Aquest llibre és una obra col·lectiva concebuda , dissenyada i creada al Depar tament d ’ Edicions de Grup Promotor / Santillana , dirigit per Teresa Grence Ruiz i Anna Sagristà Mas. En l ’elaboració han par ticipat: Bárbara Braña Borja David Sánchez Gómez María del Carmen Vidal Fernández ASSESSOR AMENT Anna Pous Saltor EDICIÓ Bárbara Braña Borja Pere Macià Arqué EDICIÓ EXECUTIVA David Sánchez Gómez DIRECCIÓ DEL PROJECTE Antonio Brandi Fernández Les activitats d’aquest llibre no s’han de fer mai al llibre mateix. Les taules, els esquemes i altres recursos que s’hi inclouen són models perquè l ’alumnat els traslladi a la llibreta. 4 E S O Física i Química
Índex Uni tat Si tuac ió d ’aprenentatge. E L R E P T E Obj ect ius de Desenvo lupament Sostenibl e (ODS) i l es seves metes 1 La matèria: gasos i dissolucions 8 Enregistrar el diari d'una persona científica. Augmentar el nombre de persones que tenen les competències necessàries, en particular tècniques i professionals, per accedir a l'ocupació, la feina decent i l'emprenedoria. Meta 4.4 2 L’àtom i la taula periòdica 34 Elaborar una taula periòdica amb les aplicacions de cada element. Promoure el desenvolupament sostenible i els estils de vida en harmonia amb la natura. Meta 12.8 3 Enllaç i compostos químics 58 Elaborar una pàgina web sobre nous materials. Augmentar la recerca científica i millorar la capacitat tecnològica de tots els països. Meta 9.5 4 Química del carboni 80 Idear un joc sobre compostos orgànics. Reduir la mortalitat prematura per malalties no transmissibles mitjançant la prevenció i el tractament i promoure la salut mental i el benestar. Meta 3.4 5 Les reaccions químiques 106 Fer un pòdcast sobre un procés químics i els seus efectes sobre el medi ambient. Millorar la producció i el consum eficients dels recursos protegint el medi ambient. Meta 8.4 6 El moviment 136 Promoure una campanya per aconseguir que es compleixin els límits de velocitat establerts. Reduir a la meitat el nombre de morts i lesions causades per accidents de trànsit al món. Meta 3.6 2
Sabers bàs i cs Procediment s c i ent í f i cs Act i tud cr í t i ca 1. Els gasos. 2. Les lleis dels gasos. Llei de Boyle-Mariotte. 3. Les lleis dels gasos. Llei de Gay-Lussac. 4. Les lleis dels gasos. Llei de Charles. 5. L'equació general dels gasos ideals. 6. L'equació d'estat dels gasos ideals. 7. La teoria cinètica dels gasos. 8. Les dissolucions. Relacionar la pressió ambiental i la llei de Boyle-Mariotte. Relacionar els vols amb globus i la llei de Charles. Simular el comportament dels gasos. Pesar substàncies. Comunicar un estudi científic. Diferenciar entre concentració en massa i densitat. Preparar una dissolució. Poden explotar els esprais de pintura? 1. Les partícules que formen els àtoms. 2. Models atòmics. 3. Distribució dels electrons en un àtom. 4. La taula periòdica dels elements. 5. Propietats periòdiques dels elements. Construir una taula periòdica. Analitzar les propietats de determinats elements metàl·lics: Aℓ, Mg i Na. 1. L'enllaç químic. 2. L'enllaç iònic. 3. L'enllaç covalent. 4. L'enllaç metàl·lic. 5. Enllaç entre molècules. 6. Propietats de les substàncies i tipus d'enllaç. Analitzar com neteja el sabó. Relacionar les propietats de les substàncies amb el tipus d ’enllaç. El sabó destrueix el coronavirus? 1. Els compostos del carboni. 2. Els hidrocarburs. 3. Compostos oxigenats. 4. Compostos nitrogenats. 5. Compostos oxigenats i nitrogenats al nostre entorn. 6. Compostos orgànics d'interès biològic. Elaborar aspirina. Podem eliminar l'excés de colesterol prenent molta aigua per dissoldre'l? 1. La reacció química. 2. L'energia de les reaccions químiques. 3. La velocitat de les reaccions químiques. 4. Càlculs en les reaccions químiques. 5. Reaccions d'àcids i bases. 6. Les reaccions de combustió. 7. Les reaccions electroquímiques. Estudiar la llei de la conservació de la matèria. Preparar un indicador àcid base. Detectar el CO₂ a la respiració. 1. Magnituds que descriuen el moviment. 2. La velocitat. 3. Moviment rectilini uniforme (MRU). 4. L'acceleració. 5. Moviment rectilini uniformement accelerat (MRUA). 6. Moviment circular uniforme. Conèixer les característiques d'un MRU a partir de la gràfica posició-temps. Mesurar la velocitat instantània en un MRUA. Analitzar el traçat d'un circuit. És igual de segur anar a 50 km/h que a 30 km/h a la ciutat? 3
Índex Uni tat Si tuac ió d ’aprenentatge. E L R E P T E Obj ect ius de Desenvo lupament Sostenibl e (ODS) i l es seves metes 7 Les forces 162 Desenvolupar un experiment sobre el fregament i analitzar innovacions relacionades amb la indústria. Augmentar el nombre de persones que treballen en recerca i desenvolupament. Meta 9.5 8 Forces gravitatòries 186 Elaborar un treball de recerca sobre algun misteri de l'univers. Augmentar la recerca científica fomentant la innovació . Meta 12.5 9 Forces en fluids 206 Explicar com funcionen algunes màquines que ens envolten. Donar suport al desenvolupament de tecnologies, la recerca i la innovació. Meta 9.b 10 L'energia i les seves transferències 230 Dissenyar una campanya per fomentar l'estalvi energètic. Garantir l'accés universal a serveis energètics assequibles, fiables i moderns. Meta 7.1 11 Ones. Llum i so 262 Millorar la il·luminació i l'acústica d'una estança. Utilitzar l'energia de manera més eficient. Meta 7.3 Annexos 294 4
