FÍSICA i QUÍMICA Andreu Marsal i Oriol Saladrigas

3 r eso

FÍSICA i QUÍMICA Andreu Marsal Oriol Saladrigas

3 r eso

índex 1 L’àtom ..................................................................................................... 8 2 Estructura de la matèria ....................................................... 30 3 Substàncies pures i mescles ............................................ 55 4 Canvis químics ............................................................................. 78 5 L’electricitat ................................................................................. 100

+1 Recopilació i síntesi .............................................................. 124

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

TAULA DE CONTINGUTS CONTINGUTS

LECTURA

1 L’àtom

En els límits de la matèria: l’àtom i més enllà Evolució històrica del model atòmic La unió dels àtoms: els enllaços L’ordre dels elements: la taula periòdica Matèria i energia

D’on ve la taula periòdica?

2 Estructura

Dins la matèria Un model per a la matèria: la teoria cinètica Llibertat de moviment: els gasos Llibertat per lliscar: els líquids Vibrar en un punt: els sòlids Calor per canviar d'estat Canvis d’estat

La ciència de la calor i del fred

Classificació de la matèria: substàncies pures i mescles Elements i compostos Substàncies homogènies i heterogènies Suspensions i col·loides Mescles homogènies o solucions La solubilitat Mètodes de separació

El flam, un sistema dispers

4 Canvis químics

L’origen de la química Què és una reacció química? Algunes reaccions químiques Model atòmic molecular de les reaccions químiques Energia i química Tot és química

De la pólvora a la dinamita

5 L’electricitat

L’electricitat i la humanitat L’electrostàtica: càrregues quietes L’electricitat: càrregues en moviment Tipus de corrent elèctric: AC/DC Aparells elèctrics Alguns fenòmens elèctrics naturals De la llum a l’electricitat

De les anguiles elèctriques a les piles

de la matèria

3 Substàncies

pures i mescles

+1 Recopilació

i síntesi

Contaminant el planeta: el plutoni Plantem benzina? Els metalls en el cos humà L’aigua ben neta Fahrenheit 451 L’era de l’electrònica: progrés o consumisme?

EL PERQUÈ DE LES COSES

PENSO I APRENC

HO TINC CLAR

Quines reaccions tenen lloc als àtoms? Com es disposen els electrons?

El model d’àtom Els àtoms La massa atòmica Electrons i enllaços Període de semidesintegració d’un isòtop

Autoavaluació

Com es comporta un gas ideal?

Unitats de pressió i volum. Canvis d’unitats Torricelli i el baròmetre La mesura de la temperatura Gasos ideals. Llei de Boyle i Mariotte Llei de Charles Llei de Gay-Lussac Gasos ideals Líquids Sòlids i dilatació

Autoavaluació

Com es pot distingir les substàncies solubles de les insolubles? Com es pot distingir una solució d’un col·loide?

Concentracions Analitzant una etiqueta Anàlisi de gràfiques

Autoavaluació

Què augmenta la velocitat d’una reacció? En què es diferencien la combustió de l’oxidació?

L’origen de la química Canvis a la natura Igualació d’una reacció Composició i descomposició Identificació de reactius i productes Oxidació Reaccions, àtoms i enllaços Tipus de reaccions Obtenció de metalls a partir d’un mineral Estequiometria Cinètica de les reaccions químiques Càlcul de la superfície de contacte Facilitat per reaccionar

Autoavaluació

Quines diferències hi ha entre els circuits en sèrie i en paral·lel?

Electricitat estàtica L’ampolla de Leyden Coulomb Llei de Coulomb Intensitat, voltatge i resistència Aïllants i conductors Piles i bateries La bombeta Corrent altern i continu Els circuits elèctrics Llamps i trons

Autoavaluació

L’àtom

1 CONTINGUTS

OBJ EC T IU S L’estructura dels àtoms i els mecanismes que descriuen la formació de molècules són una de les claus que expliquen les propietats de la matèria que ens envolta. En aquesta unitat podràs: Descriure el model atòmic actual.

En els límits de la matèria: l’àtom i més enllà Evolució històrica del model atòmic La unió dels àtoms: els enllaços L’ordre dels elements: la taula periòdica Matèria i energia LECTURA D’on ve la taula periòdica? EL PERQUÈ DE LES COSES Quines reaccions tenen lloc als àtoms? Com es disposen els electrons?

Relacionar la configuració electrònica dels àtoms amb les seves propietats i amb l’ordenació a la taula periòdica.

PENSO I APRENC

Conèixer i comprendre els mecanismes d’enllaç dels àtoms.

HO TINC CLAR

Entendre les principals reaccions nuclears i el seu paper en la producció energètica actual i del futur. Comprendre el concepte de radioactivitat. Diferenciar els tipus de radiació, la seva utilitat i els riscos que comporten.

OBS ERVA Com s’anomena la unitat que constitueix totes les substàncies? Quines partícules bàsiques conté? Els àtoms s’enllacen entre ells? Com ho fan?

ACTIVITATS PRÈVIES Explica d’on prové el concepte d’àtom (recorda que átomos és una paraula grega que vol dir ‘indivisible’). 1

2

Defineix element.

Descriu la taula periòdica. Hi apareixen totes les substàncies? 3

Com s’enllaçen els elements entre si? Tots ho fan de la mateixa manera? 5

Els àtoms són realment indivisibles? Sabries descriure alguna situació en què un àtom es divideixi? Què passa quan això succeeix? Se’n treu algun profit? 6

Què és la radioactivitat? Per què és tan perillosa? Sempre té efectes negatius? 7

4

Els àtoms tenen càrrega elèctrica?

