirigeix cap a la paret de l’esquerra (A), la quantitat de moviment que té és:

p 5 m ? (2v) (cap a l’esquerra)

en què el signe (2) indica que va en sentit contrari al positiu de l’eix de les abscisses (cap a la dreta). En col.lidir amb la paret A, es produeix un rebot completament elàstic; ara la partícula s’allunya de la paret A i té una quantitat de moviment:

p 5 m ? v

Per tant, la variació de la quantitat de moviment en aquesta col.lisió és la diferència entre les quantitats de moviment final i inicial; és a dir:

Dp→ 5 m ? v 2 m ? (2v) 5 2 m ? v

El temps que hi ha entre dues col.lisions consecutives amb la paret A és:

desplaçament 2 lDt 5 ——————— 5 ——

velocitat v

en què l és el costat del cub elemental (desplaçament 5 2 l, ja que la partícula va i torna).

També sabem que la força, F, és la variació de la quantitat de moviment per unitat de temps; és a dir:

Dp 2 m ? v 2 m ? v m ? v2

F 5 —— 5 ——— 5 ——— 5 ——— Dt Dt 2 l/v l

Si la superfície de la cara elemental A del cub és S, obtindrem que en el xoc la pressió exer cida per la partícula sobre aquesta cara és:

F (m ? v2)/l m ? v2 m ? v2

p 5 — 5 ———— 5 ——— 5 ——— S l2 l3 V

en què V és el volum del cub elemental de l’estudi.

Com que les partícules dels gasos es mouen anàrquicament en totes di-reccions, l’estudi detallat i rigorós de la seva energia es fa des del punt de vista estadístic.

Atenció

Fig. 1.11. Trajectòria d’una partícula que es dirigeix contra una paret.

A

Y

X

Z

l


Del conjunt de totes les partícules, podem suposar, des del punt de vista estadístic, que un terç de les partícules es mou en la direcció de l’eix de les X, un altre terç es mou en la de l’eix de les Y i, finalment, l’altre terç, en la de l’eix de les Z. Per tant, de tot el conjunt de les N partícules del cub elemental, només N/3 toparà amb la paret A. Com que hi ha partícu-les més ràpides que d’altres, la quantitat de moviment mitjana es correspondrà amb el que es coneix per a velocitat quadràtica mitjana de les partícules o 2v 2.

m ? 2v 2 NPer tant, podem escriure que la pressió general sobre la cara A val: p 5 ——— ? — V 3

Si NA és el nombre d’Avogadro, podem escriure qualsevol nombre N en funció de NA. És a dir: N 5 n ? NA en què n és la quantitat de matèria (en mols).

Si considerem que les N partícules en qüestió tenen una energia cinètica mitjana de:

1Ec 5 — m 2v 2

2 2podem escriure l’equació de la pressió de la manera següent: p ? V 5 — ? n ? NA ? Ec , en què p és 3

la pressió de totes les partícules.

L’energia cinètica de qualsevol gas és directament proporcional a la temperatura absoluta; és a dir: Ec 5 K ? T, en què K és una constant.

2Podem escriure, per tant: p ? V 5 — ? n ? NA ? K ? T, en què NA és el nombre d’Avogadro. 3

2 2El producte — ? NA ? K és una constant i correspon a la dels gasos ideals (R): R 5 — ? NA ? K 3 3

I, en conseqüència, l’equació dels gasos es pot escriure d’aquesta manera:

p ? V 5 n ? R ? T

Aquesta fórmula s’aplica en la resolució d’exercicis pràctics sobre gasos i cal treballar-la en les unitats adients. En el SI, la pressió s’expressa en Pa, el volum en m3, la constant dels gasos és R 5 8,31 J ? K21 ? mol21 i la temperatura s’expressa en K. També és molt freqüent utilitzar les unitats següents: la pressió en atm, el volum en L, la constant dels gasos R 5 0,082 atm ? L ? K21 ? mol21 i la temperatura en K.

Llei de Graham. Velocitat de difusió dels gasos

La interpretació de les velocitats de difusió dels gasos es pot fer a partir de la seva massa molecular. Així, la llei de Graham estableix que «el quocient entre les velocitats de difusió de dos gasos és inversament proporcional al quocient entre les arrels quadrades de les densitats respectives». És a dir, si d1 i d2 són les densitats i v1 i v2 les velocitats:

v1 Îd2 — 5 —— v2 Îd1

Si expressem la densitat com la massa molar dividida entre el volum molar Vm, en resulta:

v1— 5 M2Î Vm,2 @

M1Î Vm,1 v2

I, com que el volum molar de dos gasos sotmesos a les mateixes condicions de pressió i tem-peratura és el mateix, vm,1 5 vm,2, podem escriure:

v1 ÎM2— 5 —— v2 ÎM1

Segons l’equació Ec 5 1

2 m v2, en

una barreja de gasos, amb una ma-teixa energia cinètica les molècules del gas més lleuger tindran una velocitat mitjana més alta. A més, no totes les molècules del mateix gas van a igual velocitat; per tant, cal parlar d’una velocitat i una energia cinètica mitjanes.

Reflexiona


Així doncs, podem afirmar que «el quocient entre les velocitats de difusió de dos gasos sotmesos a les mateixes condicions de pressió i temperatura és inversament proporcional al quocient entre les arrels quadrades de les seves masses molars».

Comparem, per exemple, les velocitats de difusió del diòxid de carboni i l’oxigen. Les masses molars respectives són 44 g/mol i 32 g/mol. vO2

ÎMCO2 Î44

Per tant: —— 5 ——— 5 ——— 5 1,17 vCO2 ÎMO2

Î32L’oxigen, doncs, es difon a una velocitat 1,17 vegades major que la del CO2.