Sabers bàs i cs Procediment s c i ent í f i cs Act i tud cr í t i ca 1. Forces i canvis en la velocitat. 2. Acció de diverses forces. 3. Forces que actuen sobre els cossos. Pes, normal, fregament, empenyiment i tensió. 4. Lleis de Newton de la dinàmica. 5. Les forces i el moviment. Comprovar que la força resultant provoca el mateix efecte que les forces inicials. Relacionar la força aplicada a un cos amb la seva acceleració. Experimentar amb el principi fonamental de la dinàmica. Es pot moure un cotxe sense consumir combustible? 1. La força gravitatòria. 2. El pes i l'acceleració de la gravetat. 3. Moviment de planetes i satèl·lits. Analitzar l'experiment de Cavendish per determinar G. Utilitzar animacions virtuals per estudiar el moviment d'un satèl·lit. Analitzar imatges astronòmiques. És l'exploració espacial una pèrdua de diners sense aplicacions pràctiques? 1. La pressió. 2. La pressió hidroestàtica. 3. La pressió atmosfèrica. 4. Propagació de la pressió en fluids. 5. Força d'empenyiment en cossos submergits. 6. Física de l'atmosfera. Comprovar experimentalment les forces exercides a l'interior d'un líquid. Mesurar la densitat d'un líquid mitjançant vasos comunicants. Comprovar experimentalment l'existència de la pressió atmosfèrica. Analitzar com es propaga la pressió en un fluid. Analitzar les forces que intervenen en un experiment. Aplicar el principi d'Arquimedes. 1 kg de ferro pesa més que 1 kg de suro? 1. Què és el treball? 2. El treball i l'energia mecànica. 3. Potència mecànica i rendiment. 4. Què és la calor? 5. L'energia en la nostra vida quotidiana. Estudiar la conservació de l'energia mecànica. Mesurar la calor específica d'una substància. Hi ha màquines que funcionin sense consumir energia? 1. El moviment ondulatori. 2. El so. 3. La llum. 4. Propietats de la llum i del so. 5. Aplicacions de la llum i del so. Mesurar la velocitat del so a l'aire. Comprovar la reflexió de la llum en miralls plans. Comprovar la refracció de la llum. Els auriculars lesionen les oïdes? Nomenclatura inorgànica Nomenclatura orgànica La taula periòdica dels elements 5
6 Aprendre és un camí de llarg recorregut que durarà tota la teva vida. La meta és sempre recorre’l CONSTRUINT MONS més equitatius, més justos, més sostenibles. Per això, hem pensat en aquest itinerari per a tu: Itinerari didàctic Nous materials per a un món tecnològic Malgrat les innumerables substàncies que ens proporciona la natura, l’avenç tecnològic que vivim és fruit dels nous materials sintetitzats als laboratoris. Saber com es poden enllaçar els àtoms i les característiques que cada tipus d’enllaç aporta ha permès dissenyar materials que poden ser, alhora, resistents com l’acer, lleugers com el plàstic i millors conductors de l’electricitat que qualsevol metall. El casc del veler de la imatge és de fibra de carboni i les veles són de kevlar, un material superresistent sintetitzat el 1965 per la química polonesa i nord-americana, Stephanie Kwolek. Un gran avenç enfront dels antics vaixells de fusta i les veles de lona. Enllaç i compostos químics 3 R E P T E Elaborar una pàgina web sobre nous materials 58 COM ES PRESENTEN ELS ELEMENTS QUE FORMEN LA MATÈRIA? REPASSO FÍSICA I QUÍMICA Un cristall és una agrupació de molts àtoms o ions, amb una estructura interna perfectament ordenada a l’espai . Cristalls Metall + No metall No metall + No metall compartint electrons Cations metàl·lics en un núvol d’electrons Compostos Substàncies simples Clorur de sodi NaCℓ Quars (diòxid de silici) SiO2 Coure, plata, or, ferro Cu, Ag, Au, Fe Clorur de magnesi MgCℓ2 Diamant C Cristall iònic Cristall covalent Cristall metàl·lic Els gasos nobles són els únics elements químics en què els seus àtoms apareixen aïllats a temperatura ambient. Els àtoms que formen la molècula poden ser del mateix element (substàncies simples) o d’elements diferents (compostos). La molècula és la part més petita de la substància que conser va les propietats químiques. Àtoms aïllats Compost Substància simple C2H6O H2O S6 H2 Alcohol etílic Aigua Sofre Hidrogen Una molècula està formada per agrupacions d’àtoms d’elements no metàl·lics units sempre de la mateixa manera . Molècules He Ne Ar 1 De totes les substàncies simples que s’indiquen a continuació, assenyala quines es presenten com a àtoms, com a molècules o com a cristalls: a) Nitrogen. b) Or. c) Diamant. d) Iode. e) Xenó. 2 De totes les substàncies que es mostren a continuació, raona quines apareixen com a sòlids a temperatura ambient. a) Diòxid de carboni. b) Diòxid de sodi. c) Diòxid de silici. d) Diòxid de sofre. A C T I V I T A T S 60 3 2.1. Propietats dels compostos iònics Els ions d’un compost iònic s’organitzen dins d’una xarxa cristal·lina en què els anions i els cations guarden la proporció que indica la seva fórmula. Això determina la forma de la xarxa cristal·lina i les propietats del compost iònic. 6 Escriu la configuració electrònica dels següents elements químics i esbrina el nombre d’electrons de valència de cadascun. Després estudia la fórmula dels compostos iònics que resulten de la seva combinació. a) Ca i O b) Al i F c) Rb i S d) Br i Mg 7 Tots els compostos iònics es dissolen en l’aigua? Raona la teva resposta. 8 Explica com pot conduir el corrent elèctric una dissolució d’aigua amb sal, si no hi ha electrons lliures que es moguin per la dissolució. A C T I V I T A T S Tenen temperatures de fusió elevades. A temperatura ambient són sòlids i formen cristalls. Els enllaços entre ions són a causa d’una força intensa . Això fa que les temperatures de fusió siguin altes. Són durs i fràgils. Són durs perquè per ratllar-los caldria separar-ne els ions positius dels negatius. Són fràgils perquè en colpejar-los, els ions es desplacen, s’enfronten ions del mateix signe i es repel·leixen, de manera que el cristall es trenca . F F Alguns és dissolen en l’aigua. Ió positiu Ió negatiu Les molècules d’aigua , amb l’orientació adequada , poden envoltar els cations i els anions i separar-los. A poc a poc, el cristall es va dissolent. En alguns compostos, els ions estan units amb una força tan gran que l’aigua no aconsegueix separar-los. Condueixen el corrent elèctric quan estan fosos o en dissolució. A B C Els compostos iònics no són conductors en estat sòlid (A), perquè els ions estan fixos a la xarxa cristal·lina , però sí quan estan fosos (B) o dissolts (C), ja que aleshores els ions poden desplaçar-se i formar un corrent elèctric. Òxid de sodi Clorur de sodi 63 LA SITUACIÓ D’APRENENTATGE. EL REPTE 1 UN ODS I LES SEVES METES LES COMPETÈNCIES ESPECÍFIQUES 3 Esprem el teu cervell per recordar el que saps. Fes memòria dels teus coneixements adquirits en altres cursos, en altres unitats o en les teves pròpies experiències. Contribueix fent el repte al compliment d ’una o diverses metes d ’un dels Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS). Observa i aprèn. ANALITZA exemples resolts, després aplica el que has après i RESOL problemes. Pensa i expressa’t amb esperit crític a partir de les diferents ACTIVITATS proposades. Pensa críticament. Debat sobre la veracitat d ’aquests continguts. En la secció VERITAT O MENTIDA? trobaràs propostes per aprendre a produir informació veraç i desmuntar fake news i mites. Reflexiona sobre un aspecte de la vida quotidiana, posant-te en el lloc dels personatges que la presenten. Accepta el repte proposat a partir de la situació d ’aprenentatge. Utilitza el REPÀS inicial, revisa el que ja saps i relaciona aquests sabers amb el que aprendràs. Investiga, pensa i respon les preguntes que t’ajudaran a anar resolent el repte i a adquirir competències específiques. 