MAPA CONCEPTUAL

L’àtom

es representa mitjançant

s’uneix amb d’altres mitjançant

pot emetre

model atòmic actual

enllaços

radiació

nucli

escorça

iònics

covalents

metàl·lics

alfa beta

responsables dels

neutrons

10

protons

electrons

gamma

1. En els límits de la matèria: l’àtom i més enllà

1

La curiositat i l’afany de saber han mogut l’espècie humana des dels seus inicis. Un dels grans misteris de la natura ha estat, i encara és, conèixer l’estructura més íntima de la matèria. Aquest coneixement, si bé molts cops no té una aplicació clara, ens pot aportar grans beneficis en un futur. Per exemple, pot ajudar a trobar la manera d’aprofitar l’energia de l’àtom sense generar residus nocius, fet que tindrà molta importància, sobretot si tenim en compte la imminent crisi energètica originada per l’esgotament dels combustibles fòssils. El tema central d’aquesta unitat és l’estructura de l’àtom, però també hi veuràs conceptes com l’enllaç i la radioactivitat. Tot i que el concepte d’àtom et pot semblar modern, fa prop de 2.500 anys que el filòsof grec Demòcrit (Abdera, 460 aC – ? 370 aC) ja va plantejar aquesta qüestió. Al seu parer, si una cosa existia havia de ser eterna, perquè «res no ve de res». Les coses que formen el món, però, estan sotmeses a canvis i transformacions constants. Per explicar aquestes transformacions a partir d’una cosa eterna i immutable, Demòcrit va postular l’existència d’uns elements bàsics, que va anomenar àtoms (del grec átomos, ‘indivisible’). Aquests elements són eterns i, tot i que no es poden dividir, és possible combinar-los de diverses formes. Per bé que la idea de Demòcrit es basava en la intuïció i no pot ser considerada una teoria científica, ja que no es fonamenta en cap resultat experimental, es pot dir que el filòsof no anava del tot desencaminat. El concepte d’àtom es va acceptar inicialment, però al segle formular arran dels nous descobriments.

XIX

es va re-

Les centrals nuclears generen grans quantitats d’energia i no contribueixen al canvi climàtic, però molta gent s’oposa a la seva construcció. Saps per què? Què en penses?

11

2. Evolució històrica del model atòmic

AMPLIACIÓ

El daltonisme és un trastorn anomenat així pel físic anglès John Dalton (l766 – l844), que el patia. Consisteix en la impossibilitat de diferenciar alguns colors (discromatòpsia). És hereditari i va lligat al sexe. Quin nombre veus en la imatge?

El concepte d’àtom ha anat canviant amb el temps. Cada nou model atòmic se sustenta en els anteriors, de vegades mantenint-ne alguns aspectes, i d’altres, modificant-los.

2.1 Model atòmic de Dalton John Dalton (1766 – 1844), químic i físic anglès, va treballar per relacionar el concepte d’element químic amb les hipòtesis de Demòcrit sobre l’àtom, cosa que el va portar a desenvolupar la teoria atòmica sobre la qual es basa la ciència moderna. Aquests en són els punts principals: La matèria no és infinitament divisible, sinó que hi ha una darrera partícula que no es pot fragmentar anomenada àtom. Els àtoms d’un mateix element són tots idèntics. Els àtoms són invariables. No és possible convertir un àtom en un altre de diferent per cap procés físic o químic. Els compostos estan formats per la combinació de dos o més àtoms d’elements diferents. En una reacció química no es creen ni es destrueixen àtoms, tan sols en canvia la distribució. Dalton considerava els àtoms com unes unitats esfèriques que, mitjançant el contacte físic i gràcies a una forta interacció, es podien enllaçar per formar molècules.

2.2 Model atòmic de Thomson Joseph John Thomson (1856 – 1940), físic anglès, va determinar el caràcter negatiu dels feixos de partícules que emetia un sistema d’elèctrodes sotmès a una elevada tensió elèctrica. Aquestes partícules les va anomenar electrons i les va identificar com a components de l’àtom, desmentint, així, la idea prèvia de la indivisibilitat.

Model atòmic de Dalton.

Va proposar un model atòmic senzill (el famós «pastís de panses»), que explicava el fet que la matèria fos elèctricament neutra però que, en determinades situacions, fos possible apartar-ne només la carrega negativa. Segons Thomson, un àtom estava format per: Una esfera de càrrega positiva.

Model atòmic de Thomson.

12

Diverses càrregues negatives (electrons) incrustades en aquesta esfera.

1 2.3 Model de Rutherford Per verificar la teoria de Thomson, Ernest Rutherford (1871 – 1937), un físic britànic deixeble seu, va fer un experiment que consistia a bombardejar una làmina d’or molt fina amb un feix de partícules alfa (vegeu pàg. 21). Si el model de Thomson era cert, les partícules havien de travessar la làmina sense modificar de manera apreciable la seva trajectòria, ja que la petitesa dels electrons no els suposava cap obstacle. Els resultats, però, van ser sorprenents: si bé la gran majoria mantenien la seva trajectòria, algunes es desviaven considerablement i d’altres fins i tot rebotaven. nucli

font de partícules alfa làmina d’or

Experiment de Rutherford.

partícules

Aleshores, Rutherford va formular el seu model atòmic: La major part de l’àtom és buida (això explicaria que la majoria de partícules no es desviessin). La massa i la càrrega positiva es concentren al nucli, mentre que els electrons, molt més lleugers, giren al seu voltant (això explicaria les desviacions de certes partícules). En efecte, les desviacions d’algunes partícules només es podien entendre si es considerava que aquestes xocaven contra una altra partícula de gran massa i càrrega elevada. Rutherford va suposar que ocell petit tota la massa i la càrrega positiva de l’àtom estava concentrada en un petit nucli, unes deu mil vegades més 3 km persona petit que l’àtom, i que, a gran distància, hi havia una escorça on se situaven els electrons, de càrrega negativa.