Però si, en lloc de comparar la velocitat de difusió de l’oxigen amb la del diòxid de carboni, la comparem amb la del monòxid de carboni (que té una massa molar de 28 g/mol), el resultat és un altre. Vegem-ho:

vO2 ÎMCO Î28

—— 5 ——— 5 ——— 5 0,94 vCO ÎMO2

Î32

La velocitat de difusió de l’oxigen és 0,94 vegades la del monòxid de carboni.

Elaboració del model de gas real per explicar les desviacionsrespecte al comportament de gas ideal

En condicions de pressió i temperatura baixes, les molècules no estan properes entre elles i el gas es comporta aproximadament com un gas ideal. Quan la pressió o la temperatura aug-menten ens allunyem del comportament ideal.Per tal d’explicar per què es produeix aquesta desviació cal revisar els principis en què es fonamenta la teoria cinètica dels gasos ideals:• Els gasos estan formats per partícules (àtoms o molècules) que es mouen constantment.• La grandària de les partícules és negligible comparada amb el volum del recipient.• Les forces d’atracció i repulsió de les partícules són negligibles perquè estan prou separades.• Els xocs de les partícules són perfectament elàstics.• L’energia cinètica de les molècules és directament proporcional a la temperatura absoluta.• A la mateixa temperatura, l’energia cinètica mitjana de les partícules es manté constant al

llarg del temps.Però gairebé tots els gasos es desvien d’aquest comportament. Això ho podem entendre a partir dels principis que hem esmentat. Així:• A altes pressions, la grandària de les molècules no és negligible respecte del recipient.• Les forces d’atracció entre les molècules no es poden negligir.Aquestes diferències es recullen en la fórmula de Van der Waals dels gasos reals: a n2

3p 1 ——4 (V 2 n b) 5 n R T V2

on a i b són les constants de Van der Waals, determinades experimentalment.

a està relacionada amb les forces intermoleculars. S’expressa en (L2 ? atm)/mol2.

b està relacionada amb el volum de les partícules del gas. S’expressa en L/mol.

Les constants de Van der Waals d’alguns gasos determinades experimentalment es mostren en la taula 1.3.

10> A partir de les dues equacions 2Ec 5 32

? k ? T i Ec 5 12

m v2, dedueix si les molècules de

dos gasos de masses di ferents tindran igual velocitat mitjana a la mateixa temperatura absoluta. Considera, per exemple, el N2 i el CO2.

Dades: Massa molecular del dinitrogen 5 28 uma; massa molecular del diòxid de car-boni 5 44 uma.

Activ itat

Taula 1.3.

H2 a 5 0,24 b 5 0,0266

N2 a 5 1,39 b 5 0,0391

O2 a 5 1,36 b 5 0,0318

CH4 (metà) a 5 2,28 b 5 0,0428

CO2 a 5 3,59 b 5 0,0427


6. Calor intercanviada en els canvis d’estatPerquè una substància en estat sòlid passi a estat líquid, cal aplicar-hi una certa quantitat de calor, que depèn de la massa i de la calor latent de fusió, lf. Cal recordar que no tots els cossos sòlids, en ser escalfats, es fonen. Alguns, com la fusta o el paper, es descomponen o es cremen. D’altres, com ara els cautxús, les gomes, els polímers orgànics, els betums i els asfalts, no tenen un canvi d’estat definit.

A la taula 1.4 podem observar els valors d’algunes calors latents de fusió o solidificació. Cal destacar la gran quantitat de calor necessària per fondre l’aigua glaçada, sobretot si es com-para amb alguns metalls.

Perquè una substància en estat líquid passi a estat gasós, cal aplicar-hi una certa quantitat de calor, que també depèn de la massa i de la calor latent de vaporització, lv.

A la taula 1.5, podem observar els valors d’algunes calors latents de vaporització o condensa-ció. Cal destacar la gran quantitat de calor que necessita l’aigua per vaporitzar-se per compa-ració a les altres substàncies. Aquest fet té una importància cabdal en el transport de calor, ja que l’aigua-vapor permet traslladar grans quantitats d’energia, cosa que amb un altre fluid no seria tan rendible econòmicament.

La calor de canvi d’estat d’una massa m de substància es calcula, evidentment, amb les ex-pressions següents:

Qv 5 m lv Qf 5 m lf

en què m és la massa en kg, i lv i lf són les calors latents de canvi d’estat en kJ/kg.

Només les substàncies pures tenen un valor de calor latent fix durant un canvi d’estat. A més, si aquestes substàncies són sòlides, cal que es-tiguin en estat cristal.lí. Per exem-ple, els polímers orgànics, encara que siguin purs, no acostumen a ser cristal.lins, sinó sòlids amorfs o semi-cristal.lins. No tenen un punt de fusió definit, sinó que està inclòs dins un marge de valors.

Taula 1.4. Calors latents de fusió o solidificació d’algunes substàncies a la pressió d’1 atm.

Subs

tànc

ia

lf (

kJ/k

g)

T f (K)

Aigua 330,7 273

Coure 175,8 1 356

Plom 23,0 600

Ferro 200,9 1 813

Impor tant

Taula 1.5. Calors latents de vaporització o condensació d’algunes substàncies a la pressió d’1 atm.

Substància lv (kJ/kg) Te (K)

Aigua 2 252,1 373

Èter 380,9 308

Mercuri 284,6 633

Etanol 870,7 351,5

Calcula la quantitat de calor que cal aplicar a 5 kg d’aigua glaça-da a 210 °C per dur-la a l’estat líquid i a una temperatura de60 ºC.

