Física i Química (Castellnou)

8/11/2019 Fsica i Qumica (Castellnou)

1/28

3 reso

FSICA

i QUMICA ndreu Marsal i Oriol Saladrigas

FSICA

i QUMICAAndreu Marsal i Oriol Saladrigas


2/28

3 resoAndreu Marsal

Oriol Saladrigas

FSICA

i QUMICA


3/28

ndex

1 Ltom .....................................................................................................82 Estructura de la matria ....................................................... 303 Substncies pures i mescles ............................................ 554 Canvis qumics ............................................................................. 785 Lelectricitat ................................................................................. 100

+1 Recopilaci i sntesi .............................................................. 124

English Vocabulary ................................................................ 134


4/28

TAULA DE CONTINGUTS

CONTINGUTS LECTURA

1 Ltom En els lmits de la matria: ltom i ms enllEvoluci histrica del model atmicLa uni dels toms: els enllaosLordre dels elements: la taula peridicaMatria i energia

Don ve la taulaperidica?

2 Estructurade la matria

Dins la matriaUn model per a la matria: la teoria cinticaLlibertat de moviment: els gasosLlibertat per lliscar: els lquids Vibrar en un punt: els slidsCalor per canviar d'estatCanvis destat

La cincia de la calori del fred

3 Substnciespures i mescles

Classificaci de la matria: substncies pures i mesclesElements i compostosSubstncies homognies i heterogniesSuspensions i colloidesMescles homognies o solucionsLa solubilitatMtodes de separaci

El flam, un sistemadispers

4 Canvis qumics Lorigen de la qumicaQu s una reacci qumica?

Algunes reaccions qumiquesModel atmic molecular de les reaccions qumiquesEnergia i qumica Tot s qumica

De la plvoraa la dinamita

5 Lelectricitat Lelectricitat i la humanitatLelectrosttica: crregues quietesLelectricitat: crregues en moviment Tipus de corrent elctric: AC/DC Aparells elctrics Alguns fenmens elctrics naturalsDe la llum a lelectricitat

De les anguileselctriques a les piles

+1 Recopilacii sntesi

Contaminant el planeta: el plutoniPlantem benzina?Els metalls en el cos hum

Laigua ben netaFahrenheit 451Lera de lelectrnica: progrs o consumisme?


5/28

EL PERQUDE LES COSES PENSO I APRENC

HO TINCCLAR

Quines reaccions tenenlloc als toms?Com es disposenels electrons?

El model dtomEls tomsLa massa atmicaElectrons i enllaosPerode de semidesintegraci dun istop

Autoavaluaci

Com es comportaun gas ideal?

Unitats de pressi i volum. Canvis dunitats Torricelli i el barmetreLa mesura de la temperaturaGasos ideals. Llei de Boyle i MariotteLlei de CharlesLlei de Gay-LussacGasos idealsLquidsSlids i dilataci

Autoavaluaci

Com es pot distingirles substncies solublesde les insolubles?Com es pot distingiruna soluci duncolloide?

Concentracions Analitzant una etiqueta Anlisi de grfiques

Autoavaluaci

Qu augmentala velocitat duna

reacci?En qu es diferencienla combustide loxidaci?

Lorigen de la qumicaCanvis a la natura

Igualaci duna reacciComposici i descomposiciIdentificaci de reactius i productesOxidaciReaccions, toms i enllaos Tipus de reaccionsObtenci de metalls a partir dun mineralEstequiometriaCintica de les reaccions qumiquesClcul de la superfcie de contacteFacilitat per reaccionar

Autoavaluaci

Quines diferncies hi haentre els circuits en sriei en parallel?

Electricitat estticaLampolla de LeydenCoulombLlei de CoulombIntensitat, voltatge i resistncia Allants i conductorsPiles i bateriesLa bombetaCorrent altern i continuEls circuits elctricsLlamps i trons

Autoavaluaci


6/28

Ltom


7/28

1CONTINGUTS

En els lmits de la matria:ltom i ms enll

Evoluci histricadel model atmicLa uni dels toms: els enllaos

Lordre dels elements:la taula peridicaMatria i energia

LECTURA Don ve la taula peridica?

EL PERQU DE LES COSES

Quines reaccionstenen lloc als toms?Com es disposen els electrons?

PENSO I APRENC

HO TINC CLAR

OBJECTIUS

Lestructura dels toms i els mecanismes que descriuen la for-maci de molcules sn una de les claus que expliquen lespropietats de la matria que ens envolta.

En aquesta unitat podrs:Descriure el model atmic actual.

Relacionar la conguraci electrnica dels toms amb les se-ves propietats i amb lordenaci a la taula peridica.

Conixer i comprendre els mecanismes denlla dels toms.

Entendre les principals reaccions nuclears i el seu paper enla producci energtica actual i del futur.

Comprendre el concepte de radioactivitat.Diferenciar els tipus de radiaci, la seva utilitat i els riscos quecomporten.

OBSERVA

Com sanomena la unitat que constitueix totes les substn-cies?

Quines partcules bsiques cont?Els toms senllacen entre ells? Com ho fan?


8/28

10

MAPA CONCEPTUAL

ACTIVITATS PRVIES

1 Explica don prov el concepte dtom (re-corda que tomos s una paraula grega quevol dir indivisible).

2 Deneixelement .

3 Descriu la taula peridica. Hi apareixen totesles substncies?

4 Els toms tenen crrega elctrica?

5 Com senllaen els elements entre si? Totsho fan de la mateixa manera?

6 Els toms sn realment indivisibles? Sabriesdescriure alguna situaci en qu un tom esdivideixi? Qu passa quan aix succeeix? Sentreu algun prot?