6. Propietats de les substàncies i tipus d’enllaç Relacionar les propietats de les substàncies amb el tipus d’enllaç Les propietats que manifesten les substàncies depenen del tipus d’enllaç químic entre els seus àtoms o de l’enllaç que poden formar amb altres molècules. Com es fa? Prenem mostres de diverses substàncies i les sotmetem a proves. A. Característiques dels metalls Substància: metall estany. • Són dúctils i mal·leables. • Són sòlids a temperatura ambient. • Es fonen si s’escalfen. • Condueixen l’electricitat. B. Solubilitat de diferents sòlids 1. Preparem dues gradetes amb tubs d’assaig. En uns hi posem aigua i en uns altres un dissolvent apolar (per exemple, ciclohexà). 2. Afegim una mostra de sòlid a cada tub, remenem i observem a continuació si es dissol. Aigua Ciclohexà CuSO4 NaCℓ4 Sn SiO2 I2 74 3 5.4. Es poden barrejar substàncies polars i apolars? Per barrejar un líquid polar amb un líquid apolar cal una tercera substància la molècula de la qual tingui una par t po l ar i una altra d ’apo l ar. L a mo l ècul a de sabó té aquestes característiques, i així aconsegueix que es barregin l’aigua i l’oli . Apolar Polar Les molècules de sabons i detergents tenen un extrem polar ( hidròfil), pel qual s’uneixen a molècules d’aigua , i un altre extrem apolar ( hidròfob), pel qual s’uneixen a molècules d’oli . Analitzar com neteja el sabó Superfície Greix Sabó Aigua 1. Fem servir aigua i sabó. Les molècules de sabó introdueixen la seva part apolar al greix. Sabó Partícula de greix Superfície neta 2. Envolten completament un conjunt de greix, amb la part polar cap a fora, i el porten a l’aigua. Ara bé, trencar la capa de greix que cobreix i protegeix el virus necessita el seu temps. L’OMS recomana rentar -se les mans durant almenys 20 segons. El sabó sí que destrueix el coronavirus! El sabó destrueix el coronavirus? Durant la pandèmia , hem vist molts cartells que ens recordaven que ens havíem de desinfectar sovint amb aigua i sabó. En realitat, aquest és un mètode adequat per protegir -nos davant de qualsevol virus que ens infecti . V E R I T A T O MENTI DA ? Proteïnes Material genètic Les molècules de sabó tenen una part que s’uneix a l’aigua. I una altra, anomenada hidrofòbica, que no interactua amb l’aigua, però sí amb els greixos. Les parts hidrofòbiques de les molècules de sabó busquen amagar-se de l’aigua i per això s’insereixen a la capa de greix del virus i la trenquen. Les proteïnes i altres parts del virus són arrossegades per l’aigua. Molts bacteris i virus, inclosos els coronavirus, estan envoltats d’una capa de greix que els protegeix. Virus Sabó 71 Experimenta i duu a terme pràctiques senzilles. Resol aquests procediments aplicant el que has après. Aprèn els sabers bàsics a partir de textos clars i de tota la potència del llenguatge visual: gràfiques, esquemes, infografies … Enllaç químic entre àtoms Són les forces que mantenen units els àtoms que formen una molècula o un cristall . Que en una substància es presenti un tipus d’enllaç o un altre depèn de les característiques que s’enllacen . 3 1. L’enllaç químic 3 Per poder investigar nous materials és fonamental conèixer com estan formades algunes de les substàncies que ens envolten com ara l’aigua. Representa les molècules d’aigua a cada estat i assenyala com estan unides. 4 En una substància, són més grans les forces que uneixen els àtoms o les que uneixen les molècules? En què et bases? Un àtom és tan petit que qual sevol mostra de substància que obser vem conté milions i milions d’àtoms d’un o més elements químics. Anomenem enllaç químic al conjunt de les forces que mantenen unides les partícules que formen les espècies químiques. En tots els casos, les forces involucrades en un enllaç químic són de naturalesa elèctrica. En un sòlid cristal·lí , els àtoms estan units mitjançant un enllaç que manté l’estructura cristal·lina . A les molècules, els seus àtoms estan units mitjançant enllaços que permeten que la molècula existeixi . Perquè les substàncies puguin estar en estat sòlid o líquid, les molècules s’ han d’unir les unes amb les altres. Quan les forces d’unió entre les molècules són molt febles, la substància estarà en estat gasós. Enllaç químic entre molècules S’anomenen forces intermoleculars. D’aquestes depèn : L’estat físic en què apareix una substància. L’enllaç entre les molècules d’aigua fa que es presenti com a líquid o com a sòlid a determinades temperatures. La solubilitat d’una substància en una altra . Per exemple, l’alcohol i la sal es dissolen en l’aigua perquè entre les seves partícules i les de l’aigua es poden establir forces intermoleculars. No obstant això, l’oli i el sofre no es dissolen en l’aigua perquè entre les seves partícules no es poden establir forces intermoleculars. Molècula H H O H H O Enllaç entre àtoms Enllaç entre molècules R E P T E Enllaç covalent Enllaç entre àtoms H H O A la molècula d’aigua, hi ha units dos àtoms de H i un de O. H H O Enllaç metàl·lic Els cations i el núvol electrònic romanen units. Electrons Cations Enllaç iònic Al cristall de NaCℓ, estan units els ions de Na+ i de Cℓ-. Cℓ- Na+ 61 ELS SABERS BÀSICS 4 Amb aquest repte cont r ibui ràs a… «Augmentar la investigació científica i millorar la capacitat tecnològica dels sectors industrials fomentant la innovació i augmentant el nombre de persones per milió d’ habitants que treballen en investigació i desenvolupament, i les despeses dels sectors públic i privat en investigació i desenvolupament». (Meta 9.5) Elabora una pàgina web sobre un material nou . Pot ser dels que se citen en aquesta unitat o d’un altre que et sembli interessant. Cal que incloguis informació de la composició química i com aquesta inf lueix en les propietats del material . Tot això determinarà les seves aplicacions presents i futures. Hi ha substàncies formades per àtoms d ’un únic element químic? Posa’n un exemple. Què és una molècula? Posa un