Dades: Ce (gel) 5 2,09 kJ?kg21?K21; Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21;lf (glaç) 5 330,7 kJ?kg21

Resolució

La calor necessària per dur l’aigua glaçada de 210 °C a 0 °C es calcula per mitjà de l’expressió:

Q1 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 2,09 kJ?kg21?K21 ? 10 K 5 104,5 kJ

La calor necessària per fondre el gel a 0 °C es calcula així:

Qf 5 m ? lf 5 5 kg ? 330,7 kJ ? kg21 5 1 653,5 kJ

La calor necessària per dur l’aigua líquida de 0 °C a 60 °C es calcula amb aquesta expressió:

Q2 5 m ? Ce ? DT 5 5 kg ? 4,18 kJ?kg21?K21 ? 60 K 55 1 254 kJ

Per tant, la calor total necessària és:

Q1 1 Qf 1 Q2 5 104,5 1 1 653,5 1 1 254 5 3 012 kJ

Exemple 1

11> a) Calcula la calor que cal aplicar, a pressió atmosfèrica, a 3 kg de plom a 327 °C per fondre’l completament.

Dades: Calor específica del plom en estat sòlid:Ce 5 128 J/Kg ? K

b) Calcula la calor que cal aplicar a 2 L de mercuri a 360 °Cper vaporitzar-lo.

Dades: Densitat del mercuri: 13,6 kg/L; calor específica del mercuri en estat líquid: Ce 5 138 J/Kg ? K

R: a) Qtotal 5 69 kJ ; b) Qtotal 5 7 741,12 kJ

Activ itats


7. Les activitats industrials i el medi ambientLa indústria consumeix una gran quantitat de matèries primeres i energia per obtenir produc-tes molt elaborats i de molta utilitat. En aquest procés també s’obtenen subproductes de menys valor econòmic, que sovint es llencen, ja que no se’ls troba una aplicació prou rendible econòmicament. Aquests subproductes s’han de neutralitzar químicament abans de llençar-los i posteriorment s’han de portar a abocadors controlats. La tecnologia química permet elaborar productes reciclables nous.

La inquietud ecològica ha obligat a revisar alguns aspectes de la producció química. Tota empresa química moderna ha de tenir en compte l’impacte ambiental de les seves activi-tats productives i ha de saber com avaluar aquest impacte. Actualment, totes les empreses químiques haurien de disposar d’instruments de gestió ambiental i saber com minimitzar, gestionar i regular la producció de residus. Finalment, l’Administració governamental hauria d’impulsar la promoció de l’ecodisseny i la fabricació d’ecoproductes. Alguns criteris molt importants que cal tenir en compte son els següents:

• Que els reactius no pol.lueixin.

• Que els productes obtinguts siguin reciclables.

• Que es minimitzin els productes de poc valor.

• Que s’optimitzi el balanç energètic del procés. El gran consum energètic exigeix, en l’aspecte ecològic:

– Limitar i optimitzar el consum dels combustibles fòssils.

– Limitar l’abocament d’efluents líquids calents als rius: la contaminació tèrmica fa minvar el contingut d’oxigen de les aigües fluvials.

Tot seguit analitzarem els principals components contaminants segons que siguin gasos, líquids o sòlids.

A. Contaminants gasosos i de l’aireCal controlar les emissions gasoses nocives, especialment els gasos nitrosos, NxOy; el monòxid de carboni, CO; els òxids de sofre, SO2 i SO3, i les macropartícules en suspensió (aglome-rats de sòlids i líquids que contenen Al, Ca, Fe, Pb, Mg, Na, Be, Hg i asbest combinats amb nitrats, NO

32, sulfats, SO

422, i clorurs, Cl2).

La corrosió i el tractament de me-talls pesants perillosos, especial-ment del mercuri, el plom, el cadmi i l’arsènic, són un altre camp en què la química intervé per minimit-zar els efectes negatius d'aquests metalls sobre el medi ambient.

Tingues en compte

La química pot ajudar a reduir els aspectes negatius que acompanyen tota activitat industrial.

Recorda

Fig. 1.12. Els tubs d’escapament dels automòbils tenen catalitzadors de platí-rodi (Pt-Rh) que eliminen els gasos nitrosos i els transformen en N2 i O2, innocus. La reacció és: NxOy → x/2 N2 11 y/2 O2


La taula 1.6 mostra alguns exemples de contaminants gasosos i del seu origen o ús.

Els freons són un exemple d’estabilitat: la poca reactivitat que tenen amb els agents atmos-fèrics els permet migrar fins a les capes altes de l’estratosfera, on es difonen lentament i es descomponen donant clor atòmic, Cl?, a causa de les radiacions solars. El clor atòmic reac ciona immediatament amb l’ozó, O3, i el destrueix. L’ozó estratosfèric ens és imprescindible perquè és el filtre natural dels raigs ultraviolats solars. Per això fa anys que els freons són prohibits.

Els productes gasosos tenen una mobilitat elevada. Imaginem-nos una barreja de gasos. Per saber quines molècules es mouen més de pressa en la barreja, si les de N2 o les de CO2, cal recórrer a la teoria cineticomolecular, que, com hem vist, explica les desviacions respecte del comportament ideal dels gasos reals a baixes temperatures i altes pressions.

Les macropartícules més petites són molt nocives: travessen els narius, es dipositen als al-vèols pulmonars i provoquen malalties respiratòries serioses. Els òxids de sofre i de nitrogen són letals per a les plantes, i en presència d’humitat ataquen els revestiments dels edificis.

B. Contaminants de l’aiguaEls abocaments industrials més nocius (fig. 1.13) són els que contenen ions de metalls pe-sants com ara el plom, el zinc, el cadmi, el mercuri, el crom, el níquel o el coure. La matèria orgànica dissolta, l’alcalinitat o l’acidesa fortes o l’alta temperatura també són pol.luents. La depuració de les aigües es pot fer de diverses maneres:

• Separació dels sòlids en suspensió col.loidal: decantació, flotació, filtració i floculació per obtenir grups de coàguls de partícules que precipiten o suren més ràpidament.