7 Qu s la radioactivitat? Per qu s tan pe-rillosa? Sempre t efectes negatius?

model atmicactual

es representamitjanant

Ltom

enllaos

suneix ambdaltres mitjanant

radiaci

potemetre

inics covalents metllicsnucli escora

electronsneutrons protons

alfa

beta

gammaresponsables dels


9/28

1

11

1. En els lmits de la matria: ltom i ms enll

La curiositat i lafany de saber han mogut lespcie humana des dels seusinicis. Un dels grans misteris de la natura ha estat, i encara s, conixerlestructura ms ntima de la matria.

Aquest coneixement, si b molts cops no t una aplicaci clara, ens potaportar grans beneficis en un futur. Per exemple, pot ajudar a trobar la ma-nera daprofitar lenergia de ltom sense generar residus nocius, fet quetindr molta importncia, sobretot si tenim en compte la imminent crisienergtica originada per lesgotament dels combustibles fssils.

El tema central daquesta unitat s lestructura de ltom , per tamb hiveurs conceptes com lenlla i laradioactivitat .

Tot i que el concepte dtom et pot semblar modern, fa prop de 2.500 anys

que el filsof grecDemcrit (Abdera, 460 aC ? 370 aC) ja va plantejaraquesta qesti. Al seu parer, si una cosa existia havia de ser eterna, per-qu res no ve de res. Les coses que formen el mn, per, estan sotme-ses a canvis i transformacions constants. Per explicar aquestes transfor-macions a partir duna cosa eterna i immutable, Demcrit va postularlexistncia duns elements bsics, que va anomenar toms (del grec to-

mos , indivisible). Aquests elements sn eterns i, tot i que no es poden di-vidir, s possible combinar-los de diverses formes.

Per b que la idea de Demcrit es basava en la intuci i no pot ser consi-derada una teoria cientfica, ja que no es fonamenta en cap resultat expe-rimental, es pot dir que el filsof no anava del tot desencaminat.

El concepte dtom es va acceptar inicialment, per al segle XIX es va re-formular arran dels nous descobriments.

Les centrals nuclears generen gransquantitats denergia i no contribu-

eixen al canvi climtic, per moltagent soposa a la seva construcci.Saps per qu? Qu en penses?


10/28

12

2. Evoluci histrica del model atmic

Model atmic de Thomson.

El concepte dtom ha anat canviant amb el temps. Cada nou model at-mic se sustenta en els anteriors, de vegades mantenint-ne alguns aspec-tes, i daltres, modificant-los.

2.1 Model atmic de Dalton

John Dalton (1766 1844), qumic i fsic angls, va treballar per relacionarel concepte delement qumic amb les hiptesis de Demcrit sobre ltom,cosa que el va portar a desenvolupar lateoria atmica sobre la qual esbasa la cincia moderna. Aquests en sn els punts principals:

La matria no s infinitament divisible, sin que hi ha una darrera part-cula que no es pot fragmentar anomenada tom .

Els toms dun mateix element sn tots idntics.Els toms sn invariables. No s possible convertir un tom en un altrede diferent per cap procs fsic o qumic.

Els compostos estan formats per la combinaci de dos o ms tomsdelements diferents.

En una reacci qumica no es creen ni es destrueixen toms, tan sols encanvia la distribuci.

Dalton considerava els toms com unes unitats esfriques que, mitjanant

el contacte fsic i grcies a una forta interacci, es podien enllaar per for-mar molcules.

2.2 Model atmic de Thomson

Joseph John Thomson (1856 1940), fsic angls, va determinarel carcter negatiu dels feixos de partcules que emetia un siste-ma delctrodes sotms a una elevada tensi elctrica. Aques-tes partcules les va anomenarelectrons i les va identificar

com a components de ltom, desmentint, aix, la idea prviade la indivisibilitat.

Va proposar un model atmic senzill (el famspasts de panses), que explicava el fet que

la matria fos elctricament neutra per que,en determinades situacions, fos possibleapartar-ne noms la carrega negativa.

Segons Thomson, un tom estava formatper:

Una esfera de crrega positiva.

Diverses crregues negatives (electrons) in-crustades en aquesta esfera.

Model atmic de Dalton.

AMPLIACI

El daltonisme s un trastornanomenat aix pel fsic an-gls John Dalton (l766 l844), que el patia. Consis-teix en la impossibilitat dediferenciar alguns colors(discromatpsia). s heredi-tari i va lligat al sexe. Quinnombre veus en la imatge?


11/28

1

13

persona

ocell petit

3 km

electr

nucli d'hidrogen

2.3 Model de Rutherford

Per verificar la teoria de Thomson, Ernest Rutherford (1871 1937), un fsic

britnic deixeble seu, va fer un experiment que consistia a bombardejar unalmina dor molt fina amb unfeix de partcules alfa (vegeu pg. 21). Si elmodel de Thomson era cert, les partcules havien de travessar la lminasense modificar de manera apreciable la seva trajectria, ja que la petitesadels electrons no els suposava cap obstacle. Els resultats, per, van sersorprenents: si b la gran majoria mantenien la seva trajectria, algunes esdesviaven considerablement i daltres fins i tot rebotaven.