Model atòmic de Rutherford.

electró

Més endavant, per justificar el fet que el pes atòmic dels elements fos superior al dels protons del nucli, Rutherford va plantejar la possibilitat que existissin unes altres partícules nuclears de massa semblant a la del protó però sense càrrega elèctrica: els neutrons. Uns quants anys més tard, se’n va provar l’existència.

nucli d'hidrogen

La major part de l’àtom és buida.

13

electró

2.4 El model atòmic actual

protó

escorça

neutró

Amb el pas del temps s’han anat succeint descobertes que han permès conèixer l’estructura atòmica amb molt més detall. El model actual de l’àtom està basat en les aportacions de Dalton, Thomson, Rutherford i tots els físics posteriors que han treballat en aquest camp. Aquest model en distingeix clarament dues parts: el nucli i l’escorça. 2.4.1 El nucli El nucli, situat al centre de l’àtom, està format per protons (partícules amb càrrega positiva) i neutrons (partícules sense càrrega).

capa

nucli

Model atòmic.

Tots els àtoms d’un mateix element químic (carboni, oxigen, hidrogen, or...) contenen el mateix nombre de protons. Aquest valor s’anomena nombre atòmic i es representa amb la lletra Z. La suma del nombre de protons i de neutrons d’un àtom rep el nom de massa atòmica i es representa amb la lletra A, també s’anomena nombre màssic. La massa del protó i la del neutró són aproximadament iguals. S’anomenen isòtops els diferents àtoms d’un mateix element que es diferencien per la massa atòmica, és a dir, pel nombre de neutrons. Per exemple, un àtom d’hidrogen, amb nombre atòmic 1, sempre té 1 protó al nucli, però pot tenir diversos isòtops, com el proti (1H, sense neutrons al nucli i que comunament s’anomena hidrogen), el deuteri (2H, que conté 1 neutró) o el triti (3H, que conté 2 neutrons).

e

p

2.4.2 L’escorça àtom de proti

e

p

n

àtom de deuteri

e

p

n n

àtom de triti

Isòtops de l’hidrogen (el nombre de protons és invariable).

14

L’escorça és la part exterior de l’àtom i està formada pels electrons, unes partícules amb càrrega negativa i de massa insignificant (unes 2.000 vegades més petita que la d’un protó) que giren al voltant del nucli organitzats en diferents nivells o capes. Les característiques dels elements (reactivitat, compostos que formen, propietats físiques, etc.), que veuràs més endavant, depenen principalment de la distribució dels electrons a la darrera capa. Els àtoms, elèctricament neutres, contenen el mateix nombre de protons que d’electrons. Per tant, el seu nombre atòmic coincideix amb el nombre d’electrons. Tenint en compte que A = Z + N, un nucli atòmic pot quedar perfectament definit amb el seu símbol (o amb el nombre atòmic Z ) i el nombre de neutrons. Tot i això, la manera més usual de referir-se als elements és mitjançant el símbol químic i la massa atòmica. Per exemple, en el cas del cobalt 60Co o cobalt-60.

1

3. La unió dels àtoms: els enllaços Com ja hem apuntat anteriorment, els electrons d’un àtom es troben repartits d’una manera determinada en diferents nivells o capes (configuració electrònica). En cada capa n’hi cap un nombre concret. Els àtoms intenten guanyar o perdre electrons per completar la darrera capa i, així, aconseguir l’estabilitat. Un enllaç és la unió entre dos o més àtoms amb la finalitat de ser més estables. Els principals enllaços atòmics són l’iònic, el covalent i el metàl·lic.

3.1 Enllaç iònic L’enllaç iònic és la unió entre un àtom que tendeix a cedir electrons amb facilitat (perquè a la darrera capa li’n manquen molts per estar completa) i un altre que tendeix a captar-los (perquè li’n falten molt pocs per completar la darrera capa ). Els elements que formen aquest tipus d’enllaç es troben situats als extrems de la taula periòdica i, per tant, tenen propietats molt diferents.

RECORDA

L’enllaç iònic és fruit de la força d’atracció entre ions de diferent signe formats com a conseqüència de la transferència d’electrons entre els àtoms corresponents.

Si es produeix una transferència d’electrons entre dos àtoms, el nombre de protons i d’electrons de cada àtom canviarà i, en conseqüència, tots dos quedaran carregats elèctricament (ió). Si l’àtom ha perdut electrons, tindrà càrrega positiva (catió). Si l’àtom ha guanyat electrons, tindrà càrrega negativa (anió). Tenint en compte que els dos àtoms que han intercanviat electrons s’han carregat amb signes contraris, és fàcil d’entendre que es creï una força d’atracció que els mantindrà units. 1

1 El sodi (Na) té tendència a perdre l’únic electró de la darrera capa.

a

2 El clor (Cl) té tendència a agafar-ne un per completar la darrera capa.

2

3 El sodi perd l’electró de la capa exterior, que és captat pel clor. 3

b

4 Es creen dos ions, Na+ i Cl–, de càrregues contràries.

4

5 Com que les càrregues oposades s’atreuen, els ions formen un conjunt estable: el clorur de sodi (NaCl) o sal.

En general, les substàncies iòniques són sòlides, amb un punt de fusió elevat, no conductores, dures i fràgils, i formen xarxes cristal·lines.

Dues substàncies iòniques: a Clorur de sodi (NaCl). b Fluorur de calci (CaF2).

15

RECORDA

3.2 Enllaç covalent

En el cas de l’enllaç covalent, els àtoms comparteixen els electrons de la darrera capa.

