La materia

La matèria :: Saltar intro

• Conceptes fonamentals • Estats de la matèria • Canvis d’estat • Lleis dels gasos • Temperatura i calor

Conceptes fonamentals · Àtom La matèria està formada per àtoms, constituïts pel nucli ( n i p + ) i l’ escorça ( e - ). A: Dalton (1808) B: Thomson (1904) C: Rutherford (1911) D: Bohr (1913)

Conceptes fonamentals Núvol d’electrons Orbital ( 90% de probabilitat de trobar l’electró al voltant del nucli )

Conceptes fonamentals

· Ions

Un àtom pot transformar-se en un ió si guanya o perd electrons.

Anió : ió negatiu ( l’àtom guanya electrons )

Cl + e -  Cl -

Catió : ió positiu ( l’àtom perd electrons )

Na  Na + + e -

· Nombre atòmic (Z)

És el nombre de protons que hi ha en el nucli d’un àtom.

Identifica els àtoms d’un element.

Si l’àtom és neutre: nº de protons = nº d’electrons

· Nombre màssic (A)

És el nombre total de partícules que constitueixen el nucli

A = nº de protons + nº de neutrons

Pràcticament coincideix amb la massa de l’àtom ( els electrons tenen una massa molt petita ).

· Isòtops

- Són varietats d’àtoms d’un mateix element ( Z igual ) que es diferencien en el nombre de neutrons ( A diferent ).

Es representen amb Z A X on X és el símbol de l’element

Isòtops de l’hidrogen A: proti 1 1 H B: deuteri 1 2 H C: triti 1 3 H

Conceptes fonamentals · Isòtops

· Massa atòmica relativa d’un element ( A r )

És la mitjana ponderada de les masses dels diferents isòtops que formen un element.

La unitat de massa atòmica ( u ) es defineix com la dotzena part de la massa de l’isòtop de C-12.

A r Z

· Molècula

És un conjunt d’àtoms iguals o diferents que constitueixen la quantitat mínima d’una substància que manté les propietats químiques.

Els àtoms que formen una molècula es mantenen units mitjançant enllaços covalents .

Molècula de glucosa

Conceptes fonamentals Molècula Formes de representar les molècules

Conceptes fonamentals · Massa molecular ( M r ) És la suma de les masses atòmiques relatives dels àtoms que formen una molècula. Exemples a ) M r ( H 2 O) = 2 · 1,0 + 1 · 16,0 = 18,0 b ) M r ( CH 3 CH 2 OH) = 2 · 12,0 + 6 · 1,0 + 1 · 16,0 = 46,0

· Mol. Massa molar ( M )

El mol és la quantitat de substància que conté 6,022 · 10 23 partícules ( nombre d’Avogadro ).

Si les partícules són àtoms , la massa en grams d’un mol coincideix amb la massa atòmica .

Per exemple: 1 mol de carboni són 12,0 g

Si les partícules són molècules , la massa en grams d’un mol ( massa molar ) coincideix amb la massa molecular .

Per exemple: 1 mol d’aigua ( H 2 O ) són 18,0 g

Conceptes fonamentals 1 mol de carboni 6,022 · 10 23 àtoms de C 12,0 g de C

Conceptes fonamentals 1 mol d’aigua 6,022 · 10 23 molècules d’H 2 O 18,0 g d’aigua ( 18,0 ml )

1 mol Volum de gas ( l ) Massa de substància ( g ) Nombre de partícules ( àtoms, molècules ) · hipòtesi d’Avogadro ( 1 mol gas c.n. = 22, 4 litres ) · p V = n R T · Nombre d’Avogadro: 6,022 · 10 23 partícules/mol Massa atòmica ( A r ) o massa molecular ( M r ) Conceptes fonamentals

Conceptes fonamentals · Fórmula empírica i fórmula molecular - La fórmula empírica indica la proporció més senzilla que hi ha entre els àtoms dels elements que formen la molècula.

La fórmula molecular indica el nombre real d’àtoms de cada element que hi ha en una molècula.

La f. molecular és un múltiple de la f. empírica.