Aleshores, Rutherford va formular el seu model atmic:

La major part de ltom s buida (aix explicaria que la majoria de part-cules no es desviessin).

La massa i la crrega positiva es concentren al nucli, mentre que els elec-trons, molt ms lleugers, giren al seu voltant (aix explicaria les desvia-cions de certes partcules).

En efecte, les desviacions dalgunes partcules noms es podien entendresi es considerava que aquestes xocaven contra una altra partcula degran massa i crrega elevada. Rutherford va suposar quetota la massa i la crrega positiva de ltom estava con-centrada en un petit nucli, unes deu mil vegades mspetit que ltom, i que, a gran distncia, hi havia unaes-cora on se situaven els electrons, de crrega negativa.

Ms endavant, per justificar el fet que el pes atmic dels ele-ments fos superior al dels protons delnucli, Rutherford va plantejar la

possibilitat que existissin unes altres partcules nuclears de massa semblanta la del prot per sense crrega elctrica: elsneutrons . Uns quants anysms tard, sen va provar lexistncia.

Model atmic de Rutherford.

La major part de ltom s buida.

Experiment de Rutherford.

lmina dor

partcules

nucli

font de partculesalfa


12/28

14

e s c o r a

nucli

neutr

prot

electr

capa

2.4 El model atmic actual

Amb el pas del temps shan anat succeint descobertes que

han perms conixer lestructura atmica amb molt msdetall. El model actual de ltom est basat en les aporta-cions de Dalton, Thomson, Rutherford i tots els fsics poste-riors que han treballat en aquest camp. Aquest model endistingeix clarament dues parts: elnucli i lescora .

2.4.1 El nucli

El nucli, situat al centre de ltom, est format perprotons(partcules amb crrega positiva) ineutrons (partcules sen-se crrega).

Tots els toms dun mateix element qumic (carboni, oxigen, hidrogen, or...)contenen el mateix nombre de protons. Aquest valor sanomenanombreatmic i es representa amb la lletra Z .

La suma del nombre de protons i de neutrons dun tom rep el nom demassa atmica i es representa amb la lletra A, tamb sanomena nombremssic. La massa del prot i la del neutr sn aproximadament iguals.

Sanomenen istops els diferents toms dun mateix element que es dife-rencien per la massa atmica, s a dir, pel nombre de neutrons. Per exem-

ple, un tom dhidrogen, amb nombre atmic 1, sempre t 1 prot al nucli,per pot tenir diversos istops, com el proti (1H, sense neutrons al nuclii que comunament sanomena hidrogen), el deuteri (2H, que cont 1 neutr)o el triti (3H, que cont 2 neutrons).

2.4.2 Lescora

Lescora s la part exterior de ltom i est formada pelselectrons , unespartcules amb crrega negativa i de massa insignificant (unes 2.000 vega-des ms petita que la dun prot) que giren al voltant del nucli organitzatsen diferents nivells o capes. Les caracterstiques dels elements (reactivitat,compostos que formen, propietats fsiques, etc.), que veurs ms enda-vant, depenen principalment de la distribuci dels electrons a la darreracapa.

Els toms, elctricament neutres, contenen el mateix nombre de protonsque delectrons. Per tant, el seu nombre atmic coincideix amb el nombredelectrons.

Tenint en compte que A = Z + N , un nucli atmic pot quedar perfectamentdefinit amb el seu smbol (o amb el nombre atmic Z ) i el nombre de neu-

trons. Tot i aix, la manera ms usual de referir-se als elements s mitjanant el smbol qumic i la massa atmica. Per exemple, en el cas delcobalt 60Co o cobalt-60.

Model atmic.

e

e

e

np

p

p n

n

tom de proti

tom de deuteri

tom de triti

Istops de lhidrogen (el nombrede protons s invariable).


13/28

1

15

Com ja hem apuntat anteriorment, els electrons dun tom es troben repar-tits duna manera determinada en diferents nivells o capes (configuracielectrnica ). En cada capa nhi cap un nombre concret. Els toms inten-ten guanyar o perdre electrons per completar la darrera capa i, aix, acon-seguir lestabilitat.

Un enlla s la uni entre dos o ms toms amb la finalitat de ser ms es-tables. Els principals enllaos atmics sn linic, el covalent i el metllic.

3.1 Enlla inic

Lenlla inic s la uni entre un tom que tendeix a cedir electrons amb fa-cilitat (perqu a la darrera capa lin manquen molts per estar completa) i unaltre que tendeix a captar-los (perqu lin falten molt pocs per completarla darrera capa ). Els elements que formen aquest tipus denlla es trobensituats als extrems de la taula peridica i, per tant, tenen propietats moltdiferents.

Si es produeix una transferncia delectrons entre dos toms, el nombre deprotons i delectrons de cada tom canviar i, en conseqncia, tots dosquedaran carregats elctricament (i).

Si ltom ha perdut electrons, tindr crrega positiva (cati ).

Si ltom ha guanyat electrons, tindr crrega negativa (ani).

Tenint en compte que els dos toms que han intercanviat electrons shancarregat amb signes contraris, s fcil dentendre que es cre una foradatracci que els mantindr units.

En general, les substncies iniques sn slides, amb un punt de fusi ele-vat, no conductores, dures i frgils, i formen xarxes cristallines.

3. La uni dels toms: els enllaos

Lenlla inic s fruit de la

fora datracci entre ionsde diferent signe formatscom a conseqncia de latransferncia delectrons en-tre els toms corresponents.

