Química 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 ha par ticipat: Cristina Guardia Villarroel Ana Isabel Menéndez Hur tado ASSESSOR AMENT Anna Pous Saltor EDICIÓ Raúl Carreras Soriano Laura Muñoz Ceballos Beatriz Simón Alonso 3.14 Ser vicios Editoriales 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. 2 B A T X I L L E R A T
Índex de Química Unitat Construeix el teu coneixement Sabers bàsics Aplico el que he après 1 Estructura atòmica de la matèria 6 1. Magnituds atòmiques. 2. Història dels models atòmics. 3. Orígens de la teoria quàntica. 4. Model atòmic de Böhr. 5. Mecànica quàntica. 6. Configuració electrònica. Raigs X i radiografies. 2 L’àtom i la taula periòdica 36 1. Història de la taula periòdica. 2. La taula periòdica actual. 3. Apantallament i càrrega nuclear efectiva. 4. Propietats periòdiques. 5. Les propietats fisicoquímiques i la posició a la taula periòdica. Científics, governants i militars. 3 Enllaç químic. Substàncies iòniques i metàl·liques 68 1. Per què s’uneixen els àtoms? 2. Enllaç iònic. 3. Enllaç covalent. 4. Enllaç metàl·lic. 5. Comparació de les propietats físiques en funció del tipus d’ enllaç. Alumini. Producció i aplicacions. 4 Enllaç covalent 96 1. Octet de Lewis. 2. Geometria d’enllaç. Hibridació. 3. Polaritat. 4. Enllaç entre molècules. 5. Propietats físiques i forces d’ enllaç. Cabell llis o arrissat. 2
Unitat Construeix el teu coneixement Sabers bàsics Aplico el que he après 5 Termoquímica 124 1. Primer principi de la termodinàmica. Intercanvi d’energia entre sistemes mitjançant calor i treball. 2. Representació de processos termoquímics. Equacions, diagrames i entalpies de reacció. 3. Càlcul d’entalpies de reacció aplicant la llei d’Hess. 4. Segon principi de la termodinàmica. Espontaneïtat i irreversibilitat dels processos químics. 5. Predicció de l’espontaneïtat d’una reacció. La defensa de l’escarabat escopeter. 6 Cinètica química 154 1. Velocitat de reacció. 2. Com s’esdevenen les reaccions químiques? 3. Dependència de la velocitat de reacció amb la concentració. 4. Factors que afecten la velocitat de reacció. 5. Catàlisi enzimàtica 6. Mecanismes de reacció. La conservació d’aliments. 7 Equilibri químic 184 1. Definició d’equilibri químic. 2. Expressions de les constants d’equilibri, KC i Kp. 3. Factors que afecten l’equilibri. Principi de Le Châtelier. 4. Equilibris heterogenis. Reaccions de precipitació. 5. El procés Haber -Bosch. Equilibri químic i respiració. 8 Reaccions àcid-base 214 1. Característiques generals d’àcids i bases. 2. Teories àcid-base. 3. Equilibri iònic de l’aigua. 4. Mesura de l’acidesa. Concepte de pH. 5. Força relativa d’àcids i bases. 6. Reaccions de neutralització. 7. Hidròlisi de sals. 8. Dissolucions reguladores. 9. Obtenció industrial dels àcids i bases orgànics i inorgànics. 10. Contaminació ambiental. Materials que redueixen la contaminació. 3
Índex de Química Unitat Construeix el teu coneixement Sabers bàsics Aplico el que he après 9 Reaccions de transferència d’electrons 244 1. Oxidació i reducció. 2. Ajust de reaccions redox. 3. Estequiometria de les reaccions redox. 4. Valoracions redox. Tractament experimental 5. Piles voltaiques. 6. Tipus de piles. 7. Electròlisi. 8. Aplicacions de l’electròlisi. 9. Corrosió de metalls. Prevenció. Mobilitat sostenible. 10 Química orgànica 274 1. Compostos orgànics. 2. Isomeria. 3. Reactivitat dels compostos orgànics. 4. Tipus de reaccions orgàniques. Catalitzadors enantioselectius. 11 Aplicacions de la química orgànica 304 1. Compostos orgànics senzills d’interès. 2. Macromolècules. 3. Polímers sintètics. 4. Combustibles fòssils. 5. Química orgànica i salut. 6. Altres polímers presents a la nostra vida. Els medicaments, des del laboratori fins a la comercialització. Annexos 334 I. Nomenclatura inorgànica ......................................................................................... 334 II. Nomenclatura orgànica ............................................................................................ 354 III. Taula de constants físiques i químiques . ................................................................ 373 IV. Taula periòdica dels elements químics . .................................................................. 374 4
Esquema de les unitats Tercer postulat. L’energia al liberada si passa un electró des d’una òrbita a una altra de més bai xa energia s’emet en forma d’un fotó, la freqüència del qual s’obt é amb l ’equació de Planck. Aquests fotons produïts pel s salts energètics són el s responsables del s espectres d’emi ssió. De la mateixa manera , quan un electró passa d’una òrbita a una altra d’energia sup er ior, ho fa abs orbint l ’ en erg i a d ’ un f o tó . Aqu e st s f o tons abs orbit s p er aquests salts energètics són els responsables de les línies negres corresponents a certes freqüències en els espectres d’absorció. En una òrbita det erminada , a l ’el ectró li correspon una energi a que podem obtenir amb la suma de les seves energies cinètica i potencial . L’energia cinètica, ? ? E m v 2 1 C 2 = , segons l’expressió [1] valdrà: . ? ? E k r e 2 1 C 2 = I l’energia potencial , ? E k r e P 2 = - . Per tant, l’energia total serà : ? ? ? ? E E E k r e k r e k r e 2 1 2 C P 2 2 2 = + = - = - Si substituïm l’expressió de r obtinguda en el segon postulat: ? ? ? E n h k m e 1 2 e 2 2 2 2 4 r = - e o, sent el factor ? ? A h k m e 2 e 2 2 2 4 r = = ct. D’aquesta manera obtenim que l’energia de l’electró està quantitzada : E n A 2 = - S i s u p o s e m q u e l ’ e l e c t r ó c a u d e s d ’ u n a ò r b i t a n2 a u n a ò r b i t a n1, s e n t n2 > n1, les energies respectives seran : E n A n 2 2 2 = - i E n A n 1 2 1 = - La diferència d’energia serà : ? E E h f n n 2 1 - = . Substituint obtenim : ? n A n A h f 2 2 1 2 - - - = e o É s a d i r, ? f h A n n 1 1 1 2 2 2 = - e o. S a b e m q u e f c m = . S u b s t i t u i n t i a ï l l a n t es dedueix: L’equació de Rydberg ? ? ? h c A n n R n n 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 2 2 2 m = - = - e e o o Bohr havia donat una explicació teòrica de l’espectre atòmic de l’ hidrogen i de l’equació de Rydberg. 