L’enllaç covalent és la unió entre àtoms amb un nombre elevat d’electrons a la darrera capa, que gairebé està completa. Per això és l’enllaç que formen els àtoms amb una tendència similar a guanyar electrons i que estan situats en llocs propers de la taula periòdica, generalment a la part dreta (vegeu pàg. 19). En aquest cas no hi ha ni pèrdua ni guany d’electrons per part de cap dels àtoms que s’uneixen: els electrons es comparteixen. Aquest fet dóna estabilitat a la parella i permet que tots dos àtoms tinguin la darrera capa completa.

L’àtom de fluor (F) conté set electrons a la darrera capa, però per ser més estable n’hi hauria de tenir vuit. Si no hi ha cap altre element que li’n pugui cedir, opta per compartir un parell d’electrons amb un altre àtom de fluor formant la molècula (F2). Si comptes el nombre d’electrons de la darrera capa veuràs clarament que ara n’hi ha vuit.

a

b

a Aigua (H2O): substància covalent molecular. b Quarz (SiO2): substància covalent atòmica.

16

L’àtom d’oxigen (O) conté sis electrons a la darrera capa, però per ser més estable n’hi hauria de tenir vuit. L’àtom d’hidrogen (H) conté un electró a la seva única capa, però per ser més estable n’hi hauria de tenir dos. L’oxigen comparteix, al mateix temps, dos electrons amb dos àtoms d’hidrogen i es forma una molècula d’aigua.

Els principals tipus d’enllaç covalent són: Covalent molecular. Els àtoms s’agrupen formant molècules, és a dir, combinacions de pocs àtoms del mateix o de diferents elements. En són exemples l’aigua (H2O), l’oxigen (O2) i l’hidrogen (H2). Aquest tipus d’enllaç és el de gairebé totes les substàncies líquides i gasoses a temperatura ambient. Solen tenir punts de fusió i d’ebullició relativament baixos i només són solubles en substàncies com l’oli. Aquestes substàncies no condueixen l’electricitat. Covalent atòmic. Els àtoms s’agrupen en grans quantitats formant xarxes cristal·lines. En són exemples el diamant (C) i el quars (SiO2). Aquest tipus d’enllaç és el d’alguns sòlids amb un grau de duresa i un punt de fusió molt elevats. Aquestes substàncies no condueixen l’electricitat.

1 3.3 Enllaç metàl·lic

moviment dels electrons

Com indica el seu nom, és la unió entre àtoms d’elements metàl·lics, situats a l’esquerra de la taula periòdica. Aquests àtoms es caracteritzen perquè tenen pocs electrons a la darrera capa. Aleshores, per tal d’adoptar una configuració estable, tots aquests electrons creen un núvol que envolta els ions positius situats en posicions fixes. Les característiques de les substàncies metàl·liques estan molt relacionades amb les propietats d’aquest núvol electrònic. En general tenen una elevada conductivitat tèrmica i elèctrica, ja que el núvol d’electrons es pot moure lliurement pel material. A més, són dúctils i mal·leables, ja que els enllaços metàl·lics admeten petits canvis en les distàncies atòmiques sense trencar-les. tipus d’enllaç

iònic

covalent molecular

covalent atòmic

metàl·lic

estructura de l’enllaç

Enllaç metàl·lic.

propietats de les substàncies Sòlids Punt de fusió elevat Punt d’ebullició elevat Solubles en l’aigua Condueixen l’electricitat foses o dissoltes

Fonamentalment líquids i gasos Punt de fusió baix Punt d’ebullició baix Insolubles en l‘aigua No condueixen l’electricitat

Sòlids Punt de fusió elevat La solubilitat i conductivitat varien d’una substància a una altra

Sòlids Dúctils i mal·leables Punt de fusió elevat Punt d’ebullició elevat Insolubles en l’aigua

17

4. L’ordre dels elements: la taula periòdica La taula periòdica és una manera lògica d’ordenar els elements, en files i columnes, que permet obtenir-ne una gran quantitat d’informació. A les files (períodes), els elements es disposen segons el seu nombre atòmic. El primer element de la taula (hidrogen) només conté un protó, i el darrer (röntgeni) en conté 111. Fixa’t que, en una mateixa fila, el nombre atòmic augmenta d’esquerra a dreta.

Marie Curie o Maria Sklodowska (1867 – 1934), física i química francesa d’origen polonès, fou una de les primeres dones de l’era moderna que destacà en l’àmbit científic. Es dedicà principalment a l’estudi de les radiacions, investigacions que li valgueren el premi Nobel de Física de l’any 1903, juntament amb el seu marit, Pierre Curie, i el seu mestre, Henri Becquerel. Més tard, el 1911, va rebre un altre premi Nobel, en aquest cas el de Química i en solitari, pel descobriment de dos elements radioactius: el radi i el poloni. Va morir d’una leucèmia causada, probablement, per les llargues exposicions a la radiació a què l’havia obligat la seva feina.

Alguns elements químics.

18

Els elements se separen en columnes (grups) segons el nombre d’electrons de l’àtom a la darrera capa, ja que són els que s’enllacen amb altres àtoms i determinen en gran part les propietats dels elements. En una mateixa columna, per tant, els elements tenen característiques molt semblants, per això es parla de famílies (alcalins, alcalinoterris, halògens, etc.). L’última columna conté els anomenats gasos nobles. Són els únics elements que tenen la darrera capa electrònica plena, per això són molt estables i gairebé no es combinen amb cap altre element. Els altres àtoms, en canvi, intenten guanyar o cedir electrons per tal d’assolir la configuració d’un gas noble, motiu pel qual estableixen enllaços i produeixen reaccions químiques. En una primera classificació podem dividir la taula en diferents grups, amb elements de propietats semblants. Els principals són els metalls, els semimetalls i els no-metalls. Una taula periòdica bàsica mostra el nombre atòmic i el símbol de cada element, però pots trobar-ne d’altres que contenen informacions complementàries, com, per exemple, l’estat d’agregació a 30 °C de temperatura i 1 atm de pressió (els elements sintètics no es troben en la natura i no té sentit que parlem del seu estat) o la massa atòmica mitjana de tots els isòtops d’un element.