RECORDA

1 El sodi (Na) t tendnciaa perdre lnic electr de ladarrera capa.2 El clor (Cl) t tendncia aagafar-ne un per completarla darrera capa.3 El sodi perd lelectr dela capa exterior, que s cap-tat pel clor.4 Es creen dos ions, Na+ i Cl,de crregues contrries.5 Com que les crreguesoposades satreuen, els ionsformen un conjunt estable:el clorur de sodi (NaCl) o sal.

1

2

3

4

a

b

Dues substncies iniques:a Clo-rur de sodi (NaCl).b Fluorur de calci(CaF2).


14/28

16

3.2 Enlla covalent

Lenlla covalent s la uni entre toms amb un nombre elevat delectrons

a la darrera capa, que gaireb est completa. Per aix s lenlla que for-men els toms amb una tendncia similar a guanyar electrons i que estansituats en llocs propers de la taula peridica, generalment a la part dreta(vegeu pg. 19).

En aquest cas no hi ha ni prdua ni guany delectrons per part de cap delstoms que suneixen: els electrons es comparteixen. Aquest fet dna esta-bilitat a la parella i permet que tots dos toms tinguin la darrera capa com-pleta.

Els principals tipus denlla covalent sn:

Covalent molecular . Els toms sagrupen formant molcules, s a dir,combinacions de pocs toms del mateix o de diferents elements. En snexemples laigua (H2O), loxigen (O2) i lhidrogen (H2). Aquest tipus denllas el de gaireb totes les substncies lquides i gasoses a temperaturaambient. Solen tenir punts de fusi i debullici relativament baixos i no-ms sn solubles en substncies com loli. Aquestes substncies nocondueixen lelectricitat.

Covalent atmic . Els toms sagrupen en grans quantitats formant xar-xes cristallines. En sn exemples el diamant (C) i el quars (SiO2). Aquesttipus denlla s el dalguns slids amb un grau de duresa i un punt defusi molt elevats. Aquestes substncies no condueixen lelectricitat.

En el cas de lenlla cova-lent, els toms compartei-xen els electrons de la dar-rera capa.

RECORDA

Ltom de fluor (F) cont set electrons a la darreracapa, per per ser ms estable nhi hauria de tenirvuit.Si no hi ha cap altre element que lin pugui cedir,opta per compartir un parell delectrons amb un altretom de fluor formant la molcula (F2). Si comptes elnombre delectrons de la darrera capa veurs clara-ment que ara nhi ha vuit.

Ltom doxigen (O) cont sis electrons a la darreracapa, per per ser ms estable nhi hauria de tenir vuit.

Ltom dhidrogen (H) cont un electr a la seva nicacapa, per per ser ms estable nhi hauria de tenirdos.

Loxigen comparteix, al mateix temps, dos electronsamb dos toms dhidrogen i es forma una molculadaigua.

a

a Aigua (H2O): substncia cova-lent molecular. b Quarz (SiO2): subs-

tncia covalent atmica.

b


15/28

1

17

3.3 Enlla metllic

Com indica el seu nom, s la uni entre toms delements me-

tllics, situats a lesquerra de la taula peridica. Aquests toms es caracteritzen perqu tenen pocs electrons a ladarrera capa. Aleshores, per tal dadoptar una configuraci estable,tots aquests electrons creen un nvol que envolta els ions positiussituats en posicions fixes.

Les caracterstiques de les substncies metlliques estan molt re-lacionades amb les propietats daquest nvol electrnic. En generaltenen una elevada conductivitat trmica i elctrica , ja que elnvol delectrons es pot moure lliurement pel material. A ms, sn

dctils i malleables , ja que els enllaos metllics admeten petitscanvis en les distncies atmiques sense trencar-les.

tipus denlla estructura de lenlla propietats de les substncies

inic

SlidsPunt de fusi elevatPunt debullici elevatSolubles en laiguaCondueixen lelectricitat foseso dissoltes

covalent molecular

Fonamentalment lquids i gasosPunt de fusi baixPunt debullici baixInsolubles en laiguaNo condueixen lelectricitat

covalent atmicSlidsPunt de fusi elevatLa solubilitat i conductivitat varienduna substncia a una altra

metllic

SlidsDctils i malleablesPunt de fusi elevatPunt debullici elevatInsolubles en laigua

movimentdels electrons

Enlla metllic.


16/28

18

La taula peridica s una manera lgica dordenar els elements, en files icolumnes, que permet obtenir-ne una gran quantitat dinformaci.

A les files (perodes), els elements es disposen segons el seunombreatmic . El primer element de la taula (hidrogen) noms cont un prot, i eldarrer (rntgeni) en cont 111. Fixat que, en una mateixa fila, el nombreatmic augmenta desquerra a dreta.

Els elements se separen en columnes (grups) segons el nombredelectrons de ltom a la darrera capa, ja que sn els que senllacen ambaltres toms i determinen en gran part les propietats dels elements. Enuna mateixa columna, per tant, els elements tenen caracterstiques moltsemblants, per aix es parla de famlies (alcalins, alcalinoterris, halgens,etc.).

Lltima columna cont els anomenatsgasos nobles . Sn els nics ele-ments que tenen la darrera capa electrnica plena, per aix sn molt esta-bles i gaireb no es combinen amb cap altre element. Els altres toms, encanvi, intenten guanyar o cedir electrons per tal dassolir la configuracidun gas noble, motiu pel qual estableixen enllaos i produeixen reaccionsqumiques.