4. Model atòmic de Bohr 9 Hi ha un nivell d’energia per a l’ àtom d’hidrogen, En = -2,69 ? 10-20 J? Solució: Sí, n = 9 10 Explica el model atòmic de Bohr i les seves principals limitacions. A C T I V I T A T S E X E M P L E R E S O LT 1 2 En l’espectre de l’ àtom d’hidrogen a una línia li correspon l = 434,05 nm. Calcula la DE per a la transició associada a aquesta línia expressant-la en kJ ? mol-1. Si l’electró arriba al nivell inferior n = 2, determina de quin nivell procedeix. Dades: h = 6,626 ? 10-34 J ? s; NA = 6,022 ? 1023; RH = 2,179 ? 10-18 J; c = 3 ? 108 m ? s-1. Utilitza l’expressió de Planck DE = h ? f, i atès que c = l ? f, llavors: D ? E h c l = Substitueix els valors: D ? ? ? ? ? ? , E 6 626 10 J s 434,05 10 m 3 10 s m 4,58 10 J 34 9 8 19 = = = - - - Expressa l’energia en kJ ? mol-1. Per fer-ho, utilitza els factors de conversió adequats: D ? ? ? ? ? , E 4 58 10 fotón J 10 J 1 kJ 1 mol 6,022 10 fotones 19 3 23 = - DE 275,8 mol kJ = Utilitza l’equació de Rydberg en la forma d’energia: D ? ? ? D E R n n n n n R E 1 1 1 1 H H 1 2 2 2 2 1 1 2 & & = - = - f p Substitueix els valors i opera. ? ? ? ? n 2 1 2 1 2,179 10 J 4,58 10 J 5 2 2 18 19 = - = - - Cada electró que salti des del nivell quàntic principal 5 fins al nivell quàntic secundari 2 emetrà un fotó. Cada fotó emet 4,58 · 10-19 J. Un mol de fotons emet 275,8 kJ. 20 Es dedueix que com més gran sigui la intensitat de la radiació incident més gran serà el nombre de fotons que aconsegueixin el metall . Tots aquests fotons porten la mateixa energia associada . Per tant, si augmenta la intensitat augmentarà el nombre d’electrons emesos, però no la seva velocitat. D’altra banda , no hi ha temps de retard entre l ’impacte de fotons i l ’emi ssió d’electrons perquè l’energia de la radiació es presenta en paquets concentrats ( fotons) i no distribuïda en una àmplia regió de l’espai . E X E M P L E R E S O LT 9 Quan una mostra d’ àtoms del potassi s’irradia amb llum ultraviolada, es produeix l’emissió d’electrons i es formen ions K+. Calcula la velocitat dels electrons emesos si s’utilitza radiació amb l = 200 nm, sabent que el valor del primer potencial de ionització del potassi és 418,8 kJ ? mol-1. Dades: me = 9,11 ? 10-31 kg; h = 6,626 ? 10-34 J ? s; c = 3 ? 108 m ? s-1; NA = 6,022 ? 1023 mol-1. Primerament calcula l’energia de la radiació amb què s’il·lumina l’ àtom. ? ? ? ? ? ? ? ? h f h c 6,626 10 J s 200 10 m 3 10 s m 9,94 10 J 34 9 8 19 l = = = = - - - radiació E Amb la definició de primer potencial de ionització, aquest es correspon amb el llindar d’energia que expressem en unitats del SI. ? ? ? ? ? E E 418,8 kJ mol 1 kJ 10 J 6,022 10 1 mol 6,95 10 J 1 3 23 19 = = = - - ionització La diferència entre totes dues energies és l’energia cinètica amb què surt l’electró. Per tant: Ec = Eradiación - E0 = 9,94 · 10-19 J - 6,95 · 10-19 J = 2,99 · 10-19 J Com que ? ? E m v 2 1 c 2 = , aïlla, substitueix i opera: ? ? ? ? ? , , v m E 2 9 11 10 2 2 99 10 kg J 8,1 10 m s e c 31 19 5 1 = = = - - - 1 5 La radiació de longitud d’ona 242,4 nm és la longitud d’ona més llarga que produeix la fotodissociació del O2. Quina és l’energia del fotó? I la d’un mol de fotons? Dades: h = 6,626 ? 10-34 J ? s; c = 3 ? 108 m ? s-1; NA = 6,02 ? 1023 . Solució: 8,200 ? 10-19 J ? fotó-1; 4,94 ? 105 J ? mol-1 6 Determina l’energia cinètica i la velocitat dels electrons arrencats del coure quan hi incideix la llum de freqüència 4,12 ? 1015 Hz. El llindar de freqüència del metall és de 1,12 ? 1015 Hz. Dades: h = 6,626 ? 10-34 J ? s; me = 9,11 ? 10-31 kg. Solució: Ec = 1,99 ? 10 -18 J; v = 2,09 ? 106 m ? s-1 A C T I V I T A T S Els electrons seran arrencats quan se’ ls proporcioni l’energia suficient per alliberar-se de la seva interacció amb la resta de l’àtom. Aquesta és l’energia mínima que es relaciona amb el llindar de freqüència. Les tres possibilitats davant les quals ens podem trobar venen ref lectides en l’esquema següent: E0 és l’energia associada al llindar de freqüència , f0, i s’anomena treball d’extracció del metall . E > E0, s’emeten e- amb una determinada velocitat donada per l’expressió: ? ? ? ? E E E h h f m v f 2 1 c 0 0 2 = + = + E < E0, no s’emeten eE = E0 s’emeten eE = h ? f Radiació incident 1 1 2 2 3 3 Representació de l’efecte fotoelèctric R E C O R D A L’electro-volt, eV, és una unitat d’energia que equival a l'energia cinètica que adquireix un electró quan s’accelera, en el buit, per una diferència de potencial d’1 volt. La seva equivalència en unitats d’energia del SI és: ? 1 eV 1,6 10 J 19 = - 15 3. Orígens de la teoria quàntica Anàlisi de flames de colors Objectiu ● Observar els espectres d’emissió de diversos elements químics. ● Reconèixer un element químic segons el seu color en la flama. Material ● Gresols o ampolles amb polvoritzador ● Bec de Bunsen ● Espectroscopi de mà Reactius ● Etanol ● Carbonat de sodi ● Bromur de potassi ● Clorur d’estronci ● Clorur de coure (II) Procediment 1. Prepara una dissolució saturada de cada sal en 10 cm3 d’etanol. Només caldran uns pocs mg de cada sal. 2. Transferir cada dissolució a un gresol o un polvoritzador. 3. El diclorur de coure (II) és poc soluble en etanol i hauràs de passar la dissolució per un paper de filtre, abans d’introduir-la en el polvoritzador. També es pot utilitzar sulfat de coure (II). 4. Redueix la llum del laboratori. 5. Encén el bec de Bunsen. 