1

19

5. Matèria i energia 5.1 Les reaccions nuclears neutró

nucli neutró

neutró

Les reaccions nuclears són processos en què un nucli atòmic es modifica per la col·lisió amb un altre nucli o una partiícula nuclear. En aquest cas no hi ha combinació entre elements, sinó pèrdues o guanys de protons o neutrons, és a dir, variació del nombre màssic. Hi ha dos tipus de reaccions nuclears: Fissió. El nucli atòmic se separa en dues parts més petites. Fusió. Dos o més nuclis lleugers s’uneixen per formar-ne un de més pesant.

neutró

La fissió és una reacció nuclear en què el nucli d’un àtom es divideix en dues parts més petites i s’allibera una gran quantitat d’energia. L’exemple més clar el trobem en l’urani, que es fissiona en dos àtoms més lleugers, generalment el iode i l’itri.

Les reaccions nuclears comporten l’alliberament de grans quantitats d’energia. Aquest fet és conseqüència de la conversió de matèria en energia, d’acord amb l’equació E = mc2, proposada per Albert Einstein. Segons aquesta fórmula, una petita quantitat de matèria (m) que es mou a una velocitat propera a la de la llum (c) dóna lloc a una gran quantitat d’energia (E). En l’edat mitjana, l’alquímia va cercar fórmules per transmutar la matèria, i alguns relats fantasiosos descriuen la conversió del plom en or, però no va ser fins al principis del segle XX que s’aconseguí realment dur a terme una transmutació. Fou el mateix Ernest Rutherford qui va convertir nitrogen en oxigen bombardejant àtoms de nitrogen amb partícules alfa. Aquest experiment va demostrar que, per transformar artificialment un element, cal afegir partícules al seu nucli o treure’n. 5.1.1 Energia nuclear i armament

triti

deuteri

heli

neutró

La fusió és una reacció nuclear en què els nuclis de dos o més elements s’uneixen per formar-ne un de més gran alliberant, així, una gran quantitat d’energia. Un bon exemple de fusió és la unió de dos isòtops d’hidrogen, el triti i el deuteri, per formar heli. Aquesta reacció és la que té lloc als estels.

20

Conscients que les reaccions nuclears, a més de transmutar la matèria, impliquen l’alliberament de grans quantitats d’energia, les potències enfrontades durant la Segona Guerra Mundial emprengueren una carrera per fabricar la primera arma atòmica. Els Estats Units van ser els primers que ho van aconseguir, i el resultat foren les bombes atòmiques d’Hiroshima i Nagasaki, que forçaren la rendició del Japó l’any 1945. Acabada la guerra, el món quedà dividit en dos grans blocs: el capitalista, liderat pels Estats Units, i el comunista, sota el control de l’antiga URSS. Tant els uns com els altres disposaven de bombes atòmiques capaces de destruir el món. Actualment, molts països han fabricat bombes atòmiques (França, el Regne Unit, l’Índia, el Pakistan, Israel, etc.).

«Bolet» atòmic.

1 5.2 La radioactivitat La radioactivitat és el procés que té lloc de forma espontània quan un isòtop d’un element es transforma en un altre isòtop mentre emet radiacions a l’espai. En distinguim tres tipus: Radiació alfa. Està formada per partícules alfa (␣), que tenen dos protons i dos neutrons, és a dir, són com un nucli d’heli. La radiació alfa no té gaire capacitat de penetració i pot ser detinguda per qualsevol material, com un paper o uns pocs centímetres d’aire. 23 8 92

U →

23 4 90

Th + 42 He (partícula α)

AMPLIACIÓ

A Tarragona, la regió on es concentren més centrals nuclears del nostre país, s’ha desenvolupat el pla PENTA, un pla d’emergència que descriu un model d’actuació que preveu els procediments que s’haurien d’activar en cas d’un accident nuclear.

Radiació beta. Està formada per partícules beta (␤), és a dir, per electrons. Es produeix quan un neutró es transforma en un protó i un electró i aquest últim és expulsat. La massa de l’àtom no canvia (la massa del protó i la del neutró són gairebé iguals), però l’element serà un altre, ja que el nucli tindrà un protó més. La radiació beta només pot ser detinguda per làmines de metall o per altres materials, com la fusta o la roba, quan formen capes gruixudes. 23 4 90

Th →

23 4 91

Pa +

0 –1

e– (partícula β)

Radiació gamma. Es produeix quan un àtom passa d’un estat d’excitació a un altre de més estable i no comporta directament un canvi de la configuració del nucli atòmic. La radiació gamma (␥) és una forma de radiació electromagnètica, com la llum o les ones de ràdio, però molt més energètica i perjudicial, ja que pot travessar gairebé tots els materials. Per aturar-la s’utilitzen grans murs de plom o de formigó. àtom: atom 23 5 92

U* →

23 5 92

U +

(partícula γ)