• Biodegradació de restes orgàniques. Les restes orgàniques acostumen a ser biodegradables i es poden descompondre biològicament. Es fan reaccionar aeròbicament (amb aire) o anaerò-bicament (sense aire). En el primer cas es produeix CO2 com a subproducte, i en el segon cas, metà, CH4. Certa matèria orgànica és difícilment biodegradable i cal eliminar-la per altres mitjans. Si, després de depurar l’aigua, encara té color, olor o gust, cal fer una adsorció amb carbó actiu, que reté moltes de les molècules contaminants. El carbó es pot regenerar poste-riorment per reutilitzar-lo, mitjançant l’escalfament a alta temperatura sense oxigen.

Taula 1.6. Contaminants gasosos i el seu origen o ús.

Producte contaminant Origen/ús

Alcans Refineries de petroli

Hidrocarburs del benzè (aromàtics) Evaporació de dissolvents industrials

Òxids de sofre (SO2 i SO3) Combustió de certs combustibles fòssils

Fosa i obtenció de metalls

Refineries de petroli

Sulfur d’hidrogen (H2S) Refineries, indústria paperera i adobera

Halometans: clorometà i bromometà Incineració de plàstics halogenats (PVC)

Fumigacions

Monòxid de carboni (CO) Elaboració d’acer

Refinatge del petroli

Eliminació de residus sòlids

Hidrocarburs clorats Evaporació de dissolvents clorats

Freons (CF2Cl2 i CFCl3) (ja prohibits) Benzina amb plom

Macropartícules

Òxids de nitrogen (NxOy) Combustions

Obtenció d’àcid nítric

Les emissions de gasos àcids com el SO2 de les centrals tèrmiques es poden minimitzar amb tractaments alcalins.

Sabies que...


• Eliminació de substàncies inorgàniques. Les substàncies inorgàniques es poden elimi-nar de diferents maneres: precipitació, bescanvi iònic, electrodiàlisi, etc. La precipitació —que és el sistema més usual i econòmic— implica l’ús d’un reactiu que formi un com-post insoluble en el medi (que generalment és aquós). Un exemple de precipitació senzill és l’eliminació del crom(III) procedent de l’adobament de la pell. Els efluents líquids amb crom es tracten amb calç apagada —hidròxid de calci, Ca(OH)2— i es forma hidròxid de crom(III), Cr(OH)3, força insoluble i que precipita. Posteriorment, aquest precipitat s’asseca parcialment i, finalment, es du a un abocador controlat. En aquestes condicions, el crom de l’hidròxid de crom(III) és innocu si no se’l modifica a un estat superior d’oxidació.

• Els bacteris, els protozous i altres microorganismes patògens s’eliminen generalment per oxidació amb clor gasós.

• Compostatge. En tot procés de depuració d’aigües s’obtenen fangs de productes sedimen-tats o flotants, que de vegades estan carregats de productes nocius. Si aquests llots són de matèria orgànica biodegradable i no contenen metalls pesants (Pb, Hg, Cd, Cr, etc.) o ele-ments i compostos nocius (As, productes clorats orgànics, etc.) en quantitat apreciable, se’n pot obtenir fertilitzant mitjançant el compostatge.

Les aigües residuals que es depuren solen ser col.loidals.

Les concentracions dels contaminants químics generalment són molt petites i es poden ex-pressar de diverses maneres. Per exemple:

• En parts per milió o ppm: parts de contaminant per milió de parts de dissolució, que equi-val a mil.ligrams de contaminant per quilogram de solució.

• En parts per bilió o ppb: una ppb és la milionèsima part d’una ppm. En els països anglosa-xons, una ppb és la mil.lèsima part d’una ppm.

• Unitats de terbolesa: mesuren la transparència de la solució col.loidal.

• Unitats de pH: mesuren el comportament àcid o bàsic de la solució.

• DBO5, DBO7 (demanda biològica d’oxigen) i DQO (demanda química d’oxigen): s’utilitzen quan els contaminants són productes orgànics degradables bioquímicament o químicament. DBO i DQO estan relacionades amb la quantitat d’oxigen necessària per oxidar la matèria orgànica mitjançant bacteris o oxidants químics.

L’anàlisi de les aigües exigeix la preparació al laboratori de solucions de diferents reactius.

Per analitzar la sílice, SiO2, d’una aigua destinada a turbines de vapor, cal preparar una dissolució aquosa de molibdat d’amoni de concentració 0,4 mg/L. Expressa la concentració d’aquesta dissolució en mol/L (M) i parts per milió (ppm).

Resolució

La fórmula del molibdat d’amoni és (NH4)2MoO4, i la seva massa molecular, 196 g/mol. Calcu-lem la molaritat de la dissolució:

0,4 ? 1023 g (NH4)2MoO4

1 L (NH4)2MoO4

? 1 mol (NH4)2MoO4

196 g (NH4)2MoO4

5

5 2,04 ? 1026 mol/L 5 2,04 ? 1026 M

En una dissolució tan diluïda com aquesta, podem considerar que la densitat és pràctica-ment la de l’aigua, és a dir, 1 g/mL. En aquestes condicions, els mg/L coincideixen numèri-cament amb les ppm:

0,4 mg/L 5 0,4 ppm

Exemple 2

Fig. 1.13. Abocament industrial nociu.


C. Contaminants sòlidsEls residus sòlids, des del punt de vista químic, els podem classificar segons el seu origen, urbà o industrial, o segons el que contenen:

• Radioactius.

• Explosius.

• Miners: poden ser inerts, com ara terres (generalment amb un fort impacte visual), o peri-llosos, si contenen un percentatge elevat de metalls nocius (recordeu la catàstrofe del parc nacional de Doñana a causa de l’arsènic).

• Provinents de laboratoris químics i de recerca.

• Llots de residus de pintures, de colorants, de rentats i buidats industrials, brossa domèstica i industrial.

• Embalatges difícils de biodegradar, plàstics, elastòmers (cautxú), pells, ferralla, encenalls, runes i fangs de tractament d’aigües.

En un laboratori tenim una dissolució aquosa d’àcid sulfúric de densitat 1,813 kg/L i del 91,3 % en massa. Calcula’n la molaritat.