6. Ajusta els filtres del polvoritzador perquè generin una boirina fina. 7. Polvoritza les dissolucions cap a la flama del bec de Bunsen amb cura de dirigir-lo cap a on no hi hagi ningú. Resultat i conclusions Observa el color de la flama que produeix cada sal i completa la taula següent: Dissolució Carbonat de sodi Bromur de potassi Clorur d’estronci Diclorur de coure (II) Color ● Orienta cap a la flama l’espectroscopi de mà i observa les línies espectrals produïdes per cada element. ● Compara les línies espectrals amb les que pots observar per a cada element de la taula a la web https://www.educaplus.org en l’apartat de llum i espectres. ● Polvoritza la dissolució d’aquesta pràctica. Segons el color de la flama i a les línies espectrals, de quin element es tracta? ● Busca informació sobre l’ús de proves a la flama per a l’anàlisi qualitativa de borats. R E C O R D A En cas de no tenir accés a un espectroscopi de mà, se’n pot construir un de casolà. Consulta la web https://astroaficion.com per descobrir com fer-ho. 18 Magnituds atòmiques E X E M P L E R E S O LT 2 0 Indica el nombre de protons, neutrons i electrons 15 31P. S’ha d’interpretar que Z = 15 i A = 31. Com que no s’indica càrrega, s’ha d’entendre que l’ àtom és neutre: ● El nombre de protons coincideix amb el nombre atòmic, és 15. ● El nombre d’electrons coincideix amb el nombre atòmic, és 15. ● A = Z + N N = A - Z = 31 - 15 = 16 El nombre de neutrons és 16. 21 Determina el nombre de protons, neutrons i electrons de l’ió Ra 88 228 2+. 22 Quina de les espècies següents: Mg 12 24 2+, Cr 24 47 , Co 27 60 3+, Cl 17 35 -, Sn 50 120 2+, Th 90 225 i Sr 38 90 … a) … té igual nombre de protons que de neutrons? b) … té igual nombre de neutrons i electrons? c) … té un nombre de neutrons igual al nombre de protons més la meitat del nombre d’electrons? 23 Considerant les dades següents: Àtom Protons Neutrons Electrons I 40 40 40 II 42 38 42 Raona si és cert o fals que els àtoms I i II: a) Són isòtops. b) Pertanyen al mateix element. c) Tenen el mateix nombre atòmic. 24 Un dels isòtops del ferro és 26 56Fe. En alguns compostos, com ara l’hemoglobina de la sang, el ferro es troba en estat d’oxidació +2. Calcula el nombre de protons, electrons i neutrons d’aquest isòtop en l’hemoglobina. 25 Indica, justificant la resposta, quina relació hi ha entre les espècies químiques de cadascuna de les parelles: a) 108Rh i 108Ag b) 76Kr i 75Kr c) 54Co2+ i 54Co3+ 26 Indica raonadament si són certes o falses cadascuna de les afirmacions següents: a) Dos ions de càrrega +1 dels isòtops 23 i 24 del sodi (Z = 11) tenen el mateix comportament químic. b) La massa atòmica aproximada del clor és 35,5, sent aquest un valor mitjà ponderat entre les masses dels isòtops 35 i 37, de percentatges d’abundància 75 i 25%, respectivament. c) Els isòtops 16 i 18 de l’oxigen es diferencien en el nombre d’electrons que posseeixen. Orígens de la teoria quàntica 27 Una operadora de te l efoni a mòbi l ( s i stema 4G) ut i l i tza l a f reqüènc i a de 1.800 MHz . Les f reqüènc i es de l a l lum v i s ibl e var i en ent re 4,3 ? 108 MHz ( verme l l ) i 7,5 ? 108 MHz ( v iol eta) . Quants fotons de l s i stema 4G contenen l a mate i xa energ i a d’un sol fotó de l lum v iol eta? Solució: 4,17 ? 105 fotons 4G 28 L’espectre visible va de la longitud d’ona 400 nm fins a 700 nm. La 1a energia de ionització del liti és 5,40 eV. a) Calcula la màxima energia de la radiació visible. b) Raona si aquesta radiació ionitza el liti o no. Dades: 1 J = 1,6 ? 10-19 eV; c = 3 ? 108 m ? s-1; h = 6,626 ? 10-34 J ? s. Solució: a) 4,97 ? 10-19 J Model atòmic de Bohr E X E M P L E R E S O LT 2 1 Calcula l’energia de ionització de l’ àtom d’hidrogen. Dada: RH = 2,179 ? 10-18 J. Suposem l ’ àtom d’h i drogen en e l seu es tat fonamenta l , amb l ’ e l ect ró en e l n i ve l l quànt i c de menor energ i a , n1 = 1 . Si l’ àtom està ionitzat és perquè l’electró s’allunya tant de l’ àtom que se’n desvincula. És el mateix que dir que ocupa el nivell quàntic de més energia, n2 = 3. ? ? ? , E R n n 1 1 2 17 1 1 1 9 10 J H 1 2 2 2 2 2 18 3 = - = - - f e p o E = 2,179 ? 10-18 J 29 Utilitza els postulats de Bohr en la descripció de l’ àtom d’hidrogen per determinar: a) El radi de la sisena òrbita de Bohr per a l’hidrogen. b) L’energia de l’electró quan està en aquesta òrbita. Dades: a = 5,3 ? 10-11 m; A = 2,17 ? 10-18 J. Solució: a) 1,9 ? 10-9 m; b) -6,0 ? 10-20 J 30 Quin valor de n2 en l’equació de Rydberg correspon a la línia de la sèrie de Balmer a 389 nm? Solució: 8 31 La sèrie de Lyman de l’espectre de l’hidrogen pot representar-se per l’equació: ? , , ...) f n n 1 1 1 2 3 (donde 2 2 f = - = e o a) Calcula les línies d’aquesta sèrie de longituds d’ona màxima i mínima, en nanòmetres. b) Quin és el valor de n que correspon a la línia espectral a 95,0 nm? c) Hi ha alguna línia a 108,5 nm? Dada: f = 3,288 ? 1015 Hz. Solució: a) 121,6 nm, 91,24 nm; b) 5 activitats finals 30 Continguts de la unitat. Algunes preguntes relacionen els continguts amb allò que ja s’ha estudiat. Altres conviden a la reflexió o al debat a partir d’alguna imatge. Al llarg de tota la unitat s’inclouen nombrosos exemples resolts, numèrics o no, que ajuden a posar en pràctica els conceptes exposats. Les activitats acompanyen el treball dels pròxims continguts. Una imatge i un text inicials presenten la unitat. Les activitats finals refermen els continguts i permeten relacionar uns coneixements amb altres i elaborar una anàlisi més profunda. Després de les activitats finals, un resum recopila els continguts més rellevants que s’acaben d’estudiar. La secció Perfil professional presenta algunes professions relacionades amb els continguts de la unitat. Algunes pàgines inclouen procediments o experiències per aprendre d’una manera activa. S’hi mostra pas a pas la feina a seguir. Abans de tractar els continguts de cada unitat, al repàs inicial es recorden continguts de matemàtiques, física o química. Els continguts es presenten d’una manera visual i amb abundants esquemes i organitzadors. O R I E N T A C I O N S P E R A L’ A C C É S A L A U N I V E R S I T A T 1 L’estudi dels espectres atòmics és una de les nostres majors fonts de coneixement sobre l’estructura atòmica . Des del telescopi James Webb que utilitza l’espectroscòpia astronòmica per identificar la composició de les estrelles, fins a la criminologia moderna que utilitza l’espectroscòpia forense per determinar la composició en mostres de sang en l’escena d’un crim ; els espectres s’utilitzen per determinar espècies atòmiques en gran nombre d’objectes. A causa de la seva senzillesa l’espectre més estudiat és l’espectre de l’ àtom d’ hidrogen . 