5.2.1 Efectes de la radioactivitat

taula periòdica: periodic table radioactivitat: radioactivity nucli: nucleous

La radioactivitat pot tenir efectes a curt o a llarg termini. Els efectes immediats estan lligats a la interacció de la radiació amb l’aigua, els enzims i els àcids nucleics de les cèl·lules. En el cas de l’aigua, en trenca la molècula i dóna ions H+ i OH–, perjudicials per al funcionament cel·lular. De vegades, la radiació s’utilitza expressament per matar cèl·lules cancerígenes. Els efectes diferits engloben una sèrie de modificacions, algunes de les quals encara no han estat prou estudiades. Entre aquestes hi ha, per exemple, l’alteració de l’ADN, que pot provocar malformacions en els descendents de les persones exposades a la radiació, com s’ha comprovat arran de les bombes d’Hiroshima i Nagasaki o l’accident de Txernóbil.

escorça: shell enllaç: bond electró: electron neutró: neutron protó: proton partícula nuclear: nuclear particle isòtop: isotope energia nuclear: nuclear power

21

LECTURA

D’on ve la taula periòdica? Mendeleiev solved the challenge of categorizing the chemical elements in a logical way. Basically, he invented a double-entrance table in which firstly, the elements that have the same value are placed in columns; and secondly, these elements are placed in an increasing atomic mass order in rows. element

valència

hidrogen

1

liti

1

beril·li

2

bor

3

carboni

4

nitrogen

3

oxigen

2

fluor

1

sodi

1

magnesi

2

alumini

3

silici

4

fòsfor

3

sofre

2

clor

1

potassi

1

calci

2

Al final del 1860, Mendeleiev, com la majoria dels químics anteriors a ell, havia afrontat el repte d’ordenar d’alguna manera la llista dels elements. Alguns químics estaven abordant el mateix problema a partir de diferents criteris basats en les propietats dels materials o els pesos atòmics. Mendeleiev, però, va enfocar l’assumpte des d’un angle diferent: el seu punt de partida van ser les valències dels elements. Des de feia molts anys ja se sabia que cada element posseïa un cert «poder de combinació». L’àtom d’hidrogen, per exemple, només podia fer-se càrrec d’un altre àtom: mai no es combinava amb dos àtoms d’oxigen per formar HO2, per posar un exemple. Per altra banda, l’oxigen podia combinar-se amb dos àtoms, i només dos, com en el cas de l’aigua (H2O). Es podria dir que l’àtom d’hidrogen és monògam i que l’àtom d’oxigen és bígam... Així, doncs, l’hidrogen posseïa un poder de combinació d’1, com els elements d’un grup en què hi havia el sodi, el fluor, el brom, el potassi o el iode; l’oxigen i un altre cert nombre d’elements tenien un poder d’enllaç de 2; el nitrogen i alguns altres tenien un poder de combinació de 3, i així successivament. Mendeleiev es va concentrar en les valències. Mostraven algun tipus de pauta? Va fer una llista ordenada dels elements segons el seu pes molecular i hi va escriure al costat la valència corresponent. Com es pot veure, el valor de la valència puja i baixa. Començant per 1, puja fins a 4 i després baixa fins a 1, s’eleva fins a 4 i a continuació torna a 1. A mesura que la llista augmenta, les coses ja no són tan senzilles, però la valència continua ascendint i descendint de forma relativament periòdica. Sobre la base d’aquests cicles o períodes revelats per les valències, Mendeleiev va compondre una taula periòdica dels elements. La va publicar l’any 1869 i va tenir un gran ressò entre la comunitat científica. Mendeleiev va continuar treballant en la seva taula i la va millorar seguint els descobriments d’altres científics. Quan la va acabar, aquesta tenia gairebé el mateix aspecte que la que utilitzem actualment.

22

1 La gran victòria aconseguida per Mendeleiev va ser ordenar els elements coneguts de tal manera que qualsevol químic pogués reconèixer que tots els d’una columna es poden considerar pertanyents a la mateixa família. Per exemple, el coure, la plata i l’or són metalls amb moltes propietats en comú, i es pot dir exactament el mateix del carbó, el silici, l’estany i el plom.

valència Terme proposat, el 1853, pel químic anglès Edward Frankland per definir la capacitat de combinació dels elements.

Per primera vegada, la taula de Mendeleiev també proporcionava sentit a tota la multitud d’elements, ja que els organitzava en famílies molt ben definides. No es tractava d’una representació poc sistemàtica de coincidències o d’una barreja sense cap mena de criteri, com havia succeït amb altres científics que l’havien precedit. Ara, totes les famílies es presentaven en una disposició tan lògica que resultava impossible considerar-les simples coincidències. Malgrat l’aparent victòria de Mendeleiev, la comunitat científica no estava disposada a acceptar la taula periòdica simplement per l’aspecte extern. Era massa adequada, massa bona, perquè fos vàlida; calia trobar proves que l’avalessin. Mendeleiev tenia tanta confiança en la validesa de la seva taula periòdica que es va atrevir a posar en dubte les idees establertes per altres químics i fer unes prediccions molt arriscades. Va manifestar que s’havien comès errors en el càlcul dels pesos atòmics d’algunes substàncies, ja que no encaixaven en la seva taula. Fins i tot va proposar els valors aproximats que havien de tenir. Aquestes prediccions li van donar un cert prestigi, perquè més tard es va demostrar que eren correctes.

1 Explica en què es basa l’ordenació de la taula periòdica. 2 Indica en quins aspectes millorava la taula de Mendeleiev altres ordenacions que s’havien proposat anteriorment.

Però Mendeleiev encara es va arriscar més en referir-se a alguns elements que faltaven a la taula. Perquè la seva taula funcionés, va haver de deixarhi alguns espais en blanc, la qual cosa no va agradar gens als científics de l’època. Davant les seves qüestions sempre els contestava que només calia buscar els elements que faltaven. No es podia haver concebut una prova més arriscada. Si aquests elements es trobaven, Mendeleiev es convertiria en un heroi i la taula periòdica quedaria verificada més enllà de qualsevol dubte; però, si no existien, seria considerat un dels visionaris més ridículs de la història de la química.