Resolució

Les dades que coneixem de la dissolució ens informen que:

La massa d’1 L de dissolució és 1,813 kg 5 1 813 g.

100 g de dissolució estan formats per 91,3 g d’àcid sulfúric i 8,7 g d’aigua.

91,3 g H2SO4

100 g H2SO4(aq)

? 1 813 g H2SO4(aq)

1 L H2SO4(aq)

? 1 mol H2SO4

98 g H2SO4

5 16,89 mol/L

La dissolució d’àcid sulfúric és 16,89 M.

Es tracta, per tant, d’una dissolució força concentrada.

Exemple 3

12> Per mantenir un pH adequat a l'aigua de les piscines cal afegir-hi un àcid, que sol ser l’isocianúric (3-5 mg per cada 100 mL d'aigua). Ho sabries expressar en ppm?

R: 30-50 ppm

13> L’ozó és un contaminant important de l’aire que respirem. Quantitats molt petites són suficients perquè sigui el responsable de molts processos de degradació per oxidació de biopolímers. Què volem dir quan parlem de parts per bilió d’ozó en una atmosfera contaminada? Explica-ho amb detall.

14> Els mol.luscs, entre altra fauna marina, són especialment sensibles a la presència del mercuri. No es des en volupen només que hi hagi 1 mg de mercuri per 100 t d’aigua. Com expressa ries adequadament aquesta concentració de mercuri?

R: [Hg] 5 10 ppb

La contaminació atmosfèrica és un dels factors condicionants de la salut. A partir de l’1 de gener del 2019 no podran circular per ciutats de l’àmbit del Servei Català de Trànsit, en episodis de contaminació, vehicles matriculats abans de l’1 de gener del 1997. Els nivells detectats de NO2 el 20 de novembre del 2017 van ser, a Lleida, de 58 mg/m³ de mitjana al dia. Però en algunes estacions de Catalunya es van superar els 160 micrograms per m3 d’aire (mg/m³) de mitjana per hora, que és avís preventiu. Per què el NO2 és un dels gasos que més preocupa?

Activ itat

L’eliminació dels residus sòlids so-vint és complicada i segueix una classificació de perillositat. Hi ha abocadors de diferents tipus segons el residu. Per exemple, els produc-tes radioactius s’han d’abocar en llocs especials extremament prote-gits i controlats, mentre que els residus hospitalaris perillosos cal eliminar-los per cremació a alta temperatura. Tots els abocadors oficials estan molt controlats.

Impor tant

Si els residus són molt perillosos, de vegades se’ls inertitza per vitri-ficació introduint-los en vidre fos, que posteriorment és solidificat en refredar-se. Aquest és un procedi-ment car. El vidre és un material extremament inert i els productes perillosos que conté hi resten blo-quejats.

Més dades


1. Classifica els materials següents com a elements, mescles, substàncies pures o compostos

argent calç guix

alcohol tinta cautxú natural

llautó benzina estany

bronze cristall de quars sucre

sabó aspirina sal

pintura detergent diamant

2. Quin procés fa possible que el fet de ventar-se refresqui la cara?

3. Tant la condensació com la solidificació alliberen calor. Quin procés allibera més calor? Per què?

4. Observa la figura del punt triple de l’aigua.

a) Et sembla que és possible que es mantingui en estat líquid a una pressió de 2,5 mmHg?

b) I a una pressió de 6 mmHg?

5. Observa la figura 1.4. És possible teòricament tenir aigua líquida a una pressió inferior a 0,00603 atm (4,58 mmHg)?

6. En quines condicions ha d’estar l’aigua perquè es mantingui en estat líquid a una temperatura inferior a 0 °C?

7. Com extrauries l’aigua del suc d’una taronja sense haver-la d’esprémer ni trinxar?

8. Per què el butà que hi ha a l’interior de les bombones es troba principalment en estat líquid i quan crema està en estat gasós?

9. Si connectem a una bombona de butà un bufador pistola apte per escalfar industrialment i l’encenem, obser-varem que l’envàs taronja de la bombona es glaça per la part de fora. A què és degut aquest efecte?

10. El CO2 sublima a temperatura ambient. Quan el CO2 sòlid su-blima a 760 mmHg (pressió atmosfèrica), manté una tempe-ratura de 195 K (278 °C). El seu punt triple es troba a 5,11 atm i a 256,4 °C.

a) Si volem fondre el CO2 sòlid, quina és la pressió mínima necessària perquè passi a l’estat líquid?

b) A quina temperatura mínima ho farà? (El diagrama de fases del CO2 té una forma anàloga al de l’aigua; vegeu la figu-ra 1.14.)

R: a) 517 600 Pa (5,1 atm); b) 216,6 K

p (mmHg)

3880

Sòlid

Punt triple

760

195

Líquid

Gas

216,6 T (K)

Fig. 1.14. Diagrama de fases del CO2.

11. És possible que les substàncies es trobin en estat sòlid, lí-quid i gasós alhora?

12. En les condicions de vida habitual, quina és aproximadament la pressió de vapor del gel quan fon? (Observa detinguda-ment el gràfic de la figura 1.4 del punt triple de l’aigua.)

R: 4,58 mmHg o 610 Pa.

13. Un procediment per refrigerar l’aigua calenta en els proces-sos industrials és mitjançant les torres de refrigeració. Aquestes torres consisteixen en uns recintes per on baixa aigua i es fa circular sobre materials sòlids apilats, de mane-ra que formi una pel.lícula fina. En sentit ascendent s’impulsa un corrent d’aire. A la part inferior es recull l’aigua que s’ha refredat. L’aire que surt per dalt té un alt contingut d’aigua en forma de gas. Explica per què es refreda l’aigua líquida.

14. Calcula la quantitat de calor necessària per dur 3 kg d’aigua líquida a 80 °C fins a vapor d’aigua sobreescalfat a 110 °C a pressió atmosfèrica.