1 En l’espectre d’emissió de l’ àtom d’hidrogen hi ha una línia situada en la zona visible l’energia associada de la qual és 291,87 kJ ? mol-1. Calcula a quina transició correspon. Dades. h = 6,626 × 10-34 J ? s; NA = 6,022 × 1023 mol-1; RH = 2,180 × 10-18 J; RH = 1,097×107 m-1; c = 3 × 108 m ? s-1. Segons l’equació de Bohr, l’energia de cada nivell està quantitzada i la diferència d’energia entre dos nivells atòmics compleix l’expressió: E R n n 1 1 H 1 2 2 2 = - f p Ens diuen que la línia està en la zona visible, per tant, es tracta d’una línia en la zona de Balmer i per això n1 = 2, per poder conèixer la transició electrònica haurem de calcular n2 en l’expressió matemàtica anterior. En primer lloc, atès que aquesta expressió és per a un àtom d’hidrogen, haurem de canviar les unitats de l’energia de la radiació de kilojoules per cada mol d’electrons a joules per electró utilitzant el factor de conversió adequat, ja que en l’expressió, la dada de l’energia és per a la transició d’un electró. Ens ofereixen dos valors de la constant de Rydberg, i haurem de triar el que apareix reflectit en unitats d’energia. 2 Calcula la menor longitud d’ona en nm de la radiació absorbida de l’espectre d’hidrogen. Dades. RH = 1,097 × 107 m-1. En aquest cas utilitzarem l’expressió que reflecteix la longitud d’ona associada per a diferents salts electrònics: R n n 1 1 1 H 1 2 2 2 l = - f p La menor longitud d’ona vindrà associada a la transició de major energia. En el cas de l’ àtom d’hidrogen, la transició més energètica es donarà en n1 = 1 i n2 = 3. El valor de longitud d’ona, l’obtindrem en metres i haurem d’utilitzar el factor de conversió adequat per obtenir-lo en nm, tal com se’ns demana. 3 Calcula la longitud d’ona i la freqüència associada a la tercera línia de l’espectre de la sèrie Lyman. Dades. RH = 1,097 × 107 m-1, c = 3 × 108 m ? s-1. De nou utilitzarem l’expressió que reflecteix la longitud d’ona associada per a diferents salts electrònics: R n n 1 1 1 H 1 2 2 2 l = - f p Com que es tracta de la sèrie de Lyman n1 = 1, la tercera línia correspondrà al tercer salt electrònic possible, és a dir a n2 = 4. Per calcular la freqüència utilitzarem l’expressió: c = l ? f Sèries d’emissió de l’ àtom d’hidrogen. sèrie de Balmer sèrie de Paschen E eV 0 -0,38 -0,54 -0,85 -1,51 -3,40 -13,6 n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5 n = 6 n = 7 n = ∞ infraroig sèrie de Brackett s. de Pfund visible sèrie de Lyman ultraviolat 35 A Orientacions per l’accés a la Universitat s’hi inclouen activitats i consells per a la seva resolució. A la secció Aplico el que he après s’hi inclouen continguts pràctics relacionats amb la unitat. Magnituds atòmiques Els àtoms estan compostos per tres tipus de partícules: protons, neutrons i electrons. Partícula Càrrega elèctrica (C) Massa (g) Descobridor/any Protó +1,602 ? 10-19 1,673 ? 10-24 Eugene Goldstein 1886 Electró -1,602 ? 10-19 9,109 ? 10-28 Joseph J. Thomson 1897 Neutró 0 1,675 ? 10-24 James Chadwick 1932 Nombre atòmic, Z, és el nombre de protons del nucli. Nombre màssic, A, és el nombre de partícules del nucli. Ions, un àtom pot perdre o guanyar electrons, queda amb càrrega elèctrica i es considera ió. Isòtops, per a un mateix element els àtoms poden tenir diferent nombre màssic. Aquests són isòtops entre sí. Història dels models atòmics La manera en què comprenem com són e l s àtoms ha canv i at a l l l arg de l a hi stòr i a. Aquests canv i s són f rui t de l mètode c i ent í f i c. Model atòmic de Rutherford 1. La major part de la massa i tota la càrrega positiva de l’ àtom estan concentrades en una regió molt petita anomenada nucli. 2. La magnitud de la càrrega positiva identifica cada àtom. 3. Al voltant del nucli es mouen els electrons en un nombre igual al d’unitats positives del nucli, així l’ àtom és elèctricament neutre. Orígens de la teoria quàntica La hipòtesi de Planck expressa que a una radiació de freqüència f li correspon una energia: E = h ? f ? ? h 6,626 10 J s 34 = - Efecte fotoelèctric: es produeix emissió d’electrons quan s’aconsegueix una freqüència mínima, que és el llindar de freqüència, f0. Per sota d’aquesta freqüència no es produeix emissió d’electrons. Albert Einstein va proposar el 1905 que la llum està constituïda per partícules anomenades fotons, l’energia de les quals ve donada per l’equació de Planck. Espectres atòmics L’equació generalitzada per a les línies espectrals en l’ àtom d’hidrogen s’expressa: ? R n n 1 1 1 1 2 2 2 m = - f p sent n1 < n2. R: constant de Rydberg, amb valor 1,097 ? 107 m−1. Model atòmic de Bohr Primer postulat. L’electró gira al voltant del nucli en òrbites circulars sense emetre energia. Segon postulat. Només són possibles les òrbites en què el moment angular de l’electró és múltiple enter de h/2π. El nombre n és el nombre quàntic principal. ? L n h 2p = Tercer postulat. L’energia sobrant d’un electró que passa des d’una òrbita a una altra de menor energia s’emet en forma d’un fotó. Aquests fotons són els responsables dels espectres d’emissió. n1 = 6 n1 = 5 n1 = 4 n1 = 3 6 5 4 3 2 1 Model de Bohr-Sommerfeld El nombre quàntic secundari, l, pot adquirir valors: l = 0, 1, 2, 3, … (n - 1). El nombre quàntic magnètic, ml, pren valors relatius al nombre quàntic secundari: ml = -l, …, 0, …, +l. El nombre quàntic de spin, ms, només pot adquirir els valors: -1/2 i +1/2. Mecànica quàntica Dual i tat ona-corpuscle: l es par t í cul es poden compor tar-se com a ones amb long i tud d’ona assoc i ada: l ? m v h = Principi d’indeterminació: no és possible determinar simultàniament moment lineal i posició: D ? D p 4 x p h $ Orbital: zona de l’espai on la probabilitat de trobar l’electró és màxima. Configuració electrònica Principi d’exclusió de Pauli: no pot haver-hi dos electrons en el mateix àtom amb els mateixos nombres quàntics. R e g l a d e l a mà x i ma mu l t i p l i c i t a t d e Hund : e l s e l e c t r o n s s ’ a l l o t g e n e n o r b i t a l s d e g e n e ra t s, amb i g u a l e n e r g i a ( p, d o f ) , o c u p a n t - n e l a mà x i ma q u a n t i t a t p o s s i b l e, d ’ a q u e s t a ma n e ra q u e d e n e l e c t r o n s d e s a p a r e l l a t s. R E C O R D O E L Q U E H E A P R È S 1 33 Perfil del químic analític Què fan? Estudia la composició química d’una mostra d’un material mitjançant mètodes de laboratori . Com ho fan? Tria la tècnica analítica avançada més adequada per a la resolució d’un problema analític específic. Demostra el compliment dels requisits tècnics per assegurar la qualitat del procés analític. Modifica un pla de treball experimental en funció de l’obtenció de resultats inesperats. 