sals al mar i a les minescesire.cat.mialias.net/recursos/context/quimica/rmt v1.0/rmt_glob… ·...

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en Ciències

Recursos del mar i de la terra 1

RTM1

pàg. Sals al mar i a les mines

L’aigua de mar i la seva composició. Diferents salinitats en diferents mars i oceans. L’obtenció de la sal en les salines. Les mines de sal.

Substàncies iòniques. Estructura i formulació.

Solucions aquoses. Concentracions.

Corbes solubilitat de les sals.

Procés de dissolució. Solubilitat de les sals. Gràfiques de solubilitat.

Estructura dels cristalls. Ions en els sòlids Model de sòlid iònic. Les sals dobles. Les sals hidratades.

RMT 1.1

(CC)

7 Què hi ha a l’aigua de mar?

La composició d’aigües de mars i oceans. La salinitat. L’obtenció de sal en les salines.

Solut i solvent. Solucions .Concentració en massa (g/L). % en massa

Composició de les solucions expressades en ions. Ions en solució. Dissociació iònica.

Solubilitat. Corbes de solubilitat.

Solució saturada, solució concentrada, solució diluïda.

RMT 1.2

(TE)

12 Fem aigua de mar

Preparació d’una solució simulada d’aigua de mar a partir de la concentració en massa dels ions.

Concentracions expressades en concentració en massa (ions o compostos).

Preparació de solucions d’una determinada concentració en massa (g/L)

Fer el càlculs corresponents, escriure el procediment i preparar les solucions.

RMT 1.3

(TIC)

14 L’estructura dels cristalls

Els cristalls de sal que es formen a les salines i que es troben a les mines (mina Nieves de Cardona)

Les mines de sal de Cardona. Sals dobles i sals hidratades.

Ús de la simulació Cristalline Solids ( es pot descarregar des de la unitat) .

Relació propietats /estructura

L’estructura dels cristalls iònics

Sòlid iònic

Enllaç iònic.

RMT 1.4

(TIC)

20 Com es dissolen les sals en aigua?

Procés de dissolució (electròlit i tb no electròlit).



El procés de dissolució. (Simulacions Tiger...)

Quantitat d’ions dissolts (simulació del saler, Phet).

Solvatació.

Solubilitat dels compostos iònics (sal solubles i sals poc solubles).

Solució saturada i sobresaturada.

Càlculs de concentració molar.

RMT 1.5

(CC/TP)

24 Or als oceans? i als medicaments homeopàtics?

Descobriment de la presència d’or dissolt en aigua de mar i cerca d’or als oceans.

Els medicaments homeopàtics. Contenen realment algun principi actiu?

Càlculs amb concentracions (molaritat).

Dilucions.

Càlcul de nombre de molècules utilitzant la concentració.

RMT 1.6

(TE)

28 Preparem solucions

Preparació de solucions de la vida quotidiana

Preparació de solucions a partir de soluts sòlids, soluts líquids.

Preparar solucions a partir de solucions més concentrades.

RMT 1.7 36 Formulem ions i compostos iònics Formulació de compostos iònics i ions.

RMT 1.8 38 Síntesi-Conceptes. Què he après?



RMT 1.1 Què hi ha a l‟aigua del mar? pàg. 7

RMT 1.2 Fem aigua de mar pàg. 12



RMT 1.3 L‟estructura dels cristalls minerals pàg. 14

RMT 1.4. Com es dissolen les sals en aigua? pàg. 20



RMT 1.5 Or als oceans? I als medicaments homeopàtics? pàg. 24

RMT 1.6 Preparem solucions pàg. 28



RMT 1.7 Formulem compostos iònics i ions pàg. 36

RMT 1.8 Què hem après? pàg. 38



RMT 1.1 Què hi ha a l’aigua de mar?

L‟aigua de mar és una solució. En totes les solucions hi ha una substància que es dissol, el solut (generalment el que està en proporció menor), i una altra, que sol estar en proporció més elevada, el dissolvent.

L‟aigua de mar és una solució aquosa de sals. En

mars que contenen una elevada concentració de sals és possible veure-les a les vores, quan l‟aigua que les

dissolia s‟evapora (figura 1).

Els ions dissolts són els que l‟hi donen el gust “salat”. La taula 1 indica els principals ions

presents en l‟aigua del mar. Com podeu observar, la principal quantitat correspon als

ions sodi i als ions clorur, per això, molt sovint es considera l‟aigua de mar com una

solució de clorur de sodi. Però, com podeu observar en la taula 1, l‟aigua de mar conté

també altres ions dissolts.

El nostre cos sembla que vol imitar aquesta composició. L‟aigua, amb els ions Na+ i Cl- dissolts, es troba present en els nostres fluids corporals. Una persona adulta conté uns 300 g de clorur de sodi, una part dels quals són expulsats diàriament en forma d‟orina i de suor, i cal que siguin substituïts perquè el cos funcioni amb normalitat.

No tots els mars són igual de "salats". La taula 2 i la figura 2 mostren la salinitat (concentració total de sals dissoltes) en diferents mars i oceans.

Ió Massa, en grams d’aquest ió en 1 litre d’aigua de mar

Na+ 10,7

K+ 0,39

Mg2+ 1,29

Ca2+ 0,4

Cl- 19,2

Br- 0,07

HCO3- 0,14

SO4 2- 2,51

mar Mort

mar Roig

mar Mediterrani

oceà Atlàntic

oceà Pacífic

oceà Àrtic

oceà Antàrtic

mar Bàltic

Valor mitjà

Salinitat (g/L)

330 40 38 37,0 35,2 32 34,6 8 35,5

Taula 1. Composició de l’aigua de mar.

Taula 2. Salinitat de diferents mars i oceans.

Figura 1. Cristalls de sals a les vores de la Mar Morta.



Figura 2. Salinitat mitjana anual superficial per als oceans, expressada en grams de sal per litre.

Dades de World Ocean Atlas 2009.

Les sals que contenen els mars provenen de processos de dissolució d‟alguns minerals de les

roques terrestres. Una part d‟aquests minerals dissolts són transportats pels rius, i d‟altres

provenen de les erupcions hidrotermals que es produeixen en el fons marí.

Per explicar les diferències de salinitat en els mars i oceans cal tenir presents molts factors com els corrents marins, les pluges, l‟aigua que reben dels rius, la temperatura o la quantitat d‟aigua

que transvasen a altres mars o oceans.

Des de l‟antiguitat, l‟evaporació de l‟aigua de mar en les

salines, s‟ha aprofitat per obtenir la sal del mar (figura 3).

Quan s‟evapora l‟aigua, es posa en evidència que conté

diversos soluts, el més abundant és el clorur de sodi, de fórmula NaCl, però també conté altres soluts com el clorur de potassi, KCl, el clorur de magnesi, MgCl2, i altres com el sulfat de sodi, Na2SO4.

En anar-se evaporant l'aigua, van quedant uns petits cristalls de forma cúbica. El fet que la sal pugui cristal·litzar és una propietat característica del clorur de sodi. Però és molt important que en les salines no es deixi evaporar totalment l‟aigua del mar, ja que també cristal·litzarien els altres soluts, entre ells el clorur de magnesi que és molt amargant (figura 4).

Figura 3. Salines a Aveiro, Portugal.

Figura 4. Fases en l’evaporació de l’aigua del mar.

http://en.wikipedia.org/wiki/World_Ocean_Atlas



L‟ordre de precipitació de les sals depèn de la seva solubilitat que canvia segons la temperatura, tal com mostren les corbes de solubilitat de la figura 5.

L‟aigua de mar també conté petites quantitats de gasos dissolts. Els més abundants són el

nitrogen i l‟oxigen, seguits del diòxid de carboni i d‟alguns

gasos nobles (figura 6). Per a aquests soluts la concentració es sol expressar en percentatge en volum.

La concentració de gasos dissolts en l‟aigua de mar varia

amb la temperatura i la salinitat. Les aigües fredes i poc salines tenen concentracions més elevades de gasos dissolts.

Exercicis i qüestions

1. Anomeneu quins serien el solut i dissolvent en l‟aigua de mar.

2. Com és que en taula 1 s‟expressen les concentracions dels ions i no de les substàncies com el clorur de sodi, el sulfat de magnesi, o el clorur de potassi?

3. El diagrama següent mostra la proporció d‟ions en l‟aigua de mar. Utilitzeu les dades de

la taula 1 per calcular el percentatge corresponent a cada ió .

Resp: Na+: 30,83%; K+: 1,12%; Mg2+: 3,71%; Ca2+: 1,15%; Cl-: 51,33%;SO42-

:7,23%.

4. Si volguéssim omplir una piscina olímpica amb aigua (volum 2500 m3) i afegir la sal necessària per reproduir l‟aigua del Bàltic, quina quantitat de sal necessitaríem? I si

volem tenir una aigua com la del Mediterrani? Utilitzeu les dades de la taula 2. Resp: Mar Bàltic: 20.000 kg de sal Mar Mediterrani: 95.000 kg de sal

Figura 6. Proporció de gasos dissolts en l’aigua de mar.

Figura 5. Corbes de solubilitat de les sals dissoltes. en aigua. de mar

Corbes de solubilitat

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

T(ºC)

So

lub

ilit

at (

g /

100

g a

igu

a)

NaCl

KCl

MgCl2

Na2SO4

CaSO4



5. Calculeu la concentració en mg per litre dels ions Na+, Mg2+ i Br- en l‟aigua de mar. Resp: Na+: 10,7·103 mg/L; Mg2+: 1290 mg/L; Br- : 70 mg/L

6. La densitat mitjana de l‟aigua de mar en superfície és de 1,025 g/mL. Expresseu la

salinitat mitjana del mar en % en massa. Utilitzeu les dades de la taula 2.

Recordeu que:

Resp: 3,4 %

7. Calculeu, en tant per cent en massa, la concentració de cada ió en l‟aigua de mar.

Densitat de l‟aigua de mar, d=1025 kg·m -3 Resp: Na+: 1,04; K+: 1,03; Mg2+: 0,12; Ca2+: 0,04; Cl-: 1,87; Br-: 6·10 -3; HCO3

-:13·10-3; SO4

2-: 0,24.

8. Expliqueu com es modifica la concentració de l‟aigua de mar en els casos següents:

a. La major part de l‟aigua evaporada de l‟Atlàntic, arrossegada pels vents alisis,

travessa Centroamèrica i cau al Pacífic.

b. En l‟oceà Atlàntic, hi ha uns corrents càlids que van des de l‟Antàrtida fins

Europa.

c. El mar Bàltic recull molta aigua dolça dels rius i aboca molta aigua a l‟Atlàntic.

d. En el mar Mort es produeix molta evaporació d‟aigua deguda a les altes

temperatures.

9. La mar Morta o mar Mort és un llac salat que troba entre Cisjordània, Israel i Jordània. La seva aigua és molt concentrada, té una concentració de 330 g/L i una densitat de 1,240 g·cm -3

. Expresseu la concentració de l‟aigua del mar en g sal/100 g H2O. Resp: 26,6 g de sal/100 g aigua

10. S‟anomena solubilitat a la màxima concentració de sal dissolta a una determinada

temperatura. Se sol expressar en g de sal/100 g aigua. La solució que té una concentració igual que la solubilitat s‟anomena saturada, si és propera li direm concentrada i si la concentració és molt inferior, serà una solució diluïda. Fent l‟aproximació de considerar que tota la sal de la mar Morta és clorur de sodi, i que es

troba a 20ºC, com qualificaríeu l‟aigua de la mar Morta?

11. Si comparem les concentracions d‟ions a la Mar Morta i a l‟aigua oceànica tenim

aquests resultats:

12.

Aigua oceànica Ió g·dm-3aigua

Aigua Mar Morta Ió g·dm -3aigua

Na+ 10,70 K+ 0,39 Mg2+ 1,29 Ca2+ 0,40 Cl- 19,22 Br- 0,07 HCO3

- 0,14 SO4

2- 2,51

Na+ 31,5 K+ 6,8 Mg2+ 36,2 Ca2+ 13,4 Cl- 183,0 Br- 5,2 HCO3

- traces SO4

2- 0,6

Com podem comprovar l‟aigua de la Mar Morta és més salina que l‟aigua oceànica.



a. Què es pot observar respecte a l‟abundància dels ions del grup 1 i 2 en les dues

mostres? b. Quantes vegades són més abundants els ions de la Mar Morta que els ions de

l‟aigua oceànica?

13. Volem preparar un litre d‟aigua de mar saturada a 20ºC. Utilitzarem només el clorur de sodi i el clorur de magnesi com a soluts. Observeu la figura 5 per respondre les preguntes següents:

a. Quina massa necessitarem de cada solut? b. Una vegada preparada la solució l‟escalfem fins a 60ºC, segueix essent

saturada? Quina massa de cada sal hauríem d‟afegir per saturar-la a aquesta temperatura?

c. Després de tenir la solució saturada a 60ºC, la refredem fins a 10ºC, quina massa de clorur de magnesi precipitarà?

Resp: a) 370 g NaCl i 550 g de MgCl2, b) 5 g NaCl i 60 g de MgCl2, c) 70 g MgCl2

14. El gràfic següent mostra la solubilitat del gas oxigen en aigua. Quina diferència hi haurà en l‟oxigen dissolt en les aigües de dos mars, un amb temperatura superficial de 6ºC i

l‟altre de 20ºC?

Resp: Es dissoldran 3 mg més, d‟oxigen per litre d‟aigua, en el mar de 6 ºC.



RMT 1.2 Fem aigua de mar

En aquesta activitat primer preparareu una solució d'una determinada concentració en massa a partir d'un solut sòlid: preparació de 100 mL d‟una solució de clorur de sodi de

concentració en massa 6 g·L -1.

A continuació aplicareu el procediment après per preparar una solució de composició similar a l‟aigua de mar.

Concentració en massa d’un solut

La concentració en massa d‟un solut en un determinat volum de solució, és igual al quocient

entre la massa de solut dissolta i el volum de la solució.

Les unitats de la concentració en massa depenen de les unitats en què expressem la massa i el volum:

Així, si una zona del mar Mediterrani té una concentració de 39 g·L-1 ens indica que cada litre d‟aigua de mar conté 39 grams de sals dissoltes.

Si preparem una solució de clorur de sodi dissolent 6,00 g de solut fins a un volum de 10 mL de solució, la concentració en massa del clorur de sodi serà :

En la figura 1 es veu el material que es necessitaria per preparar la solució.

Figura 1. Preparació d’una solució. Podeu veure el procés a http://politube.upv.es/play.php?vid=2948

No s‟ha de confondre la concentració en massa d‟un solut amb la densitat d‟una substància o

d‟una solució. Encara que en aparença les unitats són les mateixes, no indiquen el mateix.

http://politube.upv.es/play.php?vid=2948



Com podeu veure la diferència està en què la concentració en massa ens indica una quantitat de solut per unitat total de solució, mentre que la densitat, una propietat característica d‟una

substància, ens indica quanta massa de la substància hi ha continguda en un determinat volum d‟aquesta substància.

A) Preparació de 100 mL d’una solució de clorur de sodi de concentració en massa 6 g ·L-1

Indiqueu:

Els productes químics que emprareu.

El material de laboratori.

El procediment experimental que heu seguit amb els passos numerats.

Els càlculs realitzats.

B) Preparació d’una solució de la mateixa concentració en massa d’ions sodi que l’aigua

de mar. La taula 1 del document RMT 1.1, mostra la composició d‟una aigua de mar oceànica. Fixeu-vos que la concentració en massa (g solut· L -1 solució) està expressada en grams d‟ions per litre

de solució. Per què creieu que és així? Suposant que tots els ions sodi que conté l‟aigua de mar els afegim utilitzant clorur de sodi i utilitzant la dada de concentració en massa d‟ions sodi de la taula, prepareu, utilitzant clorur de

sodi i aigua, una solució que contingui la mateixa concentració en massa d‟ions sodi que conté

l‟aigua de mar.

a. Expliqueu i realitzeu el càlculs previs a la preparació de la solució.

b. Descriviu el procediment a seguir.

c. Prepareu la solució.

Aigua de mar oceànica Ió g·dm-3aigua mar Na+ 10,70 K+ 0,39 Mg2+ 1,29 Ca2+ 0,40 Cl- 19,22 Br- 0,07 HCO3

- 0,14 SO4

2- 2,51



RMT 1.3 L’estructura dels cristalls

A les salines, per evaporació de l‟aigua

es formen cristalls de sal, però també podem trobar sal cristal·lina en els jaciments de sal.

Un exemple de jaciment, del qual se n‟ha parlat en l‟activitat de presentació

de la unitat, és la muntanya de sal de Cardona, que és una meravella natural que amaga en el seu interior una antiga explotació minera, les antigues instal·lacions de Mina Nieves (figura 1), que fou una de les explotacions de sals potàssiques més importants d'Europa fins a l'any 1990.

La sal cristal·litza en solucions aquoses saturades formant bellíssims cristall cúbics. La halita, coneguda com a sal gemma, és un mineral de color hialí blanc, de composició química NaCl, que té exfoliació cúbica perfecte. Té una estructura cristal·lina formada per ions clorur i per ions sodi i els cristalls iònics com la halita es trenquen fàcilment, són fràgils.

La fragilitat dels cristalls i altres de les seves propietats han portat als científics a proposar un model per a la seva estructura. A més, avui dia hi ha tècniques d‟anàlisi estructural que posen de

manifest l‟estructura dels anomenats sòlids iònics. Una de les tècniques experimentals més utilitzades és la difracció de raigs X. En un cristall és possible determinar la distància mitjana que hi ha entre ions i la disposició d‟aquests.

Un model per als sòlids cristal·lins com la sal.

Els minerals que aporten els seus ions a l‟aigua són substàncies iòniques. En els sòlids iònics,

els ions es mantenen units per acció de les seves càrregues elèctriques oposades. Cada ió n‟atreu

d‟altres de càrrega oposada i tots ells s‟integren en una estructura tridimensional gegant, formant el que s‟anomena enllaç iònic, tal i com apareix a la figura 2.

Figura 2. La xarxa cristal·lina de NaCl està formada per ions Na+ i ions Cl-.

En l‟estructura tridimensional de clorur de sodi, cada ió Na+ està envoltat per sis ions Cl- i cada ió clorur per sis ions sodi. Cada ió Na+ és atret pels sis ions Cl- que l‟envolten, però és repel·lit

pels sis ions sodi que es troben una mica més lluny i és atret pel següent grup de ions clorur i així successivament. D‟aquesta manera hi ha una enorme sèrie d‟atraccions i repulsions, en la

qual les atraccions són més fortes que les repulsions, la qual cosa fa que la xarxa es mantingui unida. L'atracció electrostàtica entre els ions de diferent signe els porta a formar una estructura

Figura 1. Mines de sal a Cardona



tridimensional d'un sòlid iònic, la seva fórmula química representa la proporció catió/anió (fórmula empírica). La unió és tan forta que la temperatura de fusió dels compostos iònics és molt alta.

D‟altra banda els cristalls iònics no condueixen el corrent elèctric. Aquest fet és compatible amb el model de sòlid iònic en el qual els ions ocupen posicions fixes en el reticle i es no es poden desplaçar (només vibrar). En no haver desplaçament de càrrega no hi ha conducció de corrent elèctric.

La disposició dels ions en el cristall, és a dir el tipus d‟empaquetament ve determinat per la

mida relativa dels ions (relació dels radis dels ions positius i dels ions negatius) i per les seves càrregues.

Els ions poden situar-se en diferents empaquetaments: en el cas de la sal comuna (NaCl) la manera com s‟ordenen els ions dóna com a resultat uns cristalls cúbics. La duresa i l‟elevada

temperatura de fusió tenen la seva explicació en la fortalesa de la unió entre ions.

El nombre de coordinació d‟un ió és el nombre d‟ions de signe contrari que l‟envolten a la

mínima distància. Dins la xarxa es diu que és el nombre de coordinació de volum i en la superfície del cristall es diu nombre de coordinació de superfície. Si no s‟especifica, se suposa

que parlem del nombre de coordinació de volum.

Si els ions de la mateixa càrrega queden a prop, es repel·leixen. Aquesta és la causa que els sòlids iònics es trenquin fàcilment. La facilitat de trencament i la fragilitat dels cristalls iònics s‟explica en base al model de sòlid iònic. Els cristalls iònics són fràgils, es trenquen fàcilment: si es fan lliscar unes capes de cristall sobre unes altres, queden a prop ions de la mateixa càrrega, la qual cosa fa que el cristall es trenqui per repulsió electrostàtica.

Una estructura cristal·lina és una dispersió (iònica, atòmica o molecular) ordenada que presenta una determinada periodicitat en l‟espai. S‟anomena node a cadascuna de les posicions de l‟espai

on s‟ubica el tipus de partícula que es va repetint en el cristall. L‟estructura bàsica que es

repeteix en les tres dimensions, s‟anomena cel·la bàsica.

Podeu trobar més informació a: http://www.chemguide.co.uk/atoms/structures/ionicstruct.html#top

Utilitzeu la simulació Cristalline Solids que podeu descarregar-vos en aquesta activitat. Tot seguit es mostren els menús superior i lateral que us permetran el seu funcionament.

http://www.chemguide.co.uk/atoms/structures/ionicstruct.html#top



Les opcions View i Rotation permeten modificar el format de visualització de les estructures (més grans, més petit; des de diferents angles; girant de manera automàtica, etc.)

1) Aneu a l‟opció “Lattices” i observeu les tres opcions “cúbic primitiu”, “cúbic centrat en el

cos” i “cúbic centrat en cares”. Visualitzeu les opcions amb barres i sense barres. Feu girar l‟estructura per poder-la veure des de diferents angles.

Quines diferències hi ha en les tres estructures?

Quin tipus de partícules ocuparien els nodes en el cas d‟un sòlid

iònic?

En quin tipus d‟estructura hi ha

més partícules per unitat de volum?

2) Aneu a l‟opció “Compounds”, escolliu el clorur de sodi.

Observeu la seva estructura clicant a les diferents opcions de visualització del reticle (Mostrar cel·les múltiples, Mostrar els àtoms grans, Mostrar les barres, etc). Feu girar l‟estructura per poder-la veure des de diferents angles.

Per ajudar-vos en les vostres interpretacions, compareu l‟estructura tridimensional que observeu amb la figura 2 d‟aquesta activitat i indiqueu si el que

veieu a la simulació i a la figura 2 són estructures diferents o dues maneres de representar la mateixa estructura.

En la simulació que utilitzeu, com estan representats els ions clorur (negatius)? Quins llocs ocupen? Com estan representats els ions sodi (positius)? Quins llocs ocupen?

En quin dels tres sistemes d‟empaquetament cúbic (cúbic primitiu, cúbic centrat en

el cos i cúbic centrat en les cares) estan ordenats els ions que formen el clorur de sodi?

Quins ions ocupen els nodes? Quins ions ocupen els espais entre nodes (espais intersticials)?

Quin és el nombre de coordinació (de volum) dels ions clorur i dels ions sodi.

3) A la mateixa opció “Compounds” escolliu ara el clorur de cesi.

Observeu la seva estructura clicant a les diferents opcions de visualització del reticle (Mostrar cel·les múltiples, Mostrar els àtoms grans, etc). Feu girar l‟estructura per poder-la veure des de diferents angles.

Indiqueu quines diferències i similituds hi ha amb l‟estructura del clorur de sodi. En quin

dels tres sistemes d‟empaquetament cúbic

(cúbic primitiu, cúbic centrat en el cos i cúbic centrat en les cares) estan ordenats els ions que formen el clorur de cesi?


Quin és el nombre de coordinació (de volum) dels ions clorur i dels ions cesi.

Quina fórmula és d‟esperar per a aquest compost.

Figura 4. Cristalls de clorur de cesi.

Figura 3. Cristalls de sal comuna (clorur de sodi).



4) A la mateixa opció “Compounds” escolliu ara el

fluorur de calci (fluorita).

Observeu la seva estructura clicant a les diferents opcions de visualització del reticle (Mostrar cel·les múltiples, Mostrar els àtoms grans, etc). Feu girar l‟estructura per poder-la veure des de diferents angles.

Indiqueu quines diferències i similituds hi ha amb l‟estructura del clorur de sodi. En quin

dels tres sistemes d‟empaquetament cúbic

(cúbic primitiu, cúbic centrat en el cos i cúbic centrat en les cares) estan ordenats els ions que formen el fluorur de calci?


Quin és el nombre de coordinació (de volum) dels ions fluorur i dels ions calci.

Quina fórmula és d‟esperar per a aquest compost.

Altres estructures cristal·lines iòniques una mica més complexes. La xarxa iònica pot estar modificada: Les sals dobles

A l‟interior d‟una xarxa d‟anions es poden adaptar dues classes diferents de cations (ions carregats positivament), sempre que les càrregues es compensin, de manera que la xarxa sigui un conjunt elèctricament neutre. Un exemple d‟això és el mineral carnal·lita (figura 6). En aquesta sal de composició KCl·MgCl 2·H2O; els ions K+ i Mg+2 es situen a la xarxa d‟ions Cl

-. Encara que el KCl i el MgCl2 poden existir per separat com a sals, la carnal·lita no és una mescla de les dues, sinó que és una substància diferent, és una sal doble. En aquestes substàncies els diferents cations es situen en la xarxa seguint una disposició regular.

Sals dobles: Són sals que s'originen, en general, per cristal·lització de solucions que contenen mescles d'ions, com ara els alums, les oxisals i hidroxisals, conegudes genèricament com a sals bàsiques, en les quals intervenen oxocations o hidroxications, com l'oxiclorur de bismut, BiClO, i l'hidroxiclorur de magnesi, MgCl(OH).

Els cristalls hidratats

Observeu que la fórmula de la carnal·lita inclou una molècula d‟aigua. Realment, l‟aigua no està mesclada amb els cristalls

de carnal·lita, ja que si fos així estarien humits. Al contrari, les molècules d‟aigua estan incloses en la xarxa de la mateixa

manera regular que els ions. Per tant, la xarxa de la carnal·lita és una estructura composta per un entramat de quatre partícules diferents: ions K+, ions Mg+2 , ions Cl- i molècules d‟aigua. L‟aigua d‟aquests tipus de compostos rep el nom

d‟aigua de cristal·lització i els cristalls s‟anomenen cristalls hidratats.

Figura 6. Mostra de carnal·lita

Figura 5. Cristalls de fluorita (fluorur de calci).

Figura 7. Cristalls de CuSO4 ·5H2O.



Un cas conegut és el dels cristalls blaus del CuSO4·5H2O (figura 7). Aquesta sal s‟anomena

“sulfat de coure (II) pentahidratat”


1. Anomeneu quines partícules formen l‟estructura cristal·lina de la sal comuna, quina és la

seva disposició a l‟espai i perquè es mantenen unides aquestes partícules.

2. Per què són fràgils els cristalls iònics? Raoneu la vostra resposta en base al model de sòlid iònic.

3. Per què són durs i amb punts de fusió elevats els cristalls iònics? Raoneu la vostra resposta en base al model de sòlid iònic.

4. Què ens indica la fórmula d‟un compost iònic?

5. Què és el nombre de coordinació? En què us heu de fixar per poder-lo determinar?

6. Quins tipus d‟empaquetament coneixeu? De què depèn que un compost adopti una

estructura cristal·lina amb un tipus d‟empaquetament o un altre?

7. Quin tipus d‟empaquetament es representa en la següent figura. Quin tipus d‟ions

representen les boles més grans (A)? I les petites (B)? Quina fórmula caldria esperar?

8. Què són les sals dobles? Quin és el seu procés de formació? Seria correcte afirmar que una sal doble és una mescla de dues sals? Raoneu la vostra resposta en base al model de sòlid iònic.

9. Què són els cristalls hidratats? Seria correcte dir que els cristalls hidratats contenen aigua i per això estan humits? Quin tipus de partícules formen els cristalls hidratats? Raoneu la vostra resposta en base al model de sòlid iònic.

10. Expliqueu en que consisteix l‟enllaç iònic. Quin tipus d‟àtoms s‟enllacen amb aquest

tipus d‟enllaç? Per què?

11. Els cristalls de sal s‟utilitzen amb finalitat decorativa per fer de pantalla en les

anomenades làmpades de sal. Expliqueu, en base al model de sòlid iònic si el cristall pot conduir el corrent elèctric.

12. Quines propietats dels compostos iònics coneixeu i sabríeu explicar fins al moment?

13. La figura 8 mostra una secció de l‟estructura de la xarxa del clorur de cesi.

a. Predieu la forma dels cristall de clorur de cesi b. Quants ions clorur envolten cada ió cesi? c. Quants ions cesi envolten cada ió clorur? d. Per què el clorur de cesi és dur i té un punt de fusió elevat?

e.

14. Quins ions hi ha presents en les solucions de: NaCl; KCl; KNO3; MgSO4; NaHCO3; Pb(NO3)2?

a

aa

Cl-

Cs+

a

aa Figura 8. Estructura de la xarxa del clorur de cesi. Cada ió

cesi es situa al centre d’un cub d’ions clorur i cada ió clorur al centre d’un cub d’ions cesi.



15. Escriviu una equació per al procés de dissociació iònica que té lloc quan es dissolen en aigua els compostos iònics següents:

KCl; NaNO3; Na2O; Ca(OH)2; NH4NO3; KMnO4; KClO3; Na2SO4

16. Escriviu els ions i la fórmula dels següents compostos iònics: clorur de ferro (III); nitrat d‟estronci; carbonat de sodi decahidratat; sulfur de ferro (II)



RMT1.4 Com es dissolen les sals en aigua?

Les sals són substàncies iòniques i en estat sòlid tenen l‟estructura de sòlid iònic (veure

RMT1.3). Moltes substàncies iòniques es dissolen fàcilment en aigua. Altres es dissolen molt poc, són les anomenades sals insolubles, però fins i tot en aquest cas, també hi ha una part molt petita de solut en solució.

Com explicaríeu el que passa quan una sal com el clorur de sodi es dissol? On va a parar la sal? Quin paper té l‟aigua?

Com creieu que és el procés de dissolució explicat a nivell d‟ions i molècules? Què passa

amb l‟estructura cristal·lina? On van a parar els ions? Què fan les molècules d‟aigua? Visualitzeu l‟animació que trobareu a: http://www.dlt.ncssm.edu/tiger/Flash/moles/Dissolving_NaCl-Electrolyte.html (Per descarregar i executar: http://www.dlt.ncssm.edu/flashdownloads/moles/Dissolving_NaCl-Electrolyte.exe) La figura 1 mostra un instant del funcionament de l‟animació. Després de visualitzar l‟animació:

Expliqueu què heu vist que passa amb els ions i les molècules d‟aigua

Per què al final de l‟animació la

pantalla queda buida? Fixeu-vos bé en la manera en que les

molècules d‟aigua s‟apropen als ions?

Hi ha alguna diferència si són ions positius o negatius?

Quines similituds i diferències creien que hi ha entre aquesta simulació i la realitat?

Quan un compost iònic es dissol, se separen els ions que formen la xarxa iònica. La separació dels ions requereix subministrar energia per vèncer l‟atracció elèctrica entre les

càrregues dels ions de diferent signe. Les molècules d‟aigua són polars i les petites càrregues elèctriques que es troben en les molècules d‟aigua són atretes per les

càrregues dels ions. Això passa, en el primer moment de posar el sòlid en contacte amb l‟aigua (figura 2). Figura 2. Procés de dissolució d’un cristall de NaCl en aigua. En ser les molècules d’aigua polars, cada ió és envoltat per molècules que s’orienten segons la càrrega de l’ió.