exemple d ’una substància que estigui formada per molècules. Podries escriure la seva fórmula química? Els àtoms d ’un element químic es poden combinar amb els de qualsevol altre element químic per formar una substància nova? Es poden combinar en qualsevol proporció? INTERPRETO LA IMATGE Observa a les imatges els exemples de com el calçat habitual i l’esportiu han canviat al llarg del temps. Què en pots dir, de la lleugeresa? I pel que fa a la durabilitat? I pel que fa al confort? Com aconseguia el calçat antic ser impermeable a l’aigua? Aquest calçat era transpirable? Com aconsegueix el calçat actual ser impermeable a l’aigua i, alhora, transpirable? El nou calçat incorpora materials com fibra de carboni, fibra de cristall, escuma viscoelàstica o Gore-Tex. Relaciona aquests materials amb algunes de les millores que incorpora el calçat nou (habitual i esportiu) enfront de l’antic. F E S M E M Ò R I A EN AQUESTA UNITAT… L’enllaç químic. L’enllaç iònic. L’enllaç covalent. L’enllaç metàl·lic. Enllaç entre molècules. Propietats de les substàncies i tipus d ’enllaç. 59 2
7 36 E S Q U E M A . Completa al teu quadern l’esquema següent: 37 TA U L A . Elabora al teu quadern una taula de tres columnes, una per a cada tipus d’enllaç. Col·loca a la columna apropiada cadascuna de les propietats següents: a) És un enllaç entre àtoms iguals. b) Forma substàncies difícils de fondre. c) És un enllaç entre àtoms diferents. d) Sempre forma cristalls. e) Es combinen àtoms de metall amb àtoms de no metall. f) El que és característic és el mar d’electrons. g) Forma substàncies volàtils. h) Es combinen només àtoms de no metall. i) Sempre forma compostos. j) El que és característic és compartir electrons. k) Forma substàncies dures i fràgils. l) Forma molècules. m) Condueixen l’electricitat quan estan dissolts. n) Es combinen només àtoms de metall. o) Forma substàncies que es poden ratllar i deformar. p) El que és característic és l’atracció entre anions i cations. q) En estat sòlid no són conductors. o r g a n i t z o e l q u e h e a p rÈs TIPUS D’ENLLAÇ QUÍMIC ENTRE ÀTOMS L’enllaç es deu a… Forces … … … Tipus d’àtoms que s’enllacen Metall + … … … Tipus Enllaç… Enllaç… Enllaç… Exemples … … … 38 D I B U I X . Observa els dibuixos que representen les molècules següents i respon: A B c a) Quina o quines representen una molècula polar? Per què ho saps? b) Quina o quines representen una molècula apolar? Per què ho saps? c) Completa la representació de Lewis i posa el rètol adequat a cada molècula: HF SCℓ2 CO2 d) Posa el símbol adequat a cada àtom en cada molècula. 39 R E S U M . Completa al teu quadern les frases següents emplenant els buits: a) Una substància covalent formada per àtoms ...... sempre és apolar. Si està formada per ...... diferents, podrà ser ...... o apolar depenent de l’enllaç. b) Si només hi ha un enllaç sempre serà ...... . c) Si hi ha dos enllaços serà polar si estan formant ...... i serà apolar si estan formant ...... . 40 V O C A B U L A R I . Sabent que la molècula d’aigua és polar, observa les imatges següents i raona si la molècula de les altres substàncies és polar o apolar: es barregen no es barregen aigua + alcohol oli + benzina aigua + oli 76 Tipus d’enllaç entre àtoms 41 Indica raonadament quin tipus d’enllaç existeix a les substàncies següents: a) BeI2 b) LiCℓ c) CCℓ4 d) CO2 e) Hg f ) He 42 La fórmula dels següents compostos iònics està equivocada. Troba i corregeix l’error: a) MgCℓ b) RbBr4 c) NaI2 d) Ba2S3 43 Per què el símbol de l’element oxigen és O i la fórmula del gas oxigen és O2? 44 Completa la taula següent al teu quadern: Substància Tipus d’enllaç entre àtoms Substància simple/compost Ferro Iodur de sodi Nitrogen Diòxid de sofre Clor 45 Completa la taula al teu quadern indicant a cada casella la fórmula del compost i el tipus d’enllaç. Cℓ S O K I Mg H • Anota la representació de Lewis de cada fórmula. 46 Uneix amb fletxes al teu quadern de manera que puguis completar cinc frases amb els fragments següents: • SF2 a) Forma dobles enllaços covalents. • BaI2 b) El catió té càrrega 3 +. • AℓF3 c) És un metall. • CO2 d) Forma dos enllaços covalents. • Na e) És una substància iònica. E X E M P L E R E S O LT 3 Fes la representació de Lewis dels compostos següents i explica el tipus d’enllaç: AℓF3, NF3. Per fer les representacions de Lewis cal conèixer el nombre d’electrons de valència de cada àtom. AℓF3: • Aℓ: grup 13. Té 3 electrons de valència. Els perdrà per quedar-se amb 8 a la capa anterior. • F: grup 17. Té 7 electrons de valència. Necessita guanyar 1 electró per completar la capa. Perquè el compost sigui neutre calen tres àtoms de F per captar els 3 electrons que cedeix l’àtom de Aℓ. •• • •F • •• • • Aℓ • $ b •• • •F • • •• l -bFl 3+b •• • •F • • •• l - •• •F • • •• •• •F • • •• Compost iònic b •• • •F • • •• l - NF3: • N: grup 15. Té 5 electrons de valència. Necessita 3 electrons més per completar la capa. • F: grup 17. Té 7 electrons de valència. Necessita 1 electró més per completar la capa. Tots dos elements completen la capa compartint electrons. El N comparteix tres parells d’electrons formant tres enllaços covalents amb el mateix nombre d’àtoms de F. •• • •F• •• • • N• •• •• •F• • •• $ •• • •F •• — N •• — •• F• • •• •• • • F • • •• • •F• • • — Compost covalent Enllaços amb molècules 47 Raona si els fets següents són conseqüència dels enllaços entre àtoms o dels enllaços entre molècules: a) El diamant és el material més dur. b) Es pot escriure en un bloc de gel amb un punxó. c) A 800 °C, el NaCℓ es fon. d) A temperatura ambient, la sal es dissol en l’aigua. e) L’alcohol és líquid a temperatura ambient i s’evapora fàcilment. f) El mercuri és un líquid a temperatura ambient i cal escalfar-lo fins a 357 °C perquè es converteixi en gas. g) El iode és un sòlid que no es dissol en l’aigua. c o m p r ovo e l q u e h e a p rÈs 3 77 Organitza la informació i aplica els sabers bàsics a diferents contextos i situacions en les activitats que trobaràs a ORGANITZO I COMPRENC EL QUE HE APRÈS. Pensa críticament. Analitza una notícia i respon les preguntes que potenciaran la reflexió i visibilitzaran el teu pensament. Estableix connexions entre la física i la química i altres branques del saber. Contribuiran al fet que comprenguis la diversitat del món on vius. No et