1 A P L I C O E L Q U E H E A P R È S P E R F I L P R O F E S S I O N A L Raigs X i radiografies E l s ra i g s X s ón ra d i a c i ó e l e c t r oma g n è t i c a , d e l ma t e i x t i pus qu e l a l lum v i si bl e , l e s mi cro on e s ut i l itzad e s p er e scal far e l s al iment s o l e s on e s d e ràdio qu e emet i d e - t e c t a e l n o s t re t e l è f o n m ò b i l . L a s e v a l o n g i tu d d ’o n a o sc i l · l a entre 0 , 001 nm i 10 nm ( 1nm = 10–9 m) . S ón inv i si bl e s i , a mé s , mo lt en ergèt i c s . Ai xò fa qu e trav e ssin obst a c l e s amb fa c i l it at , i aqu e st a caract er í st i ca é s l a qu e re sult a t an út i l en medi cina . En e fe ct e , quan un fe i x d e rai gs X ar r i ba al no stre c o s , tra - v e ssa l e s p ar t s tov e s , c om ara e l s mú scul s , p e rò é s ab - s o r b i t p e r l e s p a r t s m é s d u r e s : e l s o s s o s . Pe r a i xò , s i c o l · l o qu em u n a p a n t a l l a a d e qu a d a d a r re re d e l a p a r t d e l c o s qu e v o l em e xaminar, obt indrem una imat ge d e l ’ int er ior d e l ’organi sme , amb e l s o ss o s c l arament di ferenc i at s . W. C . Rönt gen e l s v a d e s c o br i r e l 1 8 9 5 , f e t p e l qu a l v a rebre el pr imer P remi Nob el d e Fí si ca , el 1901 . Rönt gen va fer l a pr imera «radiog raf i a» d e l a hi stòr i a , qu e mo s - t r av a l a m à d e l a s e v a e s p o s a , e l 2 2 d e d e s e m b r e d e l ’any 1895 . Per generar un fei x de raigs X: 1. Primer es genera un corrent d’alt voltatge que es fa passar per un filament a l’interior d’un tub de vidre en el qual s’ ha fet el buit, com en les bombetes tradicionals. 2. El s electrons que formen aquest corrent són par tícules amb càrrega negativa , i se sent en atrets a gran velocitat cap al pol positiu del generador. 3. Abans d’arribar a el l xoquen amb una peça metàl·lica . El s àtoms del met al l incor poren aqu e st s el ectrons a la seva escorça . 4. En l a c o l · l i si ó p e rd en en e rg i a , i en aqu e st pro c é s e s genera un fei x de raigs X. El s raigs X suposen menys del 5% de l ’energi a que por t en el s el ectrons. La resta escal fa les diverses par ts del tub. 5. El fei x de raigs X es dirigei x cap al pacient. 6. El s raigs X travessen el cos del pacient. 7. La radi ació impacta en una pel · lícul a o en un sensor digital , i forma una imatge on es diferencien el s ossos de les par ts més toves. ÀNODE CÀTODE blindatge electrons vidre 34 X Z A 1. Models atòmics Teoria atòmica de Dalton, 1803. Àtom indivisible. Entra en crisi amb el descobriment de l’electró, 1897. L’ àtom no és indivisible. Model atòmic de Thomson, 1904. Electrons incrustats en una esfera de càrrega positiva amb densitat homogèni a . Entra en cr i si amb l ’ e xp er iment d e l a l àmina d ’or, 1911 . L a d ensit at d e càr rega e l è ctr i ca p o sit iva no e st à igualment distribuïda per l’ àtom. Model atòmic de Rutherford, 1911. Electrons a l’escorça de l ’ àtom a manera de si stema planetari amb el nucli al centre que concentra la càrrega elèctrica positiva . Entra en crisi amb la constatació de les maneres en què l’ àtom intercanvia energia amb el seu entorn , 1913. El model no explica degudament per què les òrbites dels electrons són estables. 2. Magnituds atòmiques El s àtoms estan compostos per tres par tícul es el ementals: protons i neutrons al nucli i electrons a l’escorça . El nombre atòmic, Z, indica el nombre de protons que té un àtom. E l nombre mà ssi c, A, é s i gua l a l n ombre d e nu c l e on s (protons més neutrons). A = Z + N Un àtom qualsevol se simbolitza així: . E X E M P L E R E S O LT 1 Indica el nombre de protons, neutrons i electrons de . En llegir el símbol, identifica: Z = 15 i A = 31. El nombre de protons és Z = 15. Com que no s’indica càrrega, l’ àtom és neutre i el nombre d’electrons coincideix amb Z = 15. El nombre de neutrons és N = A - Z = 31 - 15 = 16. 3. Nombres quàntics d’un electró El nombre quàntic principal, n, indica el nivell d’energia principal en què es troba l’electró. El nombre quànt i c se cund ar i, l, indi ca l a forma d e l a zona de l’espai on es mou l’electró. El nombre quàntic magnètic, ml , indica , davant la direcció d’un camp magnètic a l ’espai , l ’orientació de l ’òrbita per la qual es mou l’electró. El nombre quànti c de spin, ms, indi ca l ’or i ent ac ió d el camp magnètic intrínsec de l’electró. La combinació dels quatre nombres quàntics s’anomena t ètrada, i ens expressa l ’estat de l ’el ectró a l ’escorça de l’ àtom. En un mateix àtom no pot haver -hi dos electrons amb la mateixa tètrada . Un exemple de tètrada és (3, 2, -1, +1/2). 4. Radiació electromagnètica Una radiació electromagnètica és una manera de transmissió d’energia que es propaga en forma d’ona . L on g i tud d ’ona, l, é s l a di st àn c i a mí nima ent re du e s crestes successives d’una ona . La seva unitat en el SI és el metre. Freqüència, f (també s’abreuja amb la l letra grega n), és el nombre d e cre st e s qu e passen p er un punt d et ermi - nat per unitat de t emps. L a s e v a u n i t a t é s l ’ i nv e r s d e l s e g o n , s-1, o h e r t z , Hz . És l ’invers del període, T. Amplitud A x (cm) t (s) -A Període Línia d’equilibri A partir d’aquí l’ona es repeteix Longitud d’ona i freqüència es relacionen a través de l’expressió: c = f ? l. Sent c la velocitat de la llum en el buit i igual a : 3 ? 108 m ? s-1. EXEMPLE RESOLT 2 Calcula la longitud d’ona que emet un forn microones si la seva freqüència d’emissió és 2.450 MHz. Dada: c = 3 ? 