En una primera classificaci podem dividir la taula en diferents grups, ambelements de propietats semblants. Els principals sn elsmetalls , els se-mimetalls i elsno-metalls .

Una taula peridica bsica mostra el nombre atmic i el smbol de cadaelement, per pots trobar-ne daltres que contenen informacions comple-mentries, com, per exemple, lestat dagregaci a 30 C de temperaturai 1 atm de pressi (els elements sinttics no es troben en la natura i not sentit que parlem del seu estat) o la massa atmica mitjana de tots elsistops dun element.

4. Lordre dels elements: la taula peridica

Marie Curie o Maria Sklo-dowska (1867 1934), fsi-ca i qumica francesa do-rigen polons, fou una de

les primeres dones de leramoderna que destac enlmbit cientfic. Es dedicprincipalment a lestudi deles radiacions, investigaci-ons que li valgueren el pre-mi Nobel de Fsica de lany1903, juntament amb elseu marit, Pierre Curie, i elseu mestre, Henri Becque-rel. Ms tard, el 1911, varebre un altre premi Nobel,en aquest cas el de Qumicai en solitari, pel descobri-ment de dos elements ra-dioactius: el radi i el poloni.Va morir duna leucmiacausada, probablement, perles llargues exposicions a laradiaci a qu lhavia obli-gat la seva feina.

Alguns elements qumics.


17/28

1

19


18/28

20

5.1 Les reaccions nuclears

Les reaccions nuclears sn processos en qu un nucli atmic es modifica

per la collisi amb un altre nucli o una particula nuclear. En aquest cas nohi ha combinaci entre elements, sin prdues o guanys de protons o neu-trons, s a dir, variaci del nombre mssic.

Hi ha dos tipus de reaccions nuclears:

Fissi. El nucli atmic se separa en dues parts ms petites.

Fusi. Dos o ms nuclis lleugers suneixen per formar-ne un de ms pe-sant.

Les reaccions nuclears comporten lalliberament de grans quantitats

denergia. Aquest fet s conseqncia de la conversi de matria en ener-gia, dacord amb lequaciE = mc 2, proposada per Albert Einstein. Segonsaquesta frmula, una petita quantitat de matria ( m ) que es mou a una ve-locitat propera a la de la llum (c ) dna lloc a una gran quantitat denergia (E ).

En ledat mitjana, lalqumia va cercar frmules per transmutar la matria, ialguns relats fantasiosos descriuen la conversi del plom en or, per no vaser fins al principis del segle XX que saconsegu realment dur a terme unatransmutaci. Fou el mateix Ernest Rutherford qui va convertir nitrogen enoxigen bombardejant toms de nitrogen amb partcules alfa. Aquest experi-ment va demostrar que, per transformar artificialment un element, cal afegirpartcules al seu nucli o treuren.

5.1.1 Energia nuclear i armament

Conscients que les reaccions nuclears, ams de transmutar la matria, impliquenlalliberament de grans quantitats denergia,les potncies enfrontades durant la SegonaGuerra Mundial emprengueren una carreraper fabricar la primera arma atmica. Els

Estats Units van ser els primers que ho vanaconseguir, i el resultat foren les bombesatmiques dHiroshima i Nagasaki, que for-aren la rendici del Jap lany 1945.

Acabada la guerra, el mn qued dividit endos grans blocs: el capitalista, liderat pelsEstats Units, i el comunista, sota el controlde lantiga URSS. Tant els uns com els altresdisposaven de bombes atmiques capaces

de destruir el mn. Actualment, molts pasoshan fabricat bombes atmiques (Frana, elRegne Unit, lndia, el Pakistan, Israel, etc.).

5. Matria i energia

Bolet atmic.

La fusi s una reacci nuclear enqu els nuclis de dos o ms elementssuneixen per formar-ne un de msgran alliberant, aix, una gran quan-titat denergia. Un bon exemple defusi s la uni de dos istopsdhidrogen, el triti i el deuteri, performar heli. Aquesta reacci s laque t lloc als estels.

La ssi s una reacci nuclear enqu el nucli dun tom es divideix

en dues parts ms petites i salliberauna gran quantitat denergia. Lexem-ple ms clar el trobem en lurani,que es ssiona en dos toms mslleugers, generalment el iode i litri.

neutr

neutr neutr

neutr

nucli

triti

deuteri neutr

heli


19/28

1

21

5.2 La radioactivitat

La radioactivitat s el procs que t lloc de forma espontnia quan un

istop dun element es transforma en un altre istop mentre emet radia-cions a lespai. En distinguim tres tipus:

Radiaci alfa . Est formada per partcules alfa (), que tenen dos pro-tons i dos neutrons, s a dir, sn com unnucli dheli. La radiaci alfa not gaire capacitat de penetraci i pot ser detinguda per qualsevol mate-rial, com un paper o uns pocs centmetres daire.

23982U 23940 Th + 42He (partcula )

Radiaci beta . Est formada per partcules beta (), s a dir, perelec-trons . Es produeix quan un neutr es transforma en un prot i un electri aquest ltim s expulsat. La massa de ltom no canvia (la massa delprot i la del neutr sn gaireb iguals), per lelement ser un altre, jaque el nucli tindr un prot ms. La radiaci beta noms pot ser detin-guda per lmines de metall o per altres materials, com la fusta o la roba,quan formen capes gruixudes.