paris. Conclou el repte i comunica el que has aconseguit a les persones que t’envolten, compartint els resultats amb el teu entorn pròxim. Així estaràs contribuint a la construcció d ’un món millor per a totes les persones. Propietats de les substàncies i tipus d’enllaç 48 Completa a la llibreta la taula que relaciona l’enllaç amb les propietats de les substàncies. En cada cas, explica si la substància es presenta com a àtoms aïllats, molècules o cristalls: Substància Tipus d’enllaç Estat físic (20 °C) Conductivitat elèctrica Solubilitat en aigua Coure Clorur d’hidrogen Òxid de liti Bromur de sodi Cesi Òxid de plom Hidrogen Hidrur de calci Aigua Amoníac 49 Raona si les propietats següents són pròpies de substàncies amb àtoms units mitjançant enllaç iònic, covalent o metàl·lic: a) Condueixen l’electricitat en estat sòlid. b) Generalment, tenen temperatura de fusió baixa. c) Moltes són solubles en l’aigua. d) Tenen temperatures de fusió força altes i condueixen la calor. e) Condueixen l’electricitat, però només quan estan foses o dissoltes. f) Són dures i trencadisses. 50 Tenint en compte el tipus d’enllaç, associa al teu quadern la temperatura de fusió corresponent per a cada substància. Substància Aigua Clorur de sodi Estany Oxigen Diòxid de silici T. de fusió (°C) 1.713 -223 0 505 803 51 Q U Í M I C A I T E C N O L O G I A Primer va ser la fibra de carboni, finíssims filaments d’àtoms de carboni. Desenvolupat a partir del 1958, és un material lleuger i elàstic com el plàstic i resistent com l’acer. És un bon aïllant tèrmic i conserva la forma davant les variacions de temperatura. S’hi fabriquen objectes tan diversos com elements per a automòbils, vaixells, raquetes de tennis o ulleres. El 2004, va arribar el grafè. Està compost només per àtoms de C que s’uneixen formant anells hexagonals. És 200 vegades més resistent que l’acer, alhora que flexible, elàstic i transparent. Té una elevada conductivitat elèctrica i tèrmica. Per això s’usa en electrònica, com ara pantalles tàctils o superbateries elèctriques. Actualment s’està desenvolupant l’estanè. Està compost per àtoms d’estany que s’uneixen formant estructures planes d’anells de sis àtoms. Les seves propietats són similars a les del grafè, encara que és molt millor conductor d’electricitat sense generar calor en el procés. De moment, però, hi ha dificultats per generar estanè en una quantitat que permeti assajar les seves propietats. a) Escriu la configuració de Lewis dels àtoms de C i Sn. A continuació, representa els enllaços que forma un àtom de C amb els seus veïns al grafè. Després fes el mateix amb els àtoms de Sn a l’estanè. Quins tipus d’enllaços es formen? Utilitzen tots els electrons per formar enllaços? b) Tenint-ne en compte la configuració, explica per què el grafè i l’estanè són resistents i bons conductors de l’electricitat. c) Imagina alguna aplicació per a cadascun d’aquests materials, diferent de les que s’indiquen al text. 52 Considera tots els compostos que es poden formar amb els elements Cℓ, Na i H. Per a cadascun indica: a) Tipus d’enllaç. b) Estat físic a temperatura ambient. c) Possibi l itat que condueixi el corrent elèctric en algun estat. 53 El CO2 és un gas a temperatura ambient, mentre que el SiO2 és un sòlid molt dur. Estudia el tipus d’enllaç que es dona entre els àtoms a cadascuna d’aquestes substàncies i justifica l’estat en què es troben. c o m p r ovo e l q u e h e a p rÈs 78 54 Analitza la notícia i respon al teu quadern. El secret dels bolquers superabsorbents El bolquer d’un sol ús va ser inventat per la nord-americana Marion Donovan a mitjans del segle xx. En aquell moment els bolquers eren de roba i cada vegada que el nen es feia pipí mullava tot el que hi hagués al seu voltant. El 1946, va patentar una funda impermeable per al bolquer. Així evitava que el nadó ho mullés tot. Però la humitat retinguda provocava danys a la pell i això s’ havia d’evitar. Després de molts intents, va trobar una combinació de capes de cotó i cel·lulosa que retenien l’orina i mantenien la pell seca. Dècades més tard, als vuitanta, la NASA va inventar els bolquers superabsorbents per a adults. El seu secret està en un polímer anomenat poliacrilat de sodi , que és capaç d’absorbir fins a 800 vegades el seu pes en aigua . www.rtve.es 3 Crear un web sobre materials És el moment de crear un web per donar a conèixer totes les propietats interessants que aporten els materials. Tria un material que t’hagi cridat l’atenció i prepara el web. Cal que facis referència a: La seva composició química. Elements que el formen, el tipus d’enllaç entre aquests i com s’organitzen en un cos sòlid. Propietats del material. Exemples d’aplicació. Per què es fa servir? Intenta imaginar alguna aplicació nova per a aquest material. Si realitzes alguna activitat i trobes a faltar algun material amb una propietat que et resulti útil, fes una entrada sobre això. Amb totes les entrades, elabora un web i publica’l al lloc web del centre. Mentre feies aquest repte, has aprofundit en l’enllaç químic entre els àtoms i altres espècies com molècules o cristalls. També has establert la relació entre les propietats d’un material i el tipus d’enllaç que es dona entre els seus àtoms. Et pots imaginar en quins camps professionals es pot aplicar tot això? R E P T E AC O N S E G U I T ! Observa l’estructura del poliacrilat de sodi. A l’esquerra es mostra el fragment que es repeteix al polímer i, a la dreta, la interacció amb les molècules d’aigua. En sec, la seva molècula té una estructura enrotllada. A mesura que capta aigua, es va desenrotllant. a) A la molècula de polímer assenyala on es forma: • Un enllaç covalent senzill. • Un enllaç covalent doble. • Un enllaç iònic. b) Explica com s’orienten les molècules d’aigua per unir-se a fragments específics del polímer. Na Na+ H2O O C H O-Na+ C C O H H - - - - = C - - H En sec En aigua 79 En cada etapa d ’aquest itinerari comptes amb el suport de… Un ANNEX DE FORMULACIÓ que t’ajudarà a comprendre i a utilitzar la nomenclatura química. Un QUADERN D’AVENÇOS CIENTÍFICS que t’ajudarà a comprendre la importància de la ciència en la nostra societat. DIFON EL REPTE 6 ACTIVITATS FINALS 5 2. Els compostos binaris Els compostos binaris resulten de la combinació d’àtoms de dos elements químics. Un dels dos tindrà nombre d’oxidació positiu (element electropositiu) i l’altre, nombre d’oxidació negatiu (element electronegatiu). 