Dades: Ce (aigua líquida) 5 4,18 kJ?kg21?K21; Ce (vapor aigua) 5 1,92 kJ?kg21?K21; lv 5 2 252,1 kJ?kg21

R: 7 064,7 kJ

15. La taula 1.7 recull algunes temperatures i pressions críti-ques de liquació:

Taula 1.7.

Tcrítica pcrítica

Diòxid de carboni 31 °C 73 atm

Oxigen 2119 °C 50 atm

Nitrogen 2147 °C 34 atm

Hidrogen 2240 °C 13 atm

Activitats finals


Algun dels gasos que apareixen en la taula es podria liquar a temperatura ambient, 20 °C?

16. Una de les innovacions culinàries dels darrers temps és la introducció de la gelatina calenta en l’elaboració de plats. La gelatina calenta s’obté fent bullir filaments d’agar-agar fins que es dissolen.

Si per dissoldre l’agar-agar cal escalfar 1 200 g d’aigua des dels 18 °C fins a la temperatura d’ebullició, respon les qües-tions següents:

a) Calcula la quantitat de calor que necessita l’aigua per assolir el punt d’ebullició.

b) Si en acabar el procés queden 1 050 g d’aigua, calcula la quantitat d’energia que ha necessitat l’aigua que s’ha eva-porat.

c) Podem considerar la gelatina calenta com a matèria homogènia? I com a substància pura? Raona la resposta.

R: a) 411,312 kJ; b) 337,815 kJ

17. Per reciclar els metalls cal seleccionar-los i fondre’ls des-prés per poder reutilitzar-los.

Si tenim 2,13 tones de ferro a 1 813 K, que és la temperatura de fusió del metall, quina quantitat d’energia cal aplicar per fondre’l totalment?

Dades: lf (ferro) 5 200,9 kJ/kg

R: 427 917 kJ

18. L’alcohol etílic té una temperatura d’ebullició de 78,5 °C. Te-nim 1,8 L d’aquest producte, de puresa del 96 % i densitat de 0,807 g/mL, a aquesta temperatura.

a) Quin pictograma porten els recipients d’alcohol etílic?

b) Què podries fer si volguessis eliminar aquesta quantitat d’alcohol etílic?

c) Calcula l’energia que es necessitaria per vaporitzar aquesta quantitat d’etanol.

d) Calcula l’energia que es necessitaria per escalfar i vapo-ritzar la quantitat d’aigua que hi ha en els 1,8 L d’etanol del 96 % de puresa.

Dades: lv (etanol) 5 870,7 kJ/kg; lv (aigua) 5 2 252,1 kJ/kg; Ce (aigua) 5 4,18 kJ/kg?K

R: c) 1 214,19 kJ; d) 136,07 kJ

19. Segons la teoria cineticomolecular dels gasos, és pos sible que dos gasos a la mateixa temperatura puguin tenir diferent energia cinètica mitjana segons la seva fórmula molecular?

20. Si la velocitat quadràtica mitjana es pot avaluar a partir de

de l’equació 2v 5 3 RTÎ M , on R 5 8,314 J?mol21?K21, T és la

temperatura absoluta en kelvin i M és la massa molar en kg?mol21, calcula la velocitat quadràtica mitjana de les mo-lècules d’heli, de massa molecular 4 g?mol21 a 273 K de tem-peratura.

R: 2v < 1 305 m?s21

21. Entre els diferents contaminants gasosos podem incloure-hi els freons.

a) Què són aquests compostos?

b) Quina problemàtica mediambiental creaven?

22. Cada dia es liqüen grans quantitats d’aire. Quina es po dria considerar la temperatura crítica d’aquest procés? Observeu la taula 1.7.

23. L’anàlisi de l’aigua d’un riu ens indica la presència de 2 mg de Hg per cada tona analitzada. Si la normativa internacio-nal permet una presència, com a màxim, de 0,05 ppm de mercuri, estem dins la normativa mediambiental interna-cional?

24. Per fer una anàlisi d’aigües, cal preparar 500 mL d’una disso-lució d’àcid clorhídric 0,3 M. L’ampolla d’àcid clorhídric que tenim al laboratori ens indica que és del 36 % i de densitat 1 180 kg/m3.

a) Quants mL de HCl calen per fer la preparació?

b) Com ho faries al laboratori?

R: 12,89 mL

25. En l’aigua de mar hi ha una proporció de 0,003 g d’àcid orto-silícic (H4SiO4) per cada litre d’aigua. Sabries expressar aquesta concentració en molaritat?

R: 3,12 ? 1025 M

26. L’alumini és un element tòxic en determinades aigües. La quantitat d’alumini permesa és de 5 ? 1026 g/L. Expressa aquesta concentració en molaritat, tenint en compte que la molècula present en l’aigua és Al(OH)3.

R: 1,78 ? 1027 M

27. Explica les semblances i diferències entre punt crític i punt triple. El clor és un gas que té un punt crític a 144 °C. Tenim clor a 425 K i el volem liquar. Què haurem de fer?

28. Saps explicar de manera qualitativa què li passa a una solu-ció d’aigua una mica salada quan la refredem molt?

29. Observa el diagrama de fases de la Fig. 1.15. Tenim CO2 a tem-peratura ambient. El comprimim a poc a poc (quasi a tempe-ratura constant) fins a 6 100 kPa (61 atm aproximadament).


p (kPa)

Punt crític7385

517,6

101,3

194,7 216,6 304,2 T (K)

Sòlid

Líquid

Gas

Fig. 1.15. Diagrama de fases del CO2.

a) Què li passa?

b) Un cop comprimit i a temperatura ambient, el descompri-mim sobtadament fins a la pressió atmosfèrica (101,3 kPa);ho fem de forma molt ràpida. En fer-ho, la temperatura del CO2 baixa dràsticament. Respon què passarà:

I) Sortirà directament gas.