Exemple: fórmules del benzè - f .molecular: C 6 H 6 - f. empírica: C H

Estats de la matèria Els tres estats de l’aigua

Estats de la matèria Les propietats dels tres estats de la matèria poden explicar-se a partir de la teoria cineticomolecular . Aquesta teoria postula que la matèria està formada per partícules en constant moviment que xoquen elàsticament les unes amb les altres ( no es perd energia cinètica ).

L’ estat físic d’una substància dependrà de:

la temperatura

la intensitat de les forces d’atracció entre partícules

Estats de la matèria Temperatura i moviment de les partícules http ://concurso. cnice .mec.es/cnice2005/93_ iniciacion _interactiva_ materia /curso/ materiales / indice . htm

Estats de la matèria · Pressió de vapor d’un líquid ( P v ) És la pressió que exerceixen les molècules del vapor d’un líquid, en un recipient tancat, quan s’ha arribat a l’ equilibri entre aquest líquid i el seu vapor a una temperatura determinada.

Estats de la matèria Pressió de vapor http:// www . mhhe . com / physsci / chemistry / essentialchemistry /flash/vaporv3. swf

Estats de la matèria Per a un líquid determinat, la seva pressió de vapor augmenta amb la temperatura .

Estats de la matèria Segons el valor més o menys alt de P v , diem que els líquids són més o menys volàtils . Presions de vapor de subtàncies pures a 25 o C Substància Pressió de Vapor (kPa) Aigua ( l ) 3.1691 Metanol ( l ) 16.8511 Etanol ( l ) 7.8279 Benzè ( l ) 12.6893 Mercuri ( l ) 0.2460 Iode (s) 0.1889

Estats de la matèria

· Difusió dels gasos

La difusió molecular és el transport de matèria que causa el moviment a l’atzar de les molècules de gas.

Segons la teoria cineticomolecular, els gasos amb una massa molecular més petita tenen una velocitat de difusió més gran.

Estats de la matèria Tensió superficial Les molècules dels líquids que es troben situades a la superfície estan sotmeses a forces d’atracció diverses ( entre elles, entre elles i l’aire i entre elles i les parets del recipient )

Estats de la matèria Tensió superficial Les forces entre les molècules interiors del líquid fan que les de la superfície siguin més atretes pel líquid que no pas per l’atmosfera, de manera que la força neta que actua sobre una molècula situada en al superfície del líquid és dirigida perpendicularment cap a l’interior ( això explica la formació de gotes )

Estats de la matèria Tensió superficial Les molècules de la superfície dels líquids estan tensionades ( com en un llit elàstic ) amb una força superior al pes d’alguns objectes i això fa que no s’enfonsin.

Estats de la matèria http :// www . stevespanglerscience .com/experiment/00000109#

Estats de la matèria Capilaritat Les forces d’atracció partícula-partícula en el cas del mercuri són més intenses que en el cas de l’aigua i superen les forces partícula-recipient ( formació de meniscs amb diferents formes ) Aigua ( tenyida) Mercuri

· El plasma

Més del 99% de la matèria de l’univers es troba en un estat físic anomenat plasma.

A temperatures molt elevades ( > 10.000 K ) tots els àtoms s’ionitzen i es separen els protons i els electrons.

protons electrons

· El cinquè estat

És conegut com a condensat de Bose-Einstein , perquè va ser predit pels dos científics el 1925. El 1955 Carl Wieman i Eric Cornell van observar aquest estat de la matèria refredant 2000 àtoms de rubidi 87 prop del zero absolut (170 nK).

A aquesta temperatura s’aconsegueix que un grup d’àtoms “condensi” en una mena de partícula molt densa. Aquests condensats es comporten com a superfluids i segueixen lleis diferents de les del món macroscòpic.