108 m ? s-1. Primerament expressa la freqüència en unitats del SI. ? ? f MHz 1 MHz 10 Hz 2,45 10 Hz 6 9 = = 2.450 Tingues en compte la relació entre longitud d’ona i freqüència: ? ? · , s s m , c f f c 2 45 10 1 3 10 0 122 m 9 8 & l l = = = = REPASSO QUÍMICA P 15 31 8 El disseny dels diferents models atòmics al llarg de la història de la ciència és un clar exemple de l’autocorrecció en el mètode científic: 2. Història dels models atòmics 1 Un bloc de plom amb una cavitat que permet la sortida a l’exterior. Dins del qual es col·loca el material radioactiu que produeix les partícules a (per exemple, urani). Tots els raigs que no tinguin la direcció de l’orifici de sortida seran absorbits pel plom. S’aconsegueix així que a la làmina d’or arribin uns raigs procedents directament del material radioactiu. Làmina d’or molt prima Partícula rebotada Partícula desviada Pel·lícula fotogràfica Mineral d’urani Plom Partícula no desviada Partícules a Experiment de J. J. Thomson Amb aquesta experiència la comunitat científica va acceptar l’existència a l’interior de l’ àtom de partícules negatives (electrons). El feix de raigs es propaga en línia recta, és capaç de moure un molinet col·locat en la trajectòria i provoca luminescència a l’extrem del tub que està darrere de l’ ànode. Imant Ànode Raigs catòdics Càtode Model atòmic de Dalton Segons Dalton l’ àtom era una esfera indivisible. Les experiències que van portar a revisar el model de Dalton i proposar un model nou van ser : 1) Naturalesa elèctrica de la matèria . 2) Radioactivitat (Bequerel). 3) Descobriment de l’electró (Thomson). 4) Experiència de Millikan . Determinació de la càrrega de l’electró. Conclusió: l’ àtom no és indivisible, està format per partícules negatives; l’ àtom és neutre. Model atòmic de Thomson Segons Thomson l’ àtom era una esfera positiva amb els electrons incrustats en ella . Les experiències següents van portar a replantejar el model de Thomson : 1) Descobriment del protó. 2) Experiment de la làmina d’or. Càrrega positiva Electrons Model atòmic de Rutherford El model de Rutherford defensa un model planetari amb els protons al centre (nucli) i els electrons girant al voltant. Nucli Electró Descobriment del protó Ànode Càtode perforat Els raigs canals viatgen de l’ ànode al càtode. El raig es desvia per l’acció de camps elèctrics i magnètics. Concretament és atret per la placa elèctrica negativa. En conseqüència, els raigs canals estan formats per partícules elèctriques de càrrega positiva. Experiment de la làmina d’or 11 Estructura atòmica de la matèria 1 Els misteris de l’univers L’ésser humà sempre ha intentat comprendre el s mi steri s de l’univers. El 1666, Isaac Newton, amb un prisma, va descompondre la llum blanca solar en diversos colors. El 1859, Gustav Kirchhoff va observar que una de les línies de l’espectre solar coincidia amb la línia groga brillant del sodi i va deduir així que el Sol contenia àtoms d’aquest element. El 2021 es va llançar a l’espai el telescopi James Webb, que va observar l’espai amb la llum visible de longitud d’ona llarga i amb l’infraroig mitjà per donar a conèixer les primeres estrelles, la formació de les primeres galàxies o fotografiar núvols estel·lars. De s del s ini ci s de New ton f ins a l a fotograf i a del Jame s Webb de l ’ e st el Eärendel , el més antic conegut fins al 2022, hem avançat molt en l’estudi de l ’univers i continuarem , com la nau est el·lar USS Ent erpri se de la mítica sèrie Star Trek, explorant els confins de l’espai . 6 E N AQ U E S TA U N I TAT… 1 Magnituds atòmiques 2 Història dels models atòmics 3 Orígens de la teoria quàntica 4 Model atòmic de Bohr 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 7d 4f 5f 6f 7f 6 Configuració electrònica 5 Mecànica quàntica APLICO EL QUE HE APRÈS Espectres d’emissió i absorció R E C O R D O E L Q U E S É Què diferencia els espectres continus dels discontinus? Quin ens aporta més informació? Què és un espectre d’emissió? I un d’absorció? Cada element químic té el seu espectre característic? Quina informació ens aporten els espectres sobre l’estructura dels àtoms? I N T E R P R E T O L A I M AT G E Observa els espectres d’emissió i absorció de l’hidrogen que apareixen a la dreta. Són més senzills en comparació amb els d’altres elements químics. Per què creus que és així? Què pots observar comparant tots dos espectres? El 1860 Kirchhoff i Bunsen van descobrir dos nous elements, el cesi i el rubidi mitjançant l’ús d’un nou espectroscopi desenvolupat per ells. El nom de cesi, prové de caesius i el de rubidi, de rubidus, en llatí blau i vermell, respectivament. Observa els espectres d’emissió de tots dos, per què creus que se’ls van atribuir aquests noms? El mirall i els instruments científics del telescopi James Webb estan protegits per un para-sol fet de Kapton. Busca informació sobre aquest material i raona per què s’utilitza per protegir telescopis i satèl·lits espacials. Espectre d’absorció de l’hidrogen Espectre d’emissió de l’hidrogen 7 5
Estructura atòmica de la matèria 1 Els misteris de l’univers L’ésser humà sempre ha intentat comprendre el s mi steri s de l’univers. El 1666, Isaac Newton, amb un prisma, va descompondre la llum blanca solar en diversos colors. El 1859, Gustav Kirchhoff va observar que una de les línies de l’espectre solar coincidia amb la línia groga brillant del sodi i va deduir així que el Sol contenia àtoms d’aquest element. El 2021 es va llançar a l’espai el telescopi James Webb, que va observar l’espai amb la llum visible de longitud d’ona llarga i amb l’infraroig mitjà per donar a conèixer les primeres estrelles, la formació de les primeres galàxies o fotografiar núvols estel·lars. De s del s ini ci s de New ton f ins a l a fotograf i a del Jame s Webb de l ’ e st el Eärendel , el més antic conegut fins al 2022, hem avançat molt en l’estudi de l ’univers i continuarem , com la nau est el·lar USS Ent erpri se de la mítica sèrie Star Trek, explorant els confins de l’espai . 6