II) Sortirà directament líquid.

III) Sortirà directament líquid que es vaporitzarà al cap de poc.

IV) Sortirà un sòlid amb una miqueta de gas, i el sòlid sublimarà progressivament.

Raona-ho mitjançant el diagrama de fases del CO2.

c) És possible liquar el CO2 a una temperatura infe rior a 216,6 K? Raona-ho.

d) Tenim CO2 a 315 K (a ple sol d’estiu) i 100 kPa. Què et sembla que passarà si el comprimim moltíssim? Raona-ho.

30. A partir de la figura 1.16, on es mostra el diagrama de fases de l’aigua, contesteu raonadament les qüestions.

p (atm)

Punt crític218

1

0,006

273,15 373273,16 624 T (K)

Sòlid Líquid

Gas

Punt triple

Diagrama de fases de l’aigua

Fig. 1.16. Diagrama de fases de l’aigua.

a) Quin és el significat del punt triple? A quina tempera-tura congela l’aigua a 1 atm de pressió? Si augmentem la pressió, la temperatura de congelació serà més alta o més baixa?

b) En quines condicions de pressió sublima l’aigua sòlida? A quina temperatura bull l’aigua a 1 atm de pressió? Si aug-mentem la pressió, la temperatura d’ebullició serà més alta o més baixa?

R: a) 273,15 K ; b) Per sota de 273,16 K i a una pressió in-ferior a 0,006 atm. A 1 atm és de 100ºC (373 K).

31. Un dels gasos més presents en la nostra vida és el metà, component principal del gas natural, que és un bon combus-tible. A partir de les dades de la taula 1.8, responeu a les qüestions.

Taula 1.8. Entalpies de combustió en condicions estàndard i a 298 K.

Reaccióde combustió

Entalpia de combustió(kJ?mol21)

CH4(g) 1 2 O2(g) → CO2(g) 1 2 H2O(l) 2890,3

C(s) 1 O2(g) → CO2(g) 2393,5

H2(g) 1 1/2 O2(g) → H2O(l) 2285,8

a) Imagineu que us voleu dutxar amb l’aigua a una tempera-tura de 45 °C. Tenint en compte que l’aigua entra a l’es-calfador a 10 °C i que en gastareu 30 L, digueu quina massa de metà cal cremar, a pressió constant, per escalfar-la.

b) Escriviu la reacció corresponent a l’entalpia estàndard de formació del metà, i calculeu-ne el valor a 298 K.

Dades: Densitat de l’aigua (entre 10 °C i 45 °C) 5 1 kg L21.Capacitat calorífica específica de l’aigua (entre 10 °C i 45°C) 55 4,18 (J K21 g21).

Massa molecular relativa del metà 5 16,0 g/mol

R: a) 78,9 g

32. Mitjançant el procés d’electròlisi de l’aigua es poden obtenir hidrogen i oxigen gasosos.

a) Indiqueu el material que necessitaríeu per dur a terme aquest procés al laboratori i feu un esquema del muntatge experimental.

b) Escriviu les equacions de les semireaccions que tenen lloc en cadascun dels elèctrodes.

33. En fer l’electròlisi de clorur de liti fos, LiCl, s’obté Cl2 a l’ànode i Li al càtode.

a) Escriviu el procés que té lloc en cadascun dels elèctro-des i indiqueu quin és el procés d’oxidació i quin el de reducció.

b) Quina polaritat tenen els elèctrodes?

Activitats finals


1. Els diagrames de fases són representa cions gràfiques de les condicions de pressió i temperatura que fan que una substància estigui en estat sòlid, líquid o vapor. Els perfils d’aquests diagrames per a l’aigua i per al diòxid de carboni són els següents:

p

T

Aigua

SòlidLíquid

Vapor

p

T

Diòxid de carboni

SòlidLíquid

Vapor

Punt triple: T 5 273 Ki p 5 0,611 kPa

Fig. 1.17a. Diagrama de fases de l’aigua.

p

T

Aigua

SòlidLíquid

Vapor

p

T

Diòxid de carboni

SòlidLíquid

Vapor

Punt triple: T 5 216 Ki p 5 517,6 kPa

Fig. 1.17b. Diagrama de fases del diòxid de carboni.

a) Què representen les línies que apareixen en un diagrama de fases? Expliqueu raonadament com varia la temperatura de fusió de les dues substàncies en augmentar la pressió.

b) Justifiqueu el fet que, a pressió atmosfèrica (101,3 kPa), l’aigua pot passar de sòlid a líquid i de líquid a vapor, modificant la temperatura, mentre que amb el diòxid de carboni no passa el mateix.

2. El brom, Br2, és una substància vermellosa i líquida a 20°C i 1,0 atm. A partir del diagrama de fases del brom podem extreure les dades següents:

Taula 1.9.

Punt de fusió Punt triple Punt crític

–7,0°C 1,0 atm

–7,3°C 0,058 atm

315,0°C 102 atm

a) Quina informació ens donen el punt de fusió i el punt tri-ple del brom?

Expliqueu rao nadament què observarem si en un recipient tancat que conté brom, a 20°C i 1,0 atm, anem disminuint la pressió mentre mantenim la temperatura.

3. La figura següent representa el diagrama de fases del CO2:

Sòlid

Líquid

A

5000

760

100 180 260

Temperatura (K)

Vapor

E

B

H G

D C

Pre

ssió

(mm

Hg)

Fig. 1.19.

a) Com s’anomenen els punts B i C? Expliqueu què represen-ten les línies AB, BC, BD i el punt B.

b) Transformem el diòxid de carboni des del punt E fins al punt H, seguint les línies EF-FG-GH. Descriviu els tres pro-cessos i anomeneu tots els canvis de fase que s’hi pro-dueixen.