3 A partir de la taula es va aconseguir corregir alguns errors que s’havien comès respecte d’alguns elements. Quins? A partir de quins criteris es van identificar?

Anys més tard es van trobar els elements que Mendeleiev havia predit i els químics d’arreu del món van haver de d’admetre la validesa dels seus arguments. Potser aquest va ser un dels moments més excitants de tota la llarga història de la recerca dels elements. Finalment, algú n’havia esbrinat prou coses per predir l’existència d’allò que ningú no havia sospitat que existís.

5 Quin va ser el fet que va donar validesa a la taula periòdica davant la comunitat científica?

4 Digues quines mancances tenia la primera taula que Mendeleiev va proposar.

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

23

E L P E RQU È D E L E S COS E S QU I N E S R E ACC I O N S T E N E N L LO C A LS À TO M S ? 1 Què volem saber? En un laboratori escolar és impossible experimentar amb reaccions nuclears o amb radiacions. En aquest cas, la tècnica informàtica et pot ajudar simulant aquestes reaccions.

En aquesta activitat pràctica utilitzaràs diverses simulacions i animacions per veure com es produeixen les reaccions de fissió que tenen lloc a les bombes i les centrals nuclears.

Procediment Per portar a terme aquesta activitat necessites un ordinador amb connexió a Internet per visualitzar correctament totes les simulacions i animacions. Simuladors de fissió a Entra en el lloc web http://visionlearning. com/library. b Dins la categoria Chemistry fes un clic sobre Nuclear Chemistry: An introduction. Per canviar la llengua fes un clic sobre en español. c Clica sobre Una simulación de la fisión de U235 (a la meitat de la pàgina). Observa com té lloc una reacció de fissió i contesta les qüestions seguents:

24

En quins dos isòtops es divideix l’àtom d’urani 235? Quins altres productes apareixen en la reacció? d Fes un clic sobre Two Types of Nuclear Chain Reactions (‘dos tipus de reaccions en cadena’), observa les dues animacions i contesta: En aquesta simulació has vist les reac cions nuclears controlades i descontrolades. On creus que es donen les reaccions de cada tipus? Quina és la diferència entre una central nuclear i una bomba atòmica pel que fa a reaccions nuclears?

2 Anàlisi de resultats i conclusions

2 Explica com es controla una reacció de fissió nuclear.

1 Fixa’t en la reacció de fissió nuclear i descriu-la. Quina partícula inicia el procés?

3 En una central nuclear es pot produïr una reacció de fissió nuclear descontrolada?

E L P E RQU È D E L E S COS E S COM E S D I S P OS E N E LS E L E C T RO N S ?

1

1 Què volem saber? En aquesta simulació podràs veure quines partícules hi ha a l’àtom, quantes són i on es troben, i entendràs la disposició dels electrons en els diferents tipus d’enllaç.

Procediment a Entra en el lloc web http://www.maloka.org/ f2000/applets/a2.html. b Clica sobre l’àtom d’hidrogen. Observa que està format pel nucli i els electrons. c Clica sobre l’àtom d’heli. Fixa’t que el nombre d’electrons ha augmentat. Ara clica a veure nucli, observa el nucli del mateix àtom d’heli i contesta: Quants neutrons hi ha? I quants protons? d Vés a veure orbitals i clica sobre els àtoms B, C, N, O, F, Ne, Na i Mg (en aquest ordre). Sabent que els electrons s’ordenen en capes, contesta: Quins canvis observes? Com diferencia aquesta animació les diverses capes? Quants electrons caben a cada capa? e Clica sobre l’àtom de sodi (Na) i compta els electrons de l’última capa (verda). Recorda que segons el nombre d’electrons de l’última capa, l’àtom forma un enllaç iònic, covalent o metàl·lic.

2 Anàlisi de resultats i conclusions 1 Fixa’t en el grup a què pertanyen els àtoms esmentats en l’apartat g (metalls, semimetalls o no-metalls). Relaciona-ho amb el tipus d’enllaç que formen.

Indica quin tipus d’enllaç formarà l’àtom de sodi. Digues si el sodi cedeix o capta electrons. Calcula quants electrons necessita cedir o captar per ser estable. f Clica sobre l’àtom de clor (Cl) i respon: Quants electrons té a l’última capa? Quin tipus d’enllaç formarà? Cedirà o captarà electrons? Quants electrons necessita cedir o captar per ser estable? g Indica si es poden enllaçar les parelles d’àtoms següents i, en cas afirmatiu, digues el tipus d’enllaç formen. (Recorda que estem simulant enllaços entre dos àtoms, no necessàriament seran molècules). sodi i clor carboni i silici clor i fluor fòsfor i bor neó i alumini magnesi i sofre

2 Quins grups formen l’enllaç iònic? 3 Quins formen l’enllaç covalent? 4 Defineix les paraules neutró, protó i electró i digues en quina part de l’àtom se situa cadascuna d’aquestes partícules.

25

PENSO I APRENC 1 El model d’àtom a) Rellegeix el text que fa referència als models atòmics i contesta: a.1 En alguns llibres es compara el model de Thomson amb una síndria o un pa de pessic amb panses. Per què? a.2 Qui va trencar amb la teoria que l’àtom és indivisible? Amb quina experiència ho va demostrar? a.3 Explica breument en què consisteix l’experiment de Rutherford. Per què la major part de les partícules no es desviaven? Què els passava a les que rebotaven? I a les que es desviaven? a.4 Per què l’experiment de Rutherford no es podia explicar ni amb la teoria de Thomson ni amb la de Dalton?