E N AQ U E S TA U N I TAT… 1 Magnituds atòmiques 2 Història dels models atòmics 3 Orígens de la teoria quàntica 4 Model atòmic de Bohr 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 7d 4f 5f 6f 7f 6 Configuració electrònica 5 Mecànica quàntica APLICO EL QUE HE APRÈS Espectres d’emissió i absorció R E C O R D O E L Q U E S É Què diferencia els espectres continus dels discontinus? Quin ens aporta més informació? Què és un espectre d’emissió? I un d’absorció? Cada element químic té el seu espectre característic? Quina informació ens aporten els espectres sobre l’estructura dels àtoms? I N T E R P R E T O L A I M AT G E Observa els espectres d’emissió i absorció de l’hidrogen que apareixen a la dreta. Són més senzills en comparació amb els d’altres elements químics. Per què creus que és així? Què pots observar comparant tots dos espectres? El 1860 Kirchhoff i Bunsen van descobrir dos nous elements, el cesi i el rubidi mitjançant l’ús d’un nou espectroscopi desenvolupat per ells. El nom de cesi, prové de caesius i el de rubidi, de rubidus, en llatí blau i vermell, respectivament. Observa els espectres d’emissió de tots dos, per què creus que se’ls van atribuir aquests noms? El mirall i els instruments científics del telescopi James Webb estan protegits per un para-sol fet de Kapton. Busca informació sobre aquest material i raona per què s’utilitza per protegir telescopis i satèl·lits espacials. Espectre d’absorció de l’hidrogen Espectre d’emissió de l’hidrogen 7
X Z A 1. Models atòmics Teoria atòmica de Dalton, 1803. Àtom indivisible. Entra en crisi amb el descobriment de l’electró, 1897. L’ àtom no és indivisible. Model atòmic de Thomson, 1904. Electrons incrustats en una esfera de càrrega positiva amb densitat homogèni a . Entra en cr i si amb l ’ e xp er iment d e l a l àmina d ’or, 1911 . L a d ensit at d e càr rega e l è ctr i ca p o sit iva no e st à igualment distribuïda per l’ àtom. Model atòmic de Rutherford, 1911. Electrons a l’escorça de l ’ àtom a manera de si stema planetari amb el nucli al centre que concentra la càrrega elèctrica positiva . Entra en crisi amb la constatació de les maneres en què l’ àtom intercanvia energia amb el seu entorn , 1913. El model no explica degudament per què les òrbites dels electrons són estables. 2. Magnituds atòmiques El s àtoms estan compostos per tres par tícul es el ementals: protons i neutrons al nucli i electrons a l’escorça . El nombre atòmic, Z, indica el nombre de protons que té un àtom. E l nombre mà ssi c, A, é s i gua l a l n ombre d e nu c l e on s (protons més neutrons). A = Z + N Un àtom qualsevol se simbolitza així: . E X E M P L E R E S O LT 1 Indica el nombre de protons, neutrons i electrons de . En llegir el símbol, identifica: Z = 15 i A = 31. El nombre de protons és Z = 15. Com que no s’indica càrrega, l’ àtom és neutre i el nombre d’electrons coincideix amb Z = 15. El nombre de neutrons és N = A - Z = 31 - 15 = 16. 3. Nombres quàntics d’un electró El nombre quàntic principal, n, indica el nivell d’energia principal en què es troba l’electró. El nombre quànt i c se cund ar i, l, indi ca l a forma d e l a zona de l’espai on es mou l’electró. El nombre quàntic magnètic, ml , indica , davant la direcció d’un camp magnètic a l ’espai , l ’orientació de l ’òrbita per la qual es mou l’electró. El nombre quànti c de spin, ms, indi ca l ’or i ent ac ió d el camp magnètic intrínsec de l’electró. La combinació dels quatre nombres quàntics s’anomena t ètrada, i ens expressa l ’estat de l ’el ectró a l ’escorça de l’ àtom. En un mateix àtom no pot haver -hi dos electrons amb la mateixa tètrada . Un exemple de tètrada és (3, 2, -1, +1/2). 4. Radiació electromagnètica Una radiació electromagnètica és una manera de transmissió d’energia que es propaga en forma d’ona . L on g i tud d ’ona, l, é s l a di st àn c i a mí nima ent re du e s crestes successives d’una ona . La seva unitat en el SI és el metre. Freqüència, f (també s’abreuja amb la l letra grega n), és el nombre d e cre st e s qu e passen p er un punt d et ermi - nat per unitat de t emps. L a s e v a u n i t a t é s l ’ i nv e r s d e l s e g o n , s-1, o h e r t z , Hz . És l ’invers del període, T. Amplitud A x (cm) t (s) -A Període Línia d’equilibri A partir d’aquí l’ona es repeteix Longitud d’ona i freqüència es relacionen a través de l’expressió: c = f ? l. Sent c la velocitat de la llum en el buit i igual a : 3 ? 108 m ? s-1. EXEMPLE RESOLT 2 Calcula la longitud d’ona que emet un forn microones si la seva freqüència d’emissió és 2.450 MHz. Dada: c = 3 ? 108 m ? s-1. Primerament expressa la freqüència en unitats del SI. ? ? f MHz 1 MHz 10 Hz 2,45 10 Hz 6 9 = = 2.450 Tingues en compte la relació entre longitud d’ona i freqüència: ? ? · , s s m , c f f c 2 45 10 1 3 10 0 122 m 9 8 & l l = = = = REPASSO QUÍMICA P 15 31 8
Com recordaràs de cursos anteriors, els àtoms estan compostos per tres par - tícules elementals: protons, neutrons i electrons. El nombre d’aquestes partícul es ser vei x p er caract eritzar un àtom i és impor t ant qu e recordi s al guns conceptes relacionats amb aquests nombres. Partícula Carrega elèctrica (C) Massa (g) Descobridor/any Protó +1,602 ? 10-19 1,673 ? 10-24 Eugene Goldstein/1886 Electró -1,602 ? 10-19 9,109 ? 10-28 Joseph J. Thomson/1897 Neutró 0 1,675 ? 10-24 James Chadwick/1932 Nombre atòmic, Z, és igual al nombre de protons que té un àtom. Tots els elements tenen un nombre atòmic diferent i característic. Nombre màssic, A, és igual al nombre de nucleons. És a dir, al nombre de partícules que es troben al nucli; protons més neutrons. A = Z + N Nombre màssic Nombre atòmic En un àtom elèctricament neutre el nombre atòmic sempre coincideix amb el nombre d’electrons. Recorda , coneguts el símbol químic, X, el nombre atòmic, Z, i el nombre màssic, A, un àtom pot simbolitzar -se així: X Z A . 1.1. Ions Un àtom pot perdre o guanyar electrons, quedant així carregat elèctricament i convertint-se en un ió. Quan un àtom guanya electrons, adquireix un excés de càrrega negativa i es transforma en un ió negatiu o anió. Quan un àtom perd electrons, adquireix un defecte de càrrega negativa i es transforma en un ió positiu o catió. Els ions poden simbolitzar-se així: X Z A q. La càrrega elèctrica adquirida es representa amb la lletra q, que pot ser calculada com la diferència entre el nombre de protons i electrons. La lletra X és el símbol químic de l’element a partir del qual es forma l’ió . Obser va la representació dels ions clor i sodi . 1. Magnituds atòmiques 1 Si l’ àtom de sodi perd un electró es transforma en el catió de sodi . Si l’ àtom clor guanya un electró es transforma en l’anió clor. Na 11 p+ 11 e12 n Na+ 11 p+ 10 e12 n -1 eCl 17 p+ 17 e18 n Cl17 p+ 18 e18 n + 1 e1 Indica el nombre de protons, electrons i neutrons de Ba 56 138 . 2 Escriu un símbol adequat per a l’espècie amb 53 protons, 54 electrons i 78 neutrons. 3 U n ió negatiu té càrrega -3, sent el seu nombre total d’electrons 36, i el seu nombre màssic, 75. Calcula’n el nombre de protons i de neutrons. A C T I V I T A T S 9