2.1. Nomenclatura d’un compost binari Ara veurem com es construeix el nom d’un compost químic de dues maneres diferents, mitjançant la nomenclatura de composició. E X E M P L E R E S O LT 1 Fórmula Prefixos Nombre d’oxidació AℓBr3 Tribromur d’alumini Bromur d’alumini CuCℓ2 Diclorur de coure Clorur de cour(II) A C T I V I T A T S 1 Anomena a la llibreta: a) PbCℓ2 d) Cr2S3 b) AℓF3 e) Na3N c) BaI2 f ) K2S Consulta a la taula el nombre d’oxidació de l’element electropositiu. Escriu-lo entre parèntesis i en números romans a continuació del nom, sense deixar espai. És incorrecte afegir-lo si l’element només té un nombre d’oxidació. trisulfur de dialumini tetraclorur de sofre sulfur d’alumini clorur de sofre (IV) El nom de cada element va precedit d’un prefix que indica el nombre d’àtoms d’aquest element que hi ha a la fórmula: mono, per a un. Si no hi pot haver dubte, el prefix mono es pot ometre. di, per a dos. tri, per a tres. tetra, per a quatre. penta, per a cinc. hexa, per a sis... Nom de l’element a la dreta + -ur + de + nom de l’element a l’esquerra Amb prefixos Amb nombres d’oxidació Fixa’t en aquests exemples: Fixa’t que per anomenar el S fem servir el seu nom de procedència del llatí, sulphur. El Aℓ només té un nombre d’oxidació, no s’hi afegeix. element que actua com a electropositiu element que actua com a electronegatiu El nombre d’oxidació del Cℓ negatiu és -1. Perquè el compost sigui neutre, el S ha d’actuar amb el nombre d’oxidació +4: +4 + (-1) ? 4 = 0 Element a la dreta sulfur Element a la dreta clorur Element a l’esquerra d’alumini Element a l’esquerra de sofre Aℓ2S3 SCℓ4 Els elements es combinen en la proporció adequada perquè el compost sigui neutre. És a dir, la suma dels nombres d’oxidació de tots els àtoms de la fórmula ha de ser zero. 238 Annex 1 2.2. Formulació d’un compost binari Ara veurem com es formula un compost químic a partir de la nomenclatura de composició: Prefixos Trisulfur de dialumini AℓS Escriu el símbol de cada element en l’ordre correcte. 1 AℓS Escriu el símbol de cada element. El que acaba en –ur ha d’anar a la dreta a la fórmula. 1 Aℓ2S3 Afegeix com a subíndex el nombre corresponent al prefix de cada element. En aquest cas, di, 2, per al Aℓ i tri, 3, per al S. 2 Aℓ S Localitza a la taula el nombre d’oxidació dels elements: Aℓ, element electropositiu. Nombre d’oxidació: +3 S, element electronegatiu. Nombre d’oxidació: -2 2 Aℓ m Sn m ? (+3) + n ? (-2) = 0 m = 2 n = 3 Aℓ2S3 La suma dels nombres d’oxidació de tots els àtoms ha de ser zero perquè el compost sigui neutre. Troba els subíndexs més petits possibles per simplificar la fórmula al màxim. Per exemple, Aℓ4S6 també és vàlid, però s’ha de simplificar. 3 Nombre d’oxidació Sulfur d’alumini A C T I V I T A T S 2 Formula a la llibreta: a) Clorur de bari. b) Tetraiodur d’estany. c) Trifluorur de nitrogen. d) Diclorur de mercuri. e) Pentaclorur de fòsfor. f ) Sulfur de ferro(III). g) Bromur de cobalt(II). h) Nitrur d’alumini. E X E M P L E R E S O LT 2 Formula els compostos següents. a) Diclorur de bari b) Iodur de ferro(III) a) Escriu a la dreta el símbol de l’element acabat en -ur: el clor. Afegeix-hi el subíndex 2 corresponent al prefix numèric del clor, di: BaCℓ2 b) Escriu a la dreta el símbol de l’element acabat en -ur: el iode. Afegeix al iode el subíndex que indica el nombre d’oxidació del ferro que indica la xifra romana: FeI3 +3 -2 +3 -2 239
Bar rejar per cuinar Des de fa uns anys la gastronomia molecular ha portat a les cuines utensilis i tècniques molt nous. Veient treballar els professionals, gairebé sembla que estiguem en un laboratori de física i química . I és que en això consisteix la gastronomia molecular : a aplicar els coneixements científics a la comprensió i al desenvolupament de les preparacions culinàries. El coneixement dels gasos i de les barreges de substàncies serà fonamental en moltes elaboracions espectaculars. I el coneixement rigorós ve, com ja saps, de la mà del mètode científic. La matèria: gasos i dissolucions 1 R E P T E Enregistrar el diari d’una persona científica. 8
Amb aquest repte cont r ibui ràs a… «D’aquí a 2030, augmentaran considerablement el nombre de joves i adults que tenen les competències necessàries, en particular tècniques i professionals, per accedir a l’ocupació, a la feina decent i a l’emprenedoria (Meta 4.4)». Mentre fas el diari i apliques el mètode científic, aprendràs els passos que requereix un treball rigorós, des del plantejament fins a la comunicació dels resultats. Això ajudarà a fer de tu un professional valuós, i seràs capaç de contribuir a un desenvolupament sostenible. La major part de la matèria que ens envolta es troba en estat sòlid, líquid o gasós. Indica quines de les característiques següents estan presents en cadascun: • Forma constant. • Volum constant. • Es poden comprimir. • S’expandeixen. • Per manipular-lo cal tenir-lo en un recipient (indica si és obert o tancat). Què és una barreja homogènia? I una heterogènia? Posa’n exemples i indica quines substàncies les formen en cada cas. INTERPRETO LA IMATGE Imagina que han deixat aquesta copa sobre una taula i veus com evoluciona amb el temps. En quin estat físic es troba la copa? I la matèria vermella? I la blanca? Per què se surt de la copa la matèria blanca? Arribarà a sortir de la copa tota la matèria blanca? Deixarem de veure-la blanca? Explica què li ocorre. Influirà en el procés la temperatura de l’habitació? F E S M E M Ò R I A EN AQUESTA UNITAT… Els gasos. Les lleis dels gasos. Llei de Boyle-Mariotte. Llei de Gay-Lussac. Llei de Charles. L’equació general dels gasos ideals. L’equació d ’estat dels gasos ideals. La teoria cinètica dels gasos. Les dissolucions. 9