+

+ -Cl-Cl-Cl-

Cl- Cl-

Cl- Cl- Cl-

Cl-Cl-

Cl- Cl- Cl-

Na+

Na+ Na+

Na+ Na+

Na+Na+

Na+ Na+ Na+

Na+ Na+

+

+ -+

+-

+

+-

+

+-

+

+-

+-+-+

+-+

+-+

+-

+-

+-

+-+

+-

+

+-+

+-+

+-+

Cl- -+

-+

+

++

-

+

+ -

Na+

+-

+-

+

-+ -

+-

+

Figura 1. Animació Dissolving NaCl- Electrolyte (TIGER).

http://www.dlt.ncssm.edu/tiger/Flash/moles/Dissolving_NaCl-Electrolyte.html

http://www.dlt.ncssm.edu/flashdownloads/moles/Dissolving_NaCl-Electrolyte.exe

http://www.dlt.ncssm.edu/flashdownloads/moles/Dissolving_NaCl-Electrolyte.exe



Els ions en solució estan hidratats, existeixen enllaços entre els ions i les molècules d‟aigua. La

taula 1 mostra el nombre aproximat de molècules d‟aigua que es troben unides a un catió.

Podem observar que els ions més petits i amb una càrrega més gran atrauen a un nombre de molècules d‟aigua més gran. Poden existir diverses capes de molècules d‟aigua al voltant de l‟ió,

per exemple l‟ió Al3+ fixa al seu voltant 26 molècules d‟aigua!

Ió Nombre de molècules d’aigua Ió Nombre de molècules

d’aigua Li+ 5 Mg2+ 15 Na+ 5 Ca2+ 13 K+ 4 Al3+ 26 Taula 1. Nombre de molècules d’aigua unides a un catió.

El procés de dissolució de la sal comuna el podem expressar així:

Sòlid (Na+Cl-) → Na+(aq) + Cl-(aq).

(aq) significa "solució aquosa" i ens indica que els ions estan dissolts en aigua.

Les substàncies iòniques són solubles en dissolvents polars, però insolubles en dissolvents no polars, com l‟hexà. Les molècules dels dissolvents no polars no tenen regions amb petites càrregues positives i negatives de manera que són incapaces d‟interaccionar fortament amb els

ions.

D‟altra banda hi ha substàncies que són moleculars, però que són substàncies polars. Aquestes

substàncies són solubles en aigua, però en el seu procés de dissolució no hi intervenen ions. L‟animació següent representa el procés de dissolució del sucre en aigua

http://www.dlt.ncssm.edu/tiger/Flash/moles/Dissolving_Sugar_Non-electrolyte.html

(Per descarregar i executar:

http://www.dlt.ncssm.edu/flashdownloads/moles/Dissolving_Sugar_Non-electrolyte.exe)

Quines similituds i diferències observeu entre els dos processos? Solubilitat de les substàncies iòniques. Solucions saturades i sobresaturades.

A l‟activitat RMT 1.1 es mostra un gràfic de solubilitat de les sal que hi ha a l‟aigua de mar per explicar perquè, a les salines, unes sals precipiten més que les altres. Quan s‟evapora aigua de mar té lloc el

procés invers de preparar una solució. Per tant, els ions cristal·litzaran com sals idèntiques a les utilitzades. Aquestes sals tenen distintes solubilitats cosa que fa que comencin a cristal·litzar a diferents instants a mesura que el volum de la solució disminueix. Si no hi ha sals de magnesi, el clorur de sodi és la primera sal que cristal·litza sota la forma de halita. La solubilitat de la sal comuna gairebé no varia amb la temperatura mentre que la solubilitat d‟algunes substàncies iòniques, com

és el cas del nitrat de potassi, varia molt amb la temperatura (figura 3).

mas

sa d

e so

lut,

en g

ram

s, q

ue e

s di

ssol

t en

100

g d'

aigu

a

temperatura / ºC

clorur de sodi

sulfat de potassi

nitrat de potassi

sulfat de coure (II)

pentahidrtat

Figura 3. Solubilitat d’algunes sal. ( massa de substància que es dissol en 100 g d’aigua a diferents temperatures.

http://www.dlt.ncssm.edu/tiger/Flash/moles/Dissolving_Sugar_Non-electrolyte.html

http://www.dlt.ncssm.edu/flashdownloads/moles/Dissolving_Sugar_Non-electrolyte.exe



En els processos d‟evaporació de l‟aigua, es pot sobrepassar el punt de saturació i aconseguir tenir una solució amb més solut dissolt del que correspon a una temperatura determinada. Aquesta solució s‟anomena sobresaturada. La solució no es manté estable i si es remena o s‟hi introdueix un objecte

dins, immediatament l‟excés de solut cristal·litza.

Amb quasi tots els soluts, aquest fenomen va acompanyat d‟alliberament d‟energia en forma de

calor.

Aquest fenomen s‟aprofita per les bosses

“termoactives”: aquestes contenen una solució sobresaturada d‟etanoat de sodi que quan cristal·litza l‟excés de solut, allibera calor. El procés, és

reversible i si s‟escalfa la mescla final, es torna a tenir la solució sobresaturada (figura 4).

En la següent activitat podreu observar la solubilitat de diferents sals, distingint entre sals molt solubles i altres menys solubles.

També haureu de fer els càlculs adients per determinar quina és la solubilitat de cadascuna de les sals i predir com la variació del volum d‟aigua afecta la solució.

Utilitzareu una simulació que us permetrà conèixer la concentració d‟ions dissolts en aigua. La trobareu

a http://phet.colorado.edu/en/simulation/soluble-salts.

Us podeu descarregar la simulació a partir de l‟enllaç (si la voleu veure en castellà podeu anar al final de la pàgina on diu “translated versions” i

escollir la versió en castellà).

Escollirem la sal comuna com a exemple de sal soluble, i una sal menys soluble com el bromur de plata, AgBr, compost iònic que s‟utilitza en el procés de revelat fotogràfic per la seva sensibilitat a la llum.

Cliqueu primer a la pestanya “table salt” (sal de taula) Emprant el cursor, sacsegeu el saler per afegir sal a l‟aigua. Feu-ho fins que vegeu que ja no

se‟n dissol més. Llegiu ara el nombre d‟ions que queden en la solució i el volum d‟aigua. Calculeu, amb aquestes dades, quants mols de clorur de sodi

es dissolen en 1 litre de solució. Proveu ara d„afegir més aigua. Què observeu?

Cliqueu ara la pestanya de les sals lleugerament solubles (slightly soluble salts) i escolliu el

bromur de plata

Figura 4. En doblegar la peça metàl·lica, indicada per la fletxa, es provoca una inestabilitat dins la solució i s’inicia el procés de cristal·lització de l’etanoat de sodi sobresaturat amb

despreniment de calor.

http://phet.colorado.edu/en/simulation/soluble-salts



Feu el mateix que abans, sacsegeu el saler fins que vegeu que la sal que heu triat, el bromur de plata, AgBr, ja no es dissol més i teniu una solució saturada i un equilibri de solubilitat:

AgBr(s) ⇄Ag+(aq) + Br-(aq). Llegiu, com abans, el nombre d‟ions presents de cada espècie química i el volum d‟aigua. Proveu-ho amb alguna de les altres 7 sals: Sal de taula (clorur de sodi), bromur de plata,

sulfur de tal·li (I) , arseniat de plata, iodur de coure (I), bromur de mercuri (II) i fosfat d‟estronci

Responeu les següents qüestions:

1. Escriviu els ions presents quan es dissol cada sal. 2. Calculeu els mols de cada ió en 1dm3 de solució. 3. A partir dels valors calculats en l‟apartat anterior, classifiqueu les sals en ordre creixent

de solubilitat. Exercicis i qüestions

1. Una de les propietats dels compostos iònics és que es dissolen en aigua. Expliqueu en base al model del sòlid iònic, el procés de solubilització d‟un compost iònic.

2. Les solucions aquoses de compostos iònics i les sals foses condueixen el corrent elèctric, mentre que els sòlids cristal·lins no condueixen el corrent elèctric. Expliqueu aquests fenòmens en base als models de sòlid iònic, ions en solució i corrent elèctric.

3. Quines diferències hi ha en el procés de dissolució de la sal i del sucre? Raoneu la vostra resposta.

4. Són tots els compostos iònics igual de solubles? En afegir dues sals a dos recipients que contenen el mateix volum d‟aigua, arribarem abans a obtenir una solució saturada en el cas de la sal més soluble? Raoneu la vostra resposta.

5. Esteu d‟acord amb la següent afirmació: Les solucions sobresaturades contenen sempre

una quantitat molt gran de solut en solució. Raoneu la vostra resposta.

6. La solubilitat de les sals depèn de la temperatura. Examineu el gràfic de la figura 3 i descriviu com canvia la solubilitat en cada una de les sals.

7. Utilitzeu la gràfica de solubilitat de la figura 6, per trobar:

a. Quina quantitat de nitrat de potassi es necessita per tenir la saturació en 100 g d‟aigua a 25ºC; a 50ºC i a 70ºC?

b. Una solució saturada de sulfat de coure (II) en 100 g aigua a 60ºC es deixa refredar fins 20ºC. Descriviu quins fenòmens poden passar en aquesta solució.

c. Un tub d‟assaig conté 10 mL d‟aigua. Quina massa màxima de clorur de sodi es pot dissoldre a 25ºC?

d. Està saturada una solució de 5 g de nitrat de potassi en 20 mL d‟aigua a 25ºC?

Resp: a) 25ºC:40g; 50ºC:76g; 70ºC: 120g, b) Precipitarà CuSO4 ;c) 4,1 g NaCl; d) no.



RMT 1.5 Or als oceans? I als medicaments homeopàtics?

Or als oceans?

El mes de juny de 1934 la revista Popular Mechanics publicava un article on es preguntava si es podria extreure or del mar (figura 1).

Aquesta idea va néixer després que el químic anglès S. Sonstadt establís definitivament, el 1872, que en l‟aigua del mar hi ha or

dissolt en concentracions molt baixes.

Fritz Haber va ser un químic alemany brillant que va desenvolupar un procés per produir amoníac durant la Guerra Mundial dels anys 1915 a 1918. En acabar la guerra, Haber va decidir que els deutes del seu país provocats per la guerra es podien cancel·lar mitjançant l‟extracció d‟or del mar. Haber va

calcular que es podien extreure enormes quantitats d‟aquell metall preciós mitjançant aparells

especials adaptats als vaixells. Durant els anys 20, els vaixells alemanys van navegar per tot el món amb l‟esperança de tornar carregats d‟or. Però no ho van aconseguir. El principal problema va ser que la xifra donada per Haber per a la concentració d‟or en l‟aigua de mar era 4,0.10-9 g·dm -3

. A mesura que s‟ha analitzat millor, s‟ha observat que aquesta concentració no era real.

Per exemple, un estudi dut a terme entre els anys 1988 i 1990 va establir una concentració màxima d‟or en el mar de 10

-11 g·dm -3.

Qüestions

1. Feu una estimació del valor màxim de la massa total d‟or que actualment es creu que hi ha als

oceans. Suposeu que la superfície mitjana dels mars i oceans és de 3,60·10 8 km2 i la profunditat mitjana de 3,7 km.

Si tot l‟or es pogués extreure del mar i es repartís en parts iguals entre la població de la Terra (que és de 7 x109 persones, aproximadament), quina seria la part que us correspondria avui?

En el mar, a part de l‟or, s‟hi han detectat molts més

elements.

A la pàgina: http://www.mbari.org/chemsensor/pteo.htm trobareu una taula periòdica que us informa de quins elements hi ha al mar, en quina concentració i moltes més dades interessants. Fixeu-vos en l‟or. Quina és la

concentració mitjana d‟or en els oceans?

Expresseu la concentració d‟or en el mar en mol·dm-3 .

(Densitat mitjana aigua de mar: 1,025 g/mL)

Figura 1. Gold from the sea? Revista popular Mechanics.

http://www.mbari.org/chemsensor/pteo.htm



Els medicaments homeopàtics Us heu preguntat mai que contenen els medicament homeopàtics? Quin efecte poden tenir els preparats homeopàtics com a fàrmacs? Curiosament alguns medicaments homeopàtics també contenen or i són un bon context per aprendre sobre quantitats molt petites i solucions molt diluïdes.

Un dels preparats homeopàtics que conté or es diu Aurum metallicum30 CH.

Per entendre què significa aquest nom, podeu observar el vídeo del Quèquicom que trobareu a http://blogs.tv3.cat/quequicom.php?itemid=42399 i que tracta sobre diferents aspectes relacionats amb la homeopatia.

Després de veure el vídeo, responeu les preguntes següents:

a. Com es prepara un medicament homeopàtic?

b. Què és un centèsim homeopàtic, CH ?

c. La homeopatia ha estat discutida com a remei eficaç precisament per la extraordinàriament baixa concentració del principi curatiu que tenen el preparats homeopàtics. Què vol dir “efecte

placebo” d‟un medicament?

d. Per què mai es produeixen efectes secundaris ni intoxicacions en els tractaments homeopàtics?

e. Busqueu informació sobre com es prepara la tintura mare del preparat homeopàtic Aurum metallicum30 CH.

Què és el procés de dilució homeopàtica?

La preparació d‟un medicament homeopàtic (procediment anomenat dinamització o potenciació), consisteix en anar diluint una solució inicial, un nombre elevat de vegades.

En el procés de dilució homeopàtica les lletres DH, CH, MH indiquen la dilució a realitzar: 1/10, 1/100, 1/1000

1/10: la solució inicial s‟ha diluït 10 vegades. (DH)

1/100: la solució inicial s‟ha diluït 100 vegades. (CH)

1/1000: la solució inicial s‟ha diluït 1000 vegades. (MH)

http://blogs.tv3.cat/quequicom.php?itemid=42399



Les dilucions més freqüents són 6CH, 15CH y 30CH (figura2).

Suposem que el procés comença per diluir una solució amb el principi actiu 100 vegades. En la segona dilució es torna a diluir altres cent vegades, amb la qual cosa es passa de la concentració inicial a una concentració 10.000 vegades menor que la inicial, això s‟indica com a 2 CH

(“centèsims homeopàtic”).

D‟acord amb els principis de la homeopatia, com més diluïda sigui una preparació més vigorós serà l‟efecte curatiu. Es considera convenient arribar a dilucions repetint el procés fins a 30

vegades (30 CH).

Els medicaments homeopàtics així preparats es comercialitzen en forma de granulats de glucosa o lactosa impregnades amb les solucions extremadament diluïdes.

Eficàcia o efecte placebo?

a) Suposeu que la preparació d‟un medicament es comença per una solució d‟un principi actiu

de concentració 1,72 mol·dm -3. Quina serà la concentració d‟aquest producte quan s‟arribi a 10

CH i a 30 CH? (recordeu que cada CH vol dir que s‟ha diluït 100 vegades la solució inicial).

b) Quantes dilucions s‟han de fer a partir de la solució inicial perquè només hi hagi una

molècula del solut inicial? Com podeu explicar el resultat que heu obtingut en l‟apartat

anterior?

c) La homeopatia ha estat discutida com a remei eficaç precisament per la extraordinàriament baixa concentració del principi curatiu que tenen el preparats homeopàtics. En alguns casos se l‟ha qualificat de “pseudociència”, per diferenciar-la de les ciències mèdiques i farmacèutiques. Feu una recerca en pàgines Web entorn dels següents aspectes:

- Què vol dir “efecte placebo” d‟un medicament?

- Per què mai es produeixen efectes secundaris en els tractaments homeopàtics?

- Per què mai es poden produir intoxicacions per abusar d‟un medicament homeopàtic?

- Cal una titulació per receptar i per preparar aquests medicaments?

- Són de venda lliure o cal recepta mèdica?

d) Prepareu una breu exposició sobre el que heu aprés dels tractaments homeopàtics, amb una opinió personal de la seva eficàcia o inutilitat.

Nom del principi actiu

(escrit en llatí).

És el Clorur de sodi

El nombre de dilucions Tipus de dilució (centesimal)

Figura 2. Etiquetatge d’un preparat homeopàtic.



Preparem dilucions d’un colorant

Us proposem un treball pràctic per estudiar el procés de dilució.

1. Preparareu solucions d‟un colorant alimentari de color vermell, el “roig Poceau”, de

fórmula C29H11N2Na3O10S3 i massa molar de 604 g/mol.

Primer es prepara una solució inicial del colorant d‟ 1% en massa. Quina quantitat en

mols i quantes molècules del colorant conté aquesta solució?

Preparació de successives dilucions.

Primera dilució (solució 1): amb una pipeta s‟agafa 1 mL de la solució inicial, es

diposita en un tub d‟assaig i es dilueix amb 9 mL d‟aigua.

Segona dilució (solució 2): s‟agafa amb una pipeta, 1 mL de la solució anterior (solució

1), es diposita en un segon tub d‟assaig i es dilueix amb 9 mL d‟aigua. Observeu i

compareu el color d‟aquesta segona dilució amb el color de la primera dilució.

Més dilucions: es repeteix el procés fins a 10 vegades, calculant cada vegada, quina és la concentració de colorant i el nombre de molècules de colorant que conté.

2. Representeu en un diagrama de barres les concentracions del colorant en cada una de les dilucions.

3. Quina seria la concentració si féssim 20 dilucions? A quina dilució ja no trobaríem cap molècula del colorant?


1. Hi ha medicaments homeopàtics, com el que observeu a la figura, que contenen l‟anomenada “Calcarea Carbonica”, que

és carbonat de calci. El carbonat de calci és molt poc soluble en aigua.

Argumenteu com influeix el fet que el carbonat de calci sigui molt poc soluble en la concentració d‟ions en aquest preparat.

2. Us proposem comparar el nombre d‟àtoms

d‟or en una gota d‟aigua oceànica amb el

nombre d‟àtoms d‟or que hi pugui haver en

una gota de solució 30CH utilitzada per preparar l‟Aurum metallicum 30 CH. Podeu suposar que el volum d‟una gota d‟aigua és

0,1 mL.

Per calcular el nombre d‟àtoms d‟or que hi ha en una gota d‟aigua de mar utilitzeu les

dades següents:

Concentració mitjana d‟or en els oceans: 50·10-15 mol/kg

Densitat mitjana aigua de mar: 1,025 g/mL

Per calcular el nombre d‟àtoms d‟or que hi ha en una gota de solució 30 CH suposeu que en la solució mare, a partir de la qual es comença a fer les dilucions, hi ha 3.10-7 mol/L d‟or.

Com argumentaríeu els vostres resultats? Resp. A la gota d‟aigua de mar hi haurà 3085 àtoms d‟or i al medicament homeopàtic

1,8·10 -44 àtoms d‟or.



RMT 1.6 Preparem solucions

En aquesta activitat posareu a prova la vostra capacitat de preparar solucions al laboratori, de descriure el procediment que empreu i de fer els corresponents càlculs de concentració per poder preparar les solucions.

Us proposem preparar algunes solucions d‟us comú, en l‟àmbit sanitari o en el dels productes de

neteja: un sèrum fisiològic, una solució d‟hidròxid de sodi per al tractament de les berrugues i un salfumant com el que pugueu tenir a la vostra llar. Les tres solucions que demanem preparar corresponen respectivament a clorur de sodi al 0,9%, hidròxid de sodi 2M i àcid clorhídric 2 M a partir d‟un solut sòlid o d‟una solució concentrada.

En cadascun dels casos haureu de preparar 250 mL de solució. En primer lloc haureu de calcular quina massa o quin volum de solut heu d‟utilitzar, el material que necessiteu emprar i haureu de

dissenyar i descriure el procediment que seguireu.

Si teniu dubtes sobre els càlculs, el material o el procediment a seguir, podeu consultar els procediments de preparació de solucions d‟un determinat % en massa i % en volum, i de

preparació de solucions d‟una determinada molaritat que trobareu en aquesta activitat. L‟activitat també inclou exercicis de càlcul de concentracions per tal que poseu a prova els

vostres coneixements.

En la solució 1 es demana preparar una solució de un determinat tant per cent en massa i els solucions 2 i 3 es demana preparar solucions de concentració 2M. Això expressa la concentració molar, que es defineix de la manera següent:

Concentració en quantitat de substància o concentració molar d’un solut La concentració molar d‟un solut en un determinat volum de solució, és igual al quocient entre la quantitat de solut dissolta i el volum de la solució. S‟expressa en mol/litre o mol·dm

-3 o mol·L -1 i en algunes ocasions en mol·m -3 Recordeu que Aquesta manera d‟expressar la concentració s‟anomena també “Molaritat”. Exemple: Una solució aquosa de sacarosa, C12H22O11, conté 6,00 g d‟aquest solut en un volum

de 50 mL. Quina és la concentració d‟aquesta solució? Solució: La massa molar de la sacarosa és de 342 g·mol-1 El nombre de mols de solut presents en la solució és de : La concentració és de :

molmolg

gn 0175,0

.342

00,61

soluciódelitres

solutdelmols

Vnc

molarmassa

gramsenmassa

M

mn

3.359,0050,0

0175,0 dmmolc



Solució 1

Sèrum fisiològic salí (NaCl al 0,9 % m/m) a partir de clorur de sodi i aigua destil·lada.

Solució 2

Solució per al tractament d‟eliminació de berrugues (KOH 2M) a partir d'hidròxid de potassi i aigua destil·lada.

Solució 3

Fabricació de salfumant per dilució (HCl 2M) a partir d'àcid clorhídric concentrat (mireu a l'etiqueta la concentració i la densitat) i aigua destil·lada.

Per a cada cas, indiqueu:

Els productes químics i el material de laboratori emprats.

El procediment experimental que heu seguit amb els passos numerats.

Els càlculs realitzats.

Les etiquetes de perillositat que hauríem de col·locar als recipients.



Preparació de solucions En els laboratoris la preparació d‟una solució de concentració determinada es fa o bé per

dissolució d‟un solut pur sòlid o líquid en un dissolvent o bé per dilució d‟una solució concentrada, per obtenir una de més diluïda. Solució d’un solut sòlid Exemple: Hem de preparar 250 mL d‟una solució d‟hidròxid de potassi de concentració 0,20

mol·dm -3 a partir del solut sòlid. a) Quina quantitat de solut necessitem? b) Quin material i quin procediment s‟ha de seguir? Massa molar del KOH; M(KOH) = 56,1 g·mol-1 Resposta: a) La quantitat de solut que necessitem és:

b) Material necessari 1: balança; 2: espàtula; 3: vareta de vidre; 4: vas de precipitats de 250 mL; 5: embut; 6: matràs aforat de 250 mL; 7: flascó amb aigua destil·lada

A més a més, en ser el solut una substància càustica, com s‟indica en l‟etiqueta del

producte caldrà també: guants i ulleres de seguretat. c) Procediment: - Pesar el vas de precipitats. Un cop es llegeix el pes del vas, es prem la tecla de “tara”. - Amb els guants i les ulleres de seguretat posats, s‟obre el pot del solut (KOH en aquest

exemple) i amb l‟espàtula es posen petites quantitats del solut en el vas, fins a tenir la massa calculada. Tapar el pot i retornar-lo al seu lloc. Retirar el vas de la balança.

- Afegir una mica d‟aigua destil·lada al vas de precipitats (per exemple fins uns 50 mL) i amb l‟ajut de la vareta, agitar per dissoldre el solut. Podeu afegir una mica més d‟aigua per acabar

de dissoldre el sòlid. NO S‟HA D‟OMPLIR EL VAS! - Amb l‟ajut de l‟embut, transvasar la solució al matràs aforat (figura 1). Esbaldir el vas de

precipitats amb una mica d‟aigua destil·lada i afegir-la al matràs (figura 2). Aquesta operació cal repetir-la un parell o tres de vegades, per assegurar-se que hem transvasat tot el solut dissolt al matràs aforat.

Figura 1 Figura 2

1

2

3

45 6

7

8

9

1 10

2

3

45 6

7

8

9

11

001.20

1 2 3 4 5 6 7

KOHgKOHmol

KOHgdm

dm

KOHmolsolutdemassa 81,2

1

1,56.250,0.

1

20,0 33



- Acabar d‟omplir el matràs aforat amb aigua destil·lada fins la línia d‟arrasament (figura 3), les

últimes gotes s‟omplen amb l‟ajut d‟un comptagotes. Figura 3 - Tapar el matràs aforat amb el seu tap i giravoltar-ho unes quantes vegades per tal d‟

homogeneïtzar la solució preparada. - La solució preparada es passa a un flascó per guardar-la i s‟etiqueta amb la següent

informació:

FÓRMULA QUÍMICA CONCENTRACIÓ

DATA DE PREPARACIÓ RESPONSABLE

PICTOGRAMA DE SEGURETAT

Solució d’un solut líquid Exemple: Hem de preparar 500 g d‟una solució etanol en aigua al 40% en massa. L‟etanol

“absolut” és un líquid. a) Quines quantitats d‟aigua i d‟etanol necessitem? b) Quin material i quin procediment s‟ha de seguir? Resposta: a) Massa d‟etanol que necessitem és:

Massa d‟aigua que necessitem = 300 g

b) Material necessari 1: balança; 2: vareta de vidre; 3: vas de precipitats de 1000 mL; 4: flascó amb aigua destil·lada

L‟etanol és un líquid molt inflamable, caldrà tenir el flascó lluny de qualsevol

flama. c) Procediment - Pesar el vas de precipitats. Un cop es llegeix el pes del vas, es prem la tecla de “tara”. - A poc a poc, posar aigua en el vas de precipitats fins a tenir els 300 g que necessitem. Després

fer el mateix amb l‟etanol, no caldrà tornar a prémer la tecla “tara” de la balança, serà suficient buidar l‟etanol fins a tenir el total de 500 g.

- Agitar la mescla amb la vareta.

1

2

3

45 6

7

8

9

1 10

2

3

45 6

7

8

9

11

001.20

1 2 3 4



- La solució preparada es passa a un flascó per guardar-la, i s‟etiqueta amb la següent

informació: FÓRMULA QUÍMICA

CONCENTRACIÓ DATA DE PREPARACIÓ

RESPONSABLE PICTOGRAMA DE SEGURETAT

Solució preparada a partir d’una altra solució més concentrada Exemple: Com es preparen 100 mL d‟una solució de permanganat de potassi, KMnO4 0,0200 mol·dm -3 a partir d‟una solució més concentrada de c= 0,100 mol·dm

-3? Resposta: a) S‟ha de determinar el volum de la solució inicial (la més concentrada) que s‟ha de diluir per

obtenir la solució de la concentració demanada. El volum V, de solució a preparar ha de tenir la següent quantitat de mols de solut: n = c . V = 0,0200 · 0,1 = 2,00· 10-3 mol de KMnO4 aquesta quantitat és la que ha d‟estar en un volum, V0 de la solució concentrada.

Per tant, és suficient, agafar 20,0 mL de la solució concentrada i afegir 80 mL d‟aigua

destil·lada, per obtenir els 100 mL de solució diluïda. b) Material

1: Flascó amb la solució concentrada; 2: matràs aforat de 100 mL; 3: pipeta de 25 mL; 4: succionador per pipetes

c) Procediment 1- Acoblar el succionador per pipetes a la pipeta i succionar fins la capacitat màxima de la

pipeta (25,0 mL). No és aconsellable pipetejar directament del flascó del producte, per, tant és convenient buidar-ne una quantitat raonable en un vas de precipitats.

2- Buidar 20 mL en el matràs aforat de 100 mL 3- Acabar d‟omplir el matràs amb aigua destil·lada fins a la línia d‟arrasament.

El quocient entre les concentracions de les solucions concentrada i la diluïda defineix el “factor de dilució”.

0

0

V

V

c

c

0

10

20

25

1 2 3 4

KMnO4

0,10 mol.dm-3

mLLc

nV 0,2010.00,2

1,0

10.00,2 23

0

00



4- Tapar el matràs aforat amb el seu tap i giravolta-ho unes quantes vegades per homogeneïtzar la solució preparada.

5- La solució preparada es passa a un flascó amb l‟etiqueta corresponent. En determinades ocasions haurem de preparar una solució a partir d‟una més concentrada de la qual, només sabem el percentatge en

massa i la seva densitat. Tal és el cas de les solucions concentrades d‟àcids o d‟amoníac. Exemple: Hem de preparar 1000 mL una solució d‟àcid clorhídric de

concentració 0,50 mol·dm -3 i disposem del flascó d‟àcid concentrat,

en l‟etiqueta podem llegir: Quina massa i quin volum de la solució concentrada del flascó hem d‟agafar?. Com prepararíem

la solució? Resposta: a) L‟esquema de càlcul respon sempre al següent diagrama de flux: Calcularem la quantitat de solut que necessitem: n = V · c = 1 L· 0,50 mol·dm -3 = 0,50 mol HCl La massa d‟aquests 0,50 mol HCl és: M = n·M = 0,50 mol HCl· 36,5 g·mol -1 = 18,3 g HCl La solució que tenim té una concentració en massa del 37 %, la massa de solució que necessitem és: Si no disposem de balança, caldrà mesurar el volum. El volum de solució que necessitem és de:

37% en massa

1,10 g/mL

M = 36,5 g/mol

gHClgHClg

soluciógm 5,493,18.

37

100

mLm

V 0,4510,1

5,49



b) Material flascó amb la solució concentrada matràs aforat de 1000 mL vas de precipitats de 1000 mL vareta per remenar embut balança de sensibilitat 0,1 g ulleres de seguretat i guants campana extractora de gasos o treballar prop d‟una finestra oberta i ventilada i en el cas de no tenir balança: proveta de 100 mL de sensibilitat 1 mL c) Procediment TREBALLAR A LA CAMPANA EXTRACTORA AMB LES ULLERES I ELS GUANTS POSATS! 1- Posar el vas de precipitats amb una quantitat d‟aigua. Tarar. 2- Buidar molt a poc a poc la solució de HCl sobre l‟aigua del vas, fins que marqui la massa

desitjada. 3- Remenar amb la vareta i esperar que la mescla s‟hagi refredat. 4- Passar la mescla al matràs aforat amb ajut de l‟embut. 5- Esbaldir el vas amb una mica d‟aigua destil·lada i buidar-la dins el matràs aforat. Repetir

aquesta operació un parell de vegades. 6- Acabar d‟omplir el matràs aforat amb aigua destil·lada fins la línia d‟arrasament. 7- Tapar el matràs aforat amb el seu tap i giravoltar unes quantes vegades per homogeneïtzar la

solució preparada. 8- La solució preparada es passa a un flascó per guardar-la etiquetada. Si no disposem de balança, el pas 1, consisteix primer en tenir un cert volum d‟aigua en el vas

de precipitats de 1000 mL i després en mesurar amb la proveta els 45 mL de la solució concentrada de HCl. Exercicis i qüestions

1. Expliqueu com prepararíeu 500 mL d‟una solució 0,1 mol·dm-3 de sulfat de sodi.

2. Quina massa d‟etanol “absolut” de densitat 0,789 g·cm-3 es necessita per a preparar 250

mL d‟una solució aquosa al 80% en massa? Resp: 157,8 g

3. Mentre preparem una solució ens pot passar algun dels incidents següents:

i Omplim una mica més del compte el matràs aforat amb aigua destil·lada.

ii Vessem una mica de la solució ja preparada quan la transvasem del matràs aforat al flascó on la volem guardar.

iii Ens oblidem d‟esbaldir vàries vegades el vas de precipitats on hem dissolt els solut

sòlid.

a. En quines d‟aquestes ocasions variarà la concentració de la solució del que ens havíem proposat de preparar?

b. La variació, farà que la solució sigui més o menys concentrada?



4. A partir de les dades de l‟etiqueta de l‟ampolla d‟àcid fosfòric:

a. Calculeu la massa d‟aquesta solució que es necessita per a

preparar 100 mL de solució de concentració 1,0 mol·dm-3

b. Trobeu quin volum de solució té la massa que heu calculat.

c. Expliqueu detalladament el procediment a seguir per preparar aquesta solució. Resp: a) 6,2 g; b) 3,2 cm3

5. Una solució està formada per 17 g de solut dissolts en aigua fins un volum final de 750

cm3. Calculeu:

a. La concentració de la solució en g·L -1

b. Si la densitat de la solució es de 1,2 g·cm -3, calculeu la massa total de la solució. Resp: a) 22,7 g . L-1; b) 9000 g

6. L‟etiqueta d‟un flascó d‟àcid etanoic concentrat indica que és del 84,2% en massa i que

la seva densitat és 1,069 g·cm -3. Calculeu la concentració en mol·dm -3 de l‟àcid etanoic

del flascó. Resp: 15 mol·dm -3 .