23940 Th 23941Pa + 01e (partcula )

Radiaci gamma . Es produeix quan un tom passa dun estat dexcita-ci a un altre de ms estable i no comporta directament un canvi de laconfiguraci del nucli atmic. La radiaci gamma () s una forma dera-diaci electromagntica , com la llum o les ones de rdio, per moltms energtica i perjudicial, ja que pot travessar gaireb tots els mate-rials. Per aturar-la sutilitzen grans murs de plom o de formig.

23952U* 23952U + (partcula )

5.2.1 Efectes de la radioactivitat

La radioactivitat pot tenir efectes a curt o a llarg termini.

Els efectes immediats estan lligats a la interacci de la radiaci amblaigua, els enzims i els cids nucleics de les cllules. En el cas de laigua,en trenca la molcula i dna ions H+ i OH, perjudicials per al funcionamentcellular. De vegades, la radiaci sutilitza expressament per matar cllulescancergenes.

Els efectes diferits engloben una srie de modificacions, algunes de lesquals encara no han estat prou estudiades. Entre aquestes hi ha, per

exemple, lalteraci de lADN, que pot provocar malformacions en els des-cendents de les persones exposades a la radiaci, com sha comprovatarran de les bombes dHiroshima i Nagasaki o laccident de Txernbil.

tom: atom

taula peridica:periodic table

radioactivitat: radioactivity

nucli: nucleousescora : shell

enlla: bond

electr: electron

neutr: neutron

prot: proton

partcula nuclear :nuclear particle

istop: isotope

energia nuclear :nuclear power

AMPLIACI

A Tarragona, la regi on esconcentren ms centrals nu-clears del nostre pas, shadesenvolupat el pla PENTA,un pla demergncia quedescriu un model dactuacique preveu els procedimen-ts que shaurien dactivar encas dun accident nuclear.


20/28

22

LECTURA

Don ve la taula peridica?

Mendeleiev solved the challenge of categorizing the chemical elementsin a logical way. Basically, he invented a double-entrance table inwhich firstly, the elements that have the same value are placed incolumns; and secondly, these elements are placed in an increasingatomic mass order in rows.

Al final del 1860, Mendeleiev, com la majoria dels qumics anteriors a ell,havia afrontat el repte dordenar dalguna manera la llista dels elements.

Alguns qumics estaven abordant el mateix problema a partir de diferentscriteris basats en les propietats dels materials o els pesos atmics.Mendeleiev, per, va enfocar lassumpte des dun angle diferent: el seupunt de partida van ser les valncies dels elements.

Des de feia molts anys ja se sabia que cada element possea un cert poderde combinaci. Ltom dhidrogen, per exemple, noms podia fer-se cr-rec dun altre tom: mai no es combinava amb dos toms doxigen performar HO 2, per posar un exemple. Per altra banda, loxigen podia com-binar-se amb dos toms, i noms dos, com en el cas de laigua (H2O). Espodria dir que ltom dhidrogen s mongam i que ltom doxigen sbgam...

Aix, doncs, lhidrogen possea un poder de combinaci d1, com els ele-ments dun grup en qu hi havia el sodi, el fluor, el brom, el potassi o eliode; loxigen i un altre cert nombre delements tenien un poder denllade 2; el nitrogen i alguns altres tenien un poder de combinaci de 3, i aixsuccessivament.

Mendeleiev es va concentrar en les valncies. Mostraven algun tipus depauta? Va fer una llista ordenada dels elements segons el seu pes molecu-lar i hi va escriure al costat la valncia corresponent.

Com es pot veure, el valor de la valncia puja i baixa. Comen-

ant per 1, puja fins a 4 i desprs baixa fins a 1, seleva fins a 4i a continuaci torna a 1. A mesura que la llista augmenta, lescoses ja no sn tan senzilles, per la valncia continua ascen-dint i descendint de forma relativament peridica.

Sobre la base daquests cicles o perodes revelats per les valn-cies, Mendeleiev va compondre unataula peridica dels ele-ments. La va publicar lany 1869 i va tenir un gran ress entrela comunitat cientfica.

Mendeleiev va continuar treballant en la seva taula i la va mi-

llorar seguint els descobriments daltres cientfics. Quan la vaacabar, aquesta tenia gaireb el mateix aspecte que la que uti-litzem actualment.

element valnciahidrogen 1

liti 1berilli 2

bor 3carboni 4nitrogen 3oxigen 2fluor 1sodi 1

magnesi 2alumini 3

silici 4fsfor 3sofre 2clor 1

potassi 1calci 2


21/28

1

23

La gran victria aconseguida per Mendeleiev va ser ordenar els elementsconeguts de tal manera que qualsevol qumic pogus reconixer que totsels duna columna es poden considerar pertanyents a la mateixa famlia.Per exemple, el coure, la plata i lor sn metalls amb moltes propietats encom, i es pot dir exactament el mateix del carb, el silici, lestany i elplom.

Per primera vegada, la taula de Mendeleiev tamb proporcionava sentit atota la multitud delements, ja que els organitzava en famlies molt bendefinides. No es tractava duna representaci poc sistemtica de coinci-dncies o duna barreja sense cap mena de criteri, com havia succet ambaltres cientfics que lhavien precedit. Ara, totes les famlies es presentavenen una disposici tan lgica que resultava impossible considerar-les sim-

ples coincidncies.Malgrat laparent victria de Mendeleiev, la comunitat cientfica no estavadisposada a acceptar la taula peridica simplement per laspecte extern.Era massa adequada, massa bona, perqu fos vlida; calia trobar provesque lavalessin.