4. La figura següent representa el diagrama de fases de l’aigua.

a) Doneu el nom i la definició dels punts B i C, i de les línies AB, BC i BD.

b) Quin és l’estat físic de l’aigua a –10°C i 1 atm? Partint d’aquestes condicions de tempe ratura i pressió, escalfem l’aigua a pressió constant fins a 130°C. Expliqueu què li passa a mesura que augmenta la temperatura. Anome-neu tots els canvis de fase que hi tenen lloc. Dibuixeu, a la vostra llibreta, el diagrama de fases i indiqueu-hi els estats inicial i final, i la línia d’escalfament.

Sòlid

Líquid

Vapor

p

T

1 atm

20 oC

C

A

B

A: punt de fusió (1, atm, –7,0 ºC

B: punt triple (0,058 atm, –7,3 ºC)

C: punt crític: (102 atm, 315º C)

Fig. 1.18.

Prepara les PAU

Sòlid

0,00 0,01 100,0 374

218

1,00

0,00603

Temperatura (oC)

Pre

ssió

(atm

)

Líquid

Gas

A

B

D

C

Fig. 1.20.


Les pràctiques proposades es poden fer a casa o al laboratori del centre.

La cristal.litzacióObjectiu

Observar com es comporta una dissolució en baixar-ne la temperatura. Què els passa al dissol-vent i al solut?

Cristal·lització de l'aigua salada (a casa)

Material

• Un got no gaire gran i de base ampla.

• Aigua i sal de cuina.

• Un congelador de magatzem o bé una nevera combi, que tinguin tres o quatre estrelles de fred (cal assolir els 222 °C, i encara millor si aconseguim temperatures inferiors).

Procediment

• En un gotet poseu-hi aigua. Pot ser destil.lada de la planxa; si no, aigua de l’aixeta. Poseu-hi una culleradeta de sal. Remeneu i dissoleu la sal.

• Poseu aquesta dissolució en un gotet de base ampla i deseu-lo al calaix del congela-dor. Procureu tancar amb cura el calaix. Si és una nevera tipus combi, assegureu-vos que està treballant a la màxima potència de fred, que acostuma a ser de 223 °C.

• Observeu què ha passat al cap d’unes quantes hores.

Anàlisi de resultats

• Observeu que el got està tot glaçat amb gel (d’aigua sola) adherit a les parets. Si teniu una mica de sort (de vegades no surt bé), veureu que al centre hi ha uns cristallets diferents del glaç d’aigua. Aquests cristalls són de sal de cuina cristal.litzada, no pas d’aigua. Exactament, són de NaCl?2 H2O.

• Quan una dissolució es congela, el dissolvent i el solut solidifiquen per separat l'un de l’altre. L’aigua i la sal solidifiquen, però ho fan separadament.

• Cerca en la bibliografia a quina temperatura se solidifica una dissolució saturada d’aigua salada.

• Quines aplicacions poden tenir les cristal·litzacions?

Cristal·lització del sulfat de coure (al laboratori)

Material

• Recipient per escalfar i aparell escalfador.

• 50 g d’aigua destil·lada i 20 g de sulfat de coure.

• Cristal·litzador o recipient de base ampla.

Procediment

• Escalfeu els 50 g d’aigua destil·lada a una temperatura mitjana de 50-60 ºC.

• Afegiu els 20 g de sulfat de coure i remeneu fins que es dissolguin.

• Poseu-ho en un cristal·litzador o similar.

• Deixeu-ho a temperatura ambient i espereu el temps necessari fins que es formin cristalls. Poden passar unes hores o uns dies, segons les condicions exteriors.

Pràctiques

El risc és mínim. Cal, però, evitar contactes directes amb el sulfat de coure.

Normes de seguretat

Els residus d’aquesta pràctica no són tòxics. Es poden abocar pel desguàs. Però cal guardar els cris-talls de sulfat de coure produïts per a altres aplicacions.

Gestió de residus


L’electròlisi de l’aigua (al laboratori)

Objectiu

Separar els elements d’un compost mitjançant l’electròlisi. L’aigua es compon d’hidrogen i oxigen. L’electricitat subministra l’energia suficient per separar aquests dos components.

Material

• Vas de precipitats de 500 mL

• Una pila de 4,5 V o una font d’alimentació

• Una mica de sal de cuina

• Dos elèctrodes de carbó

• Pinces de cocodril

• Cable conductor

• Aigua destil.lada

Procediment

• Aboqueu una mica d’aigua destil.lada al vas de precipitats.

• Dissoleu-hi una mica de sal i remeneu-ho.

• Connecteu un conductor a cada born de la pila.

• Introduïu els altres dos extrems dels conductors a la solució aquosa.

• Si treballeu amb font d’alimentació, apliqueu-hi uns quatre volts i mig de tensió en corrent continu. Podeu graduar la intensitat segons la resistència que la solució ofereix a la conduc-ció elèctrica.

Anàlisi de resultats

• Observeu que es formen petites bombolles al voltant de cada elèctrode, que es van acumu-lant dins dels tubs d’assaig. A l’elèctrode negatiu, càtode, es desprèn hidrogen gasós, i al born positiu, ànode, es forma oxigen. Com comprovaries si realment s’acumulen aquests gasos als borns que s’han especificat?

• Per què el volum d’hidrogen és el doble que el d’oxigen?

• Per què s’afegeix sal a l’aigua destil.lada del vas de precipitats?

CàtodeÀnode

Dissolucióde NaCl

e–

e–

O2H2

Fig. 1.21. Electròlisi de l’aigua.

Cal anar amb molt de compte, ja que l’hidrogen és explosiu. Per tant, cal vetllar perquè no se’n pro-dueixi gaire quantitat i perquè no hi hagi cap flama a prop.

Normes de seguretat

Els residus d’aquesta pràctica es poden abocar per la pica amb ai-gua abundant, perquè no són tòxics.

Gestió de residus

classificaciÓ de la matÈria les substÀncies pures · classificaciÓ de la matÈria. les...

Documents