7. Preparem una solució d‟àcid sulfúric en el laboratori. Si en preparar la solució omplim

el matràs aforat, amb un volum d‟aigua més gran, la solució preparada serà més concentrada o menys concentrada que la que inicialment teníem intenció de preparar?.

Suposa que la solució que hem preparat és d‟1 L de volum i concentració 0,1 mol·dm-3.

Quins passos s‟han de seguir per preparar, a partir d‟aquesta una solució, 1L de solució de concentració 0,01 mol·dm -3?

H3PO4 85% m/m

= 1,87 g·cm-3



RMT 1.7 Formulem ions i compostos iònics

Aquesta activitat us servirà per repassar la formulació dels compostos iònics. Segurament ja heu practicat la formulació, a mesura que sorgia la necessitat d’escriure la fórmula d’algun compost, però aquesta activitat posarà a prova els vostres coneixements.

Introducció Anomenant ions S‟obtenen ions positius (cations) quan àtoms metàl·lics perden electrons. El nom de l‟ió és el

de l‟element corresponent, precedit de la paraula ió.

Alguns metalls poden produir més d'un tipus d'ions positius, ja que poden perdre un nombre diferent d'electrons per formar ions estables. En aquest cas s‟ha d'incloure la càrrega de l‟ió

(també anomenada nombre d'oxidació) a continuació del nom de l‟ àtom metàl·lic, això

ens permet saber de quin ió es tracta - per exemple, el ferro pot produir ferro(II), Fe2+, o ferro(III), Fe3 +.

Un catió que no està format per un àtom metàl·lic és l'ió amoni, NH4+.

Els ions negatius (anions) es produeixen quan els àtoms no metàl·lics, o grups d'àtoms, guanyen electrons. Quan l'anió és només un àtom no metàl·lic, el nom de l'anió acaba en -ur. Així, l'ió clorur i S2- és l'ió sulfur. Quan l‟anió conté un àtom del no metall i oxigen, el nom de l‟ió acaba en -at. Per tant, SO42- és l'ió sulfat i NO3- és l'ió nitrat.

Les càrregues dels ions Els àtoms metàl·lics dels grups 1, 2 i 13 de la taula periòdica, formen ions, perdent tots els electrons de la capa de valència: Grup 1... càrrega 1+; Grup 2... càrrega 2+; Grup 13... càrrega 3+.

Els metalls del grup 14, poden perdre dos dels seus quatre electrons de la capa externa per formar ions que tindran una càrrega 2 +. La càrrega d'un ió metàl·lic del bloc d, és més difícil de predir.

Els elements no metàl·lics formen ions en guanyar electrons suficients per aconseguir tenir la capa de valència plena. El clor, del Grup 17, guanya un electró per convertir-se en l‟ió Cl

-. El sofre del Grup 16 guanya 2 electrons per formar l‟ió S

2-.

Fórmula Nom Na+ ió sodi K+ ió potassi Ag+ ió plata NH4

+ ió amoni Ca2+ ió calci Mg2+ ió magnesi Pb2+ ió plom(II) Zn2+ ió zinc Cu2+ ió coure(II) Fe2+ ió ferro(II) Fe3+ ió ferro(III) Al3+ ió alumini Cl− ió clorur Br− ió bromur I− ió iodur F− ió fluorur S2− ió sulfur H− ió hidrur O2− ió òxid O2

2− ió peròxid OH− ió hidròxid ClO- ió hipoclorit ClO2

- ió clorit ClO3

- ió clorat ClO4

- ió perclorat IO3

- ió iodat HCO3

− ió hidrogencarbonat CO3

2− ió carbonat NO2

- ió nitrit NO3

- ió nitrat SO3

2- ió sulfit SO4

2- ió sulfat PO4

3- ió fosfat MnO4

- ió permanganat CrO4

2- ió cromat Cr2O7

2- ió dicromat HS- ió hidrogensulfur HSO3

− ió hidrogensufit HSO4

- ió hidrogensulfat HPO4

2- ió hidrogenfosfat H2PO4

- ió dihidrogenfosfat



Com s’anomenen i formulen els compostos iònics Exemple 1 Exemple 2


1. Completeu el quadre següent de manera que la fórmula d‟un compost iònic correspongui amb

la seva composició en ions:

Catió Anió

Fe3+ NH4+ Al3+ Ca2+

F-

OH-

Pb(NO3)2

S2-

SO42-

Podeu trobar més exercicis de formulació per poder practicar a les següents adreces web: www.alonsoformula.com/inorganica http://www.xtec.cat/~cfuente3/

Nitrat de sodi

l'ió nitrat té una càrrega negativa

NO3-

l'ió sodi té una càrrega positiva

Na+

NO3Na

Nitrat de ferro (III)

l'ió nitrat té una càrrega negativa

NO3-

l'ió ferro (III) té tres càrregues positives

Fe3+

Falten tres ions nitrat per compensar les càrregues positives de l'iò ferro (III)

NO3- NO3

- NO3-

Fe (NO3)3



RMT 1.8 Síntesi - Conceptes. Què he après? En aquesta activitat trobareu una llista amb els punts fonamentals que convé que tingueu recollits en els vostres apunts i unes qüestions per comprovar els vostres coneixements de química. Al final també hi trobareu recollides diferents maneres d’expressar la concentració de les solucions i alguns exercicis per comprovar que sou capaços de realitzar aquests càlculs. Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades aquests conceptes i aquests procediments en estudiar unitats posteriors.

1. Estructura del sòlid iònic. 2. Formulació dels compostos iònics. 3. Procés de dissolució d‟un sòlid iònic. 4. Solubilitat i la seva variació amb la temperatura. 5. Diferents formes d‟expressar la composició d‟una solució: concentració en massa,

concentració en quantitat de substància o concentració molar 6. Preparació de solucions

Alguns conceptes a recordar

Propietats de les substàncies iòniques

Tenen punts de fusió i ebullició elevats Són dures i fràgils (es trenquen fàcilment) No condueixen el corrent elèctric en estat sòlid, però si quan es fonen o es dissolen. Són solubles en aigua. Són sòlides a temperatura ordinària.

Percentatge en massa i en volum

solucions aquoses

un dissolvent

(l'aigua)

els soluts

(que poden ser sòlids, líquids o gasos)

solut d'estructura iònica

Ex: KCl, MgSO4, KNO3

ELECTRÒLIT iònic

ions en solució

(solució conductora)

solut d'estructura molecular

Ex: glucosa(s), NH3(g), H2SO4(l)

queda en forma de molècules

Ex: glucosa

es dissocia en ions

Ex: H2SO4(l), HCl(g)

ELECTRÒLIT molecular

ions en solució

(solució conductora)



En l‟activitat RMT 1.1 es mostren dades de concentració de l‟aigua de mar expressades en concentració en massa (g·L -1). La concentració total de sals dissoltes en el mar, o salinitat, sol expressar-se en percentatge en massa, i en la taula 1 es presenten aquestes dades, en concret expressades en tant per mil, que és una manera molt freqüent d‟expressar la concentració de les

aigües de mar. El percentatge en massa d‟un component d‟una solució (o d‟una mescla qualsevol) és igual al

quocient entre la massa del component i la massa total de la mescla. El resultat es multiplica per cent i s‟obté el % en massa. Ocasionalment es pot multiplicar per 1000 i s‟obté el ‰. Per exemple el percentatge en massa del component A d‟una mescla és:

Taula 1. Salinitat de diferents mars expressada en tant per mil L‟aigua de mar també conté petites quantitats de gasos dissolts. Els més abundants són el

nitrogen i l‟oxigen, seguits del diòxid de carboni i d‟alguns gasos nobles (argó i neó). Per aquests soluts la concentració es pot expressar en percentatge en volum. El percentatge en volum d‟un component d‟una solució (o d‟una mescla qualsevol) és igual al

quocient entre el volum que ocupa el component i el volum total de la mescla. El resultat es multiplica per cent. Per exemple el percentatge en volum del component A d‟una mescla és:

En les mescles de líquids també és habitual expressar la composició en percentatge en volum (figura 4).

Si el volum del component és molt petit comparat amb el volum de la mescla, la concentració s‟expressa en ppm o “parts per milió”. Així, en la composició de l‟aire la concentració del gas

CO2 actual és d‟unes 400 ppm, que equival a 0,04 % en volum.

Concentració en quantitat de substància o concentració molar d’un solut

La concentració molar d‟un solut en un determinat volum de solució, és igual al quocient entre

la quantitat de solut dissolta i el volum de la solució. S‟expressa en mol/L o mol·dm -3 o mol·L -1 i en algunes ocasions en mol·m -3

mar Mort

mar Roig

mar Mediterrani

oceà Atlàntic

oceà Pacífic

mar Bàltic

Salinitat (‰) 330 40 38 36 36 6

Figura 4. Etiqueta d’un vi que conté 14,5% en volum d’etanol

soluciódelitres

solutdelmols

Vnc



Recordeu que També s‟anomena “Molaritat” a aquesta concentració. Exemple: Una solució aquosa de sacarosa, C12H22O11, conté 6,00 g d‟aquest solut en un volum

de 50 mL. Quina és la concentració d‟aquesta solució? Solució: La massa molar de la sacarosa és de 342 g.mol-1 El nombre de mols de solut presents en la solució és :

La concentració és : Què significa la concentració molar d’un solut? Tres flascons tenen les etiquetes següents: Què significa aquesta informació? En preparar cada una d‟aquestes solucions hem agafat una determinada quantitat de solut i l‟hem dissolt fins a un cert volum, de tal manera que per a cada litre de solució hi trobem el nombre de mols de solut que ens indica el valor de la concentració.

Observeu que la concentració d‟una solució és una magnitud que no depèn del volum de solució

que considerem. A aquestes magnituds se les anomena magnituds intensives.

Cada una de les solucions conté en primer lloc, i en abundància, molècules d‟aigua i després els

corresponents anions i cations.

Per cada una de les solucions que hem preparat a partir del solut sòlid podríem escriure l‟equació de dissociació iònica: CuCl2(s) → Cu

2+(aq) + 2Cl-(aq) NaNO3(s) → Na

+(aq) + 2NO3-(aq)

NaOH(s) → Na+(aq) + OH-(aq)

La concentració de cada un dels ions presents en les solucions és: A partir d‟ara, les concentracions dels ions les podem escriure amb la notació següent: 0,10 mol·L -1 de Cu2+ l‟escriurem… Cu2+ = 0,10 0,50 mol·L -1 de NO3

- l‟escriurem… NO3- = 0,50

OBSERVEU que no podem escriure CuCl2 ni NaNO3 perquè no són substàncies moleculars, per tant no hi ha molècules de CuCl2 ni de NaNO3. En canvi és correcte escriure

molmolg

gn 0175,0

.342

00,61

molarmassa

gramsenmassa

M

mn

3.359,0050,0

0175,0 dmmolc

Clorur de coure (II) CuCl2

0,10 mol·L-1

Nitrat de sodi NaNO3

0,50 mol·L-1

Hidròxid de sodi NaOH

1,0 mol·L-1

Clorur de coure (II) H2O

Cu2+ 2 Cl-

Nitrat de sodi H2O

Na+ NO3-

Hidròxid de sodi H2O

Na+ OH-

Solució de clorur de coure (II) 0,10 mol·L-1 de Cu2+ 0,20 mol·L-1 de Cl-

Solució de nitrat de sodi 0,50 mol·L-1 de Na+

0,50 mol·L-1 de NO3 -

Solució d‟hidròxid de sodi 1,0 mol·L-1 de Na+

1,0 mol·L-1 de OH-



C12H22O11 = 0,359 perquè la sacarosa és una substància molecular. Exemple: Es prepara una solució dissolvent 10,0 g de clorur de ferro (III) fins un volum de 250 mL.

a) Quina és la concentració de la solució? b) Quina és la concentració dels ions ferro (III) i dels ions clorur?

Solució: La massa molar del solut FeCl3 és 162,3 g·mol-1

a) El nombre de mols de solut presents en la solució és :

La concentració és: b) El clorur de ferro (III) en solució, conté els ions: FeCl3(s) → Fe

3+ (aq) + 3 Cl-(aq) Les concentracions de cada ió són: Fe3+(aq) = 0,246; Cl-(aq) = 3·0,246 = 0,738

Recordeu també la concentració en massa, una altra manera d‟expressar la concentració de les solucions:

Concentració en massa d’un solut

La concentració en massa d‟un solut en un determinat volum de solució, és igual al quocient

entre la massa de solut dissolta i el volum de la solució. Les unitats de la concentració en massa depenen de les unitats en què expressem la massa i el volum:

cm unitat de massa

unitat de volum

Exemple: Es prepara una solució de clorur de coure (II) dissolent 6,00 g de solut fins un volum de 100 mL de solució. Quina és la concentració en massa del clorur de coure (II)? Solució:

c6,0g

100mL 0,060g mL1 60 g L1

No s‟ha de confondre la concentració en massa d‟un solut amb la densitat d‟una substància o

d‟una solució, encara que en aparença les unitats són les mateixes, no indiquen el mateix

solució de volum

solut de massa ióconcentrac és diferent de

solució) (de volum

solució) (de massa densitat

Com podeu veure la diferència està en que la concentració en massa ens indica una quantitat de solut per unitat total de solució, mentre que la densitat, una propietat característica d‟una

substància ens indica quanta massa de la substància hi ha continguda en un determinat volum d‟aquesta substància.

molmolg

gn 0616,0

.3,162

0,101

3.246,0250,0

0616,0 dmmolc



Exercicis

1. En la taula següent s‟indiquen les solubilitats del clorur de potassi en aigua a diferents

temperatures:

Temperatura / ºC Solubilitat

(g de KCl en 100 g d‟aigua)

20 32

30 35

40 38

50 41

60 45

a. Dibuixeu la corba de solubilitat d‟aquesta sal.

b. Es poden dissoldre 100 g de KCl en 250 g d‟aigua a 30 ºC? I a 60 ºC? Justifiqueu

la resposta.

c. En 250 g d‟aigua, a 50 ºC, dissolem la quantitat de KCl necessària per saturar la

solució. A continuació es deixa refredar la solució fins a 20 ºC. Calculeu la quantitat de solut que precipitarà.

Resp: b) A 30 ºC no.; c) A 60 ºC sí.

2. Una solució conté 40 g de nitrat de potassi i 75 g de clorur de sodi dissolts en 750 g d‟aigua. Calculeu el tant per cent en massa de cada solut en la solució. Resp: 4,62 % en massa KNO3, 8,67 % en massa NaCl.

3. Les begudes alcohòliques indiquen la concentració en volum en “graus” (10 % en

volum d‟alcohol = 10 graus). Calculeu el volum d‟alcohol que conté una botella de 750

mL d‟una beguda alcohòlica de 40º. Resp: 300 mL d‟alcohol.

4. L‟aigua d‟un cert mar conté com a mitjana 18,5 g d‟ions clorur (Cl-) per cada litre

d‟aigua de mar. Calculeu:

a. El nombre d‟ions clorur dissolts en 1 L d‟aigua de mar.

b. La concentració molar d‟ions clorur. Resp: a) 3,1·1025 ions Cl-; b) 0,52 mol · L -1

5. El sèrum sanguini humà conté 3,5 g·dm -3 de ions sodi, Na+ . Calculeu la concentració molar d‟ions sodi del sèrum sanguini. Resp: 0,15 mol·dm -3

6. Calculeu la massa de clorur de sodi dissolta en 250 mL d‟una solució 2 M de clorur de

sodi. Resp: 29,25 g NaCl.

7. Calculeu la concentració molar d‟una solució de clorur de sodi en aigua al 20 % en

massa si la seva densitat és de 1,022 kg·dm-3. Resp: 3,49 mol·dm -3

8. Una solució conté 12 g de clorur de sodi en 95 g d‟aigua. Calculeu la concentració

molar de la solució. Dada: densitat de la solució = 1,020 kg·dm -3.

Resp: 1,95 mol ·dm -3



9. Quants mols de solut contenen cadascuna de les solucions següents?

a. 1 dm3 de solució KCl de concentració 0,5 mol·dm -3 b. 250 cm3 de solució H2SO4 de concentració 0,2 mol·dm -3 c. 50 mL de solució NaI de concentració 0,04 mol·dm -3 d. 5 L de solució de carbonat de sodi de concentració 0,1 mol·dm -3 Resp: a) 0,5 mol KCl; b) 0,05 mol H2SO4 ; c) 2·10 -3 mol NaI; d) 0,5 mol Na2CO3

10. Quina és la concentració en mol·dm -3 de les solucions, la composició de les quals és:

a. 2 mol KOH en 1 dm3 b. 0,5 mol HCl en 500 cm3 c. 10 g NaOH en 1 L d. 100 g CaBr2 en 100 mL

Resp: a) 2 mol·dm -3 b) 1 mol·dm -3 c) 0,25 mol·dm -3 d) 0,5 mol·dm -3

11. Per muntar un aquari d‟aigua salada, en lloc d‟anar a buscar aigua del mar podem

preparar la nostra pròpia aigua marina. Per fer un litre d‟aigua de mar necessitem:

Clorur de sodi 24,0 g

Clorur de magnesi 5,0 g

Sulfat de sodi 4,0 g

Clorur de calci 1,1 g

Clorur de potassi 0,7 g

Hidrogencarbonat de sodi 0,2 g

a. Quina és la concentració en ions sodi ?

b. Quina és la concentració en ions clorur?

c. Quants grams d‟ ions sodi i quants grams d‟ ions clorur hi ha en un litre d‟aigua

així preparada? Podeu comparar els valors que obteniu amb els que trobeu a RMT 1.1

d. En el manteniment de l‟aquari, es recomana molt especialment quan s‟observa

que el nivell de l‟aigua disminueix perquè s‟evapora, que cal afegir aigua destil·lada

i mai afegir més solució com la que s‟ha preparat. Pots explicar perquè? Resp: a) 0,45 mol ·dm -3 ; 0,53; c) 10,35 g Na+, 10,65 g Cl-; c) Solament s‟evapora

l‟aigua (dissolvent), no el solut. 12. En un matràs aforat de 250 mL s‟han dissolt 17,0 g de sulfat d‟alumini, Al2(SO4)3

a.Quina és la concentració molar de la solució?

b.Quines són les concentracions de cada un dels ions que formen aquesta solució? Resp: a) 0,2 mol ·dm -3; b) 0,6 mol ·dm -3

13. Una solució d‟1 litre conté 20 mL d‟etanol. L‟etanol és l‟alcohol que contenen les begudes com el vi i els licors, és un líquid de densitat 0,79 g·cm-3. Quina és la concentració d‟aquesta solució? Resp: 0,346 mol ·dm -3



RTM2

pàg.

Usos de la sal

Sal a les carreters. La conservació dels aliments. Els anticongelants. Els gelats. Les mescles frigorífiques.

Propietats col·ligatives: augment ebullioscòpic, descens crioscòpic, osmosi. Congelació de les mescles. Diferències entre mescles i substàncies pures.

RMT 2.1

(CC)

48 Què tenen en comú? Usos de la sal. Descens crioscòpic.

La sal com a conservant d’aliments.

RMT 2.2

(TP)

52 L’aigua destil·lada i l’aigua del mar, bullen a la mateixa temperatura?

Augment ebullioscòpic

RMT 2.3

(TP)

54 Com prepararíeu un glaçó salat? Solidificació mescles

RMT 2.4

(TP)

55 Fem gelats Descens crioscòpic. Mescles frigorífiques.

Concentració solucions.

RMT 2.5

(TP)

59 Síntesi-Conceptes. Què he après?



RMT 2.1 Què tenen en comú? pàg. 48

RMT 2.2 L‟aigua destil·lada i l‟aigua del mar bullen a la mateixa temperatura? pàg. 52



RMT 2.3 Com prepararíeu un glaçó salat? pàg. 54

RMT 2.4 Fem gelat pàg.55



RMT 2.5 Síntesi-Conceptes. Què he après? pàg.59



RMT 2.1 Què tenen en comú?

A continuació teniu tres fotografies on es presenta una situació real.

Feu 3 grups, cada grup descriu una fotografia i discuteix la resposta a la pregunta proposada.

Foto 1. Andorra la Vella, 20 de gener de 2012, -4ºC.

Per què tiren sal a les carreteres?

Foto 2. L’Antàrtida, 20 de gener de 2012, -10ºC.

Per què no es congela l‟aigua del mar?



Foto 3. Badajoz, 20 de gener de 2012, 15ºC. (http://img.mujeresconestilo.com/wp-content/uploads/2011/06/jamón-ibérico-de-bellota-2.jpg)

Per què no es podreix la carn del pernil?

A continuació cada grup comentarà la seva foto a la resta (descripció general, pregunta i possible resposta). Penseu en el vostres coneixements de química. Quina relació creieu que hi ha entre les quatre situacions, a part de la data?



En química, s'anomenen propietats col·ligatives a les propietats d'una solució que depenen de la proporció de molècules o partícules de solut dissoltes, i no de la naturalesa o tipus de solut. Hi ha propietats de les solucions que són notablement diferents entre sí i de les del dissolvent, com ara densitat, viscositat, tensió superficial, conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica, índex de refracció, etc. En aquest cas, la magnitud observada depèn de la naturalesa del solut. D'altres propietats no tenen una dependència important respecte de la naturalesa del solut, són molt semblants entre sí i a les del dissolvent, són les propietats col·ligatives. Aquestes propietats són quatre:

Descens de la pressió de vapor

Descens crioscòpic

Augment ebullioscòpic

Pressió osmòtica

El químic francès François Marie Raoult estudià les propietats col·ligatives de les solucions amb diversos dissolvents, com aigua, benzè i àcid acètic, i publicà els seus resultats el 1882 i el 1887. En el primer treball va estudiar el descens crioscòpic i en el segon explicà el descens de la pressió de vapor de les solucions i l'augment ebullioscòpic. Amb aquestes investigacions, Raoult posà a l'abast dels químics dos nous mètodes analítics de determinació de masses moleculars de substàncies dissoltes, per descens crioscòpic i per augment ebullioscòpic.

La temperatura a la qual congela una solució disminueix respecte a la temperatura de congelació de l‟aigua pura proporcionalment a la quantitat de solut dissolta (de fet, és

proporcional a la concentració en mol de solut per quilo de dissolvent). Aquesta propietat s‟anomena “descens crioscòpic”. Per tant, si l‟aigua que pot cobrir el ferm de

la carretera, congela a 0ºC, en afegir sal es formarà una solució, de tal manera que per congelar-se i formar una capa de gel a la carretera, haurà de fer més fred.

Per justificar aquest descens crioscòpic s‟ha de tenir en compte les forces

intermoleculars entre les molècules d‟aigua i els ions dels soluts. Els líquids estan

formats per partícules en un estat de desordre relatiu i en moviment constant i els sòlids, en canvi, són un estat més ordenat. La disminució de moviment, és a dir, d‟energia

cinètica, afecta a les molècules de solut i a la creació d‟un ordre on intervenen també les

partícules que formen el solut. Per tant cal “extreure” més energia del sistema per

congelar-se.

És un fet molt interessant que els soluts moleculars com la sacarosa, la glicerina... etc, rebaixen la temperatura de congelació de l‟aigua en 1,86ºC per cada mol de solut dissolt en un quilo d‟aigua. En canvi els soluts iònics com NaCl o KCl produeixen un descens

crioscòpic doble. Durant mols anys això va quedar com un fet inexplicable fins que es va caure en el detall que aquests soluts, en dissoldre‟s en aigua, per cada mol de solut, apareixen dos mols d‟ions:

NaCl (s) Na+(aq) + Cl-(aq)

1 mol de solut dos mol d‟ions en solució

Aquest fet junt amb la conductivitat de les solucions dels electròlits va portar al químic suec Svante Arrhenius a establir la teoria iònica de les solucions.

La magnitud de l'ascens ebullioscòpic, ∆Tc, ve donada per la diferència de temperatures de congelació (de fusió) del dissolvent pur i de la solució, Tf

* i Tf, respectivament:

∆Tc = Tf* – Tf

Figura 1. Francois Marie Raoult, Químic francès (Fournes,1830 – Grenoble, 1901)



Raoult, com hem comentat, arribà de forma experimental a la següent relació pel cas del descens crioscòpic de solucions diluïdes amb soluts que no es dissocien (no electròlits), que s'anomena llei de Raoult de descens crioscòpic.

∆Tc = kf · m on:

ΔTc és la diferència entre la temperatura de fusió del dissolvent pur i la temperatura de fusió de la solució.

kf és la constant crioscòpica, una constant que és característica del dissolvent.

m és la molalitat del solut, és a dir els mols de solut per quilogram de dissolvent. La concentració s'expressa en molalitat perquè és més pràctic a l'hora de realitzar mesures, encara que per a ser precisos s'hauria d'expressar en funció de la fracció molar com ho demostrà Raoult.

A la figura adjunta es representa el descens crioscòpic experimentat per una solució aquosa d'etanol en funció de la molalitat on s'observa la corba experimental en vermell i la recta que surt aplicant l'equació de Raoult (en blau) i que, pel cas de l'etanol, és vàlida fins a concentracions de 3 molal, aproximadament.

Quan una solució es posa en contacte amb el dissolvent pur a través d'una membrana semipermeable que deixa passar les molècules de dissolvent però no les de solut, les molècules de dissolvent que es troben en major concentració en el dissolvent pur, es difonen cap a la solució, on la seva concentració és més petita. Es pot arribar a una situació d'equilibri contrarestant aquesta tendència mitjançant l'aplicació d'una certa força sobre la solució, augmentant la pressió (aplicació de força en una determinada àrea), el que es coneix com pressió osmòtica de la solució i es representa amb la lletra grega π. Més endavant en farem un estudi qualitatiu d‟aquesta propietat.

Figura 3. Descens crioscòpic d'una solució aquosa d'etanol.

Figura 2. Representació de la pressió osmòtica.



RMT 2.2 L’aigua destil·lada i l’aigua del mar, bullen a la mateixa temperatura?

Penseu en la pregunta del títol i realitzeu una recerca per a trobar-ne la resposta. Podeu seguir les següents indicacions:

1) Plantegeu una hipòtesi raonada. No passa res si no l‟encerteu al final.

2) Dissenyeu un procediment experimental que comprovi la vostra hipòtesi: material, productes químics, seqüència de passos, muntatges, etc

3) Un cop realitzat l‟experiment, anoteu els resultats i comproveu si era vàlida la vostra hipòtesi. Redacteu-ho en forma de conclusió.

Ara cal explicar aquest resultat experimental fent servir un teoria i/o o un model teòric. En aquest cas farem servir la teoria cinèticomolecular aplicada a les solucions. La següent imatge ens ha de servir:

Figura 4. Representació de la dissolució del NaCl en aigua.

Redacteu un text que expliqui el resultat experimental fent servir el model teòric que representa el dibuix. Podeu fer servir les següents preguntes com a guia:

1) Què ens aporta la teoria cinèticomolecular en el cas de les solucions?

2) Què els passa a les partícules de l‟aigua destil·lada quan bull?

3) Com estan els ions en solució?

4) Quines interaccions hi ha?

S‟anomena augment o ascens ebullioscòpic a l'augment de la temperatura d'ebullició que experimenta una solució respecte de la temperatura d'ebullició del dissolvent pur.



La magnitud de l'ascens ebullioscòpic, ∆Tb, ve donada per la diferència de temperatures d'ebullició de la solució i del dissolvent pur, Tb i Tb

*, respectivament:

∆Tb = Tb - Tb*

L'augment o ascens ebullioscòpic és una de les propietats col·ligatives i, com la resta d'aquestes propietats, la magnitud de l'ascens només depèn de la naturalesa del dissolvent i de la quantitat dissolta de solut, és a dir, és independent de la naturalesa del solut. Dit en altres paraules, qualsevol solut, en la mateixa quantitat, produeix el mateix efecte. A la figura adjunta es representa el diagrama de fases de l'aigua. Una solució aquosa experimenta un descens de la pressió de vapor del líquid, la qual cosa es tradueix en un ascens de la temperatura d'ebullició ja que es necessita més temperatura perquè la pressió de vapor del dissolvent a la solució iguali la pressió atmosfèrica.

Raoult de forma experimental arribà a la següent relació pel cas de l'ascens ebullioscòpic de solucions diluïdes amb soluts que no es dissocien (no electròlits), que s'anomena llei de Raoult de l'augment ebullioscòpic.

∆Tb = kb · m on:

ΔTb és la diferència entre la temperatura d'ebullició de la solució i la temperatura d'ebullició del dissolvent pur .

kb és la constant ebullioscòpica, una constant que és característica del dissolvent.

m és la molalitat del solut, és a dir els mols de solut per quilogram de dissolvent. La concentració s'expressa en molalitat perquè és més pràctic a l'hora de realitzar mesures, encara que per a ser precisos s'hauria d'expressar en funció de la fracció molar com ho demostrà Raoult.

A la figura adjunta hi ha representats els augments ebullioscòpics de solucions de glucosa en aigua fins a 6 molal. S'observa que fins a una concentració 2 molal l'equació de Raoult concorda amb les dades experimentals, però s'allunya per a concentracions superiors.

Figura 5. Diagrama de fases de l'aigua amb el descens de la pressió de vapor i el descens crioscòpic.

Figura 6.Gràfic de l'ascens ebullioscòpic de dissolucions de D-glucosa.



RMT 2.3. Com prepararíeu un glaçó salat?

Expliqueu com preparar glaçons amb gust salat a casa vostra.

- Material necessari

- Productes químics

- Procediment experimental

Realitzeu l‟experiment al vostre congelador.

A continuació us proposem que:

1) Tasteu el gust dels glaçons per la part de dalt (podeu passar-hi el dit i portar-lo a la boca) ? Estan salats?

2) Examineu un glaçó per tots els costats. Què observeu?

3) Expliqueu què ha passat durant la solidificació.

Podeu ampliar la informació consultant la següent adreça: http://www.angel.qui.ub.es/mans/Documents/Textos/glacons410-NPQ.pdf

http://www.angel.qui.ub.es/mans/Documents/Textos/glacons410-NPQ.pdf



RMT 2.4 Fem gelats

Anys enrere es feien gelats quan encara no hi havia ni neveres ni congeladors a les cases...

Tot i que sovint s‟utilitza el terme gelat de manera

genèrica, no és exactament el mateix la crema de gelat, els sorbets, o els anomenats “polo”. Els gelats “crema de

gelat” estan fets amb preparats que contenen llet, sovint

enriquida amb crema de llet, a la s‟acostuma a afegir ou,

sucre i algun aromatitzant (o suc de fruita). El sorbet no conté pràcticament matèria grassa ni proteica i conté majoritàriament un suc de fruita i sucre. Els “polos”

contenen els mateixos ingredients que els sorbets però tenen major consistència per tal que es sostinguin enganxats en un pal.

Us proposem fer un “polo de taronja” per ajudar-vos a aprendre propietats de les mescles i el seu punt de congelació.

Com podríeu fer un “polo de taronja” sense utilitzar congelador?

En la preparació d‟un gelat intervenen, al menys, dos sistemes físics: el sistema per

refredar i la mescla que es vol transformar en gelat. El fet que el que volem gelar no sigui només aigua, modificarà la temperatura de congelació? Per què?

En concret, discutiu en petit grup amb què refredaríeu la barreja de suc de taronja i sucre per poder aconseguir que solidifiqui. Raoneu la vostra proposta i anoteu-la abans de fer una posada en comú amb la resta de grups i el/la professor/a.

Ens interessa investigar les temperatures que s‟assoleixen dins el sistema que emprem

per refredar i dins la mescla que volem transformar en gelat, per aquest motiu no ens limitarem només a fer el gelat sinó a mesurar les temperatures per fer-ne un seguiment.

Aquest seguiment el podeu fer amb termòmetres d‟alcohol de baixa temperatura, però

en el cas que el professor/a us ho indiqui, podeu utilitzar un sistema de captació de dades emprant sensors de baixa temperatura.

Farem servir la següent recepta per preparar el gelat (per a tota la classe):

Recepta del “polo de taronja”

Ingredients:

200 mL de suc de taronja envasat

100 mL d'aigua

65 g de sucre

Preparació de la mescla a gelar:

Mesureu els volums d‟aigua i de suc de

taronja i la massa del sucre. En un recipient de 500 mL introduïu l‟aigua i afegiu de mica en mica el sucre i agiteu amb una vareta. Aboqueu el suc de taronja sobre la solució d‟aigua i sucre i continueu agitant.