EL TREBALL CIENTÍFIC REPASSO FÍSICA I QUÍMICA 1 Observem que en ficar una ampolla de vidre plena d’aigua al congelador, es trenca. Quina o quines de les hipòtesis següents és una hipòtesi adequada? Per què? a) Què li ocorre a l’aigua al congelador? b) El volum de l’aigua augmenta quan es congela. c) La força exercida per l’aigua trenca el vidre. 2 Fes els següents canvis d’unitats: a) 5 l → cm3 d) 100 dm3 → m3 b) 5 atm → hPa e) 1.000 mmHg → atm c) 0,05 m3 → l f ) 70 kPa → atm A C T I V I T A T S MAGNITUDS, UNITATS I CANVIS D’UNITATS Magnitud és qualsevol propietat de la matèria que es pot mesurar, és a dir, que es pot expressar amb un nombre i una unitat. Per canviar la unitat en què s’expressa una quantitat s’utilitzen factors de conversió. Unitats de pressió hPa (hectopascal) ·100 : 100 Pa (pascal) : 101.300 · 101.300 atm (atmosfera) · 760 : 760 mmHg Unitats de volum m3 · 1.000 : 1.000 dm3 l · 1.000 : 1.000 cm3 ml Una hipòtesi és una resposta provisional i ha de ser comprovada. Es defineix l’experiment: les magnituds que es mesuraran i en quines condicions, i el material necessari. Obtenció i anàlisi de dades Per a la recollida de dades es poden utilitzar taules, i per a la representació i l’anàlisi, gràfiques. 4 3 5 2 6 1 Observació d’un fenomen L’actitud científica es caracteritza per observar un fenomen i fer-s’hi preguntes. Comunicació de resultats Les conclusions dels estudis científics moltes vegades donen lloc a lleis i teories científiques. Experimentació La hipòtesi es comprova mitjançant experiments que reprodueixin el problema. Recerca d’informació El problema ja té solució? Estic d’acord amb la solució proposada actual? Se m’acut una altra explicació possible? Formulació d’una hipòtesi Reflexiona sobre el que has esbrinat i pensa en una resposta raonable o predicció. Es publiquen els resultats en articles i llibres. El mètode científic és el conjunt de processos i actituds que els éssers humans utilitzen en l’estudi i l’explicació dels fenòmens que es produeixen a l’univers per arribar a conclusions certes. Una hipòtesi és una afirmació elaborada en l’àmbit d’una recerca de manera provisional i que pot ser certa o no. E X E M P L E R E S O LT 1 Expressa 120 hPa en mmHg. Cal utilitzar un factor de conversió per a cada canvi d’unitat: 120 760 900 hPa 100 Pa 1 hPa 1 atm 101 300 Pa mmHg 1 atm mmHg = · · · Factor de conversió Factor de conversió Factor de conversió 10
1 1. Els gasos 1.1. Els estats de la matèria Recorda els estats en què es presenta la matèria i les seves característiques. 1.2. L’estudi dels gasos El volum que ocupa un gas depèn de la temperatura i de la pressió a què es trobi . Es pot utilitzar el mètode científic per conèixer la relació entre aquestes magnituds. Com que no es pot mesurar en una única experiència la interdependència de tres variables, dissenyem experiments en què es manté constant una d’aquestes (per exemple, la temperatura), modifiquem la segona variable (per exemple, el volum) i mesurem l’efecte que produeix en la tercera (la pressió). La magnitud que modifiquem és la variable independent. Aquella en què mesurem l’efecte és la variable dependent. A més, hem d’uti litzar un di spositiu que permeti l legir el valor de les tres magnituds i modificar la variable independent en cada cas. A par tir del segle xvii, diversos científ ics van dur a t erme experiències a Anglaterra i a França que van permetre establir les lleis dels gasos. En totes les experiències hem de mesurar les magnituds següents: volum (V), pressió (p) i temperatura (T). R E P T E 3 Imagina que representem com boletes les partícules que formen la matèria. Prepara tres fitxes amb dibuixos que expliquin les característiques de la matèria en cadascun dels estats. Sòlids Tenen forma i volum constant. No s’expandeixen ni es comprimeixen . Líquids Tenen forma variable, però volum constant. No s’expandeixen , es comprimeixen molt poc. Gasos Tenen forma i volum variable. S’expandeixen i es comprimeixen . Dispositiu utilitzat per estudiar els gasos. 30 l 20 l 10 l 0 l Termòmetre Èmbol mòbil (puja o baixa per variar el volum) Manòmetre L a t emp eratura s’ ha d ’ e xpre ss a r s empre en K (un i t a t S I ) . S i e s m e su ra en oC , c a l f e r e l c anv i d’unitats: T (K) = T (8C) + 273 El volum i la pressió es poden expressar en qualsevol unitat. Ha de ser la mateixa en tota l’experiència . 11
2. Les lleis dels gasos. Llei de Boyle-Mariotte En el segle xvii, Robert Boyle a Anglaterra i Edme Mariotte a França van estudiar com variava la pressió que exercia un gas quan se’n modificava el volum mentre es mantenia constant la temperatura. Reproduïm experiències similars aplicant el mètode científic. Experiència ⇒ Utilitzem un bany termostàtic (fixa la temperatura al valor TA). • Movem l’èmbol per fixar el volum al valor V1. • Llegim al manòmetre el valor de la pressió del gas al recipient, p1. • Anotem els valors de V1 i p1 en una fila de la taula. • Ho repetim fins a obtenir diverses files de dades. ⇒ Modifiquem la temperatura del bany termostàtic a TB. ⇒ Repetim els passos fins a obtenir una altra sèrie de dades. TA p1 TA p2 1 Obtenció de dades 15 12 9 6 3 15 30 p (atm) V (l) 0 0 TA < TB TB TA Experiència A, TA Experiència B, TB V (l) p (atm) V (l) p (atm) 30 0,5 30 1 15 1,0 15 2 10 1,5 10 3 7,5 2,0 7,5 4 6,0 2,5 6,0 5 5,0 3,0 5,0 6 3,0 5,0 3,0 10 2 Taula Gràfica variable dependent variable dependent variable independent variable independent Anàlisi de dades ⇒ Com més gran és el volum, més baixa és la pressió, i viceversa. ⇒ En cada fila, el producte p ∙ V és constant. El seu valor depèn de la temperatura. ⇒ La gràfica de p enfront de V és una hipèrbola. ⇒ La curvatura de la hipèrbola depèn de la temperatura. 3 Conclusió ⇒ En les condicions d'aquesta experiència, la pressió i el volum són magnituds inversament proporcionals. 4 R E P T E 4 Una persona que treballa en ciència ha de saber explicar els fenòmens que observem al nostre entorn. Per exemple, per què s’aixafa una ampolla de plàstic quan l’avió baixa fins a aterrar? p ∙ V = ct. p1 ∙ V1 = p2 ∙ V2 Llei de Boyle-Mariotte Quan un gas experimenta transformacions a temperatura constant, el producte de la pressió que exerceix pel volum que ocupa es manté constant. 12