Mendeleiev tenia tanta confiana en la validesa de la seva taula peridicaque es va atrevir a posar en dubte les idees establertes per altres qumics ifer unes prediccions molt arriscades. Va manifestar que shavien comserrors en el clcul dels pesos atmics dalgunes substncies, ja que no en-

caixaven en la seva taula. Fins i tot va proposar els valors aproximats quehavien de tenir. Aquestes prediccions li van donar un cert prestigi, perqums tard es va demostrar que eren correctes.

Per Mendeleiev encara es va arriscar ms en referir-se a alguns elementsque faltaven a la taula. Perqu la seva taula funcions, va haver de deixar-hi alguns espais en blanc, la qual cosa no va agradar gens als cientfics delpoca. Davant les seves qestions sempre els contestava que noms caliabuscar els elements que faltaven. No es podia haver concebut una provams arriscada. Si aquests elements es trobaven, Mendeleiev es convertiria

en un heroi i la taula peridica quedaria verificada ms enll de qualsevoldubte; per, si no existien, seria considerat un dels visionaris ms ridculsde la histria de la qumica.

Anys ms tard es van trobar els elements que Mendeleiev havia predit i elsqumics darreu del mn van haver de dadmetre la validesa dels seus ar-guments. Potser aquest va ser un dels moments ms excitants de tota lallarga histria de la recerca dels elements. Finalment, alg nhavia esbrinatprou coses per predir lexistncia dall que ning no havia sospitat queexists.

Isaac Asimov ,La bsqueda de los elementos (fragment adaptat)

valncia Terme proposat,el 1853, pel qumic anglsEdward Frankland per definirla capacitat de combinacidels elements.

1 Explica en qu es basalordenaci de la taula pe-ridica.

2 Indica en quins aspectesmillorava la taula de Men de-

leiev altres ordenacions queshavien proposat anterior-ment.

3 A partir de la taula es vaaconseguir corregir algunserrors que shavien comsrespecte dalguns elements.Quins? A partir de quins cri-teris es van identificar?

4 Digues quines mancancestenia la primera taula queMendeleiev va proposar.

5 Quin va ser el fet que vadonar validesa a la taula pe-ridica davant la comunitatcientfica?


22/28

EL PERQU DE LES COSESQUINES REACCIONS TENEN LLOC ALS TOMS?

24

1 Qu volem saber?En un laboratori escolar s impossible experi-

mentar amb reaccions nuclears o amb radia-cions. En aquest cas, la tcnica informtica etpot ajudar simulant aquestes reaccions.

En aquesta activitat prctica utilitzars diver-

ses simulacions i animacions per veure com esprodueixen les reaccions de fissi que tenenlloc a les bombes i les centrals nuclears.

Per portar a terme aquesta activitat necessitesun ordinador amb connexi a Internet per vi-sualitzar correctament totes les simulacions ianimacions.

Simuladors de fissi

a Entra en el lloc webhttp://visionlearning.com/library.

b Dins la categoriaChemistry fes un clic sobreNuclear Chemistry: An introduction . Per can-viar la llengua fes un clic sobreen espaol .

c Clica sobre Una simulacin de la fisin deU235 (a la meitat de la pgina). Observacom t lloc una reacci de fissi i contestales qestions seguents:

En quins dos istops es divideix ltomdurani 235?Quins altres productes apareixen en la re-acci?

d Fes un clic sobreTwo Types of Nuclear ChainReactions (dos tipus de reaccions en ca-dena), observa les dues animacions i con-testa:

En aquesta simulaci has vist les reac-cions nuclears controlades i descontrola-des. On creus que es donen les reaccionsde cada tipus?Quina s la diferncia entre una central nu-clear i una bomba atmica pel que fa a re-accions nuclears?

Procediment

2 Anlisi de resultatsi conclusions

1 Fixat en la reacci de fissi nuclear i des-criu-la. Quina partcula inicia el procs?

2 Explica com es controla una reacci de fis-si nuclear.

3 En una central nuclear es pot produr unareacci de fissi nuclear descontrolada?


23/28


24/28

PENSO I APRENC

26

1 El model dtom

a) Rellegeix el text que fa referncia als models atmics i contesta:

a.1 En alguns llibres es compara el model de Thomson amb una sndriao un pa de pessic amb panses. Per qu?

a.2 Qui va trencar amb la teoria que ltom s indivisible? Amb quina ex-perincia ho va demostrar?

a.3 Explica breument en qu consisteix lexperiment de Rutherford. Perqu la major part de les partcules no es desviaven? Qu els passavaa les que rebotaven? I a les que es desviaven?

a.4 Per qu lexperiment de Rutherford no es podia explicar ni amb lateoria de Thomson ni amb la de Dalton?

2 Els toms

a) Indica quina relaci hi ha entre el nombre atmic, el nombre ms-sic, el nombre de protons, el nombre de neutrons i el nombre de-lectrons.

b) Defineix istop a partir de les relacions anteriors.

c) Completa la taula segent (en cas que sigui possible ms dunvalor, has de posar-hi el de listop ms abundant):

smbol qumic nom Z A protons neutrons electronshidrogen 1

Naor

12 6Hg 80

plom 82

d) Tenim quatre toms, que hem etiquetat com A, B, C i D, amb lescaracterstiques segents:

A 13 protons, massa atmica = 27B 14 protons, massa atmica = 27C 15 protons, massa atmica = 29D 13 protons, massa atmica = 26

d.1 Digues quants neutrons t cada tom i justifica quins sn istops delmateix element. Amb lajut de la taula peridica, digues a quin ele-ment pertany cada tom.