Utilitzant la mateixa solució a gelar, investigarem possibles diferències en la temperatura i el temps quan s‟utilitzen diferents sistemes per refredar. Cada grup

compararà dos sistemes frigorífics diferents (p.ex gel i una mescla de gel i sal) i entre tota la classe obtindreu dades de la utilització de diversos sistemes frigorífics.

Disposeu del següent material:

Gradeta, tubs d‟assaig, termòmetres de baixa temperatura, cronòmetres, recipient per a

contenir el sistema de refredament, pals de gelat, gel, sal, mescla a gelar.

Com preparareu els sistemes frigorífics? Quines variables haureu de controlar?

Cada grup ha d‟enregistrar dades de temperatura i de temps en dos experiments

utilitzant dos sistemes frigorífics diferents. En l‟experiment on espereu temperatures

més baixes del sistema frigorífic podeu posar alguns tubs d‟assaigs en els quals

s‟introdueixi un pal de gelat en lloc del termòmetre per poder preparar “polos” de

taronja que podreu menjar.

Anoteu en una taula les temperatures del sistema frigorífic i de la mescla a gelar fent mesures a diferents intervals de temps.

Quin sistema frigorífic ha funcionat millor? Per què?

Què entenem per mescla frigorífica?

Amb quina mescla s‟ha obtingut la temperatura més baixa?

Busqueu informació sobre les mescles frigorífiques i quina és la composició òptima de la mescla frigorífica de gel amb sal?

Expliqueu en base al model de la teoria atòmico-molecular de la matèria:

a) La diferència entre el punt de congelació de l‟aigua i la mescla frigorífica d‟aigua

amb sal.

b) Com influiria la composició de la mescla a gelar en el punt de congelació de les substàncies i de les mescles?



Per fer a casa: Fabriqueu el vostre gelat sense congelador!

Necessiteu: - dues bosses de plàstic que tanquin hermèticament, com les usades per guardar congelats (anomenades zidar), una gran d‟uns 27x28 cm; l‟altre més petita, d‟uns 18x20

cm - gel picat (0,5 kg aproximadament) i sal de cuina (uns 250 g)

- ingredients per fer el gelat: ½ tassa de llet( 60 g); ½ tassa de nata (40 g) ; ¼ de tassa de sucre (30 g) i ¼ de tassa de fruita perfectament triturada (30 g)

Procediment Feu sevir únicament bosses noves per posar-hi els ingredients. Poseu dins la bossa de plàstic petita els ingredients per fer el gelat. Tanqueu la bossa i remeneu. Ompliu la bossa gran amb el gel picat i la sal de cuina. Poseu la bossa petita dins la gran. Tanqueu la bossa gran. Aneu en compte en tocar la bossa amb la mescla crioscòpica, la temperatura és d‟uns 20ºC sota zero. Convé embolicar-la amb un drap de cuina.

Cada 3 o 4 minuts aproximadament, sacsegeu les bosses suaument. Aneu en compte amb la temperatura tan baixa..

Repetiu la sacsejada cada 3 o 4 minuts durant uns 20 minuts. Comprovareu com la mescla d‟ingredients agafa consistència.

Un cop fet el gelat podeu afegir, trossets de xocolata, ametlles picades, melmelada de maduixa...

Observacions Es poden utilitzar glaçons del congelador de casa, es trituren una mica (si no teniu trituradora, s‟emboliquen amb un drap de cuina net i es colpegen contra una taula).

La temperatura inicial del glaçons (entre -18ºC i -20ºC, segons el congelador on es trobin) baixarà a uns -25ºC en barrejar-hi la sal, per això cal evitar posar els dits en contacte directe amb la mescla frigorífica.

Uns 30 minuts més tard, (en un dia d‟estiu amb temperatura ambient de 28ºC), la

mescla estava a -11º C i el gelat mantenia la seva consistència durant uns 10 minuts, a una temperatura entre -7ºC i -5ºC.

Abans d‟obrir la bossa petita amb el gelat, elimineu la sal que hi queda adherida per fora.

Ingredients:

½ tassa de llet ½ tassa de nata

¼ tassa de sucre

¼ de tassa de fruita triturada (plàtan)



La bossa amb el gel picat i la sal El gelat ja està fet !

i servit ! - Com explicaríeu a la vostra família les raons per les quals s‟ha d‟utilitzar una mescla

frigorífica de gel i sal per poder obtenir el gelat?



RMT 2.5 Síntesi - Conceptes. Què he aprés?

En aquest apartat hem caracteritzat dues propietats col·ligatives de les solucions i la seva interpretació mitjançant el model cinèticocorpuscular, el “descens crioscòpic” i

l‟“augment ebulloscòpic”. A continuació teniu uns exercicis per consolidar les idees treballades.


1. Si s‟afegeix sal a l‟aigua destil·lada s‟impedeix que encara que la temperatura

baixi uns quants graus sota zero, no hi hagi congelació, per cada 58,5 g de Na Cl dissolts en 1 litre d‟aigua, la temperatura de congelació disminueix en 3,7ºC.

Calculeu quina serà la temperatura de congelació de 20 litres d‟aigua quan

s‟afegeixin 2 kg de sal. Resp: - 6,3 ºC

2. Un anticongelant és una substància que s‟afegeix a un líquid per rebaixar-li el punt de congelació, aprofitant el fenomen del descens crioscòpic. Els anticongelants més emprats són alguns alcohols (metanol, etanol, glicerol, propilenglicol) i el clorur de calci. L'ús més estès dels anticongelants és per a evitar la congelació de l'aigua en circuits exposats a baixes temperatures. Així l'anticongelant més emprat és l'etilenglicol, però és tòxic, per la qual cosa només s'empra en circuits de refredament dels motors de combustió interna exposats a baixes temperatures. En canvi el propilenglicol no és tòxic i s'empra en el sistemes d'obtenció d'aigua calenta domèstica, com ara els panells solars, i no hi ha perill si es produeixen fuites que passin a l'aigua calenta sanitària.

Expliqueu a partir de les forces intermoleculars a que és degut el descens crioscòpic de l‟aigua en l‟utilitzar un anticongelant.

Figura 1. Panells solars per a producció d'aigua calenta. Incorporen propilenglicol en el circuit primari per evitar la congelació.

3. Expliqueu com pot ser que els soluts moleculars com la sacarosa, la glicerina... etc, rebaixin la temperatura de congelació de l‟aigua en 1,86ºC per cada mol de

solut dissolt en un quilo d‟aigua, i en canvi els soluts iònics com NaCl o KCl

produeixen un descens crioscòpic doble.



RMT3

pàg.

Aigua de mar per beure

La sequera. L’accés a l’aigua potable. Les dessaladores i el seu funcionament. La qualitat de l’aigua dessalinitzada. Filtres per a tractaments de l’aigua, bescanvi iònic.

L’osmosi en la conservació dels aliments

Concentració de les solucions. L’osmosi i l’osmosi inversa. Sals solubles i insolubles en aigua. Reaccions de precipitació.

RMT 3.1

(CC)

65 L’aigua un compost controvertit

Valoració de l’aigua com a recurs.

RMT3.2

(TIC)

70 Quins processos tenen lloc a les plantes dessaladores?

Valoració de l’accés a l’aigua potable.

Processos físico-químics de tractament de les aigües. Filtres membranes, osmosi inversa.

RMT3.3

(TIC)

72 L’osmosi i l’osmosi inversa Osmosi i osmosi inversa.

RMT3.4

(CC)

75 La qualitat de l’aigua dessalinitzada

Càlculs de concentració solucions.

RMT3.5

(CC)

78 Aigües dures i aigües blanes

Filtres d’aigua per a tractament casolà

Sal al rentavaixelles

Bescanvi iònic.

Precipitació. Sals solubles i sals insolubles.

RMT3.6

(TE)

82 Sals solubles i insolubles. Es forma precipitat

Solubilitat de les sals.

Inici a les reaccions de precipitació.

RMT3.7

(TE)

86 Migració dels ions

Ions en solució. Desplaçament en un camp elèctric.

RMT3.8 88 Síntesi-Conceptes. Què he après?



RMT 3.1 Aprofitant l‟aigua del mar: les plantes dessalinitzadores pàg. 65

RMT 3.2 Quins processos tenen lloc a les dessalinitzadores? pàg. 70



RMT 3.3 L‟osmosi i l‟osmosi inversa pàg. 72

RMT 3.4 La qualitat de l‟aigua dessalinitzada pàg. 75



RMT 3.5 Aigües dures i aigües blanes pàg. 78

RMT 3.6 Sals solubles i insolubles. Es forma precipitat? pàg. 82



RMT 3.7 Sals solubles i insolubles. Es forma precipitat? pàg. 86

RMT 3.8 Síntesi-Conceptes. Què he après? pàg. 88



RMT 3.1 Aprofitant l’aigua de mar: Les plantes dessalinitzadores L‟objectiu d‟aquesta activitat és aprendre a interpretar les informacions perquè us ajudin

a formar una opinió basada en dades i criteri científic, per participar i millorar la qualitat dels debats. El text següent extret de La Vanguardia (20-21 de març de 2008, pàgines 18 i 19), és un dels molts articles que es van publicar a la premsa relacionats amb el tema de l‟aigua.

Fixeu-vos en el titular de la notícia. Quin problema es planteja ? Quina hipòtesi es proposa com a possible resposta ? Per analitzar en profunditat el text, el llegireu sota tres punts de vista diferents: 1.- Les sequeres, la producció d‟aliments i l‟energia i, com a conseqüència, l‟economia

mundial. 2.- L‟aigua i la salut 3.- La dessalinització com a solució Tasca a desenvolupar: - El text planteja fets, evidències comprovables i hipòtesis científiques sobre el tema que desenvolupa. Trobeu les que fan referència a l‟apartat que aneu a treballar i anoteu-les a la taula següent.

FETS EVIDÈNCIES HIPÒTESIS

- Amb l‟ajut de la taula anterior, recolliu les dades que us facin falta i construïu entre

tots un text, que desenvolupi des del problema plantejat fins els criteris a favor i en contra de la solució plantejada.

- Intenteu fer un llistat de quins coneixements de química veieu necessaris per portar endavant la solució que plantegeu en el vostre text.



LES SEQUERES AFECTARAN A LA PRODUCCIÓ D’ALIMENTS I ENERGIA I AL DESENVOLUPAMENT DE

L’ECONOMIA El problema va més enllà de les mesures per

estalviar aigua potable en un àrea concreta o d’un possible transvasament del Segre o del Roina o de

la sequera que desertitza una zona.

La falta d’aigua dolça és un problema de

dimensions globals, que s’agreujarà a mesura que

els països en desenvolupament adoptin els estils de

vida dels rics i que amenaçà amb limitar la producció d’aliments, la generació d’energia i el

desenvolupament econòmic a escala mundial.

Els experts de les Nacions Unides, demanen més

investigació per millorar l’explotació de l’aigua i

una millor gestió dels recursos hídrics. Segons

l’O.N.U a l’any 2025 més de la meitat dels països del mon patiran dèficit d’aigua i al 2050 les

persones afectades representaran el 75% de la

població mundial.

La primera víctima de la manca d’aigua potable és

la salut dels ciutadans, especialment els de països

pobres. La falta d’aigua potable causa un milió i mig de morts de nens i nenes a l’any o una cada 20

segons.

L’objectiu de les Nacions Unides aspira a reduir a la meitat la

població que no té accés a l’aigua potable en el període 1990-

2015

Actualment 1200 milions de persones ( 23% de la població

mundial ) no disposen d’aigua potable i 2600 milions no tenen un

sistema bàsic de gestió d’aigües fecals.

L’ONU preveu que 2100 milions de persones seguiran sense les

canalitzacions de l’aigua al 2015. A l’Àfrica l’objectiu no s’assolirà

fins l’any 2076

La segona víctima de la crisis serà la producció d’aliments. A

l’Índia més del 90% de l’aigua dolça serveix per regar.

Segons les previsions de l’ONU, l’Índia necessitarà a mitjans

del segle un 30% més de l’agua de la qual disposa en

l’actualitat.

Un kg de carn de vedella requereix 15.500 litres d’aigua, per

cultivar els vegetals que alimenten l’animal. Si afegim que el

canvi climàtic està portant la sequera a regions del planeta

amb gran densitat de població i està encongint glaceres que

alimenten rius com el Ganges a l’Índia o el riu groc a la Xina,

el dèficit d’aigua pot afectar zones que fins ara han tingut

excedents d’aigua.

Els especialistes en el tema demanen desenvolupar amb

urgència nous conreus resistents a la calor i a la sequera, ho

explica David Lobell investigador agrícola a la universitat de

Stanford als EEUU. Com que el desenvolupament d’un nou

conreu ens porta 15 anys hem d’actuar amb rapidesa.

Els científics alerten sobre l’impacte de la falta d’aigua en la

producció d’energia. A França l’estiu del 2003 va suposar una

pèrdua de producció d’energia nuclear del 15% al no poder

refrigerar els reactors i d’un 20% en la producció de la

hidroelèctrica. En el futur els investigadors preveuen que el

sector de l’energia entri en competència amb d’altres

sectors per l’ús dels recursos d’aigua limitats que

condicionaran el creixement econòmic. Els investigadors de

la Universitat d’Illinois i de l’Institut de tecnologia de

Massachusetts asseguren en un article de la revista Nature

que, “es poden desenvolupar nous mètodes de purificació de

l’aigua que siguin sostenibles,segurs i útils a tot el mon.”


Recursos del mar i de la terra 67 Química en context

EL FUTUR ESTÀ EN DESSALINITZAR: LES PLANTES DESSALINITZADORES SÓN L’OPCIÓ MENYS CONFLICTIVA. La instal·lació de sistemes de purificació d’aigua més potents, la reutilització de l’aigua de depuradora i la construcció de

dessalinitzadores són algunes tendències pel futur de la gestió de l’aigua.

A mesura que s’identifiquen nous

contaminants per l’aigua, fan falta nous

tipus de filtres per evitar els riscos

sanitaris. A més a més de l’arena i el

carbó actiu, s’utilitza el clor per matar

virus i bacteris. Nous tractaments que

combinen els efectes dels rajos

ultraviolats , el clor i de l’ozó i el clor,

milloren la desinfecció i dupliquen les

barreres als elements patògens.

Un altre objectiu és eliminar els

trihalometans.

Aquestes substàncies són perillosos

contaminants, derivats de la interacció

del clor amb l’aigua salina amb molta

matèria orgànica. El contingut en tri-

halometans a les aigües potables ha de

ser inferior a 100 µg/L.

A la planta potabilitzadora d’Abrera al

Llobregat, el cabdal se sotmet a un

tractament amb electricitat, al passar per

una pila ( electrodiàlisi reversible) per

separar les sals de l’aigua.

Un altre sistema és la reutilització. A la

planta depuradora del Prat, els cabdals

que arriben des de les cloaques són

regenerats i serveixen per inundar els

aiguamolls del delta del Llobregat.

Ja fa temps que a Califòrnia utilitzen

aquesta tècnica i de fet el seu ús en el

delta serveix també per fer pujar el nivell

de l’aigua subterrània e impedir que entri

la cunya d’aigua salina del mar.

El taló d’Aquiles de la dessalinització és el seu rendiment

energètic. Les plantes requereixen un gran consum energètic

perquè el cabdal d’aigua ha de passar a molta pressió ( 60

atmosferes) , per poder travessar les membranes

semipermeables que com a filtres - barrera retenen les sals.

Les primeres plantes als anys 70 del segle passat,

necessitaven 20kWh per cada metre cúbic. Ara en necessiten

entre 3 i 4 kWh/m3.

Abans es construïen sobretot en els països àrabs de clima

desèrtic i amb recursos energètics, però avui s’estén en el

Mediterrani. A Israel funciona la planta d’Ashkelon ( 100 hm3) , a

Austràlia la de Perth (45hm3) . Aquesta és l’opció del govern

català per solucionar els dèficits de la regió de BCN.



RMT 3.2. Quins processos tenen lloc a les dessalinitzadores? Idees generals Mireu el vídeo: http://aca-web.gencat.cat/aca/imatges/tordera360x288_cat.wmv. Després de veure el vídeo sobre la problemàtica de l‟aigua i les plantes

dessalinitzadores responeu les preguntes següents. a) Quines condicions calen perquè el subministrament d‟aigua potable estigui garantit? Expliqueu perquè “la dessalinització és una de les alternatives de producció d‟aigua no

convencional”. Quines previsions d‟utilització de dessalinitzadores hi ha a Catalunya? Quin tipus d‟aigua tracten i quin tipus d‟aigua s‟obté en les dessalinitzadores? b) Què és i què se‟n fa de l‟aigua de rebuig? Per a quina finalitat es podria utilitzar? Funcionament de la dessalinitzadora El vídeo explica el procés de dessalinització. Ara cal que identifiqueu i expliqueu cadascuna de les etapes. Trobareu informació detallada a les pàgines web següents: http://www.atll.com/site/unitFiles/404/dessaladora.pdf http://aca-web.gencat.cat/aca/documents/ca/sensibilitzacio/recursos_pedagogics/posters_quaderns_i_fulletons/poster_ITAM_tordera.pdf http://www.elmundo.es/elmundo/2005/graficos/may/s1/desaladora.html Utilitzeu aquesta representació de la planta dessalinitzadora de la conca del Llobregat per indicar en quin lloc de la planta es produeix cada etapa del procés. Completeu la informació amb una explicació de cada etapa de la dessalinització.

http://aca-web.gencat.cat/aca/imatges/tordera360x288_cat.wmv

http://www.atll.com/site/unitFiles/404/dessaladora.pdf

http://aca-web.gencat.cat/aca/documents/ca/sensibilitzacio/recursos_pedagogics/posters_quaderns_i_fulletons/poster_ITAM_tordera.pdf



http://www.elmundo.es/elmundo/2005/graficos/may/s1/desaladora.html



Etapa Procés Explicació

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10



RMT 3.3. L’osmosi i l’osmosi inversa Llegiu el text que teniu a continuació.

L'osmosi és un procés natural que consisteix a fer passar un líquid a través d'una membrana semipermeable que deixa passar una proporció superior de solvent que de sòlids dissolts.

Imaginem un recipient en què es troben dues solucions amb els mateixos constituents, formats per un solvent com l'aigua i un solut com la sal, de manera que la concentració de sal en la zona de la dreta és superior que la de la zona de l'esquerra.

Quan aquestes solucions es posen en contacte succeeix un fenomen anomenat difusió que fa igualar la concentració de les dues solucions. Això significa que la sal es difon des de la solució més concentrada fins a la solució més diluïda, mentre que l'aigua ho fa en sentit contrari.

Suposem ara que separem les dues solucions amb una membrana que només deixa passar l'aigua. L'aigua continuarà passant de la solució menys concentrada de sal fins a la més concentrada. D'aquesta manera es produeix un augment del nivell d'aigua, i aquest s'atura quan la pressió generada per l'augment del nivell contraresta la que fa que l'aigua travessi la membrana. Si la solució menys concentrada en realitat fos aigua pura, la diferència d'alçades seria el que anomenem la pressió osmòtica.

El procés d'osmosi inversa consisteix a invertir aquest procés. Si a la solució concentrada li apliquem una pressió superior a l'osmòtica, la difusió de l'aigua anirà en sentit contrari i la sal continuaria sense poder traspassar la membrana. D'aquesta manera, cada vegada, la solució concentrada es fa més concentrada i la menys concentrada es fa menys concentrada.

Aquest mateix procés bàsic és el que segueix qualsevol planta dessalinitzadora d'osmosi inversa.

En el procés industrial una bomba envia l'aigua salada cap a una membrana semipermeable mantenint una pressió constant. Una part de l'aigua travessa la membrana amb una quantitat petita de sals, i una altra part de l'aigua amb una quantitat de sals molt superior es rebutja.

L'aigua rebutjada surt del procés amb una pressió elevada i, per tant, amb un contingut energètic alt que es recupera amb una turbina.



Expliqueu què diferencia un procés d‟osmosi i un d‟osmosi inversa.

Elaboreu un mapa conceptual per als processos d‟osmosi i osmosi inversa.

Quines condicions tècniques requereix el procés d‟osmosi inversa?

Com són els dos productes obtinguts en el procés d‟osmosi inversa? Com s‟aprofiten?


1. En una planta hi ha hagut alguns problemes tècnics. Expliqueu quines serien les conseqüències si:

a. La bomba de pressió no funciona correctament i fa una pressió molt baixa. b. No s‟ha realitzat correctament la filtració de l‟aigua del mar.

2. Si barregéssiu amb sucre i una mica d‟aigua maduixes, o bé una patata o una

pastanaga, i ho deixéssiu durant un temps, que creieu que passaria?

3. Feu l‟experiment plantejat en la qüestió anterior a casa, i opcionalment filmeu

l‟experiment i editeu un vídeo d‟uns 30 segons amb les imatges preses a intervals de temps. Què heu observat? Coincideix l‟observació amb el què havíeu predit que

passaria? Per què?

4. Quan s‟afegeix aigua destil·lada a una preparació de sang els glòbuls vermells es

trenquen, mentre que quan s‟afegeix aigua amb una elevada concentració de sal, els glòbuls vermells queden encongits i arrugats. Com explicaríeu aquests dos fenòmens? Com els relacionaríeu amb l‟experiment de la fruita, la patata o la

pastanaga?

5. Els fenòmens observats en la fruita o en els glòbuls vermells són el mateix procés que té lloc a les dessalinitzadores? Per què?

6. Una de les formes de conservar els aliments és pel fenomen de la deshidratació, de manera que els microorganismes no puguin créixer ni reproduir-se per falta d‟aigua. En són un exemple les conserves de peix que es fan en sal, com el bacallà o les arengades. El procés consisteix en deixar l‟aliment

envoltat de sal durant un cert temps. En aquest procés, l‟aigua que contenen les

cèl·lules surt, travessant les membranes cel· lulars, a fi que el sistema format per les solucions de l‟interior de les cèl·lules i de l‟exterior arribin a tenir la mateixa

concentració. De quin fenomen es tracta?



7. La figura següent mostra la modelització del procés d‟osmosi. Quins requisits creieu

que ha de complir la membrana?

8. Actualment, a moltes cases, hi ha instal·lats sistemes que modifiquen l‟aigua de la

xarxa d‟abastament. En alguns casos, es tracta d‟aparells que realitzen l‟osmosi

inversa. Realitzeu una petita recerca i expliqueu com són aquests aparells, quin manteniment tenen, com és l‟aigua que obtenen, ...



RMT 3.4 La qualitat de l’aigua dessalinitzada

Des de l‟any 2003 està en funcionament la instal·lació de tractament d‟aigua marina

(ITAM) de la Tordera, situada a Blanes. Té una funció d‟abastament d‟aigua potable als

municipis de: Arenys de Mar, Arenys de Munt; Calella, Canet de Mar, Malgrat de Mar, Palafolls, Pineda de Mar, Sant Cebrià de Vallalta, Sant Iscle de Vallalta, Sant Pol de Mar, Santa Susanna, Tossa de Mar, Lloret de Mar i Blanes; i una altra funció mediambiental, ja que es pretén la recuperació de l‟aqüífer del delta del Tordera fent que aquest

disposi de més quantitat d‟aigua per frenar

totalment la intrusió marina.

En la següent taula es poden comparar els valors de diferents paràmetres químics corresponents a l‟aigua marina i l‟aigua que surt de la dessalinitzadora entre els mesos

de setembre i octubre de l‟any 2002. També s‟indiquen els valors límits d‟aquests

paràmetres, (recollits a l‟annex 1 del Reial Decret 140/2003), de manera que l‟aigua de

consum humà sigui saludable i neta i no suposi un risc per a la salut humana.

Paràmetres químics Aigua marina Aigua dessalinitzada

Valors límits RD 140/2003

Conductivitat (μS/cm) 2169 520 2500 Ió clorur (mg/L) 790 115 250 Ió sodi (mg/L) 360 50 200 Ió sulfat (mg/L) 159 42 250 Ió potassi (mg/L) 4,9 1,5 - Ió calci (mg/L) 470 20,3 - Taula 1. Paràmetres químics de diferents aigües

L‟aigua dolça conté, de forma natural, sals minerals amb diferents proporcions segons les regions i comarques que travessi. Els ions calci, magnesi, sodi, potassi, sulfat i clorur són els components presents de forma natural en l‟aigua dolça i imprescindibles pel

nostre cos. Els ions sodi es troben en l‟aigua en concentracions molt variables. L‟home

pot tolerar els ions sodi fins a un valor límit de 150 mg·L -1. Els ions potassi juguen un paper molt important en la salut ja que la transmissió del flux nerviós necessita d‟aquests ions. La concentració en ions potassi pot arribar a 12 mg·L -1 sense que repercuteixi en la nostra salut. Els ions sulfat poden ser ingerits fins a un valor de 250 mg·L -1 però poden produir efectes purgants si s‟ingereixen a dosis altes, de l‟ordre de

1000 mg·L-1. Els ions clorur són absorbits pel cos a través dels aliments, el cos humà pot tolerar un màxim de 250 mg·L -1.

Taula2. Exemple de composició de l’aigua d’un riu.



Però actualment a l‟aigua dolça hi podem trobar d‟altres ions que provenen

principalment de les males pràctiques de l‟home. Una fertilització exagerada dels sols

ha portat a un augment de la concentració d‟ions nitrat en les aigües. El vessament

d‟ions de metalls pesants com l‟ió plom(II), l´ió crom (III), utilitzats en la fabricació de

pintures, ha fet elaborar una legislació medi ambiental nova a Europa i posar punts de controls rigorosos en les sortides de les aigües residuals de moltes indústries. Exercicis i qüestions

1. Escriviu la fórmula dels ions de la taula 1.

b. Esbrineu què és la conductivitat d‟una solució i les unitats amb què

s‟expressa.

c. Quantes vegades s‟ha reduït la concentració de sulfats a l‟aigua marina

dessalinitzada respecte a l‟aigua marina inicial ?

d. Creieu que l‟aigua que s‟obté de la ITAM és aigua de qualitat?

Argumenteu la vostra resposta.

e. Expresseu la concentració dels ions sodi i dels ions potassi que conté l‟aigua de la dessalinitzadora en mol·dm

-3. Resp: c) 3,8 vegades; e) Na+ 2,1·10 -3 mol·dm -3; K+ 3,8·10 -5 mol·dm -3

2. La població de Blanes és aproximadament de 40000 habitants. Consumeixen, de mitjana, 122 L d‟aigua potable procedent de la dessalinitzadora per persona i dia,

dels quals 2 L s‟utilitzen per beure.

a. Quina massa d‟ions sodi ingereix cada persona diàriament? I quina

quantitat en mols d‟ions sodi?

b. Quin serà el volum d‟aigua del mar necessària per abastir la població de

Blanes si el rendiment de la planta és d‟un 45 %? Resp: a) 100 mg Na+, 3,8·10 -5 mol·dm -3 b) 10844 m-3

3. Alguns ajuntaments publiquen la composició de l‟aigua dels seus municipis. Feu

una recerca i esbrineu la composició de l‟aigua que arriba a casa vostra.

Comenteu raonadament la qualitat de l‟aigua del vostre municipi. Podeu afegir

les característiques organolèptiques: color, olor, terbolesa i sabor.

4. L‟etiqueta d‟una aigua embotellada comercial mostra la següent anàlisi química:



a. Compareu les dades dels paràmetres químics d‟aquesta aigua embotellada

amb les de l‟aigua dessalinitzada. Per a quin tipus de dieta podríem fer servir

l‟aigua embotellada?

b. Què vol dir residu sec?

c. Quin mètode faríeu servir per calcular la quantitat de residu sec que hi ha en una determinada quantitat d‟aigua?

d. Què son els oligoelements?

e. Si la ingesta recomanada de fluor és de 0,7 ppm diaris per no haver d‟usar

suplement, quina quantitat expressada en ppm de fluor ingerim amb 1 L d‟aquesta aigua embotellada? (densitat aigua = 1g·cm -3)

Resp: e) 0,5 ppm



RMT 3.5 Aigües dures i aigües blanes L‟aigua conté de forma natural sals minerals en diferents proporcions segons les regions i comarques que travessi. Els ions calci, magnesi, sodi, potassi, sulfats i els clorurs són els components presents, de forma natural, en l‟aigua dolça i imprescindibles pel nostre

cos. Tanmateix la concentració d‟aquests ions pot variar força.

Quan l‟aigua passa per àrees amb roques calcàries, acaba contenint una concentració

elevada d‟ions Ca2+ i Mg2+. Diem que es tracta d‟aigua dura. La duresa s‟expressa en

mg·L -1 en ions Ca2+ i Mg2+. o en escales equivalents. Les aigües blanes contenen menys de 20 mg·L -1 en ions Ca2+ i les aigües extremadament dures contenen més de 80 mg·L -1.

Les poblacions de la costa, tenen aigües de mitjana o d‟elevada

duresa, les aigües dels pobles dels Pirineus, acostumen a tenir una duresa molt baixa.

Les aigües “dures” no són

recomanables per qui pateix del ronyó, ni per preparar els aliments pels nadons, i poden esdevenir un problema a

l‟hora de netejar la roba o la vaixella. Els detergents

formen escuma tant amb aigües dures com blanes, mentre que els sabons, formen uns grumolls que impedeixen la formació de les micel·les, i són. per tant. poc útils quan l‟aigua de l‟aixeta té un cert grau de duresa.

Quan l‟aigua és molt dura cal eliminar els ions calci i els

ions magnesi de l‟aigua i evitar que els electrodomèstics acabin deteriorant-se ràpidament.. Hi ha diferents maneres d‟aconseguir-ho. En tractarem dues, les reaccions de precipitació i les resines de bescanvi iònic. Les reaccions de precipitació

Un mètode d‟eliminació dels ions Ca2+ i Mg2+ consisteix en fer-los reaccionar amb

altres ions de manera que es formi un compost insoluble, per una reacció de precipitació.

Comprova la duresa de l’aigua de

l’aixeta realitzant aquesta senzilla

prova. - Posa aigua de l’aixeta en un tub

d’assaig i en un altre tub posa el mateix volum d’aigua destil·lada -Prepara una solució d’aigua

amb sabó. Afegeix el mateix nombre de gotes a cadascun dels tubs d’assaig que conté aigua.

Agita’ls vigorosament. -S’ha format la mateixa quantitat d’escuma?



Un exemple molt similar és el que succeeix en afegir una solució de carbonat de sodi a una solució de nitrat de calci. Es forma un precipitat blanc d‟aspecte lletós que és

carbonat de calci. Per entendre en què consisteix la reacció de precipitació, observeu l‟animació que

veureu a http://www.mpcfaculty.net/mark_bishop/precipitation.htm i després responeu les preguntes següents:

- Com estan els ions calci, sodi, nitrat i carbonat inicialment, quan estan en solució? - Per què els ions estan envoltats de molècules d‟aigua? - Com reaccionen aquests ions quan estan a prop? - Què succeeix quan els ions calci es troben prop dels ions carbonat? - Observeu els ions sodi i els ions nitrat, s‟uneixen? Com expliqueu aquest

comportament? - Completeu l‟equació química corresponent a la reacció que heu observat.

Ca(NO3)2(aq) + Na2CO3(aq) CaCO3(....) + 2 NaNO3(....) - L‟animació anterior us mostra la reacció que experimenten els ions. Escriviu

l‟equació química igualada en forma iònica .....(....) + ......(....) + .....(....) + ....(....) CaCO3(s)

+ ....(...) + ....(....)

solució de nitrat de calci

solució de carbonat de sodi

precipitat de carbonat de calci

solució de nitrat de sodi

- Els ions sodi i nitrat, per la seva funció, reben el nom de “ions espectadors”. A

què creieu que es deu aquest nom? - Seria lògic escriure la reacció que s‟ha produït com s‟indica a continuació?