Estats de la matèria · El cinquè estat Vídeos sobre el condensat de Bose-Einstein The strangest form of matter (http://es.youtube.com/watch?v=ls4efnPKegY) As cold as it gets (http://es.youtube.com/watch?v=fnqAwtorUTE)

Temperatura i calor ¡ Caliente, caliente! Temperatura y calor Vídeo i activitats interactives http:// www . profes . net /varios/videos_interactivos/

Temperatura i calor La temperatura és una magnitud relacionada amb el nivell d’ energia cinètica de les particules. Quan més ràpid es mouen les partícules d’un cos, més gran és la seva temperatura. Quan les partícules es troben completament quietes, s’assoleix el zero absolut de temperatura ( T = 0 K = -273,15 ºC) http :// www . youtube .com/ watch ?v=PqU6NzaNbqs

Temperatura i calor Escales de temperatura Actualment s ’ utiliz en tres escal e s p e r a me surar la temperatura, l ’ escala Celsius é s la que utilitzem habitualment, la Fahrenheit s ’utilitza en els pa ïsos anglosa xons i l ’e scala Kelvin d ’ús científic. T (K) = T (ºC) + 273,15 T (ºF) = 1,8 · T ( ºC ) + 32 http :// www . educaplus . org / play -116- Escalas - termom %C3%A9tricas. html

Temperatura i calor Calor (Q) És la forma en que es transfereix l’energia entre dos cossos que es troben a diferents temperatures. Els cossos no contenen calor sinó energia interna (U). L’energia interna d’un cos és la suma de l’ energia cinètica i potencial de totes les molècules que conté (aquest valor no el poden conèixer amb exactitud).

Temperatura i calor Calor vs temperatura Quan diem que un cos està molt calent, volem dir que té una temperatura molt alta. Els cossos contenen “energia interna”, no calor. Calor és “energia transferida” d’un cos a un altre. Imatge Schlieren

Temperatura i calor Calor vs temperatura Quin dels dos sistemes té més temperatura? I més energia interna?

Temperatura i calor Unitats Calor és energia transferida, per tant, s’utilitzen les unitats habituals per mesurar aquesta magnitud Joule ( J ): 1 kJ = 1000 J Caloria (cal) : 1 cal = 4,184 J James Prescott Joule (1818-1889)

Temperatura i calor Equilibri tèrmic Quan dos cossos a diferent temperatura es posen en contacte, es produeix una transferència d’energia en forma de calor des del cos amb T més alta al cos de T més baixa, fins que s’assoleix una T d’equilibri .

Temperatura i calor Formes de transmissió de calor Conducció (entre sòlids) Convecció (líquids i gasos) Radiació (en forma de radiació electromagnètica, es pot propagar en el buit)

Temperatura i calor

Temperatura i calor Conducció Per què quan toquem un tros de gel ... - sembla que “cremi”? - es queden els dits enganxats?

Temperatura i calor Convecció

Temperatura i calor Radiació

Temperatura i calor Radiació Els cossos emeten radiacions en funció de la seva temperatura. Termografia IR

Temperatura i calor

Canvis d’estat Augment de la temperatura Descens de la temperatura

Canvis d’estat · Ebullició i evaporació Són dues formes en que es pot produir la vaporització ( pas de líquid a gas ). Ebullició Evaporació A fecta a tota la massa del líquid Afecta només superfície Temperatura fixa ( Teb) A qualsevol temperatura Procés ràpid Procés lent

Canvis d’estat Gràfics d’escalfament

Canvis d’estat Gràfics d’escalfament Mescla Substància pura

Canvis d’estat http :// agora . xtec . cat /iesb7/moodle/ file . php /141/178032_ am _1. swf Temperatura i canvis d’estat Durant un canvi d’estat tota l’energia transferida (Q) es consumeix en vèncer les forces d’unió entre les molècules (per això la T no augmenta)

Canvis d’estat Gràfic d’escalfament de l’aigua

Canvis d’estat Les temperatures de fusió i d’ebullició són propietats característiques de cada substància pura Aigua Tf = 0 ºC; Te= 100 ºC Ferro Tf = 1536 ºC; Te=3000ºC Mercuri Tf =- 38,7 ºC; Te= 356,9ºC Valors de Te i Tf mesurats a P = 1 atm