1 La relació entre la pressió ambiental i la llei de Boyle-Mariotte Observa el que experimenta una ampolla amb aigua durant l’aterratge d’un avió. Per què s’aixafa l’ampolla? • Dins l’avió, la temperatura es manté constant. • Damunt l’aigua de l’ampolla hi ha gas. En part, aigua que s’ha evaporat, i en part, aire que ha entrat a mesura que l’obríem per beure. • Durant el descens, es produeix un augment de la pressió ambiental a la cabina. Això fa que disminueixi el volum que ocupa el gas i l’ampolla s’aixafi. És el que prediu la llei de Boyle-Mariotte. EXEMPLE RESOLT 2 Volant en un avió a 10.000 m d’alçada i a 20 °C, tenim una ampolla parcialment plena d’aigua. A l’espai lliure, hi queden 200 ml ocupats per un gas a una pressió de 750 hPa. En aterrar, sense que variï la temperatura, la pressió arriba a ser d’1 atm. Quin volum ocupa el gas que hi ha en l’ampolla? 1. Representa els dos estats del gas amb les magnituds corresponents. p1 = 750 hPa V1 = 200 ml T1 = 20 °C p2 = 1 atm V2 = ? T2 = 20 °C 2. Identifica la llei que s’ha d’aplicar. Transformació a T = ct., aplica la llei de Boyle-Mariotte: ? ? p V p V 1 1 2 2 = . 3. O pera per aïllar V2: p V p V V p p V 1 1 2 2 2 1 2 1 = = " · · · 4. E xpressa les quantitats de cada magnitud en les mateixes unitats i substitueix les dades: 1 atm 103,25 hPa 1 atm 1.013 hPa = · v p p v 2 1 2 1 = = = hPa hPa 200 ml 148 ml · L’avió vola a 10.000 m L’avió ha aterrat 5 I N T E R P R E T O L A I M AT G E . Introdueix l’èmbol d’una xeringa fins a la primera marca (A). Després tapa l’orifici de sortida amb un dit i empeny l’èmbol amb el polze (B). Observaràs que l’èmbol s’introdueix bastant al cilindre. Ara, sense deixar de tapar l’orifici de sortida, retira el polze i deixa que l’èmbol es mogui. Veuràs que torna a la seva posició inicial. a) Què hi ha dins el cilindre de la xeringa durant tot el temps? b) Canvia la quantitat de la matèria que ocupa l’interior de la xeringa durant l’experiència? c) Què li ocorre al volum d’aquesta matèria quan empenys l’èmbol cap avall? Per què succeeix? 6 En un recipient de 6 l s’introdueix gas nitrogen a la pressió de 5 atm. a) Quin volum ocuparà si es duplica la pressió sense que variï la temperatura? b) Quina pressió caldria exercir perquè el volum arribés a ser de 15 l? A C T I V I T A T S A B 13
3. Les lleis dels gasos. Llei de Gay-Lussac En el segle xix el físic francès Gay-Lussac va estudiar com variava la pressió que exercia un gas quan es modificava la temperatura mentre mantenia el volum constant. Reproduïm experi ènci es simi l ars apli cant el mètode ci entíf ic. Anàlisi de dades ⇒ Com més gran és la temperatura, més gran és la pressió i viceversa. ⇒ En cada fila, el producte p ∙ T és constant. El seu valor depèn del volum. ⇒ La gràfica de p enfront de T és una recta. Si la prolonguem, passa pel punt (0,0). ⇒ El pendent de la recta depèn del volum. 3 Conclusió ⇒ En les condicions d'aquesta experiència, la pressió i la temperatura són magnituds directament proporcionals. 4 Experiència ⇒ Fixem la posició de l’èmbol perquè el gas ocupi un volum constant (VA). • Introduïm el recipient en un bany i anotem la temperatura que marca el termòmetre, T1 (en K). • Llegim al manòmetre el valor de la pressió del gas dins del recipient, P1. • Anotem els valors de T1 i P1 en una fila de la taula. • Escalfem el bany fins que el termòmetre marqui una temperatura T2 i anotem el valor de p2. • Ho repetim fins a obtenir diverses files de dades. ⇒ Modifiquem la posició de l’èmbol perquè el gas ocupi un volum VB. ⇒ Ho repetim per obtenir una altra sèrie de dades. 1 VA p1 VA p2 p T p T p T =ct. ; 1 1 2 2 = Llei de Gay-Lussac Quan un gas experimenta transformacions a volum constant, el quocient entre la pressió que exerceix i la temperatura absoluta es manté constant. Obtenció de dades 2 Taula Gràfica variable dependent variable dependent variable independent variable independent Experiència A, VA Experiència B, VB T (K) p (atm) T (K) p (atm) 200 0,5 333 0,5 320 0,8 533 0,8 400 1,0 667 1,0 520 1,3 867 1,3 600 1,5 1.000 1,5 1 2 500 1.000 p (atm) T (K) 0 0 VA VB R E P T E 7 Per què els envasos d’esprai, com ara alguns de nata, recomanen que no s’apropin al foc encara que estiguin buits? T1 T2 VA < VB 14
1 Poden explotar els esprais de pintura? Els pots d’esprai tenen un gas de pressió elevada (entre 2 i 8 atm) que facilita que surti el contingut de l’envàs a l’exterior. Aquests pots són recipients metàl·lics, per això el gas està a volum constant. Si s’acosten a un focus de calor, el gas s’escalfa i n’augmenta la pressió (llei de Gay-Lussac). Pot succeir que la pressió sigui tan alta que les parets del pot no la suportin i llavors exploti. CERT: Si es llença un esprai de pintura al foc, pot explotar. V E R I T A T O MENTI DA ? EXEMPLE RESOLT 3 Quan un esprai de pintura de 500 ml es buida, el gas que hi ha dins exerceix una pressió d’1 atm a la temperatura ambient, que és de 20 ºC. Si s’acosta al foc, pot arribar fins a 800 ºC. Quina pressió exercirà el gas en aquest moment? 1. Representa els dos estats del gas amb les seves magnituds. p1 = 1 atm V1 = 500 ml T1 = 20 °C p2 = ? V2 = 500 ml T2 = 800 ºC 2. Identifica la llei que s’ha d’aplicar. Transformació a V = ct., aplica la llei de Gay-Lussac. p T p T 1 1 2 2 = 3. Opera per aïllar T2: p T p T p T p T T p p T 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 = = = " " · · · 4. Abans de substituir les dades, expressa totes les quantitats de cada magnitud en les mateixes unitats. La temperatura ha d’estar expressada en kelvin: T1(K) = T1 (°C) + 273 = 20 °C + 273 = 293 K T2 (K) = T2 (°C) + 273 = 800 °C + 273 = 1.073 K Aplica la llei de Gay-Lussac. p T T p 2 2 1 1 = = = 1.073 K 293 K 1 atm 3, 7 atm · · 8 En un recipient rígid de 700 cm³ es va introduir gas nitrogen. El manòmetre indicava una pressió de 100 kPa a 25 ºC. A quina temperatura estarà ara si el manòmetre indica una pressió de 5 atm? 10 El manòmetre d’una bombona de 100 l indica que el gas de l’interior exerceix una pressió d’1 atm a temperatura ambient (20 ºC). Quina pressió exercirà quan la seva temperatura arribi a ser de 130 ºC? 9 Amb les olles de pressió es cuinen aliments més ràpid i amb menys aigua, ja que degut a l’elevada pressió interior l’aigua bull a més de 100 oC. Observa l’esquema i contesta les preguntes: a) Quin tipus de matèria hi ha a l’espai per sobre del límit d’ompliment? En quin estat es troba? b) Per què té tapa hermètica? c) Explica la funció de les vàlvules d’escapament i de seguretat. Què podria passar si no les tinguessin? d) Cal vigilar que les vàlvules no estiguin obturades, per risc d’explosió. Utilitza la llei de Gay-Lussac per explicar per què podria arribar a explotar. A C T I V I T A T S Vàlvula d’escapament (allibera vapor quan la pressió arriba al límit) Vàlvula de seguretat Tapa hermètica Límit d’ompliment 15
RkJQdWJsaXNoZXIy