Raoneu la resposta. Ca2+(aq) + CO3

2-(aq) → CaCO3(s)

Les resines de bescanvi iònic

En alguns electrodomèstics s‟aconsella utilitzar aigua “destil·lada”, com la de l‟ampolla.

L‟etiqueta indica clarament que no ha estat destil·lada si no que ha passat per un procés desionitzador on s‟han extret els cations i els anions, mitjançant un sistema de bescanvi

iònic, que consisteix en fer passar l‟aigua per unes resines que en modifiquen les

concentracions dels ions. S‟utilitzen polímers de tipus semblant als silicats anomenats zeolites, les quals es munten en un suport de polietilè i poliestirè. El conjunt s‟anomena

“resina de bescanvi iònic”.

Podeu comprovar aquest mètode afegint una solució de carbonat de sodi a l’aigua de l’aixeta.

http://www.mpcfaculty.net/mark_bishop/precipitation.htm



L‟aigua “desionitzada s‟ha fet passar per resines que bescanvien els cations de l‟aigua

per ions H + i els anions per ions OH-.

L‟animació que trobareu a http://www.uv.es/quimicajmol/bachiller/r_intercambio-ionico_intercambio.html mostra els elements més essencials en el procés de bescanvi iònic Na+/Ca+2

, que s‟utilitza per disminuir la duresa de l‟aigua. Observeu-la i responeu les preguntes següents:

- De què està formada la resina de bescanvi iònic que s‟utilitza per eliminar els ions

calci? - Com funciona el procés? - Com serà l‟aigua que surt del bescanviador? - Després d‟alguns usos la resina es satura i deixa de fer la seva funció, per això cal

regenerar-la. Com es fa? - Quin material s‟utilitza per regenerar les membranes?

Exercicis i qüestions 1. Molts dels compostos del grup 2 són insolubles en aigua. Escriviu les equacions

iòniques per als precipitats que es formen en mesclar les solucions següents: Solucions aquoses que es mesclen Precipitat i color Clorur de bari i sulfat de sodi Sulfat de magnesi i hidròxid de sodi Clorur de calci i carbonat de sodi Nitrat de bari i cromat de potassi

Sulfat de bari (blanc) Hidròxid de magnesi (blanc) Carbonat de calci (blanc) Cromat de bari (groc)

Resp: a)

)(4)(24)(

2saqaq BaSOSOBa b) )(2)(

)(2 )(2 saq

aq OHMgOHMg

c) )(3)(23)(

2saqaq CaCOCOCa d) )(23)(3)(

2 )(2 saqaq NOBaNOBa

2. Escriviu la fórmula dels ions que contenen cada una de les solucions següents:

Solució de conté els cations... conté els anions ... Nitrat de potassi Fluorur d‟amoni Fosfat de sodi Sulfat de ferro (II) Hidròxid de calci

3. Escriviu les equacions de les reaccions de formació de precipitat quan es mesclen

les solucions següents: a. Nitrat de plata amb clorur de calci b. Iodur de sodi amb cromat de plom (II) c. Hidròxid de sodi amb clorur de ferro (II)

Resp: a) )(23)()(2)(3 )(22 aqsaqaq NOCaAgClCaClAgNO

b) )(42)(2)(4)(2 aqsaqaq CrONaPbIPbCrONaI

c) )()(3)(3)( 3)(3 aqsaqaq NaClOHFeFeClNaOH

http://www.uv.es/quimicajmol/bachiller/r_intercambio-ionico_intercambio.html

http://www.uv.es/quimicajmol/bachiller/r_intercambio-ionico_intercambio.html



4. S'han dissolt 3,80 g de sal de cuina en aigua fins un volum de 100 ml. S'agafa la cinquena part d'aquesta solució, es posa en un vas de precipitats i s'hi afegeix un excés de solució de nitrat de plata de manera que es forma un precipitat de clorur de plata.

a. Formuleu la reacció química corresponent a la precipitació. b. Si el precipitat, un cop rentat i assecat pesa 1,722 g quin és el %

d'impureses de la sal? Resp: a) )(3)()()(3 aqsaqaq NaNOAgClNaClAgNO b) 7,5 %

5. El carbonat de calci, component principal de la roca calcària, és insoluble en aigua i

es descompon en escalfar-lo en diòxid de carboni i òxid de calci (sòlid). Quan en el laboratori 40,5 ml d'una solució de carbonat de sodi es fa reaccionar amb un excés de solució de clorur de calci es forma un precipitat de carbonat de calci,

a. Escriviu una equació per indicar la formació del precipitat. b. Quins ions conté ara la solució? c. El precipitat obtingut, s'escalfa fins a assecament obtenint-se 0,235 g òxid de

calci. Escriviu l‟equació química de la reacció . d. Quants mols d‟òxid de calci s‟han obtingut? e. Calculeu la concentració de ions sodi de la solució de carbonat de sodi.

Resp: a) )()(3)(2)(32 2 aqsaqaq NaClCaCOCaClCONa ; b) Cl- , Na+

c) )()(2)( sgs CaOCOCaCO ; d) 4,2 ·10 -3 mol CaO; e) 0,2 mol·dm -3

6. Una aplicació domèstica dels sistemes de bescanvi iònic es troba en les

descalcificadores. El dibuix mostra el procés que utilitza un descalcificador. Quines similituds trobes amb el procés mencionat anteriorment?

7. Per què es necessita posar sal a les màquines rentavaixelles?



RMT 3.6 Sals solubles i insolubles. Es forma precipitat? Investiguem reaccions de precipitació a microescala

En aquesta activitat, heu d’investigar si quan barregeu diferents ions en solució aquosa, reaccionen formant un precipitat o bé si no hi ha reacció. La tècnica que utilitzareu és la microescala, la qual genera un mínim de residus.

Una estalagmita (del grec Σταλαγμίτης,

stalagma, „gota‟) és un dipòsit de sals

minerals, que es forma. al terra de les coves calcàries, per precipitació química a causa de la deposició de carbonat de calci a partir de solucions. Quan la formació té lloc al sostre, s‟anomenen estalactites. Si aquestes formacions creixen suficientment com per trobar-se el resultat és una columna o pilar.

A la figura 1 s‟observen estalactites i

estalagmites de la Gruta Torrinha, a Chapada Diamantina (Brasil).

- Argumenteu si el procés de formació d‟estalactites i estalagmites té alguna cosa a veure amb la solubilitat de les sals? - Què vol dir que una sal precipita? Hi ha sals molt solubles en aigua, com és el cas del clorur de sodi dissolt a l‟aigua de mar. Altres són molt poc solubles en

aigua, com és el cas del carbonat de calci present al marbre o la pedra calcària. De totes maneres fins i tot en el cas de les sals més insolubles hi ha ions dissolts en aigua, tot i que en molt petita quantitat. La formació d‟estalactites i estalagmites

es pot explicar en termes de solubilitat, sals solubles i sals insolubles.

Quan es posen en contacte dues solucions de compostos iònics solubles, en realitat el que tenim és una solució que conté els ions de les dues sals, ja que les sals en aigua es dissocien en els seus ions. Si l‟anió d‟una de les substàncies forma una

substància insoluble amb el catió de l‟altra substància, es

formarà un precipitat, que es separa de la solució (figura 2).

Disposeu de la plantilla per a reaccions a microescala (veure pàg. 3 d‟aquest document), poseu-la dins d’una funda de plàstic per arxivar documents (també podríeu utilitzar un full de plàstic transparent col·locat sobre la plantilla), i també de flascons amb solucions aquoses de diversos compostos iònics de concentració aproximadament 1 M.

- Quins ions hi ha dins de cada flascó?

- Quin procediment experimental podríeu seguir per investigar si es formen compostos insolubles i de quins compostos es tracta?

Figura 1. Estalagtites i estalagmites dins una cova

Figura 2. Formació d’un precipitat.



Proposta de procediment

1- Examineu cada un dels flascons que teniu. Observeu que porten escrita la fórmula del solut que s‟ha dissolt. Deduïu quins ions conté cada un dels

flascons.

2- En la plantilla, heu de posar una gota de cada una de les solucions que continguin els ions que voleu investigar. Per exemple, si voleu investigar què passa en mesclar els ions Mg2+ i OH-, heu de triar un flascó que contingui els ions Mg2+, posar-hi una gota d‟aquesta solució en la casella corresponent i

després triar un flascó que contingui els ions OH- i posar-hi una gota a sobre de la que ja hi ha.

3- Si observeu que la solució ja no és transparent, significa que s‟ha format un

compost insoluble. Si continua transparent, no hi ha reacció de precipitació.

4- En cas que vulgueu repetir la reacció, és suficient que passeu un paper per la casella per netejar-la.

5- En acabar, podeu fer una foto de la plantilla per guardar-la en els vostres apunts. Després traieu el paper del plàstic protector i netegeu el plàstic amb aigua.

Resultats - Escriviu les reaccions que han tingut lloc en els casos on s‟ha format algun compost insoluble o precipitat. Anomeneu i intenteu formular els compostos insolubles que s‟han

format.

- Quins precipitats heu obtingut? Escriviu una manera d‟obtenir aquests precipitats per

combinació d‟alguna altra parella de solucions.

- Quins carbonats són insolubles? Quin d‟aquest carbonats permet explicar la formació

de les estalactites i estalagmites?

- Tenint en compte el procés de formació de les estalactites, predigueu que passaria si poséssim una gota d‟una sal soluble de calci (per exemple nitrat de calci) i una gota de bicarbonat de sodi.

- Com es podrien dissoldre els precipitats formats?

- Un cop heu completat totes les caselles, podeu deduir alguna norma general per la solubilitat de les sals, per exemple:

- Tots els nitrats són solubles. No hi ha nitrats insolubles. - Totes les sals de plata són insolubles, excepte el nitrat. - Quines altres regles o normes podeu deduir?

- Comproveu els vostres resultats amb l‟annex que teniu al final d‟aquesta activitat. Llistat de possibles solucions a utilitzar:

Hidròxid de sodi 1M Àcido clorhídric 1M Clorur de sodi 1M Ioduro de sodi 1M Nitrat de calci 1M Sulfat de sodi 1M Carbonat de sodi 1M

Sulfur de sodi 1M Clorur de ferro (III) 1M (o nitrat de ferro

(III)) Nitrat de sodi 1M Nitrat de plata 1M Sulfat de coure (II) 1M (o nitrat de coure (II)) Nitrat de plom (II) 1 M



REACCIONS ENTRE IONS: PRECIPITACIÓ

Cl-

Clorur I-

Iodur NO3

-

Nitrat SO4

2-

sulfat CO3

2- carbonat

OH- Hidròxid

S2- Sulfur

Na+

K+

Ca2+

Mg2+

NH4+

Fe2+

Ag+

Cu2+

Pb2+

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en ciències

Recursos del mar i de la terra Química en context 83

Annex: Taula simplificada de solubilitats (en aigua a 25ºC)

OH- F- Cl- Br - I- NO3

- SO42- CO3

2- S2- PO43- CrO4

2-

Na+

K+

NH4+

Mg2+

Ca2+

Ba2+

Al3+

Cr3+

Zn2+

Fe2+

Fe3+

Ag+

Pb2+

Cu2+

Sn2+

Com llegir aquesta taula: Vol dir: SOLUBLE Vol dir: pràcticament INSOLUBLE o MOLT POC SOLUBLE (a 25ºC) Per a saber si un compost iònic és soluble o pràcticament insoluble en aigua a 25ºC, cal buscar-lo en la casella on es troben els ions que el formen. EXEMPLE: el nitrat de plata és soluble? Resposta: com el nitrat de plata és AgNO3, els ions que el formen són: Ag+ i NO3

-, buscant en l‟encreuament, trobem el símbol . Això vol dir que és soluble.



RMT 3.7 Migració dels ions En aquesta activitat pràctica podreu observar la migració d’alguns ions. Objectiu Observar la mobilitat dels ions per l‟efecte d‟un camp elèctric.

Introducció Les substàncies iòniques en estat sòlid estan formades per ions de càrregues elèctriques oposades units per forces electrostàtiques i formant una xarxa tridimensional. Un dissolvent polar, com l‟aigua,

facilita la mobilitat dels ions, en deixar-los en llibertat.

Si els ions queden independents uns dels altres, el color de les solucions iòniques serà degut al color de cada un dels diferents ions dins la solució. Si apliquem un camp elèctric a la solució els ions poden moure‟s i es dirigiran cap a un pol o un

altre segons la seva càrrega.

Material i equipament

Equipament Vas de precipitats de 250 mL Tub en U Font d‟alimentació cc de 30 V ( o

tres piles de 9 V) amb cables de connexió i pinces cocodril.

Espàtula Comptagotes Vareta per remenar Elèctrodes de grafit Balança

Reactius i altres materials Solució saturada de sulfat de coure (II), Solució de permanganat de potassi,

0,01 mol·dm -3

Solució d‟àcid sulfúric 0,1 mol·dm

-3

Ulleres de seguretat

Procediment 1. Primer heu de preparar la solució saturada de sulfat de coure de coure (II). Peseu 35 g de CuSO4·5H2O i dissoleu aquesta massa en 100 mL d‟aigua. (A la temperatura de 20ºC

correspon la saturació). Si no es dissol tot el solut, podeu augmentar la temperatura uns 10ºC. Quins ions teniu ara en la solució?

2. Afegiu al vas una solució de KMnO4 de concentració 0,01 ml·dm -3. Mescleu amb la vareta. Quins ions heu afegit al vas?



3. Poseu aquesta solució en un tub en U. Ha de quedar fins la meitat de les branques aproximadament. Ompliu després, cada branca amb solució de H2SO4 0,1 M. Feu servir un comptagotes. La solució d‟àcid

sulfúric, menys densa que la de la mescla d‟ions coure

(II) i permanganat, ha de quedar per damunt en cada una de les branques, a un parell de centímetres de la vora. Quin és el paper de l‟àcid sulfúric?

4. Connecteu els dos elèctrodes de grafit a les pinces de cocodril i aquestes, amb cables a la font d‟alimentació. Espereu uns deu minuts i anoteu els canvis de color que s‟hi produeixen.

5. Per què el color ens dóna una idea del moviment dels ions?

6. A quin pol es desplacen els ions positius? I els negatius?

7. Es mouen a la mateixa velocitat els dos fronts? Per què?

8. La paraula ió del grec ienai significa caminar. Després d‟aquesta activitat podeu

justificar el nom?

RMT 3.8 Síntesi - Conceptes. Què he après?

Mescla de ions amb H2SO4 a cada branca

- +

Cu2+ MnO4-

Figura 1. Aspecte del tub en U uns 35 minuts més tard. Voltatge 15 V. Amb voltatges més elevats, s’escurça el temps de la migració d’ions.



Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades aquests conceptes i aquests procediments en estudiar unitats posteriors.

Osmosi i osmosi inversa. Funcionament d‟una dessalinitzadora. Quines sals són solubles i quines insolubles. Reaccions de precipitació. Els ions poden migrar?


1- Raoneu si per fer un bon brou és millor tirar la sal al principi o al final de la cocció dels ingredients.

2- A continuació es representa un aparell amb una membrana que permet separar dues solucions de diferent concentració: Què passarà si: a. La membrana és permeable a l‟aigua, als ions Na

+ i als ions Cl-? b. La membrana és permeable a l‟aigua però no als ions Na

+ ni als ions Cl-?

3- Disposem de 6 tubs d'assaig amb les següents solucions:

TUB 1 TUB 2 TUB 3 TUB 4 TUB 5 TUB 6 Na2CO3 AgNO3 NaOH CuSO4 Na3PO4 K2S

a. Feu una predicció si es formarà o no un precipitat en barrejar els continguts

dels següents tubs: TUB 1 + TUB 4; TUB 1+ TUB 5; TUB 6 + TUB 4; TUB 2 + TUB 3

b. En les mescles que heu dit que es forma un precipitat, escriviu l‟equació química de la reacció de precipitació.

Resp: a) si, no, si , si;

4- Escriviu la fórmula dels ions que contenen cada una de les solucions següents: solució conté els cations... conté els anions... Sulfat de potassi Clorur d‟amoni Nitrat de sodi Fosfat de potassi Hidròxid de magnesi 5. Disposem dels tubs d‟assaig següents cada un conté una solució diferent:

NaCl 0,01M

NaCl 0,1M

membrana



Tub A: Na2CO3; Tub B: Cl2; Tub C: Pb(NO3)2; Tub D: KI; Tub E: HCl; Tub H: NaOH

Indiqueu en quins casos es produirà una reacció química i si serà redox, àcid-base o de precipitació, quan es mesclin entre sí de dos en dos. Escriviu quan calgui l‟equació de la reacció.

Na2CO3 Cl2 Pb(NO3)2 KI HCl NaOH Na2CO3

Cl2

Pb(NO3)2

KI

HCl

NaOH

6. Tenim tres solucions, les tres són de concentració 0,10 mol·dm -3. La primera solució és de sulfat de sodi, Na2SO4; la segona de sulfat d‟alumini, Al2(SO4)3 i la tercera de fosfat de potassi, K3PO4. a. Assenyaleu quins ions hi ha presents en cada una de les solucions i escriviu l‟equació iònica de la dissociació en aigua d‟aquestes sals. b. Calculeu la concentració molar de cada un dels ions en la solució de sulfat d‟alumini. Resp. b) Al3+ :0,2 mol·dm -3; SO4

2— 0,3 mol·dm -3



RMT4

pàg.

Dels minerals als metalls

La història dels metalls. L’extracció de metalls a partir de minerals de la terra. La metal·lúrgia del ferro, del plom, del magnesi, del coure i de l’alumini. Els lantànids verds: noves aplicacions tecnològiques dels metalls.

Concepte d’oxidació i de reducció. Nombre d’oxidació.

Reaccions redox.

RMT4.1

(CC)

95 La conquesta dels metalls Concepte oxidació-reducció. Oxidant-reductor. Reaccions redox.

RMT4.2

(CC)

99 Què tenen en comú les reaccions d’extracció de metalls i les combustions?

Nombre d’oxidació.

RMT4.3

(CC)

102 Els forats més grans del món Aplicació dels conceptes d’oxidació-reducció i de les reaccions redox.

RMT4.4

(CC)

107 Els lantànids verds: metalls del mon tecnològic actual

Aplicació dels conceptes d’oxidació-reducció i de les reaccions redox.

RMT4.5

(TE)

109 Quina quantitat de ferro (II) hi ha en un comprimit?

Valoració redox.

RMT4.6

(TE)

112 Una reacció d’obtenció de coure. Reactiu limitant

Reacció redox.

RMT4.7

(TE)

114 Reaccions dels halògens Reacció redox. Oxidant-reductor.

RMT4.8 117 Síntesi-Conceptes. Què he après?



RMT 4.1 La conquesta dels metalls pàg. 95

RMT 4.2 Què tenen en comú les reaccions d‟extracció de metalls i les combustions? pàg. 99



RMT 4.3 Els forats més grans del món pàg. 102

RMT 4.4 Els lantànids verds: metalls del món tecnològic actual pàg. 107



RMT 4.5 Quina quantitat de ferro (II) hi ha en un comprimit? pàg. 109

RMT 4.6 Una reacció d‟obtenció de coure. Reactiu limitant pàg. 112



RMT 4.7 La química dels halògens pàg. 114

RMT 4.8 Síntesi-conceptes. Què he après? pàg. 117



RMT 4.1 La conquesta dels metalls

- Els metalls a l’antiguitat. La metal·lúrgia del ferro i del plom -

Encara ara no sabem on ni quan es va començar a treballar els metalls. Malgrat tot estem segurs que els primers metalls que es van conèixer existien com a tals en estat nadiu: l‟or, la plata i el coure. Aquests metalls posseeixen excel·lents propietats mecàniques:

- són mal·leables: és a dir quan es colpegen amb un martell es van aprimant fins a donar làmines extraordinàriament fines.

- són dúctils: és a dir es poden estirar fins a fer-ne fils prims sense que es trenquin.

Sens dubte el picar en fred i després en calent els metalls fou una de les primeres tècniques emprades per treballar-los.

Per la seva raresa, i qualitats estètiques, els metalls es van emprar primer com a ornaments i joies (figura 1). Malgrat tot el seu ús quedava molt limitat i les eines de tall continuaven sent pedres i ossos ben esmolats. La humanitat va viure fins els anys 6000 abans J.C. a l‟edat de pedra.

Llavors, es va produir un descobriment fonamental, els processos metal·lúrgics, els quals permetent l‟extracció dels metalls a

partir dels minerals. Finalment entorn dels anys 1500 abans J.C. els metal·lúrgics que habitaven les regions d‟Anatòlia (actualment Turquia) van descobrir com arribar a temperatures prou altes per reduir els minerals de ferro amb carbó (figura 2). Els minerals de ferro més abundants són òxids.

Els primers alts forns de la història se van construir al segle XV(figura 3) . En ells tenia lloc la combustió del carbó amb aire calent injectat a pressió convertia els òxids de ferro en unes masses esponjoses formades per grànuls de ferro i escòries

2 Fe2O3 + 3C 3 CO2 + 4 Fe

Observeu que el mineral de ferro, està format per ions Fe3+ i que en la reacció és transforma en el metall ferro, això s‟indica

en forma d‟una equació en la qual els ions ferro guanyen tres

electrons per passar a àtoms de ferro:

Fe3+ + 3 e- Fe.

Aquest procés s‟anomena una reducció. Simultàniament a aquesta reducció, els àtoms de

carboni passen a combinar-se amb l‟oxigen, formant CO2, es diu que el carboni s‟ha oxidat.

També en la metal·lúrgia del plom, a partir de l‟òxid de plom tenim el mateix procés:

2 PbO(s) + C(s) 2 Pb(s) + CO2(g)

Per una part hi ha una reducció dels ions Pb2+ a Pb i una oxidació del carboni a CO2

Les reaccions en les quals hi ha un bescanvi d‟electrons, són reaccions d’oxidació-reducció.

Figura 2. Inicis de la metal·lúrgia.

Figura 3. Primers alts forns.



En principi es van anomenar reaccions d’oxidació aquelles reaccions en què una substància es combinava amb l’oxigen. L‟oxidació del magnesi és un exemple:

Mg(s) + 21 O2(g) MgO(s)

Les reaccions d‟oxidació poden anar acompanyades de despreniment d‟energia en forma de

llum i calor.

Quan una reacció d‟oxidació desprèn

grans quantitats d‟energia rep el nom

de reacció de combustió (figura 4). En la unitat El futur del petroli vas estudiar les combustions dels hidrocarburs i altres combustibles.

El procés contrari a l‟oxidació és la

reducció. Aquesta paraula té origen en la metal·lúrgia, on s‟utilitzava aquest

terme per indicar que es reduïen grans quantitats de mineral a petites quantitats de metalls.

Com molts minerals eren òxids i aquests quan es transformaven en metall perdien oxigen, es va anomenar reducció a la disminució de l’oxigen en un compost.

Un exemple d‟una reacció de reducció seria l‟obtenció de magnesi a partir de la seva reducció

amb carboni. Aquesta reacció té lloc a temperatures molt altes.

2MgO(s) + C(s) 2Mg(s) + CO2(g)

En la reacció anterior, la reducció del magnesi implica una oxidació del carboni. Aquest fet fa pensar que sempre que hi hagi una reacció d‟oxidació, es produirà simultàniament una reacció

de reducció.

L‟òxid de magnesi és un compost iònic:

Mg(s) + 21 O2(g) Mg2+ O2- (s)

Si mirem la reacció des del punt de vista de la formació dels ions, veurem que la podem desdoblar en dues semireaccions. Aquestes dues semireaccions es poden escriure de la següents forma:

Mg Mg2+ + 2e-

21 O2 + 2e- O2-

El magnesi perd dos electrons i l‟oxigen en guanya dos. Així doncs, l‟oxidació del magnesi suposa pèrdua d‟electrons.

2 MgO(s) + C(s) 2 Mg(s) + CO2(g)

reducció

oxidació

Figura 4. Les colles de diables usen la combustió del magnesi en les seves actuacions



Una altra forma més general de definir una reacció d’oxidació seria dir que és el procés mitjançant el qual una espècie química perd o dóna electrons.

Per altra banda, l‟oxigen, és qui es redueix, en fer-ho guanya dos electrons de manera que de forma general direm que una reacció de reducció té lloc quan una espècie química guanya electrons.

Com ja hem dit abans el procés d‟oxidació implica un procés de reducció simultani. És per això

que aquest tipus de reaccions s‟anomenen de forma abreujada reaccions Redox (figura 5).

Figura 5. L’oxidació del magnesi implica la reducció de l’oxigen.

Aquesta manera d‟interpretar aquests tipus de reaccions va permetre donar una explicació a

processos químics on no apareixia l‟oxigen.

Per exemple l‟obtenció de clorur de magnesi a partir de magnesi i clor també es un procés

Redox.

Mg(s) + Cl2(g) MgCl2(s)

En aquest cas el magnesi s‟oxida i ara és el clor el que es redueix.

Semireacció d‟oxidació: Mg Mg2+ + 2e-

Semireacció de reducció: Cl2 + 2e- 2Cl-

Les reaccions redox són processos molt importants. Alguns exemples són l‟obtenció de metalls,

el procés d‟oxidació d‟un metall i fins i tot, la respiració cel·lular que té lloc en el nostre cos,

tots ells són exemples d‟aquest tipus de reaccions.

Oxidants i reductors

Tota reacció redox implica que una substància s‟oxida i una altra es redueix.

Des del punt de vista de la substància que pateix el canvi, anomenem oxidant a l‟ espècie que

origina o pot originar una oxidació. És a dir, l’oxidant és la substància que capta electrons.

Anomenem reductor a la substància que produeix o pot produir una reducció. És a dir, el reductor és la substància que cedeix electrons.

En la reacció anterior : Mg(s) + Cl2(g) MgCl2(s)

El clor és l’oxidant perquè capta electrons per tant ell es redueix: Cl2 + 2e- 2Cl-

Mentre que el magnesi és el reductor perquè cedeix electrons i per tant s‟oxida: Mg Mg2+ + 2e-

Mg

O

Mg2+

O2-

2 e-

QUADRE RESUM Un agent oxidant capta electrons d‟una altra substància

que es redueix A + 2e- 2A-

Un agent reductor cedeix electrons a una altra substància que s‟oxida.

B B2+ + 2e-



A les darreres dècades del segle XIX les velles indústries que havien estat el motor de la primera revolució industrial van cedir el lideratge a altres sectors que van sorgir com a conseqüència dels nous progressos industrials i tècnics. El sector metal·lúrgic va tenir una nova embranzida gràcies a la posada en funcionament del convertidor de Bessemer (1865) (figura 6) que permetia l‟elaboració de grans quantitats d‟acer a

un baix preu. També es va aconseguir la producció industrial de nous metalls, com el níquel, que en aliatge amb l‟acer donava lloc a l‟acer inoxidable, i l‟alumini.


1 Digueu si aquestes espècies químiques guanyen o perden electrons i a continuació, igualeu l‟equació afegint electrons on calgui

a) Fe2+ Fe3+

b) I22I-

c) NaNa+

d) ½ O2 O2-

e) Pb4+ Pb2+

f) H2 2H+

g) Cu+ Cu2+

2 Per cada una de les reaccions anteriors, descriviu el procés com una oxidació o com una reducció.

3 Separeu cadascuna de les següents reaccions en dues semireaccions, la d‟oxidació i la de

reducció, i igualeu-les:

a) Na(s) + ½ Cl2(g) NaCl(s)

b) S(s) + Fe(s) FeS(s)

c) NaF(s) Na(s) + ½ F2(g)

d) 4Fe(s) + 3O2(g) 2 Fe2O3 (s)

Figura 6. Convertidor Bessemer per a l‟elaboració d‟acer.



RMT 4.2 Què tenen en comú les reaccions d’extracció de metalls i les

combustions?

En les reaccions químiques d‟oxidació-reducció de l‟activitat 4.1 intervenen substàncies iòniques (com l‟òxid de ferro(III)) i substàncies elementals, com el carboni, i heu après a

descomposar les reaccions globals i a escriure per separat les dues semireaccions.

En la unitat El futur del petroli es fa esment de l‟hidrogen com a combustible i de reaccions de combustió, com per exemple la del metà.

Escriviu la reacció de combustió del metà? En què ens hauríem de fixar per saber si és una reacció oxidació-reducció? Creieu que és una reacció d‟oxidació-reducció? Per què?

En cremar gas hidrogen en atmosfera d‟oxigen 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)

l‟hidrogen es combina amb l‟oxigen, però el producte obtingut, l‟aigua, és una substància

molecular. Això vol dir que no podem separar la reacció en dues semireaccions que impliquin transferència d‟electrons, com fèiem fins ara. El que hi ha, en aquestes reaccions és compartició

dels electrons abans i després, però no transferència, ja que no hi intervenen compostos iònics.

Tanmateix, com que l‟oxigen té més tendència que l‟hidrogen a atreure els parells d‟electrons

compartits, en ser més electronegatiu, aquests seran més a prop de l‟oxigen que de l‟àtom

d‟hidrogen:

Per poder incloure aquests tipus de reaccions en les d‟oxidació-reducció, cal ampliar les definicions d‟oxidació i de reducció de la manera següent:

Una espècie química s’oxida quan pateix una pèrdua total o parcial d’electrons de valència

Una espècie química es redueix quan pateix una guany total o parcial d’electrons de valència

Així doncs considerem que l‟hidrogen s‟ha oxidat perquè l‟electró que aporta a l‟enllaç està més

lluny del nucli de l‟àtom que quan el compartia amb un altre àtom d‟hidrogen. Considerem que

l‟oxigen s‟ha reduït perquè els parells d‟electrons que formen els enllaços O-H estan més a prop del nucli de l‟àtom d‟oxigen que ho estaven en l‟enllaç O=O

Les reaccions de combustió de combustibles, com l‟hidrogen són també d‟oxidació-reducció.

Una manera d’identificar les reaccions redox: determinació dels estats o nombres d’oxidació

El nombre d‟oxidació és un nombre que indica l‟estat d‟oxidació d‟un àtom i és el nombre

d‟electrons que un àtom perd totalment o parcialment en formar-se un compost.

- El nombre d‟oxidació d‟un àtom en una substància simple és zero, ja que en no estar

combinat amb cap altra element no perd ni guanya electrons. En el cas de que es tracti d‟un element molecular, com el dioxigen, O2 o el sofre, S8, o amb estructura gegant, com un metall o el carboni, tampoc hi ha pèrdua o guany d‟electrons.

- En els ions monoatòmics, el nombre d‟oxidació coincideix amb la seva càrrega.

H H + H H O+ Oxx

xx H xOx HH xOx H +



- En els compostos moleculars, el nombre d‟oxidació d‟un àtom es defineix com la

”càrrega hipotètica” que tindria l‟àtom si els electrons de cada enllaç fossin atribuïts al

més electronegatiu. En aquest cas el nombre d‟oxidació és un número purament formal

que no té el significat d‟una càrrega iònica.

Per exemple: Quins són els nombres d‟oxidació de l‟hidrogen i de l‟oxigen en l‟aigua,

H2O? L‟hidrogen en combinar-se amb l‟oxigen, perd parcialment el control sobre el seu electró; així doncs, el seu nombre d‟oxidació serà +1. L‟oxigen, en ser més

electronegatiu que l‟hidrogen, guanya el control parcial sobre els dos electrons que

aporten els dos hidrògens a l‟enllaç, per tant, l‟oxigen té nombre d‟oxidació -2. Evidentment en aquest cas, que els nombres d‟oxidació siguin +1 per l‟hidrogen i -2 per l‟oxigen no vol pas dir que en la molècula d‟aigua existeixin els ions O

2- ni H+

- El cas del fluor és particular, en ser l‟element més electronegatiu de tots, el seu estat d‟oxidació és sempre -1.

- Com que els compostos no tenen cap càrrega, la suma dels nombres d‟oxidació de tots

els elements que constitueixen el compost ha de ser zero.

- En el cas dels ions poliatòmics (NO3-, SO4

2-, MnO4-, etc.) la suma dels nombres

d‟oxidació de tots els àtoms que constitueixen l‟ió ha de ser igual a la càrrega de l‟ió.

València i estat o nombre d’oxidació?