Canvis d’estat Calor i canvis d’estat Calor transferida durant l’escalfament/refredament d’una substància m = massa (kg) Ce = calor específica ( J · kg -1 · K) La Ce és característica de cada substància pura Calor transferida durant un canvi d’estat (T constant) Lf = calor latent de fusió ( J · kg -1 ) Lv = calor latent de vaporització ( J · kg -1 ) Q = m · Ce · (T 2 – T 1 ) Q = m · L

Canvis d’estat La liofilització és un procés que consisteix en la deshidratació d’una substància per sublimació al buit . És una forma d’eliminar l’aigua en fred que serveix per conservar productes que es podrien fer malbé al deshidratar-los per escalfament. El producte es conserva amb un pes molt baix i a temperatura ambient i manté totes les seves propietats al rehidratar-se. Aplicacions : aliments instantanis ( sopes, cafè ), conservació de material microbiològic, plasma sanguini, productes farmacèutics...

Canvis d’estat Diagrames de fases Representen l’estat físic d’una substància en funció de les condicions de P i T liofilització Diagrames de fases de l’aigua A = punt triple = Fluid supercrític liofilització fusió vaporització C = punt crític

Canvis d’estat Sublimació del CO 2 CO 2 sòlid ( T < -78 ºC )

Canvis d’estat Diagrames de fases del CO 2

Canvis d’estat Diagrames de fases del Hg I 2

Lleis dels gasos

· Gasos ideals

Els gasos ideals o perfectes són aquells que compleixen:

Les partícules xoquen elàsticament entre si ( no hi ha forces d’atracció entre elles ).

El volum de les partícules és negligible respecte al volum total ocupat pel gas.

Qualsevol gas real , en condicions de pressió molt baixa, el podem considerar un gas ideal.

Lleis dels gasos · Llei general dels gasos ideals Per una determinada massa de gas es compleix que: Quan el gas passa d’un estat inicial 1 a l’ estat final 2. P 1 · V 1 = P 2 · V 2 = constant T 1 T 2

Lleis dels gasos P 1 · V 1 = P 2 · V 2 = constant T 1 T 2 Llei de Boyle-Mariotte ( T=constant; Procés isotèrmic) P 1 · V 1 = P 2 · V 2 = constant Llei de Charles ( P=constant; Procés isobàric) V 1 = V 2 = constant T 1 T 2 Llei de Gay-Lussac ( V=constant; Procés isocòric) P 1 = P 2 = constant T 1 T 2

Lleis dels gasos · Equació dels gasos ideals Relaciona les variables P, V i T amb la quantitat de mols de gas ( n ): P · V = n · R · T R = constant universal dels gasos R = 0,082 atm· l · mol -1 · K -1 = 8,31 J · mol -1 · K -1

Lleis dels gasos · Equació dels gasos ideals P · V = n · R · T P = ( n · R · T ) / V V = ( n · R · T ) / P n = ( P · V ) / (R·T) T = ( P · V ) / (n · R) M ? P · V = ( m/M) · R · T d ? d = m/V = ( P · M) / ( R · T)

Lleis dels gasos Un gas està en condicions normals ( CN ) si la T és de 273,15 K ( 0 º C ) i la P d’1 atm. Un mol de qualsevol gas mesurat en CN ocupa un volum de 22,4 litres . Un gas està en condicions estàndar si la T és de 298,15 K ( 25 º C ) i la P d’1 atm. 1 atm = 101293 Pa = 760 mm Hg T (K) = T (ºC) + 273,15

Lleis dels gasos · Llei de Dalton La pressió total ( P t ) d’una mescla de gasos és la suma de les pressions parcials de tots els gasos que formen la mescla: P t = P 1 + P 2 + P 3 +...

Lleis dels gasos · Llei de Dalton La pressió parcial de cada component de la mescla depèn del nombre de mols que representa aquest gas respecte del nombre de mols total ( fracció molar , X i ): P i = X i · P t X i = n i / n t n i = nombre de mols d’un gas n t = nombre de mols total P i també es pot calcular amb la llei dels gasos ideals: P i · V = n i · R · T

• Autor: José Ángel Hernández Santadaría Departament de ciències de la naturalesa IES Badalona VII [email_address]