2 Els àtoms a) Indica quina relació hi ha entre el nombre atòmic, el nombre màssic, el nombre de protons, el nombre de neutrons i el nombre d’electrons. b) Defineix isòtop a partir de les relacions anteriors. c) Completa la taula següent (en cas que sigui possible més d’un valor, has de posar-hi el de l’isòtop més abundant): símbol químic

nom hidrogen

Z

A

protons

neutrons

electrons

1

Na or 12 Hg

6 80

plom

82

d) Tenim quatre àtoms, que hem etiquetat com A, B, C i D, amb les característiques següents: A

13 protons, massa atòmica = 27

B

14 protons, massa atòmica = 27

C

15 protons, massa atòmica = 29

D

13 protons, massa atòmica = 26

d.1 Digues quants neutrons té cada àtom i justifica quins són isòtops del mateix element. Amb l’ajut de la taula periòdica, digues a quin element pertany cada àtom. 26

1 3 La massa atòmica a) Llegeix: La massa dels àtoms, fins i tot la dels més grans, no supera 10–25 kg. Per poder treballar-hi, cal definir una unitat més petita. Aquesta unitat és l’uma (unitat de massa atòmica), que es defineix com la dotzena part de la massa del 12C. La massa atòmica que consta a les taules periòdiques inclou la possibilitat que hi hagi diversos isòtops del mateix element i l’abundància relativa (proporció) de cada un d’aquests isòtops. b) Observa com es calcula la massa atòmica: El clor té dos isòtops: el i el 25 % del segon.

35

Cl i el

37

Cl. A la natura hi ha el 75 % del primer

La massa atòmica del Cl serà: 0,75 · 35 + 0,25 · 37 = 35,5 uma c) Troba la massa atòmica del Ne, Mg i Ti, considerant que els corresponents isòtops es troben en les proporcions que s’indiquen a la taula del marge.

isòtop

proporció

20

91 %

22

Ne

9%

24

Mg

79 %

25

10 %

26

11 %

Ne

Mg Mg

46

Ti

8%

47

Ti

7%

48

Ti

74 %

49

Ti

6%

50

Ti

5%

4 Electrons i enllaços a) Contesta les preguntes següents: a.1 Quina configuració electrònica busquen tots els àtoms per ser més estables? Com ho fan per aconseguir-la? a.2 Es poden combinar dos elements de la mateixa família per formar un enllaç iònic? Per què? a.3 De quin tipus és la força que manté units els àtoms en un enllaç iònic? Quin és l’origen d’aquesta força? a.4 Quina estratègia fan servir els àtoms units mitjançant un enllaç covalent per assolir una configuració electrònica estable?

27

5 Període de semidesintegració d’un isòtop a) Llegeix: El període de semidesintegració o període radioactiu és la quantitat de temps necessari perquè es desintegrin la meitat dels àtoms d’una mostra. Aquest valor ens informa de l’activitat i la perillositat d’un isòtop. Un període molt curt significarà molta activitat i, per tant, l’isòtop serà força perillós. Els més estables tenen períodes radiactius de milers de milions d’anys. b) Observa aquest exemple: El 95Zr passa a 95Nb per desintegració. El període de semidesintegració del 95 Zr és de 64 dies. Per tant, una mostra de 100 g de 95Zr, al cap de 64 dies s’haurà reduït a la meitat (50 g); al cap de 128, a una quarta part (25 g), i així successivament. La fórmula que dóna el nombre d’isòtops romanents és la següent: N = No · 2–t/T N és el nombre d’àtoms que hi ha a l’instant t; No és el nombre d’àtoms inicials; t és el temps transcorregut, i T és la vida mitjana (t i T han d’estar en la mateixa unitat de temps). c) Completa la taula següent: T

Q quantitat inicial (g)

95

Y

1 min

1.000

95

Zr

64 dies

1.000

Nb

35 dies

1.000

28 anys

1.000

38 anys

1.000

isòtop

95

90

Sr

207

Bi

1 hora

1 dia

1 mes

Fissió i fusió: història, funcionament i esperances En un laboratori escolar no és possible reproduir reaccions de fissió o fusió. Avui dia, però, 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 d’activitats del teu llibre de text.

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

28

1

HO TINC CLAR Enumera les partícules elementals que formen l’àtom. Quina massa i càrrega té cadascuna d’elles? On es troben? 1

Defineix nombre atòmic i nombre màssic. Relaciona aquestes definicions amb el concepte d’isòtop. 2

3

Omple la taula següent: isòtop

nom

Z

protons

A

electrons

3 1

H

24 11

Na

40 20

Ca

16 8

O

27 13

Al

37 17

Cl

Explica com estan ordenats els elements a la taula periòdica. Quina característica tenen els elements d’una mateixa columna? 4

Indica les diferències que hi ha entre un enllaç iònic i un de covalent. Quin és l’origen de la força que manté units els àtoms en cada tipus d’enllaç? 5

Quina és la principal característica de l’enllaç metàl·lic? Com repercuteix en les propietats de les substàncies metàl·liques? 6

7

Explica les diferències entre una reacció química i una de nuclear.

Quines són les conseqüències de la fissió? Quina relació hi ha entre la fissió i la radioactivitat? 8

9

Digues si les afirmacions següents són vertaderes (V) o falses (F): a La major part de la massa de l’àtom està concentrada a l’escorça. b La massa de l’electró és molt més petita que la del neutró. c La càrrega del protó és de signe contrari a la del neutró. d Gairebé tota la massa de l’àtom es concentra al nucli. e Els àtoms són neutres perquè tenen el mateix nombre de protons que d’electrons. f Si un cos perd electrons queda carregat negativament. g Les partícules alfa tenen càrrega negativa. h Si un element té el nombre màssic i el nombre atòmic iguals, podem dir que no té electrons.

29

FÍSICA i QUÍMICA 3r eso