En aquestes unitats de química, haureu vist que la paraula “valència” només s‟ha fet servir per

parlar dels electrons de la última capa o “capa de valència”.

El concepte de “valència d’un element” procedeix del segle XIX. Es va usar per indicar la capacitat d‟un element de combinar-se amb àtoms d‟hidrogen. Així l‟oxigen es deia que té valència 2, perquè forma el compost H2O. I el carboni valència 4, per què forma el CH4

.

En aquests casos hi ha coincidència en els valors numèrics de les valències amb els nombres d‟oxidació. Però com haureu vist en els exemples i exercicis anteriors, valència i nombre o estat

d‟oxidació no són el mateix.

Exemples de càlcul de nombres d’oxidació

Exemple 1: Quins són els nombres d‟oxidació de cada un dels àtoms que formen el CO2?

Resum de les regles per assignar els nombres d’oxidació - El nombre d’oxidació dels àtoms en qualsevol element lliure és zero - El nombre d’oxidació de qualsevol ió monoatòmic és igual a la seva càrrega - Alguns elements tenen, en la majoria dels compostos, nombres d’oxidació invariables. És el cas

de: Element Nombre d’oxidació

F -1

O -2 (excepte en l‟ió peròxid, O22-, que és de -1. Com en

H2O2 i en OF2) H +1 (excepte en l‟ió hidrur, que és de -1) Els halògens, Cl, Br i I -1 (excepte quan el Cl es combina amb O i F) (excepte quan el Br es combina amb el O, F i Cl) (excepte quan el I es combina amb O, F, Cl i Br) Els metalls alcalins +1 Els metalls alcalinoterris +2 S -2 (excepte quan està combinat amb O i amb els halògens)

- La suma de tots els nombres d’oxidació dels àtoms és igual a zero si és un compost o igual a la càrrega de l’ió poliatòmic



Resposta: és un compost, la suma total ha de ser zero

L‟oxigen és -2, per tant: 0=(-2)·2 + X; X = +4

El carboni en el CO2 té nombre d‟oxidació +4

Exemple 2: Quin és el nombre d‟oxidació de cada un dels àtoms que formen el H2SO4?


L‟oxigen és -2, l‟hidrogen +1, per tant: 0= (+1)·2 + (-2)·4 + X; X = +6

El sofre en el H2SO4 el té nombre d‟oxidació +6

Exemple 3: Quin és el nombre d‟oxidació de cada un dels àtoms que formen el H3PO4?


L‟oxigen és -2, l‟hidrogen +1, per tant 0= (+1)·3 + (-2)·4 + X; X = +5

El fòsfor en el H3PO4 té nombre d‟oxidació +5

Exemple 4: Quin és el nombre d‟oxidació de cada un dels àtoms que formen l‟ió nitrat, NO3-?

Resposta: és un ió poliatòmic, la suma total ha de ser -1

L‟oxigen és -2, per tant: -1 =(-2)·3 + X; X = +5

El nitrogen en l‟ió té nombre d‟oxidació +5

Exemple 5: Quin és el nombre d‟oxidació de cada un dels àtoms que formen el metà, CH4?


L‟hidrogen és +1, per tant: 0= (+1)·4 + X; X = -4

El carboni en el CH4 té nombre d‟oxidació -4

Exercicis

1 Escriviu els nombres d‟oxidació de cada un dels àtoms en els següents compostos:

a) Ag+ b) Br2 c)MgF2 d) MnO4- e) CO

f) SO42- g) K2S h) KMnO4 i) H2SO3 j) Cl2O7

k) Na2CrO4 l) P4 m) FeO n) K2Cr2O7 o) S4O62-

No us ha sorprès el valor del nombre d‟oxidació del sofre en l‟ió S4O62-?

2 Quin és el nombre d‟oxidació del nitrogen en cada un dels següents ions o molècules?

NH3 N2H4 NH2OH N2 N2O NO NO2- NO2 NO3

-



RMT 4.3 Els forats més grans del món

Què en sabeu del coure i del seu procés d‟obtenció a partir de la seva mena?

Actualment el coure ha esdevingut un material clau per a molts processos industrials fet que ha originat i diversos conflictes socials, la figura 1 intenta recollir les causes i conseqüències del problema.

Començarem aquesta activitat amb una cerca d‟informació i l‟elaboració d‟una breu presentació

sobre els processos metal·lúrgics i químics en relació al coure. Podeu presentar l‟informe en

unes diapositives amb imatges i comentaris breus per tal de poder-ho explicar als vostres companys.

La web http://lfl.es/cat/canal-media-mon-cobre.asp presenta una col·lecció de vídeos sobre el coure i la seva importància a nivell tecnològic i social.

Els forats més grans del món. Mines de coure a cel obert.

L‟alumini, el ferro i el coure ens són absolutament imprescindibles. L‟alumini és el metall més abundant de l‟escorça terrestre, el ferro és el metall més abundant a la Terra. Els minerals que contenen aquests metalls es van formar simultàniament amb els minerals que contenen plata, plom, zinc, molibdè, tungstè, estany i altres metalls en els dipòsits hidrotermals. En altres paraules, es van formar a partir d'aigua calenta. L'aigua de les profunditats de la Terra es troba sota pressions enormement superiors a la pressió atmosfèrica. És com una olla de pressió gegant en la qual aquestes grans pressions eviten l'ebullició de l'aigua. Les altes temperatures afavoreixen la dissolució. Molts compostos insolubles en les condicions familiars del laboratori són solubles en les aigües profundes sobreescalfades fins el punt que aquests compostos poden arribar a molt altes concentracions.

La calcopirita CuFeS2, és el principal mineral de coure de les vetes hidrotermals. Quan les vetes són exposades a l'aire i a l'aigua de la superfície de la Terra, la calcopirita es transforma en

Figura 1. El coure: el negoci més rendible.

http://lfl.es/cat/canal-media-mon-cobre.asp



òxids, hidròxids i carbonats de coure i ferro. Exemples: Cu2O (cuprita), Cu2(OH)2CO3

(malaquita), CuO (tenorita) , Cu3(OH)2(CO3)2 (atzurita).

Cap a finals del segle XIX la demanda de coure es va disparar com a conseqüència de la necessitat de cables conductors i altres dispositius sorgits de la "era de l'electricitat". Els dipòsits de coure no eren suficientment rics per a atendre aquesta demanda pel que devien ser usats fins i tot els dipòsits amb només 0,5%-1% de riquesa. Una localització de tals dipòsits es va efectuar en el '”Bingham Canyon' als EE.UU , prop de Salt Lake City en l'estat de Utah (figura 2). L‟altra es troba als deserts al nord de Xile: Chuquicamata. La mina té una forma el·líptica, amb

una superfície d'uns 8.000.000 m² i uns 1.250 metres de profunditat (figura 3).

Figura 2. Bigham Canyon, Utha, EEUU Figura 3. Chuquicamata, Calama, Xile

A Bigham Canyon, des de 1896 s'ha estat extraient coure d'aquell lloc (figura 2). A Chuquicamata, des de 1915 (figura 3). Des d'aleshores s'han tractat més de 5.000.000.000 tones de material a cada una de les mines. Ben segur que són entre els forats més grans de la superfície de la Terra.

El desenvolupament de la tècnica de flotació en escuma va fer possible separar la calcopirita de les roques i va convertir la mineria del coure en econòmicament rendible.

Pots consultar aquesta web per a obtenir més informació: http://www.es.ritchiewiki.com/wikies/index.php/Mina_Bingham_Canyon

Hi ha quatre etapes principals: extracció, concentració, fosa i refinament electrolític. Tot a una escala enorme.

Extracció

De la mina de Chuiquitamata, s‟extreuen cada dia 450.000 tones de mineral transportades en 64 camions. Cada camió transporta 255 tones de mineral (figura 4). Els camions buiden la seva càrrega en una cinta transportadora de 4,8 km de llarg, que porta el mineral a l‟etapa de

concentració.

Figura 4. Un dels camions de la mina de Chuquitamata. Cada roda té quasi 3 metres de diàmetre

http://www.es.ritchiewiki.com/wikies/index.php/Mina_Bingham_Canyon



Concentració

El primer pas és convertir els trossos de roca en una fina pols per mitjà d'una sèrie de molins trituradors. D'aquesta manera els grans de mineral de coure queden alliberats. La flotació en escuma separa posteriorment els grànuls de mineral de coure de la resta de la barreja. El treball que la flotació porta a terme consisteix a separar la valuosa calcopirita, el 0,5% de la roca original, del 99,5% restant, material sense valor.

En la flotació en escuma, una substància química, un “floculant”, s'afegeix a la barreja aigua-mineral unint-se a la superfície dels grans de calcopirita i proporcionant-los un recobriment d'hidrocarburs hidròfob. S'afegeix un detergent i s'insufla aire en la barreja originant-se l‟escuma. Com resultant del recobriment hidròfob, els grans de calcopirita es concentren en

l'escuma i poden ser recollits. Així el percentatge de coure augmenta de 0.5% a aproximadament 30% produint-se un material en el qual el coure és gairebé 60 vegades més concentrat que en el mineral extret. La figura 5 mostra l‟etapa de la concentració.

Figura 5. Etapa de concentració.

La pasta de mineral de coure i aigua produïda en la flotació es bomba al forn de fusió; la resta s'evacua a una bassa de residus. Tals basses de residus necessiten una curosa manipulació per evitar catàstrofes causades per el trencament de les vores de les basses.

Fosa

L'obtenció de coure a partir del concentrat de calcopirita es realitza en el forn en una etapa simple. L'equació completa del procés és

8 CuFeS2 + 21 O2 8 Cu + 4 FeO + 2 Fe2O3 + 16 SO2

Els òxids de coure es combinen amb sílice SiO2, també afegida al forn, i formen l‟escòria - una crosta de baixa densitat que sura en la superfície.

El coure que surt del forn conté encara un 1%-2% de sofre. Aquest sofre s'elimina com diòxid de sofre bombollejant aire a través del metall fos. El possible òxid de coure que es formi serà reduït amb metà. Finalment el coure es solidifica en forma d'ànodes llests per al refinament electrolític.

Trossos de roca que contenen calcopirita

pols fina es barreja amb aigua

floculant

aire + detergent

el floculant s'adhereix als grànuls de calcopirita

les bombolles d'aire, floten a la superfície, arrossegant els grànuls amb el floculant

1 2 3 4

5 6



Exercici i qüestions

1. Tal i com s‟explica en el text, la calcopirita es transforma en òxids, hidròxids i carbonats de coure i ferro, com són: Cu2O (cuprita), Cu2(OH)2CO3 (malaquita), CuO (tenorita), Cu3(OH)2(CO3)2 (atzurita).

Calculeu el nombre d‟oxidació del coure en cadascun d‟aquests minerals.

2. Tal i com s‟explica en el text, l'obtenció de coure a partir del concentrat de calcopirita es realitza en el forn en una etapa simple. L'equació completa del procés és

8 CuFeS2 + 21 O2 8 Cu + 4 FeO + 2 Fe2O3 + 16 SO2

Escriviu en el nombre d‟oxidació del Cu, Fe, S, O en la reacció, expliqueu quines

espècies químiques s‟oxiden i quines es redueixen i argumenteu perquè es tracta d‟una

reacció redox.

3. La mineria i el tractament dels minerals poden tenir associats riscos ambientals, alguns dels quals es troben en aquesta llista.

soroll residus sòlids pols i fum contaminació aquosa gasos tòxics

Construïu una taula amb una quadrícula de 3 x 5 i introduïu en ella els riscos associats amb cadascuna de les següents operacions : extracció, concentració i fusió.

4. Quines precaucions poden prendre les companyies mineres per tal de reduir o eliminar els efectes dels riscos assenyalats en la l‟apartat anterior?

5. Aquest exercici et pot fer reflexionar sobre els residus produïts en Bingham Canyon cada dia.

La companyia processa 200 000 tones de roca d'una densitat mitjana de 2,5 tones per metre cúbic cada dia. La roca conté una mitjana de 0,5% de coure en massa.

a) Quin volum de roca s'extreu cada dia?

b) Quin volum aproximat de residu, es produeix diàriament?

c) Quina de les etapes - extracció, concentració i fusió - contribueix significativament a la producció de residus?

d) Un camp de futbol mesura aproximadament uns 10.000 m2. Suposa que s‟omple de

runes fins una alçada de 2 m. Compara el volum de runes que omplirien el camp de futbol amb el volum de residus produït cada dia en Bigham Canyon.

6 La figura 6 mostra les mines a cel obert de bauxita a Gánt, Hongria. La bauxita és el mineral de l‟alumini, un aglomerat en el que l‟alumini es troba en forma de diversos òxids (d‟alumini i altres metalls), entre ells la gibbosita Al (OH)3.

L‟obtenció de l‟alumini es realitza en dues

fases: A)l‟extracció de l‟alúmina a partir de la

bauxita (procés anomenat mètode Bayer) i

B) l‟extracció de l‟alumini a partir de l‟alúmina

(per electròlisis).

En la fase A, per separar l‟hidròxid d‟alumini

d‟altres impureses, es tritura de la bauxita i es

Figura 6. Mines de bauxita a Gánt, Hongria.



tracta amb una solució calenta d‟hidròxid de sodi, de manera que té lloc la reacció:

Al(OH)3 + Na+ + OH- → Al(OH)4- + Na+

Mitjançant filtració se separen les impureses i la solució de filtrat es refreda i es recristal·litza l‟hidròxid d‟alumini.

L‟hidròxid d‟alumini es calcina a temperatures properes als 1000 °C i es forma l‟alúmina

(Al2O3).

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

a. Expliqueu de manera raonada si les dues reaccions anteriors corresponen a processos d‟oxidació-reducció.

b. La reacció d‟obtenció d‟alumini a partir de l‟alúmina, és una reacció redox? Per què?

c. Per saber-ne més, podeu preparar un informe sobre l‟obtenció de l‟alumini a partir dels minerals i els possibles riscos que comporten els processos. Podeu presentar l‟informe

en unes diapositives amb imatges i comentaris breus. Les imatges han d‟ajudar-vos per fer els vostres comentaris com si presentéssiu una conferència a un públic entès.

Cal identificar les reaccions redox implicades en el procés, i els compostos que actuen com a oxidants i com a reductors.

Us pot ajudar en la comprensió del processos extractius explicats la informació del vídeo que podeu trobar a https://tv.upc.edu/continguts/Fang-toxic-corrosiu i que també utilitzareu en l‟activitat RMT 5.3

https://tv.upc.edu/continguts/Fang-toxic-corrosiu



RMT 4 .4 Els lantànids verds: metalls del mon tecnològic actual

Ni plata, ni or, ni platí. Els metalls més cobejats al món hipertecnològic del segle XXI són els lantànids verds.

Figura 1. Molts aparells electrònics com ara els mòbils contenen terres rares.

Figura 2. Cotxe híbrid amb tecnologia que utilitza elements de les terres rares.

Es tracta d‟una vintena d‟elements utilitzats en la producció d‟aparells electrònics, presents als

telèfons mòbils o MP3 (figura 1). També són útils en l‟automoció experimental, sobretot en

vehicles híbrids i elèctrics (figura 2), tot i que hi ha qui considera que ni tan sols la Xina podrà satisfer la demanda creada pel creixement del sector. La indústria militar també fa ús d‟aquests materials, com a components essencials dels sistemes de guiatge de míssils. Per si no n‟hi

hagués prou, aquests minerals escassegen, cosa que es pot deduir de la denominació del seu propi grup: “terres rares”. La figura 3 mostra la situació i percentatge de reserves de terres rares.

Figura 3. Situació i percentatge dels jaciments de terres rares.

http://autos.globaltimes.cn/china/2009-09/464783.html

http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/rare_earths/



Posseir matèries primeres clau sempre ha servit d‟arma geopolítica, però potser en aquest cas la situació és extraordinària. El 95% de les reserves de lantànids es troba a la Xina. Ja fa 15 anys que el gegant asiàtic va decidir invertir molts diners en l‟extracció d‟uns minerals pels quals

ningú s‟hagués arriscat. Una visió de futur a llarg termini i el poder econòmic d‟una nació en auge ho van fer possible. Que serveixi com a exemple que països com els Estats Units o el Japó importen de la Xina el 90% d‟aquests materials.

Segons el govern xinès, avui la demanda de terres rares ronda les 130.000 tones, mentre que només la Xina ja en va produir l‟any passat 144.000. Ara es pretén limitar aquesta producció a

118.000, de manera que sigui suficient, però no excessiva, per al mercat.

Originàriament, els elements lantànids s‟anomenaren terres rares perquè se les trobava com una barreja d‟òxids, que antigament s‟anomenaven cals o terres. Però, no són elements escassos, ja que existeixen grans dipòsits en Escandinàvia, Índia, Rússia, EUA, Austràlia i Xina coneixent-se un gran nombre de dipòsits més petits, distribuïts en molts altres llocs. Els dipòsits estan formats per un gran nombre de minerals, essent un dels més importants la monacita que es troba generalment en forma d‟arena obscura, pesada i de

composició variable.

Moltes de les terres rares no ho són pas de rares, reben aquest nom perquè és difícil aïllar-les. El mètode d‟extracció amb solvents emprat

actualment per separar terres rares es basa en les lleugeres diferències de solubilitat que tenen els compostos de terres rares en dos líquids immiscibles (normalment una fase aquosa i una altra d‟orgànica).

En els webs següents, trobareu informació sobre aquest grup d‟elements, les “ terres rares”

http://www.elperiodico.cat/ca/noticias/ciencia-i-tecnologia/20101220/falta-minerals-oblidats-hipoteca-les-noves-tecnologies/630899.shtml; http://revista.iesandreusempere.org/?p=317

Feu la recerca corresponent i elaboreu :

Un gràfic comparatiu dels preus dels metalls utilitzats en les noves tecnologies de la comunicació.

Un quadre comparatiu de: països productors, minerals d‟origen, utilitats tecnològiques i problemes socioambientals relacionats.


1. Al web http://quimica.laguia2000.com/elementos-quimicos/tierras-raras podeu trobar més informació sobre les aplicacions de les terres rares i alguns dels seus compostos, com per exemple: Gd2O2S (oxisulfur de gadolini), La2O2S (oxisulfur de lantà), LaOBr (oxibromur de lantà).

Quin és el nombre d‟oxidació del gadolini i del lantà en aquests compostos?

2. El gadolini es pot obtenir per reacció del fluorur de gadolini (GdF3) amb calci.

Quin canvi en el nombre de reducció experimenta el gadolini en aquesta reacció? Quin reactiu s‟oxida i quin es redueix? Quin és l‟oxidant i quin el reductor?

3. El lantà, com altres terres rares es troba a la natura formant compostos a causa de la seva

reactivitat química. Es pot obtenir per reacció del fluorur de lantà anhidre amb calci. 2LaF3 + 3Ca → 3CaF2 + 2La

La reacció anterior és una reacció redox? Per què?

Figura 4. Procés d’aïllament o separació de les terres

rares.

http://www.elperiodico.cat/ca/noticias/ciencia-i-tecnologia/20101220/falta-minerals-oblidats-hipoteca-les-noves-tecnologies/630899.shtml

http://www.elperiodico.cat/ca/noticias/ciencia-i-tecnologia/20101220/falta-minerals-oblidats-hipoteca-les-noves-tecnologies/630899.shtml

http://revista.iesandreusempere.org/?p=317

http://quimica.laguia2000.com/elementos-quimicos/tierras-raras



RMT 4.5 Quina quantitat de ferro (II) hi ha en un comprimit?

Objectiu Determinar el percentatge de ferro que conté un comprimit de ferro per al tractament i la prevenció de la deficiència de ferro i l'anèmia ferropènica.

Introducció La tècnica que farem servir és la valoració, aprofitant que els ions Fe2+ reaccionen amb els ions permanganat MnO4

- en medi àcid.

Una valoració és un mètode quantitatiu d'anàlisi que es pot usar quan dues solucions reaccionen entre elles. Una determinació quantitativa té com a finalitat respondre a preguntes com "quina quantitat de... hi ha en...?"

Una solució de la qual desconeixem la concentració del solut (podria ser, per exemple, la solució d'un fàrmac amb una certa quantitat de ferro) es col·loca en un matràs erlenmeyer. Una altra solució, de la qual sí que coneixem la concentració del solut, es col·loca en una bureta. En deixar caure el líquid de la bureta sobre el líquid del matràs erlenmeyer, es produeix la reacció química, que en les valoracions implica un canvi de color, ja sigui perquè es forma una nova substància de color diferent, o be perquè una substància afegida anomenada indicador, canvia de color.

La solució de permanganat de potassi (color violat), de la qual coneixem la seva concentració, es col·loca en la bureta. La solució que conté el ferro, en forma d'ions Fe 2+(aq) (color verd clar), de la qual desconeixem la concentració, es posa en el matràs erlenmeyer. La reacció química que es produeix en mesclar les dues solucions és: 5 Fe2+(aq) + MnO4

-(aq) + 8 H+(aq) 5 Fe3+(aq) + Mn2+(aq) + 4 H2O(l) verd clar violat groc incolor solució solució de de sulfat permanganat de potassi de ferro (II) Observeu que el color violat de la solució de permanganat desapareix quan reacciona amb els ions Fe2+. Això ens proporciona un mètode visual per saber quan s'ha acabat la valoració, ja que un cop hagin reaccionat tots els ions de Fe2+, una gota més de la solució de permanganat farà que la mescla de l'erlenmeyer es torni de color violat. Material i reactius Vas de precipitats Matràs aforat 250 mL Embut Bureta Pipeta i succionador Morter

Pastilles de Fe2+

Àcid sulfúric 1M KMnO4 0,02 M

Procediment Muntatge i execució de l'experiència 1 Peseu un comprimit. Llegiu el que diu l'envàs sobre el seu contingut. Preneu nota també de: - la marca i el laboratori que fabrica el fàrmac. - la massa de ferro que conté segons el fabricant.



2 Els comprimits que analitzareu van recoberts d'un colorant vermell soluble en aigua. El color pot interferir en la valoració i per això, cal que elimineu el colorant fregant els comprimits amb els dits i força aigua de l'aixeta.

3 Poseu tres comprimits en un vas de precipitats amb uns 100 mL d‟aigua destil·lada i afegiu 25

mL de solució d‟àcid sulfúric 1 M. Escalfeu l‟aigua fins que bulli i es dissolgui tota la pastilla. (hi ha parts de la pastilla de ferro que són insolubles, però això no afecta a aquesta valoració).

4 Deixeu refredar el vas. Amb ajut de l'embut, transferiu el líquid a un matràs aforat de 250 cm3. Esbaldiu dues vegades el vas de precipitats i la vareta, per assegurar-vos que tot el ferro que havia en la pols de les pastilles està ara dins el matràs aforat.

5 Arraseu el matràs aforat amb aigua destil·lada. Tapeu i homogeneïtzeu la solució capgirant el matràs.

6 Amb la pipeta i el succionador, transvaseu 25 cm3 de la solució al matràs erlenmeyer.

7 Ompliu la bureta amb la solució de permanganat de potassi arraseu-la al zero.

bureta mal omplerta: queda una bombolla d'aire bureta ben omplerta 8 Valoreu els 25 cm3 de la solució de Fe2+ dels comprimits. Repetiu la valoració les vegades necessàries fins que dues de les lectures del volum gastat de la bureta siguin coincidents o difereixin només en 0,1 cm3.

Conclusions

Anàlisi de les dades Feu-vos un esquema de càlcul per trobar:

a) La quantitat (mols) de MnO4- que han reaccionat amb els 25 cm3 de la solució de Fe2+. Per

fer-ho heu de tenir en compte que 1 L de la solució d‟ions permanganat conté 0,02 mols.

b) La quantitat de Fe2+ que hi havia en els 25 cm3 del matràs erlenmeyer (per fer-ho heu de tenir en compte que 1 mol d‟ions permanganat equival a 5 mols d‟ions Fe

2+).

c) La quantitat de Fe2+ en els comprimits que heu posat a l‟inici.

d) La massa de Fe2+ en un comprimit.

50

40

30

20

10

0



Qüestionari

1 Compareu els vostres càlculs amb el valor indicat pel fabricant. Coincideixen els valors? Podeu donar alguna raó per explicar aquesta diferència, si n'hi ha cap?

2 Compareu el vostre resultat amb dels altres companys. Tots heu seguit el mateix procediment, per tant tots hauríeu d'haver obtingut el mateix resultat. És així? Expliqueu segons el vostre parer, perquè hi ha diferències, si és que n'hi ha cap.

3 A continuació es descriuen quatre accions en el procediment que podrien portar a errors sobre el valor del percentatge de ferro. Indiqueu si implicarien un valor més alt o més baix que el valor real:

I La bureta contenia una mica d'aigua destil·lada quan s'ha omplert amb la solució de permanganat de potassi.

II S'ha deixat una bombolla d'aire en la punta de la bureta. III L'erlenmeyer conté aigua destil·lada abans d'abocar-hi la solució dels comprimits. IV No hem tret el colorant vermell dels comprimits.

Informe L‟informe que heu de presentar ha de tenir:

Introducció: què és una valoració. Objectiu de l’experiment: Procediment: en forma d‟un esquema de treball, no heu de copiar el text de les instruccions Resultats obtinguts i observacions personals: en forma de taula de dades Conclusions: seguint el que diu a “anàlisi de les dades” Qüestions:



RMT 4.6 Una reacció d’obtenció de coure. Reactiu limitant En aquesta activitat pràctica, fareu reaccionar l’alumini amb els ions coure (II), variant les

quantitats de cada un dels reactius. Es tracta d’observar en quins casos la reacció es fa sense

que sobri cap dels reactius i en quins casos hi ha un reactiu que està en excés.

Introducció

En qualsevol reacció química, els reactius han d‟estar en una determinada proporció. Quan no

ho estant, un dels reactius està en excés i l‟altra, s‟anomena el “ reactiu limitant” Material i reactius

Vasos de precipitats de 100 cm3 (4) (o qualsevol recipient de vidre) Balança (sensibilitat 0,01 g) Ulleres de seguretat

Paper d‟alumini Solució de clorur de coure 1,0 mol·dm -3

Procediment

1. Mesureu una longitud de paper d‟alumini d‟ 1,00 m. Sense arrugar-lo massa, determineu la seva massa amb la balança. Això ens permetrà calcular quina és la massa d‟un tros

qualsevol d‟aquest paper d‟alumini i ens estalviarà fer moltes pesades.

2. Prepareu quatre vasos de precipitats (o qualsevol recipient de vidre) amb els següents volums de solució de CuCl2(aq):

3. Retalleu trossos de paper d‟alumini de manera que les masses siguin: 4. Completeu ara el quadre següent: mL de solució 1,0 mol·dm3 d‟ions

Cu2+

massa d‟Al (g) mols ions Cu2+ mols Al proporció Cu2+ : Al

30 0,81 20 0,27 30 0,54 20 0,81

Poseu-vos les ulleres de seguretat. Eviteu respirar els fums que es desprenen en la reacció.

0,81 g 0,81 g0,27 g 0,54 g

30 cm3 30 cm320 cm3 20 cm3

A B C D



Què passarà en barrejar els dos reactius?

1- La reacció entre els ions Cu2+ i l‟alumini es una reacció d‟oxidació-reducció. L‟alumini

redueix el Cu2+ a metall coure en presència dels ions clorur, i s‟oxida a Al3+. Escriviu

l‟equació de la reacció.

2- D‟acord amb l‟equació i segons les proporcions de la taula que heu omplert, en quin o quins casos la reacció serà completa i no sobrarà cap dels reactius? En quin o quins casos sobrarà algun dels reactius i serà llavors el reactiu limitant?

Comprovació de les prediccions. Observació de la reacció

Talleu en retalls petits cada un dels trossos de paper d‟alumini. Llenceu els retalls dins de cada un dels corresponents vasos amb les solucions d‟ions Cu

2+ i observeu les reaccions. Descriviu tot el que observeu.

Conclusions

Compareu les vostres prediccions amb el que heu observat:

a) En quin o quins dels recipients hi ha hagut una reacció completa?

b) En quin o quins recipients ha sobrat algun dels dos reactius? Quin és el reactiu limitant en cada cas?

Llenceu els residus al contenidor corresponent.

Ajuda: Si han reaccionat tots els ions Cu2+, la solució queda incolora.



RMT 4.7 La química dels halògens

En aquesta activitat realitzareu algunes reaccions d’oxidació-reducció entre els halògens i els ions halur i haureu d’identificar l’aspecte dels halògens sense dissoldre (figura 1) i dissolts en algun solvent. Això us ajudarà a entendre el què passa en les aquestes reaccions i a poder decidir les substàncies que hi intervenen es comporten com a oxidants o reductors.

L‟home obté, a partir de recursos naturals, substàncies que utilitza amb alguna finalitat. Un d‟aquests exemples és la obtenció de metalls a partir dels minerals. Un altre exemple és la

obtenció de brom a partir del bromur que hi ha a l‟aigua de mar. - Què creieu que tenen en comú aquestes dues transformacions? Per què? - En la seva reacció per obtenir metalls i brom, respectivament, experimenten el mateix procés els ions del metall del mineral que el brom de l‟aigua de mar? El brom Br2 actualment és un important article industrial que es manufactura a gran escala. La seva aplicació més important és la producció d‟ignífugs. S'usa també en la purificació d'aigua i

en la manufactura de colorants i productes agrícoles. Són oxidants o reductors els halògens? Quins ho són amb major grau? En quines substàncies es transformen quan es redueixen?

Material Productes

Plantilla per reaccions a microescala

Comptagotes

Solució de brom

Solució de clor

Solució de iode

Hexà

o Oli Johnson

Solució de clorur de potassi

Solució de iodur de potassi

Solució de bromur de potassi

Solució de nitrat de plata

Porteu ulleres de seguretat

Figura 1. Aspecte del clor, brom i iode respectivament.



1. Aspecte i solubilitat dels halògens Observeu els flascons amb les solucions dels halògens en aigua i en hexà. Preneu nota en la taula 1. Cl2 Br2 I2 Estat a temperatura ambient (298 K)

Gas Líquid Sòlid

Color en solució aquosa

Color en solució d‟hexà o Oli Johnson

Taula 1. Coloracions observades en solució aquosa i en solució d‟hexà o en Oli Johnson .

2. Reaccions d’oxidació-reducció entre els halògens i els ions halur

Per fer aquestes reaccions treballareu sobre un full de plàstic transparent situat sobre la plantilla 1 que trobareu al full següent. Utilitzareu quantitats de reactius a microescala.

Completeu la taula 2 indicant, en les caselles corresponents, el color que apareix quan mescleu una o dues gotes de cada solució.

Afegiu després una gota d‟hexà o d‟oli Johnson i torneu a anotar el color que observeu i repetiu les reaccions fins a estar segurs dels resultats obtinguts.

Cl2 Br2 I2

Cl-(aq)

Br-(aq)

I-(aq)

Taula 2. Coloracions observades abans i després d‟afegir l‟hexà o l‟oli Jonhson.

Tenint en compte les vostres observacions, escriviu, en cada cas, les reaccions que s‟han produït.

Escriviu les vostres conclusions i ordeneu els halògens per ordre creixent de caràcter oxidant.

3. Reaccions dels halurs amb l’ió plata

Feu servir la plantilla 2 per a les reaccions a microescala i completeu la taula 3. Preneu nota en les caselles corresponents del color que apareix, quan mescleu una o dues gotes de cada solució.

Escriviu les corresponents reaccions que s‟han produït.

Cl-(aq) Br-(aq) I-(aq)

Ag+

Taula 3. Coloracions observades quan es mesclen una o dues gotes de cada solució.

Tenint en compte les vostres observacions, escriviu, en cada cas, les reaccions que s‟han produït.

Escriviu les vostres conclusions.