1.2. Isòtops Els isòtops són àtoms amb el mateix nombre de protons i diferent nombre màssic. És a dir, són àtoms d’un mateix element químic amb diferent nombre de neutrons. La majoria dels elements químics apareixen a la natura com una barreja d’isòtops. Per exemple: Isòtops de l’ hidrogen : H 1 1 (proti) H 1 2 (deuteri) H 1 3 (triti) Les masses atòmiques dels elements químics que apareixen en la taula periòdica mai són nombres enters. Això és així perquè la massa atòmica ref lecteix la massa de tots el s i sòtops d’aquest element químic present a la natura , i la seva abundància relativa . La massa atòmica d’un element és la mitjana de les masses isotòpiques, ponderada d’acord amb l’abundància de cada isòtop. Per al càlcul de la massa atòmica s’utilitza l’equació: ? ? massa atómica 100 abundància isòtop 1 % del isòtop 1 100 abundància isòtop 2 % del i 2 f = + + + f f _ _ i i p p massa massa sòtop E X E M P L E S R E S O LT S 3 , 4 , 5 I 6 3. Escriu el símbol per a una espècie que conté 11 protons, 11 electrons i 12 neutrons. El nombre de protons coincideix amb el d’electrons, per tant, és una espècie neutra. El nombre màssic serà: A = Z + N, A = 11 + 12 = 23 Fes servir la taula del final del llibre; pots comprovar que l’element el nombre atòmic del qual és Z = 11 és el sodi, Na 11 23 . 4. Quants protons, neutrons i electrons hi ha a O 8 16 2-? El nombre atòmic i el màssic seran, respectivament: Z = 8 i A = 16 Es tracta d’un anió que ha guanyat dos electrons: nombre de p+ = Z = 8; nombre de e- = 8 + 2 = 10; nombre de n0 = N = A - Z = 16 - 8 = 8. 5. Escriu un símbol adequat per a l’espècie amb 47 protons, 61 neutrons i 46 electrons. Com que té 47 protons, Z = 47. Com que el nombre de protons és més gran que el d’electrons, t’indica que és un catió de càrrega: q = p+ - e- = 47 - 46 = +1. A = Z + N = 47 + 61 = 108. Comprova amb la taula que es tracta de l’element plata, Ag 47 108 +. 6. Valora si les afirmacions següents són certes o falses i justifica la teva resposta. a) La massa atòmica d’un element és la mitjana ponderada de les masses dels seus ions. b) E ls isòtops 35 i 37 del clor (Z = 17) es diferencien en el nombre d’electrons. c) L ’ió de càrrega -2 de l’oxigen (Z = 8) i l’ió de càrrega -1 de l’oxigen són isòtops. Els isòtops d’un mateix element es caracteritzen pel fet de tenir diferent nombre màssic, per les quantitats diferents de neutrons al nucli. Els ions d’un mateix element es caracteritzen pel fet de tenir diferent nombre d’electrons a l’escorça. a) E n l’afirmació trobem que es considera la massa ponderada de les masses dels ions. Haurien de ser els isòtops. La frase és falsa. b) E n l’afirmació es considera que la diferència en el nombre d’electrons és la característica dels isòtops. De fet, està en el nombre de neutrons. La frase és falsa. c) E n aquest cas, l’ió de càrrega -2 té 10 electrons a l’escorça, i el de càrrega –1 n’hi té 9. No tenim informació sobre quina quantitat de partícules hi ha al nucli de cadascun, així doncs no és possible valorar si la frase és certa o falsa. 1. Magnituds atòmiques Una de les aplicacions dels isòtops radioactius és la datació de materials: restes arqueològiques, minerals, 14C, 40K. 10
El disseny dels diferents models atòmics al llarg de la història de la ciència és un clar exemple de l’autocorrecció en el mètode científic: 2. Història dels models atòmics 1 Un bloc de plom amb una cavitat que permet la sortida a l’exterior. Dins del qual es col·loca el material radioactiu que produeix les partícules a (per exemple, urani). Tots els raigs que no tinguin la direcció de l’orifici de sortida seran absorbits pel plom. S’aconsegueix així que a la làmina d’or arribin uns raigs procedents directament del material radioactiu. Làmina d’or molt prima Partícula rebotada Partícula desviada Pel·lícula fotogràfica Mineral d’urani Plom Partícula no desviada Partícules a Experiment de J. J. Thomson Amb aquesta experiència la comunitat científica va acceptar l’existència a l’interior de l’ àtom de partícules negatives (electrons). El feix de raigs es propaga en línia recta, és capaç de moure un molinet col·locat en la trajectòria i provoca luminescència a l’extrem del tub que està darrere de l’ ànode. Imant Ànode Raigs catòdics Càtode Model atòmic de Dalton Segons Dalton l’ àtom era una esfera indivisible. Les experiències que van portar a revisar el model de Dalton i proposar un model nou van ser : 1) Naturalesa elèctrica de la matèria . 2) Radioactivitat (Bequerel). 3) Descobriment de l’electró (Thomson). 4) Experiència de Millikan . Determinació de la càrrega de l’electró. Conclusió: l’ àtom no és indivisible, està format per partícules negatives; l’ àtom és neutre. Model atòmic de Thomson Segons Thomson l’ àtom era una esfera positiva amb els electrons incrustats en ella . Les experiències següents van portar a replantejar el model de Thomson : 1) Descobriment del protó. 2) Experiment de la làmina d’or. Càrrega positiva Electrons Model atòmic de Rutherford El model de Rutherford defensa un model planetari amb els protons al centre (nucli) i els electrons girant al voltant. Nucli Electró Descobriment del protó Ànode Càtode perforat Els raigs canals viatgen de l’ ànode al càtode. El raig es desvia per l’acció de camps elèctrics i magnètics. Concretament és atret per la placa elèctrica negativa. En conseqüència, els raigs canals estan formats per partícules elèctriques de càrrega positiva. Experiment de la làmina d’or 11
RkJQdWJsaXNoZXIy