25/28

1

27

3 La massa atmica

a) Llegeix:

La massa dels toms, fins i tot la dels ms grans, no supera 1025 kg. Perpoder treballar-hi, cal definir una unitat ms petita. Aquesta unitat s luma(unitat de massa atmica), que es defineix com la dotzena part de la massadel 12C.

La massa atmica que consta a les taules peridiques inclou la possibilitatque hi hagi diversos istops del mateix element i labundncia relativa (pro-porci) de cada un daquests istops.

b) Observa com es calcula la massa atmica:

El clor t dos istops: el35Cl i el37Cl. A la natura hi ha el 75 % del primeri el 25 % del segon.

La massa atmica del Cl ser:

0,75 35 + 0,25 37 = 35,5 uma

c) Troba la massa atmica del Ne, Mg i Ti, considerant que elscorresponents istops es troben en les proporcions que sindiquena la taula del marge.

4 Electrons i enllaos

a) Contesta les preguntes segents:

a.1 Quina configuraci electr-nica busquen tots els tomsper ser ms estables? Comho fan per aconseguir-la?

a.2 Es poden combinar dos ele-

ments de la mateixa famliaper formar un enlla inic?Per qu?

a.3 De quin tipus s la foraque mant units els tomsen un enlla inic? Quin slorigen daquesta fora?

a.4 Quina estratgia fan servirels toms units mitjanantun enlla covalent per asso-lir una configuraci electr-nica estable?

istop proporci20Ne 91 %22Ne 9 %24

Mg 79 %25Mg 10 %26Mg 11 %

46Ti 8 %47Ti 7 %48Ti 74 %49Ti 6 %50Ti 5 %


26/28

28

5 Perode de semidesintegraci dun istop

a) Llegeix:

El perode de semidesintegraci o perode radioactiu s la quantitat detemps necessari perqu es desintegrin la meitat dels toms duna mostra.

Aquest valor ens informa de lactivitat i la perillositat dun istop. Un pero-de molt curt significar molta activitat i, per tant, listop ser fora perills.Els ms estables tenen perodes radiactius de milers de milions danys.

b) Observa aquest exemple:

El 95Zr passa a 95Nb per desintegraci. El perode de semidesintegraci del95Zr s de 64 dies. Per tant, una mostra de 100 g de95Zr, al cap de 64 diesshaur redut a la meitat (50 g); al cap de 128, a una quarta part (25 g), iaix successivament.

La frmula que dna el nombre distops romanents s la segent:

N = No 2t/T

N s el nombre dtoms que hi ha a linstantt ; N o s el nombre dtoms ini-cials; t s el temps transcorregut, iT s la vida mitjana (t i T han destar enla mateixa unitat de temps).

c) Completa la taula segent:

istop T Qquantitat inicial (g) 1 hora 1 dia 1 mes

95Y 1 min 1.00095Zr 64 dies 1.000

95Nb 35 dies 1.00090Sr 28 anys 1.000207Bi 38 anys 1.000

Fissi i fusi: histria, funcionament i esperances

En un laboratori escolar no s possible reproduir reaccions de fissi o fusi. Avui dia,per, els ordenadors ens permeten simular-les.

Obre el navegador i entra en el web http://www.castellnoudigital.com .

Fes un clic sobre la icona per entrar a la graella dactivitats del teu llibre de text.

Cerca la icona que correspongui al teu llibre de text i fes-hi un clic a sobre per obrirlenlla.


27/28

29

HO TINC CLAR 1

1 Enumera les partcules elementals que formen ltom. Quina massai crrega t cadascuna delles? On es troben?

2 Defineix nombre atmic i nombre mssic . Relaciona aquestes defini-cions amb el concepte distop.

3 Omple la taula segent:

istop nom Z protons A electrons

13H

1124Na

2040Ca

816

O1327Al

1737Cl

4 Explica com estan ordenats els elements a la taula peridica. Quinacaracterstica tenen els elements duna mateixa columna?

5 Indica les diferncies que hi ha entre un enlla inic i un de covalent.Quin s lorigen de la fora que mant units els toms en cada tipusdenlla?

6 Quina s la principal caracterstica de lenlla metllic? Com reper-cuteix en les propietats de les substncies metlliques?

7 Explica les diferncies entre una reacci qumica i una de nuclear.

8 Quines sn les conseqncies de la fissi? Quina relaci hi ha entrela fissi i la radioactivitat?

9 Digues si les afirmacions segents sn vertaderes (V) o falses (F):

a La major part de la massa de ltom est concentrada a les-cora.

b La massa de lelectr s molt ms petita que la del neutr.c La crrega del prot s de signe contrari a la del neutr.d Gaireb tota la massa de ltom es concentra al nucli.e Els toms sn neutres perqu tenen el mateix nombre de pro-

tons que delectrons.f Si un cos perd electrons queda carregat negativament.g Les partcules alfa tenen crrega negativa.h Si un element t el nombre mssic i el nombre atmic iguals,

podem dir que no t electrons.


28/28

FSICA i QUMICA r esoFSICA i QUMICA3 r eso

Física i Química (Castellnou)

Documents

Transcript of Física i Química (Castellnou)