PLANTILLA 1 Reaccions d’oxidació-reducció entre els halògens i els ions halur

Cl2 Br2 I2

Cl-(aq)

Br-(aq)

I-(aq)

PLANTILLA 2 Reaccions dels halurs amb l’ió plata

Cl-(aq) Br-(aq) I-(aq)

Ag+



RMT 4.8 Síntesi-Conceptes. Què he après? En aquesta activitat trobareu una llista amb els punts fonamentals que convé que tingueu recollits en els vostres apunts i unes qüestions per comprovar els vostres coneixements de química. Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades alguns d‟aquests punts en estudiar unitats posteriors. • L‟estructura i la composició dels compostos iònics • El significat dels conceptes: solubilitat i concentració • Les diferents maneres de calcular la concentració d‟una solució i la manera de preparar una

solució • La representació de les reaccions de precipitació • El procés d‟osmosi i la seva importància • Representació de les reaccions redox mitjançant semi-equacions o mitjançant l‟equació global • Com assignar els estats d‟oxidació per decidir l‟element que ha estat oxidat i el que ha estat

reduït en una reacció redox • Les propietats dels halògens i la seva reactivitat relativa • Una idea de la importància econòmica i de les implicacions mediambientals de l‟obtenció dels

metalls a partir dels minerals Exercicis i qüestions

1- Identifiqueu entre les reaccions químiques següents les que són redox i indiqueu l‟element que s‟oxida i el que es redueix.

a. 2 CuO(s) + C(s) → 2 Cu (s) + CO2(g) b. HCl + NH3 → NH4

+ + Cl- c. 3 ClO-

(aq) → ClO3-(aq) + 2 Cl-(aq)

d. Ca(OH)2(aq) + 2 HBr(aq) → CaBr2(aq) + 2 H2O(l) e. CuSO4(aq) + 2NaOH(aq) → Na2SO4(aq) + Cu(OH)2(s) f. CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) g. NH4

+ + CO32-

→ NH3 + HCO3-

h. Mg(s) + 2 H+(aq) → Mg

2+(aq) + H2(g)

Identifiqueu també les que siguin de precipitació i indiqueu quins són els ions que reaccionen i quins els ions espectadors.

2. En cada una de les reaccions següents, determineu els estats d‟oxidació dels àtoms i a

continuació indiqueu quin s‟oxida i quin es redueix.

a. 2 Fe(s) + 3 Cl2(g) 2 FeCl3(s) b. H2(g) + Cl2(g) 2 HCl(g) c. 2 F2(g) + 2 H2O(l) 4 HF(g) + O2(g) d. Cl2(g) + 2OH-(aq) Cl-(aq) + ClO-(aq) + H2O(l) e. 8I-(aq) + 8 H+(aq) + H2SO4(l) 4 I2((aq) + H2S(g) + 4H2O(l) f. 4 HCl(aq) + MnO2(s) Cl2(g) + MnCl2(aq) + 2H2O(l) g. 10 HNO3(aq) + 4 Zn (s) 4 Zn(NO3)2(aq) + NH4NO3(aq) + 3 H2O(l) h. K2Cr2O7(aq) + 5 H2SO4(aq) + 3 H2S(g) Cr2(SO4)3(aq) + 2 KHSO4(aq) + 3 S(s)

+ 7H2O(l)



3. Entre les següents reaccions indiqueu aquella en la qual l'àcid sulfúric actua com a oxidant:

a. H2SO4 + CaO CaSO4 + H2O

b. 2 H2SO4 + K2CO3 2 KHSO4 + CO2 + H2O

c. H2SO4 + NaNO3 NaHSO4 + HNO3

d. 2 H2SO4 + C CO2 + 2 SO2 + 2 H2O

e. H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2 H2O

4. Copieu el següent mapa conceptual i completeu-lo amb les paraules que falten:

UN OXIDANT Reacció de REDUCCIÓ Nombre d'oxidació Reacció d‟ OXIDACIÓ

UN REDUCTOR Oxigen electrons



5. En la fabricació de brom a partir de solució concentrada de bromur de magnesi es fa servir una solució 3,0 mol dm-3 d‟aquesta sal, que reacciona amb clor gasós.

a. Escriviu l‟equació de la reacció d‟obtenció de brom a partir del bromur de

magnesi.

b. Calculeu la massa de clor que ha de reaccionar amb un volum de 5 m3 de la solució concentrada de bromur de magnesi.

c. Quin volum ocuparia aquesta massa de gas clor en condicions normals?

d. Quina massa de brom pot obtenir-se a partir dels 5 m3 de la solució de bromur de magnesi? Resp. b)1065 kg; b) 340,5 dm3; c) 2400 kg

6. El lleixiu és una solució aquosa que conté hipoclorit de sodi, NaClO i clorur de sodi. Totes dues substàncies són iòniques.

a. El lleixiu serà conductor del corrent o no ho serà?. Expliqueu la resposta.

b. Si afegim un àcid, com el HCl, al lleixiu, es desprèn gas clor. La reacció és:

NaClO(aq) + 2 HCl(aq) Cl2(g) + NaCl(aq) + H2O(l)

Quina massa de gas clor es desprèn quan usem 25 cm3 de solució 2,0 mol·dm -3 d'àcid?

c. Mostreu que la reacció anterior és d‟oxidació-reducció. Resp. b) 1775 g

7. El coure és un dels metalls més necessaris actualment. La mina El Teniente a Xile és una de les de més producció de coure del món.

Les roques, un cop triturades i polvoritzades passen per un procés anomenat "flotació en escuma", després mitjançant uns forns, s'obté el metall coure. Amb una part dels gasos que es formen en la fosa es produeix àcid sulfúric, que es fa servir a la mateixa planta.

a. Expliqueu en què consisteix el procés de "flotació en escuma".

b. La reacció química en els forns és: CuS(s) + O2(s) Cu(s) + SO2(g). Comproveu que és una reacció redox, indicant els corresponents estats d‟oxidació en

cada un dels compostos.

.



RMT5

pàg.

Impactes ambientals de la mineria i la metal·lúrgia

Els impactes dels vessaments de basses mineres en les aigües. Vessaments i abocament àcids i de pH bàsic. La reacció de neutralització per minimitzar els efectes.

Àcids i bases. Teoria d’Arrenhius i de Bronsted-Lowry. Dissociació iònica. Àcids fort i àcids febles.

pH. Indicadors. Reaccions àcid-base. Neutralització. Valoracions àcid-base.

RMT5.1

(CC)

125 Fums tòxics de la metal·lúrgia

Àcids i bases. Propietats dels àcids i dels bases. Teories d’Arrenhius i de Bronsted-Lowry. Reacció de neutralització.

RMT5.2

(CC)

131 Vessaments de residus àcids d’explotacions mineres

Àcids forts i àcids febles.

RMT5.3

(CC)

136 Com minimitzar l’impacte dels abocaments

pH i indicadors.

Reacció de neutralització (aplicació)

RMT5.4

(CC)

141 Emissions de gasos i pluja àcida. Obtenció de SO2

i les seves propietats.

Propietats dels àcids.

RMT5.5

(TE)

143 Obtenció de CO2 i anàlisi de les seves propietats

Propietats dels àcids. Reaccions de precipitació.

RMT5.6

(TE)

146 Quina acidesa té la pluja àcida ?

Valoració d’una aigua de pluja

Valoració àcid-base

RMT5.7

(TE)

149 Síntesi-conceptes. Què he après?



RMT 5.1 Fums tòxics de la metal·lúrgia pàg.125

RMT 5.2 Vessaments de residus àcids d‟explotacions mineres pàg. 131



RMT 5.3 Com minimitzar l‟impacte dels abocaments tòxics pàg. 136

RMT 5.4 Obtenció de SO2 i estudi de les seves propietats pàg. 141



RMT 5.5 Obtenció de CO2 i anàlisi de les seves propietats pàg. 143

RMT 5.6 Determinació del grau d‟acidesa d‟una aigua de pluja pàg. 146



RMT 5.7 Síntesi-conceptes. Què he après? pàg. 149



RMT 5.1 Fums tòxics de la metal·lúrgia

Hi ha molt pocs minerals que reuneixen la condició de poder reduir-se a metall per acció del carbó i del foc. La galena (un sulfur de plom) n‟és un

(figura1). Ara podem reconstruir les reaccions químiques que es posaven en pràctica quan a principis de l‟edat del bronze els nostres avantpassats

amb un senzill foc de camp, fet en un forat a terra, feien la metal·lúrgia del plom. Primer es produïa una torrefacció del sulfur de plom per acció de l‟oxigen de l‟aire: 2 PbS(s) + 3 O2(g) 2 PbO(s) + 2 SO2 (g)

i després l‟òxid de plom era reduït pel carboni: 2 PbO(s) + C(s) 2 Pb(s) + CO2(g)

Com que el plom fon a 327ºC, en el fons del forat anaven gotejant boletes de plom líquid. Afortunadament tot el procés es feia a l‟aire lliure, la qual

cosa evitava una acumulació dels gasos tòxics i irritants de diòxid de sofre, gas que té propietats àcides i que en, combinar-se amb més oxigen i amb la humitat de l‟aire,

forma l‟àcid sulfúric:

SO2 (g) + ½ O2(g) SO3(g)

SO3(g) + H2O(l) H2SO4(aq)

El gas diòxid de sofre també es forma en l‟obtenció de

coure a partir de la calcopirita, quan es fa reaccionar el mineral amb oxigen. L'equació completa del procés és:

8 CuFeS2(s) + 21 O2(g) 8 Cu(s) + 4 FeO(s) + 2 Fe2O3(s) + 16 SO2(g)

Avui en dia, el complex metal·lúrgic de La Oroya a Perú processa 150.000 tones de mineral al dia, dels quals obté zinc, plom, coure, plata, bismut, seleni, antimoni, indi i or.

El procés produeix importants quantitats de diòxid de sofre que provoquen seriosos problemes de contaminació si la seva evacuació a l'atmosfera no es controla estrictament (figura 2). Quan el SO2 que es forma en la torrefacció del sulfur de plom és emès per les xemeneies, reacciona amb O2 i H2O es forma àcid sulfúric, H2SO4. Però, per què és àcid aquest compost? Què tenen en comú tots els àcids? Des que a l‟any 2006, la indústria va instal·lar sistemes de producció d‟àcid sulfúric i les emissions de SO2 a l‟atmosfera s‟han reduït en un 50% (figura 3).

Un altre possible camí per evitar la contaminació ambiental és fer passar el gas SO2 a través d‟aigua i a continuació neutralitzar l‟acidesa de les solucions àcides

amb una substància bàsica.

SO2(g) + H2O(l) H2SO3(aq) H2SO3(aq) + CaO(s) CaSO3(aq) + H2O(l)

Per què té característiques àcides la solució aquosa de H2SO3? Per què diem que l‟òxid de calci CaO(s) és una substància bàsica? Què tenen en comú les substàncies bàsiques? Per què en

Figura 1. La galena, el mineral del plom.

Figura 2. Panorama de La Oroya quan el complex metal·lúrgic emetia grans quantitats de SO2 a l’atmosfera.

Figura 3. El complex de La Oroya després d’instal·lar la producció d’àcid sulfúric.



reaccionar l‟òxid de calci amb una solució àcid es produeix una reacció de neutralització? Què és una reacció de neutralització?

Per poder explicar aquestes reaccions cal saber les característiques de les substàncies anomenades àcids i bases i entendre què són i com són aquestes substàncies, i com reaccionen entre elles mitjançant el que s‟anomena reacció de neutralització.

Àcids i bases La taula 1 mostra un resum de les propietats dels àcids i les bases.

Els àcids Les bases Solubles en aigua Solubles en aigua La solució aquosa és electròlit La solució aquosa és electròlit Tornen de color vermell la solució d‟indicador

universal Tornen de color blau la solució d‟indicador universal

Reaccionen amb els metalls actius com el Mg i el Zn, amb despreniment de gas H2

Reaccionen amb el carbonats, amb despreniment de gas CO2

Neutralitzen les bases Neutralitzen els àcids Taula 1. Propietats dels àcids i de les bases.

La teoria d’Arrhenius per als àcids i les bases Les solucions aquoses dels àcids i de les bases condueixin l‟electricitat (són

electròlits). Per poder explicar aquesta conductivitat elèctrica, un fet experimental, el químic suec Svante Arrhenius (figura 4) va proposar, l‟any

1887, un model per als àcids i les bases.

Segons aquest model, les solucions dels àcids i les bases contenen ions. En el cas dels àcids, la solució aquosa conté ions H+ i en el cas de les bases la solució aquosa conté els ions OH-

Per tant, segons la teoria d‟Arrhenius, el que caracteritza les solucions àcides és l‟existència dels ions H

+, els quals són responsables de les propietats dels àcids, i el que caracteritza les solucions bàsiques són els ions hidròxid, OH-, responsables de les propietats de les bases.

Per exemple, segons la teoria d‟Arrhenius, per a l‟àcid sulfúric (àcid que es pot formar per

reacció del diòxid de sofre amb oxigen i aigua) podríem escriure:

+aigua

H2SO4(l) 2H+(aq) + SO42-(aq)

D‟altra banda, segons la teoria d‟Arrhenius, les bases conten ions hidròxid (OH

-). +aigua

BOH(s) B+(aq) + OH-(aq) Els hidròxids són compostos iònics i en solució aquosa experimenten la dissociació iònica i els seus ions queden en solució; igual que passava amb els ios de les sals, també compostos iònics (RMT1). Segons aquesta teoria, la reacció de neutralització entre un àcid i una base, en la qual es formen molècules d‟aigua, és una reacció entre els ions H+ i OH-

Figura 4. Svante Arrhenius a la seva època d’estudiant.



Una reacció de neutralització és una reacció entre els ions H+ de l‟àcid i els ions OH

- de la base. La neutralització de l‟àcid clorhídric amb l‟hidròxid de sodi es pot escriure de manera en

que s‟indiquin les substàncies (1), però en solució aquosa hi els ions i l‟equació s‟hauria

d‟escriure en forma iònica (2) i eliminant els ions espectadors queda l‟expressió (3).

HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + H2O(l) (1) Cl-(aq) + H+(aq) + Na+ (aq) + OH-(aq) Cl- (aq) + Na+ (aq) + H2O(l) (2) H+(aq) + OH-(aq) H2O(l) (3)

La Teoria de Bronsted i Lowry per als àcids i bases

Tot i que la teoria d‟Arrhenius és útil, no pot explicar la basicitat d‟alguns compostos, com el

cas del gas amoníac, el carbonat de sodi o l‟òxid de calci (emprat en el tractament per evitar les emissions de SO2), que en contacte amb l‟aigua donen solucions bàsiques. De la mateixa manera, tampoc pot explicar que quan es posen en contacte dos gasos, com el clorur d‟hidrogen

i l‟amoníac, es produeix una reacció de neutralització que dóna la substància iònica sòlida clorur

d‟amoni (NH4Cl): NH3(g) + HCl(g) NH4Cl (s)

Els químics Johanes Bronsted i Thomas Lowry (figura 5) van proposar simultàniament l‟any

1923 una teoria que millorava la de Svante Arrhenius. Aquesta teoria proporciona un nou model per als àcids i les bases.

En el cas de l‟àcid sulfúric, aquesta teoria

explica el seu caràcter àcid de la manera següent: l‟àcid sulfúric, reacciona amb l‟aigua,

cedeix protons i forma la solució d‟àcid sulfúric,

la qual conté les espècies SO42- i H3O

+

H2SO4 (l) + 2 H2O(l) 2H3O+(aq) + SO4

2-(aq)

Un altre exemple: el clorur d‟hidrogen gas, que es forma en alguns processos en les plantes incineradores, en reaccionar amb l‟aigua forma la solució d‟àcid clorhídric, la qual conté les

espècies Cl- i H3O+

HCl(g) + H2O(l) H3O+(aq) + Cl-(aq)

Segons aquesta teoria, les bases són acceptors de protons d‟una altra molècula. Això permet

explicar perquè l‟amoníac (NH3) i el carbonat de sodi (Na2CO3) tenen caràcter bàsic. El gas amoníac reacciona amb l‟aigua i forma una solució bàsica que conté els ions hidròxid i

amoni: NH3(g) + H2O(l) NH4

+(aq) + OH-(aq)

Teoria d’Arrhenius Àcid: substància que en solució aquosa dóna ions H+ Base: substància que en solució aquosa dóna ions hidròxid, OH-

Reacció de neutralització: H+(aq) + OH-(aq) H2O(l)

Figura 5. A l’esquerra Johanes Brosnted (danès) en el seu laboratori. A la dreta, Thomas Martin Lowry (anglès) amb el seus gossos preferits.



Quan es dissol el carbonat de sodi en aigua es forma una solució bàsica que conté els ions OH-

El carbonat de sodi es dissocia en els ions (dissociació iònica dels compostos iònics)

Na2CO3(s) 2Na+(aq) + CO32-(aq)

A continuació l‟ió CO32-(aq) reacciona amb l‟aigua acceptant un protó:

CO32-(aq) + H2O(l) HCO3

-(aq) + OH-(aq)

D‟altra banda, el model de Bronsted i Lowry també permet explicar la reacció del clorur

d‟hidrogen HCl(g) amb l‟amoníac NH3(g): les molècules de HCl cedeixen protons, (ions H+),

quedant-se com a ions Cl-, a les molècules de NH3, les quals en guanyar els ions H+ es converteixen en NH4

+.

Les propietats de les solucions àcides es deuen a l‟existència dels ions H3O+, anomenats ions

oxoni, aquests ions es formen quan un protó, H+, forma un enllaç covalent datiu amb una molècula d‟aigua:

H+ + H2O H3O+

Ara, series capaç d‟explicar perquè s‟utilitza òxid de calci per neutralitzar la solució aquosa

obtinguda en posar en contacte el diòxid de sofre emès en el complex metal·lúrgic de La Oroya?

Quan el CaO (s) es dissol en aigua, hi reacciona formant hidròxid de calci:

CaO(s) + H2O → Ca(OH)2(aq).

Aquesta reacció es pot escriure en forma iònica de la manera següent:

CaO(s) + H2O → Ca2+(aq) + 2 OH-

D‟aquesta manera el model de base de Bronsted-Lowry explica les propietats bàsiques de l‟òxid

de calci, tot i que per si mateix no conté ions OH-.

Aquesta substància no encaixaria en el concepte de base d‟Arrhenius, ja que no es dissocia en

ions OH- , el ions OH- es formen en la seva reacció amb l‟aigua (la substància dóna ions OH- en

solució aquosa), és a dir es ionitza.

Podríeu explicar ara, utilitzant les paraules àcid, base i neutralització, per què es fa bombollejar sobre aigua el diòxid de sofre que s‟obté en molts processos metal·lúrgics i per què es fa reaccionar la solució aquosa obtinguda amb l‟òxid de calci CaO(s)?

A banda dels àcids que es generen en la metal·lúrgia, com és el cas del que es formen a partir de les emissions de diòxid de sofre i de conèixer maneres de disminuir aquestes emissions, cal que conegueu que moltes de les substàncies més utilitzades, tant en la vida quotidiana com al món industrial, són àcids i bases. Cal doncs que us familiaritzeu amb els àcids i bases més freqüents, les seves fórmules químiques i els seus usos.

Teoria de Bronsted i Lowry

Àcid: substància que dóna protons a una altra, que actua de base Base: substància que accepta protons d‟una que actua com a àcid Reacció de neutralització: H3O +(aq) + OH-(aq) 2 H2O(l)



Àcids i bases més emprats a casa i a la indústria Els àcids i bases més emprats a casa i a la indústria figuren a la taula 2. A més dels àcids de la taula, cal recordar que hi ha nombrosos àcids carboxílics que podeu consultar en la unitat El futur del petroli.

ÀCIDS Nom Fórmula Utilitats més importants

Àcid clorhídric HCl Per descalcificar, netejar i reaccions a la indústria química Àcid sulfúric H2SO4 Reaccions a la indústria química. Electròlit de les bateries

d‟automòbils Àcid nítric HNO3 Reaccions a la indústria química Àcid fosfòric H3PO4 Reaccions a la indústria química

BASES Nom Fórmula Utilitats més importants

Hidròxid de sodi NaOH Neteja i reaccions a la indústria química Òxid de calci CaO Neutralitzar els sols àcids en agricultura. Fabricació del vidre i

ciment Hidròxid de calci Ca(OH)2 Construcció Hidrogencarbonat de sodi

NaHCO3 Indústria de l‟alimentació i farmacèutica (antiàcid)

Taula 2. Alguns àcids i bases importants.


1. El complex metal·lúrgic de La Oroya a Perú processa 150.000 tones de mineral al dia, dels quals obté zinc, plom, coure, plata, bismut, seleni, antimoni, indi i or.

a. Quina massa de SO2 sortiria diàriament a l‟atmosfera si suposem que el mineral

conté només CuFeS2?

b. Expliqueu per què la instal·lació de sistemes de producció d‟àcid sulfúric en les

indústries emissores de SO2 a l‟atmosfera disminueix les emissions d‟aquest gas a

l‟atmosfera? Escriu les reaccions químiques que acompanyen les vostres

explicacions.

Resp: a)10460 tones SO2

2. L‟àcid clorhídric és una solució aquosa del gas clorur d‟hidrogen HCl(g) en aigua.

Segons la teoria d‟Arrhenius aquesta solució aquosa conté ions H+ i per això l‟àcid

clorhídric és un àcid. +aigua

HCl(g) H+(aq) + Cl-(aq)

Completeu les expressions següents i indiqueu el nom dels ions que hi ha en l‟àcid nítric

i en l‟àcid sulfúric +aigua

HNO3(l) +aigua

H2S(g) 3. a. Indiqueu quines són les espècies que actuen com a àcids i quines actuen com a bases en les reaccions següents: H2SO4 (l) + 2 H2O(l) 2H3O

+(aq) + SO42-(aq)



NH3(g) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)

CO32-(aq) + H2O(l) HCO3

-(aq) + OH-(aq)

b. Un antiàcid molt emprat en farmàcia és l‟hidrogencarbonat de sodi (anomenat vulgarment “bicarbonat”, NaHCO3). Escriviu les corresponents equacions químiques que mostren que és una substància bàsica. Preneu com a model l‟explicació de la

basicitat del carbonat de sodi.

4. Escriviu les equacions de les reaccions de neutralització següents:

a. àcid clorhídric (aq) i hidròxid de calci (aq)

b. àcid sulfúric (aq) i hidròxid de potassi (aq)

c. àcid carbonic (aq) i òxid de calci (s)

d. àcid clorhídric (aq) i carbonat de coure (II)

5. Per identificar el diòxid de carboni que exhalem en la respiració podem fer dos experiments senzills bufant amb una canya dins un recipient que conté aigua amb:

a. un indicador de pH (blau de bromotimol (groc) 6-7,4 (blau))

b. hidròxid de calci en solució

Expliqueu quin color apareixerà en el cas de l‟experiment a i escriviu la reacció que explica l‟aparició de terbolesa en el cas b.



RMT 5.2 Vessaments de residus àcids de les explotacions mineres L‟extracció de minerals i el seu tractament posterior pot presentar greus problemes

mediambientals però també socials i polítics. Un exemple de desastre miner va ser el que va tenir lloc a Aznalcóllar prop de Doñana, el gran parc natural d‟Andalusia, es va produir fa pocs anys

una catàstrofe ecològica en trencar-se la paret de contenció d‟una d‟aquestes basses (figura 1). Es varen abocar al riu metall pesats i una gran quantitat de líquid de pH molt baix. Què vol dir que el pH sigui molt baix? Quin tipus de substància pot contenir un solució aquosa de pH baix? Podeu trobar més informació sobre l‟incident a les pàgines web següents. http://plataformasinc.es/esl/Reportajes/Aznalcollar-o-como-se-pudo-sacar-provecho-de-lo-que-se-aprendio http://es.wikipedia.org/wiki/Desastre_de_Aznalc%C3%B3llar Els abocaments de residus àcids als rius constitueix un delictes ecològics que es podria evitar fàcilment si l‟activitat que genera els abocaments realitza un procés de neutralització d‟aquest

tipus de residus abans de eliminar-los com a rebuig. Les autoritats competents agafen mostres d‟aigua en els punt de l‟abocament i al llarg dels cursos fluvials per fer un seguiment de la

qualitat i detectar possibles incidents. El pH d‟una solució informa de la concentració d‟ions oxoni presents i aquesta concentració

serà més gran, a igualtat de concentració inicial d‟àcid, en el cas de l‟àcid sigui fort que si es

tracta dels anomenats àcids febles. D‟altra banda com més concentrada la solució, més elevada

és la concentració d‟ions oxoni. És freqüent confondre el concepte d‟àcid diluït amb el d‟àcid feble, perquè tant en els cas d‟un

com altres, la concentració d‟ions oxoni és més petita que en el cas que parlem d‟àcids forts i

d‟àcids concentrats. Per ajudar-vos a entendre aquests conceptes us proposem reflexionar sobre el que representen els 4 diagrames següents i respondre i discutir les qüestions proposades.

Figura 1. Trencament d’un mur de contenció de

basses d’aigües residuals. Aznalcóllar.

http://plataformasinc.es/esl/Reportajes/Aznalcollar-o-como-se-pudo-sacar-provecho-de-lo-que-se-aprendio

http://plataformasinc.es/esl/Reportajes/Aznalcollar-o-como-se-pudo-sacar-provecho-de-lo-que-se-aprendio

http://es.wikipedia.org/wiki/Desastre_de_Aznalc%C3%B3llar



Els diagrames següents són possibles representacions d‟una solució concentrada d‟un àcid fort,

d‟una solució diluïda d‟un àcid fort, d‟una solució concentrada d‟un àcid feble i d‟una solució

diluïda d‟un àcid feble. Com es representen les molècules d‟aigua? Com es representen les molècules d‟àcid? Què representen les partícules en càrrega que apareixen als diagrames. Quin del diagrames correspon a àcids que siguin forts, és a dir que en aigua es dissociïn completament? Quins diagrames representen solucions més concentrades? En què us fixeu per poder-ho decidir? Quins diagrames corresponen a àcids febles? Per què? Diagrama 1 Diagrama 2 Dia Diagrama 3 Diagrama 4



Àcids forts i febles

No tots els àcids tenen la mateixa facilitat en cedir els ions H+. Els àcids forts tenen una gran facilitat en cedir els protons. Els àcids febles tenen poca tendència a cedir els ions H+.

Un cop un àcid ha cedit un ió H+, existeix sempre la possibilitat que reaccioni en sentit invers. En els àcids febles aquesta tendència és important. És el cas dels àcids carboxílics, com l‟àcid etanoic o “acètic”;

quan es comporta com un àcid es produeix la reacció següent:

CH3COOH(l) + H2O(l) H3O+(aq) + CH3COO- (aq)

àcid etanoic o acètic aigua ió oxoni ió etanoat o acetat Si a una solució que conté ions etanoat, afegim ions H3O

+ (d‟un àcid), es produirà la reacció inversa que condueix a la formació d‟àcid etanoic:

CH3COO- (aq) + H3O+(aq) CH3COOH(l) + H2O(l)

Com més feble és un àcid , més fàcil és que es produeixi aquesta segona reacció. La taula 1 mostra una llista d‟àcids de més fort a més feble:

més fort

més feble

àcid fórmula perclòric HClO4

clòric HClO3

nítric HNO3 iodhídric HI bromhídric HBr clorhídric HCl sulfúric H2SO4

fosfòric H3PO4 nitrós HNO2

fluorhídric HF sulfurós H2SO3

Metanoic o fòrmic H-COOH benzoic C6H5-COOH etanoic o acètic CH3-COOH carbònic H2CO3 sulfhídric H2S cianhídric HCN

Taula 1. Llistat d’àcids de més fort a més feble

L‟acidesa d‟una solució és deguda a la concentració en ions H

+. Si es tracta d‟un àcid fort totes les molècules de l‟àcid reaccionen amb l‟aigua, de manera que per cada mol d‟àcid, es forma un mol d‟ions

H+, que en la solució aquosa existeixen en forma d‟ions oxoni. Per exemple si tenim àcid nítric de

concentració 1 mol·dm-3:

HNO3 + H2O H3O

+ + NO3-

HNO3 H2O H3O+ NO3

-

Mols inicials 1 0 0 Mols finals 0 1 1

(Observa que no tenim en compte el nombre de mols que intervenen de l‟aigua) En la solució només queden els ions H3O

+ i NO3-.

Però si es tractés d‟un àcid feble, només un percentatge petit de les molècules de l‟àcid, cedeixen protons

a l‟aigua, de manera que si tenim un àcid de concentració 1 mol·dm-3, la concentració en ions H3O+, serà

inferior a la de l‟àcid. Per exemple, si la solució és d‟àcid etanoic:



CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-

CH3COOH H2O H3O+ CH3COO-

Mols inicials 1 0 0 Mols finals 0,9958 0,0042 0,0042

(Observa que no tenim en compte el nombre de mols que intervenen de l‟aigua)

En aquest cas, només un percentatge molt petit de les molècules de l‟àcid reaccionen, per això, la solució

d‟un àcid feble conté a més dels ions H3O+ i dels corresponents anions, una elevada concentració de

molècules de l‟àcid. Bases fortes i febles

Igual que hi ha àcids amb gran facilitat per cedir els ions H+ i altres amb molt poca tendència a ionitzar-se, també trobem bases fortes i febles.

Les bases fortes tenen una gran facilitat en acceptar els protons dels àcids. Les bases febles tenen poca tendència a acceptar els ions H+.

Els hidròxids dels metalls dels grups 1 i 2 són bases fortes, sempre que la seva solubilitat sigui elevada. (així l‟hidròxid de calci no es comporta com una base forta, degut a que és una substància poc soluble en

aigua). Com a exemple de base forta, considerem una solució de NaOH. de concentració 1 mol· dm-3:

NaOH Na+ + OH-

NaOH Na+ OH-

Mols inicials 1 0 0 Mols finals 0 1 1

(Observa que no tenim en compte el nombre de mols que intervenen de l‟aigua) En la solució només queden els ions Na+ i OH-. Però si es tractés d‟una base feble, només un percentatge petit de les molècules de la base, accepten protons de l‟aigua, de manera que si tenim una base de concentració 1 mol·dm-3, la concentració en ions OH-, serà inferior a la de la base. Per exemple, si la solució és amoníac: NH3 + H2O NH4

+ + OH-

NH3 H2O NH4+ OH-

Mols inicials 1 0 0 Mols finals 0,9958 0,0042 0,0042

(Observa que no tenim en compte el nombre de mols que intervenen de l‟aigua) En aquest cas, només un percentatge molt petit de les molècules de la base reaccionen, per això, la solució d‟una base feble conté a més dels ions OH- i dels corresponents cations, una elevada concentració de molècules de la base. Àcids i bases conjugats

Observeu que en la reacció anterior, l‟ió etanoat, CH3COO-, es comporta com una base, que s‟anomena base conjugada de l‟àcid etanoic.

Tots els àcids tenen la seva base conjugada i totes les bases tenen els seus àcids conjugats. El cas de l‟aigua és especialment interessant: L‟aigua es pot comportar com una base, si reacciona amb un àcid fort

com el HCl o com un àcid si reacciona amb una base forta com els òxid, O2- de l‟òxid de calci:

HCl(g) + H2O(l) H3O+(aq) + Cl-

(aq) L‟aigua actua com una base.

+aigua CaO(s) Ca2+(aq) + O2-(aq)

O2-(aq) + H2O(l) 2 OH-(aq) L‟aigua actua com un àcid.



La taula 2 mostra algunes parelles àcid-base conjugades.

Espècie àcida Espècie bàsica Parella àcid / base àcid etanoic o acètic ió etanoat o acetat CH3COOH / CH3COO- àcid nitrós ió nitrit HNO2 / NO2

- ió amoni amoníac NH4

+ / NH3 diòxid de carboni en solució aquosa

ió hidrogencarbonat CO2, H2O / HCO3-

ió hidrogencarbonat ió carbonat HCO3- / CO3

2- ió metilamoni metilamina CH3NH3

+ / CH3NH2 Taula 2. Algunes parelles àcid-base conjugades L‟ió oxoni, H3O

+, pot cedir un protó a l‟aigua . L‟aigua és doncs la base conjugada de l‟àcid H3O

+. La parella és: H3O

+ / H2O.

Lió hidròxid, OH- pot captar un protó de l‟aigua. L‟aigua és doncs, l‟àcid conjugat de la base OH-.

La parella és: H2O / OH-.


1. Per cada una de les reaccions següents indiqueu quin reactiu és l‟àcid i quin és la base, segons la

teoria de Bronsted i Lowry: a. HNO3 + H2O H3O

+ + NO3-

b. NH4+ + OH- NH 3 + H2O

c. SO42- + H3O

+ HSO4- + H2O

d. H3O+ + OH- 2 H2O

2. Classifiqueu cada una de les reaccions següents en reacció àcid-base o redox:

a. NH4+ CO3

2- NH3 + HCO3-

b. H2S + 2 OH- S2- + 2 H2O c. I2 + 2 OH- I- + IO- + H2O d. Mg + H+ Mg2+ + H2

3. Per cada dels àcids següents, escriviu la corresponent equació de dissociació iònica amb l‟aigua:

a) HF b) HClO c) H3PO4 d) NaHSO4 e) H2CO3

f) g)

4. Escriviu l‟equació de dissociació iònica de les bases següents, emprant les teories d‟Arrenhnius o

de Bronsted-Lowry: a) NaOH b) K2O c) NH3 d) Ca(OH)2 e) Na2CO3

f) CH3NH2 g) HCO3

-

L‟aigua intervé en les dues parelles àcid-base. Aquest comportament s‟anomena amfòter.

O

OHCH3 O

OH



RMT 5.3 Com minimitzar l’impacte dels abocaments tòxics

L‟estiu del 2010, una marea de fang vermell, tòxic i corrosiu va provocar la catàstrofe química més greu d‟Hongria

(figura 1). La causa del vessament va ser el trencament del dipòsit de residus d‟una fàbrica d‟alumini. En l‟activitat

RMT 4.3 Els forats més grans del món podeu trobar algunes de les reaccions implicades en la d‟obtenció d‟alumini a

partir de la bauxita en la seva primera fase, anomenada mètode Bayer.

En aquesta activitat en fixarem en el fang vermell que és un residu generat en el procés d‟obtenció de l‟alumini i que

està format majoritàriament per hidròxid de ferro. Com es genera aquest llot?

Podeu trobar informació al vídeo https://tv.upc.edu/continguts/Fang-toxic-corrosiu

En aquest cas la solució proposada per eliminar la substància àcida d‟alumini pot ser el

tractament amb una substància àcida.

Feu una petita recerca sobre les propietats de les substàncies que proposen per neutralitzar l‟hidròxid. Per què s‟utilitzen aquestes substàncies en lloc d‟utilitzar un àcid fort com l‟àcid

clorhídric?

Per entendre bé les explicacions del vídeo necessiteu entendre què és el pH i com reaccionen els àcids i les bases en les reaccions de neutralització.

Com mesurar la concentració dels ions H+. L’escala de pH

No sempre és còmode expressar la concentració en ions H+, especialment quan es tracta de solucions diluïdes d‟àcids febles, per exemple una solució 0,1 mol·dm -3

d‟àcid etanoic conté

només 1,34·10 -3 mol·dm -3 d‟ions H3O+. Per això s‟ha inventat un escala de pH. Aquesta escala,

que data de principis del segle XX, es defineix com:

pH = -logH+

Si no esteu familiaritzats amb la funció log o lg, considereu que és una tècnica per convertir nombres de valors molt diferents en una mateixa escala. Proveu, per exemple de teclejar en la calculadora els següents nombres i després , activar la funció log o lg:

1·10 -14; 1:10-7; 1·10 -3; 1 Observeu que la calculadora us mostra només l‟exponent. Quin pH té l‟aigua?

En el cas de l‟aigua, les molècules tenen un comportament amfòter (és a dir poden comportar-se com a àcid o com a base). S‟ha comprovat que en l‟aigua, existeixen els ions H

+, en forma de H3O

+ i OH-, cada un en una concentració de 1·10 -7; per tant el pH de l‟aigua i de qualsevol

solució neutre és pH = 7.

Figura 1. Terrenys inundats pel fang vermell provinent d’una

fàbrica d’alumini a l’oest d’Hongria.

https://tv.upc.edu/continguts/Fang-toxic-corrosiu



Quin pH té una solució àcida?

En introduir ions H3O+ en la solució, la seva concentració augmentarà, per tant H+

> 1·10 -7 i pH<7.

Quin pH té una solució bàsica?

En introduir ions OH- en la solució, la seva concentració augmentarà, per tant OH- > 1·10 -7 i

la concentració d‟ions H3O+ serà inferior a 1·10 -7, per tant pH>7.

En la figura 6 podeu veure un resum que relaciona el valor del pH amb l‟existència dels ions H+

i OH-.

Figura 6. Relació entre l’escala de pH, les concentracions en ions H3O

+ i els ions presents en la solució.

Indicadors de pH i aparells de mesura del pH

Els indicadors són substàncies orgàniques acolorides, que es comporten com a àcids febles. L‟aspecte més important d‟un indicador és que l‟àcid i la base conjugada tenen un color

diferent. Per exemple l‟indicador blau de bromotimol, té color groc si el pH és inferior a 7 i color blau si el pH és superior a 7. L‟indicador fenolftaleïna, és incolor per valors de pH

inferiors a 8 i de color rosa si el pH és superior a 8. L‟ indicador universal, és una mescla de varis indicadors, de manera que agafa una varietat de colors per cada un dels valors de pH entre 1 i 14 (figura 7).

Figura 7. Colors del indicador universal per diferents valors del pH (Els colors poden no coincidir amb els reals de l’indicador, degut a les tintes d’impremta).

H+ 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

pH



Mesures més precises del pH s‟aconsegueixen amb elèctrodes de pH connectats a un sensor o a

un pH-metre, com els que es mostren a continuació.

Reaccions entre àcids i bases. Les reaccions de neutralització.

Les reaccions entre els àcids i les bases formen sals i aigua. Aquestes reaccions són les anomenades reaccions de neutralització, tot i que el pH final no sempre és exactament neutre, sinó que com ja estudiareu més endavant, depèn de la sal formada i per tant, si els àcids i les bases que reaccionen són forts/es o febles.

àcid + base → sal + aigua

Altres exemples de tractaments per minimitzar els efectes d’un vessament o un abocament

d’aigües.

Exemple 1

El vessament de residus minerals i la seva filtració al subsòl esdevé una oportunitat per investigar maneres de solucionar o pal·liar el problema. Per exemple, fa uns anys, investigadors dels Estats Units van realitzar alguns treballs de camp aplicant fosfats de calci en aigües subterrànies contaminades. Arran d‟aquests experiments, investigadors de la Universitat Politècnica de Catalunya han analitzat com actuen els fosfats de calci per retenir, a través d‟unes

barreres, els metalls contaminants infiltrats en el subsòl. Els fosfats de calci es troben a les espines de peix.

Quin tipus de reacció química us sembla que està implicada en aquesta manera se minimitzar un problema d‟impacte ambiental ? Es tracta en aquest cas de reaccions àcid-base?

Podeu trobar informació aper ampliar els coneixements al vídeo que trobareu a

https://tv.upc.edu/continguts/espines-de-peix-solucio-per-descontaminar-el-subsol

Exemple 2

La policia científica s‟ocupa del control dels vessaments que s‟aboquen als cursos d‟aigua des

d‟empreses potencialment generadores de residus contaminants. Es recullen mostres i s‟analitzen amb les tècniques adequades segons et tipus d‟abocament.

Suposeu el següent cas i responeu les preguntes proposades:

1- Les mostres recollides als desaigües d‟una de les empreses presumptament responsables

d‟aquest delicte ecològic indiquen que havien estat abocant un valor mitjà de 4 kg d‟ HCl per

cada m3 d‟aigua residual d‟una de les fàbriques. Què caracteritza a les substàncies que s‟anomenen àcids? L‟àcid clorhídric és un àcid fort o feble? S‟ha abocat al riu una solució

concentrada o diluïda? Raoneu les vostres respostes.

2- Els abocaments al riu han de tenir un pH entre 6,8 i 7,2 per no ser tòxics. Què és el pH? Quin és el pH de l‟abocament realitzat?

https://tv.upc.edu/continguts/espines-de-peix-solucio-per-descontaminar-el-subsol



3- Simplement diluint el residu abans d‟abocar-lo n‟hi hauria hagut prou per evitar la seva

toxicitat? Quina dilució s‟hauria d‟haver fet per què no fos tòxic? Caldria fer algun tractament a

les solucions àcides abans de l‟abocament? Expliqueu-ho. Exercicis i qüestions

1. Escriviu les corresponents equacions per les següents reaccions de neutralització: a. àcid clorhídric + hidròxid de calci b. àcid sulfúric + hidròxid de sodi c. àcid nítric + òxid de calci d. àcid etanoic + hidròxid de potassi

2. Per neutralitzar l‟acidesa en àcid clorhídric d‟un solució de 250 mL de concentració 1, 5

mol·dm -3 es fa servir una solució d‟hidròxid de sodi de concentració 0,5 mol·dm-3.

a. Escriu la corresponent equació de neutralització. b. Calcula el volum de la solució d‟hidròxid de sodi que es necessitarà. Resp. b) 0,74 dm3

3. Calculeu el pH de les següents solucions, totes són d‟àcids forts i de bases fortes: a. 0,2 M en àcid nítric b. 3,5 g de HCl dissolts en 2 L d‟aigua c. 1 g de NaOH en 1 L Resp. a)0,69; b) 1,3; c) 12,4

4. Quina és la concentració en ions H3O+ d‟una solució d‟àcid etanoic de pH 4,5?

Resp. 3,15·10 -5 mol·dm -3

5. Una possible manera de neutralitzar un vessament d‟àcid sulfúric és mitjançant una

reacció amb hidrogencarbonat de sodi, NaHCO3 a partir de la qual es forma sulfat de sodi, Na2SO4 diòxid de carboni i aigua. a. Escriviu i igualeu la reacció que té lloc. b. Si es vessa 1 L d‟àcid sulfúric de concentració 18 mol/dm

3, determineu quina massa d‟ hidrogencarbonat de sodi caldrà afegir-hi per neutralitzar i eliminar l‟àcid sulfúric

vessat. c. Calculeu el volum de diòxid de carboni que s‟obtindrà, mesurat a 1,01.10

5 Pa de pressió i a 293 K de temperatura.

Resp. b) 3,02 kg; c) 870 L

6. La sosa càustica és un substància alcalina que conté majoritàriament hidròxid de sodi. Per a calcular el percentatge d‟hidròxid de sodi en una sosa càustica és fan reaccionar

10,0 g de sosa amb solució 2,0 mol dm-3 d‟HCl. El volum de solució HCl que reacciona

és de 100 cm3. a. Escriviu una equació per la reacció entre l‟HCl i l‟ hidròxid de sodi. b. Quin percentatge d‟hidròxid de sodi té la sosa càustica?

Resp. b) 80%

7. El metall níquel s‟obté a partir d‟un mineral que conté un 2,5% de sulfur de níquel (II).

El mineral es sotmès a torrefacció i l‟òxid de níquel (II) obtingut es redueix després amb

carboni. Aquesta última reacció dóna monòxid de carboni i níquel. a. Formuleu les equacions corresponents als dos processos esmentat: la torrefacció i la

posterior reducció de l‟òxid. b. Calculeu la massa de metall níquel que s‟obtindria de tractar 100 tones de mineral. c. La torrefacció del mineral produeix problemes en llançar-se al medi ambient un

volum important de gas diòxid de sofre que és àcid. Per a evitar-ho, el gas es dissol en aigua, donant un àcid, i després l‟àcid resultant es fa reaccionar amb hidròxid de calci. Escriviu les dues equacions químiques corresponents als dos processos esmentats.



d. Suposeu que la solució àcida té una concentració de 0,50 mol·dm -3 Quin volum de solució d‟hidròxid de calci de concentració 0,25 mol·dm

-3 es necessita per a neutralitzar 800 dm3 de la solució àcida? Resp. b) 1620 kg; b) 1600 L



RMT 5.4 Emissions de gasos i pluja àcida. Obtenció de SO2

i estudi de les seves propietats La pluja àcida es forma quan la humitat de l'aire es combina amb els òxids de nitrogen i el diòxid de sofre emesos per fàbriques, centrals elèctriques i vehicles que cremen carbó o productes derivats del petroli. En interacció amb el vapor d'aigua, aquests gasos formen àcid sulfúric i àcid nítric els quals acidifiquen l‟aigua de la pluja, constituint la pluja àcida. Molts processos industrials generen emissions de diòxid de sofre, el qual és també és uns dels principals causants de la pluja àcida originada en processos de combustió de combustibles fòssils, com alguns carbons que contenen sofre. El diòxid de sofre, junt amb el diòxid de carboni i els òxids de nitrogen són gasos que emesos a l‟atmosfera poden provocar problemes mediambientals. En aquesta activitat generareu diòxid de sofre d‟una manera fàcil i segura, i investigareu les seves propietats. Obtenció del diòxid de sofre Material per al muntatge Un pot de cuina de metacrilat de volum aproximat 500 mL amb tanca hermètica. Clau de 3 vies. Xeringa de 50 mL, amb possibilitat de connexió per a clau de tres vies Adhesiu ARALDIT. Muntatge Foradar un lateral del pot transparent i encolar la clau de tres vies (figura 1). Material i productes per a la obtenció de SO2 -"Flor de sofre" (sofre en pols, venda en drogueries) - Paper d'alumini - Un cartró gruixut per protegir el fons del pot de plàstic i evitar que es cremi. -Feu servir ulleres de seguretat. Procediment Comproveu que la clau de tres vies està tancada per a la sortida de gasos del pot. Col·loqueu el paper d'alumini, doblegat diverses vegades, damunt d'un cartró i dins del pot. Poseu una mica de sofre en el paper d'alumini i enceneu-lo acostant-hi la flama. Tanqueu el pot immediatament. Espereu que la combustió hagi finalitzat: el pot conté ara SO2, en lloc d'oxigen. Connecteu una xeringa de 50 mL a la clau de tres vies. Obriu la clau i aspireu amb la xeringa per tal d‟omplir-la amb el gas diòxid de sofre.

Figura 1. Muntatge per a l’obtenció de

diòxid de sofre.



Investigueu les propietats del diòxid de sofre a) Estudi de la solubilitat del gas SO2 en aigua.

Connecteu a la xeringa una clau de tres vies una segona xeringa amb uns 10 mL d'aigua. Barregeu el gas i l‟aigua i observeu que el volum total disminueix, pel fet que una part del gas s'ha dissolt.

Relacioneu la solubilitat del diòxid de sofre en aigua amb el procés de formació de la pluja àcida. b) Determinació del pH de l‟aigua que ha estat en contacte amb el diòxid de sofre.

Col·loqueu un parell de gotes de la barreja de gas i aigua obtinguda anteriorment sobre un paper indicador i observeu el canvi de color a la zona àcida de l‟indicador. Quin pH observeu? Quina substància es pot haver format? Escriviu la corresponent reacció química. Com relacioneu el fenomen observat amb la formació de la pluja àcida?



RMT 5.5 Obtenció i propietats del diòxid de carboni Tant en les combustions com en la indústria, en molts processos es genera CO2. En aquesta activitat obtindreu el CO2, estudiareu alguna de les seves propietats i podreu verificar la seva eliminació.

El mètode que fareu servir implica consumir molt poques quantitats de reactius, és segur i genera un mínim de residus. A) Obtenció de diòxid de carboni. Material i productes Material Productes Dues xeringues de 60 mL Clau de tres vies Accés a unes balances de sensibilitat 0,01 g

CaCO3(s) en trossos HCl, 2 mol·dm -3 Porteu ulleres de seguretat

Procediment

1- Teniu en compte que 0,17 g de CaCO3 generen uns 40 mL de CO2 en condicions estàndard. Pel carbonat de calci es pot fer servir marbre o petxines de la platja trencats en trossos petits. Busqueu un tros petit de CaCO3 i determineu la seva massa. Poseu el CaCO3 en una de les xeringues. Amb l‟altra agafeu 10 mL de solució HCl 2 mol·dm-3 2- Connecteu les dues xeringues mitjançant la clau de tres vies. Injecteu la solució d‟HCl a la

xeringa que conté el CaCO3 i observeu com es forma el gas CO2. Preneu nota del volum obtingut.

CaCO3

10injectar 10 mL HCl(aq), 2 M

agafar 10 mL HCL 2 M

Trossos petits de CaCO3



Observació de les seves propietats. B) El CO2 és pot eliminar per reacció amb una solució bàsica. Material i productes Material Productes Dues xeringues de 60 mL Clau de tres vies

El CO2 obtingut en la reacció anterior NaOH 2 mol·dm -3 Porteu ulleres de seguretat

Procediment

1- Connecteu mitjançant una clau de tres vies, la xeringa que conté el CO2 amb l‟altra, on haureu agafat 10 mL de solució de NaOH 2 mol·dm -3

2- Injecteu la solució bàsica dins la xeringa que conté el CO2. Moveu els èmbols vàries vegades per afavorir el contacte del gas amb la solució. Observeu com el volum final de gas ha disminuït fins a zero.

Qüestions

1- Escriviu les dues reaccions que s‟han produït en la obtenció del CO2 i en la reacció entre el CO2 i la solució d‟hidròxid de sodi.

2- El CO2 dóna solucions àcides. La reacció que es produeix és la següent:

CO2(g) + aq ⇄ CO2(aq)

CO2(aq) + H2O(l) ⇄ HCO3 -(aq) + H+(aq)

Aquesta última reacció és la responsable de l'acidesa natural del CO2, ja que es formen ions H+(aq). Una solució de CO2 en aigua és, no obstant això, només feblement àcida ja que la reacció anterior no és completa: s'arriba a un equilibri entre els productes i reactius presents en la solució. De fet, només reacciona el 0,4% del CO2(aq).

Quin pH suposes que té l‟aigua de pluja?

agafar 10 mL NaOH 2 M

xeringa amb el CO2

Clau de tres vies tancada

NaOH (aq)

Injectar el CO2



C) Amb quina velocitat es dissolt el CO2 en aigua? Material i productes Material Productes Dues xeringues de 60 mL, una d‟elles amb

possibilitat d‟immobilitzar l‟èmbol (vegeu figura) Clau de tres vies Paper indicador Material de l‟equip de captació de dades: sensor de

pressió i interfície

El CO2 obtingut en una reacció anterior Aigua destil·lada, bullida i refredada

Procediment

1- Munteu les dues xeringues de manera que quedin en posició horitzontal a la taula de treball. El tub transparent del sensor de pressió s‟ha de col·locar de manera que quedi

vertical respecte a les xeringues, això evitarà que entri líquid en el tub. 2- Agafeu 10 mL de H2O destil·lada que prèviament haureu bullit i deixat refredar per eliminar el possible diòxid de carboni dissolt. 3- Connecteu les xeringues amb la clau de tres vies i aquesta amb el sensor de pressió. Engegueu la captació de dades. Poseu la clau de tres vies en posició de comunicar les dues xeringues i injecteu els 10 mL de H2O. Immediatament, canvieu la posició de la clau, de manera que comuniqui la xeringa gran amb el sensor de pressió. Procurar que el tub transparent del sensor de pressió estigui en posició vertical per evitar l‟entrada de líquid al tub del sensor. Deixeu passar el temps i aneu observant la gràfica de la pressió en funció del temps. Atureu la captació de dades quan la pressió s‟hagi estabilitzat. 3- Desconnecteu la xeringa que conté el líquid i buideu unes gotes en un tros de paper indicador. Observeu si canvia de color . Qüestions

1- De la gràfica obtinguda trobeu quina és la disminució de la pressió. 2- La tendència de la gràfica és estabilitzar-se en una línia recta. A què atribuïu aquest fet? 3- Comenteu si el canvi de color del paper indicador confirma el fet de que s‟ha dissolt

CO2 i s‟ha format una solució àcida.

agafar 10 mL H2O

CO2 (g)

Configuració del programa Multilog Freqüència de captació: 10 mostres per segon Temps de captació de dades: continu

clau per immobilitzar l'èmbol

H2O

CO2

clau tres vies



RMT 5.6 Quina acidesa té la pluja àcida ?

Valoració d’una aigua de pluja En aquesta activitat utilitzareu la tècnica de la valoració per analitzar una solució de “pluja

àcida”. La concentració que trobareu pot ser considerablement superior a la d’una autèntica

pluja, però aquí el que importa és el mètode d’anàlisi que serveix per a determinar valors

exactes de mostres de pluja.

Les preguntes al final de l’activitat centren l’atenció cap a algunes conseqüències que afecten

al medi ambient amb l’emissió de diòxid de sofre per part dels processos industrials.

La pluja normalment presenta un pH d'aproximadament 5,65 (lleugerament àcid) a causa de la presència del CO2 atmosfèric, que forma àcid carbònic, H2CO3. Es considera pluja àcida si presenta un pH de menys de 5 i pot arribar al pH del vinagre ,pH =3. Aquests valors de pH s'aconsegueixen per la presència d'àcids com l'àcid sulfúric, H2SO4, i l'àcid nítric, HNO3. Aquests àcids es formen a partir del diòxid de sofre, SO2, i el monòxid de nitrogen que es converteixen en àcids.

Introducció

La tècnica que farem servir és la valoració, aprofitant que l‟àcid de la pluja àcida reacciona amb

una base com l‟hidròxid de sodi.

Una valoració és un mètode quantitatiu d'anàlisi que es pot usar quan dues solucions reaccionen entre elles. Una determinació quantitativa té com a finalitat respondre a preguntes com "quina quantitat de... hi ha en...?"

Una solució de la qual desconeixem la concentració del solut (en aquest cas la solució de pluja àcida) es col·loca en el matràs erlenmeyer. Una altra solució, de la qual s í que coneixem la concentració del solut, es col·loca en la bureta. En deixar caure el líquid de la bureta sobre el líquid del matràs erlenmeyer, es produeix una reacció química, que en les valoracions implica un canvi de color, ja sigui perquè es forma una nova substància de color diferent, ja sugui per què una substància afegida anomenada indicador, canvia de color. Material Matràs erlenmeyer de 250 cm3 Pipeta de 10 cm3 i succionador Bureta de 25 cm3 Suport per la bureta

Solució que representa la “pluja àcida” Solució de NaOH 0,01 mol·dm -3 Indicador fenolftaleïna Ulleres de seguretat

Procediment 1 Utilitzant la pipeta i el succionador, transferiu 10 cm3 de la solució de “pluja àcida” al matràs

erlenmeyer. Afegiu 5 o 6 gotes de l‟indicador fenolftaleïna 2 Ompliu la bureta amb la solució d‟hidròxid de sodi. Cal parar atenció en que a la part de baix

de la bureta no quedin bombolles d‟aire (figura 1)



Figura1. Com omplir correctament una bureta

3 Abans de començar la valoració assegureu-vos que la bureta està correctament arrasada en el zero (Figura 2).

Col·loqueu el matràs erlenmeyer sota la bureta. I afegiu petits volums de solució d‟hidròxid de sodi al matràs. Remeneu suaument. L‟indicador

fenolftaleïna és incolor en medi àcid i rosa en medi bàsic. Continueu afegint petits volums de solució d‟hidròxid de sodi fins a observar

l‟aparició d‟un color rosat permanent. Aquest és el punt final de la valoració. 4 Anoteu la lectura de la bureta, que us indicarà el volum de solució que heu gastat. Al primer intent haureu fet una valoració aproximada i probablement us haureu passat del punt final de la valoració, en gastar més hidròxid de sodi del necessari per neutralitzar l‟àcid del matràs. Cal fer

noves valoracions fins que els volums consumits no difereixin més que en 0,1 cm3. Càlculs Utilitzant les lectures de la bureta que només difereixen en 0,1 cm3, calculeu el volum mitjà de solució d‟hidròxid de sodi i després la quantitat en mols que ha reaccionat. L‟àcid de la “pluja àcida” és el sulfúric. L‟equació per la reacció és:

H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) Na2SO4(aq) + 2 H2O(l)

Calculeu la quantitat en mols d‟àcid que ha reaccionat i després la concentració de l‟àcid en la

mostra de “pluja àcida”. Reflexions en torn del diòxid de sofre produït El procés industrial d‟obtenció de coure a partir del mineral pirita és: 8 CuFeS2(s) + 21 O2(g) 8 Cu(s) + 4FeO(s) + 2Fe2O3(s) + 16 SO2(g)

a. Quina quantitat es forma de SO2 per cada mol de coure? b. Quantes tones de SO2 es formen per cada tona de coure obtingut? c. A les mines de Chiquitamata a Xile, s‟extreuen diàriament 200.000 tones de roca amb

un percentatge mitjà de coure del 0,5% en massa.

50

40

30

20

10

0

50

40

30

20

10

0

50

40

30

20

10

0 0

10

20

30

40

50

50

40

30

20

10

0 0

10

20

30

40

50

bureta mal omplerta:

queda una bombolla d'aire bureta ben omplerta: no

queden bombolles d'aire

Figura 2



i. Quantes tones de SO2 es generen diàriament? ii. Quin volum d‟aire es contamina diàriament si es permet escapar a l‟atmosfera

tot el SO2 format? iii. Si es neutralitza el diòxid de sofre i es converteix en àcid sulfúric, el preu de

venda de l‟àcid sulfúric generat així és menor que el preu de l‟àcid sulfúric

obtingut directament per altres mètodes. Justifiqueu, però, que val la pena des del punt de vista mediambiental que la indústria assumeixi aquestes pèrdues.



RMT 5.7 Síntesi-Conceptes. Què he après? En aquesta activitat trobareu una llista amb els punts fonamentals que convé que tingueu recollits en els vostres apunts i les qüestions per comprovar els coneixements de química que heu après en l’apartat RMT 5. Assegureu-vos que els vostres apunts recullen els punts següents. Recordeu que haureu de consultar moltes vegades alguns d‟aquests punts en estudiar unitats posteriors. • El significat dels conceptes d‟àcid i de base segons Arrhenius i segons Bronsted i Lowry • Com identificar una reacció àcid-base en funció del donador i del acceptor de protons • El concepte de pH i d‟indicador. • Com es fa una valoració i el material necessari. • Com calcular el pH d‟una solució d‟un àcid fort o d‟una base forta

Recordeu algunes diferències importants:

Diferència entre la dissociació iònica i la ionització

Les substàncies iòniques, com el clorur de sodi, en contacte amb l‟agua, es dissocien en els seus

ions, els ions ja existien en el sòlid. Però en el cas dels àcids, els ions es formen per reacció de la molècula de l‟àcid amb l‟aigua. Un exemple de dissociació dels compostos iònics és la dissociació del clorur de sodi o del clorur de magnesi en els corresponents ions:

NaCl(aq) → Na+ (aq) +Cl- (aq) MgCl2(aq) → Mg

2+(aq) + 2 Cl-(aq)

La dissociació dels compostos iònics en aigua s‟ha estudiat en el primer apartat d‟aquesta unitat

(RMT1).

Els hidròxids en aigua també es dissocien en l‟ió hidròxid (OH-) i els corresponent catió del

metall. Per exemple: NaOH(aq) → Na+ (aq) + OH-(aq)

Cal diferenciar el procés de dissociació del procés d‟ionització. La ionització és un procés de

formació d‟ions a partir de substàncies moleculars.

Exemples:

+aigua

HCl(g) H+(aq) + Cl-(aq)

HCl(g) + H2O(l) H3O+(aq) + Cl-(aq)

- diferència entre un àlcali i una base

Una base és una substància que neutralitza a un àcid.

Un àlcali és una base, soluble en aigua i que forma ions OH- Per exemple: el carbonat de calci i l’ òxid de magnesi són bases, però no es poden dir àlcalis, per que no són solubles en aigua.




1. Expliqueu què són els àcids i les bases segons el model d‟Arrhenius. Indiqueu si segons aquesta teoria podem explicar les propietats àcides de l‟àcid clorhídric

i de l‟amoníac. Raoneu la vostra resposta i escriviu les expressions necessàries.

2. Expliqueu que és un àcid i què és una base de Bronsted-Lowry i poseu dos exemples de cadascun. Escriviu les corresponents equacions químiques.

3. Escriviu les equacios que mostren que l‟àcid nítric és un àcid de Bronsted i Lowry i que

l‟ió carbonat i l‟ió hidrogencarbonat són bases segons l‟esmentat model.

4. Heu de preparar 1000 mL d‟una solució d‟àcid clorhídric de concentració 0,50 mol·dm-3 i

disposem del flascó d‟àcid concentrat, en l‟etiqueta podeu llegir:

Quina massa i quin volum de la solució concentrada del flascó heu d‟agafar? Com prepararíeu la solució? Resp. 49,3 g de soluciò o 44,8 mL de soluciò

5. Amb una pipeta mesurem 9,00 cm3 de solució HCl comercial de densitat 1,01 g·cm -3 i del 25,0% en massa. a. Quina quantitat, en mols, de HCl conté la solució? b. Aquesta quantitat, en mols, de HCl es fa reaccionar amb 12,0 cm3 de solució

d'hidròxid de potassi de concentració desconeguda. Quina és la concentració de la solució de KOH?

Resp. a) 0,062 mol; b) 5,2 mol·dm -3

6. Si fem bombollejar gas diòxid de carboni en aigua, el pH augmentarà o disminuirà?

7. Calculeu la concentració d‟ions H+ que hi ha en una solució àcida de pH 2 i en una

solució bàsica de pH 10. En quin dels dos casos es més gran aquesta concentració? Raoneu la resposta.

8. Els colors de les flors blaves, i en general de molts vegetals, estan originades per molècules anomenades cianines. Aquestes molècules donen el color vermell a les roselles i als clavells i el color blavós a les flors de la planta del blauet. Com que la saba del blauet és poc alcalina, accepta un ió H+ de la molècula de cianina per formar un compost de color blau. La saba de les roselles és poc àcida i cedeix un H+ a la molècula de cianina, la qual forma un composat vermell. El color porpra de la cianina es pot representar com (cianina)H; el vermell es pot representar com (cianina)H2

+ i el color blau com (cianina)-. Escriviu les equacions i identifica els parells àcid-base conjugats per la reacció de la cianina amb: a. Ió oxoni, H3O

+

b. ió hidròxid, OH-

HCl Massa molar = 36,5 g/mol

Densitat = 1,10 g/mL 37% en massa

Rosella i blauet



9. La closca d‟un mol·lusc tropical conté carbonat de calci barrejat amb diòxid de silici.

Per saber el percentatge de carbonat de calci de la closca, s‟agafa un tros de 1,106 g de

closca i un cop triturat es fa reaccionar amb solució d‟àcid clorhídric. El gas diòxid de

carboni que es desprèn, es recull i es mesura el volum, que són 237,6 cm3 en condicions estàndard. a) Escriviu l‟equació per la reacció entre el carbonat de calci i l‟àcid clorhídric b) Si teniu en compte que el volum d‟un mol de gas, en les condicions descrites és de

24,0 dm3. Quants grams de carbonat de calci hi ha en la mostra de la closca? Resp. 89,5%

10. Quin és el pH resultant de mesclar 115 cm3 de solució 0,15 mol·dm-3 d'àcid clorhídric amb 80 cm3 de solució 0,20 mol·dm -3 d'hidròxid de potassi? Resp. 2,9

11. En tres matrassos erlenmeyer, tenim separadament 1 g de cada un dels hidròxids següents: LiOH, NaOH i KOH. Quin dels tres hidròxids necessitarà més quantitat de solució HCl 1 mol dm-3 per a ser neutralitzat?

12. El clorur d'hidrogen gas reacciona amb una solució aquosa d'hidròxid d'amoni per obtenir clorur d'amoni i aigua. a. Mostreu com aquesta és una reacció àcid-base, emprant la teoria de Bronsted i

Lowry. b. Calculeu el volum de clorur d'hidrogen gas, mesurat a 27ºC i 1,01·10 5 Pa necessari

per a obtenir 10,0 g de clorur d'amoni. Resp. 4,6 L

13. Per què es va introduir una escala logarítmica per expressar la concentració d‟ions H+?

Per què es va introduir un signe negatiu en la definició del pH?

14. Feu un mapa conceptual que relacioni els conceptes següents: àcid, base, neutralització, àlcali, neutralització, pH, ió hidròxid, ió hidrogen, pH.