3.2 Com són els àtoms dels elements?…que mai van sols!

Posem-hi imaginació!

La idea d’element suggereix la d’àtom” deia Mendeléiev, però no sabia com eren aquests àtoms. En va tenir prou amb saber les seves masses perquè es va adonar que hi havia una relació especial entre les masses i les propietats químiques. En aquest apartat ens preguntem a què és deguda, aquesta sorprenent relació… I ens preguntem també com és que els àtoms s’uneixen entre ells per donar lloc a les substàncies que coneixem.

Com es van “inventar” els àtoms?

John Dalton (1766–1844) va ser un professor de filosofia natural que va tenir la gosadia d’imaginar “àtoms químics” que corresponien als elements coneguts i de calcular les seves masses relatives a partir de les reaccions químiques.

Com molts químics del seu temps, sabia que les substàncies químiques reaccionen en proporcions de massa fixes.

Us proposem ara de reproduir la manera com pensava John Dalton. Així comprendreu millor com són els àtoms de la Taula Periòdica: la de Mendeléiev i l’actual.

Recordeu les relacions de massa en la síntesi i descomposició de l’aigua? Ens calen més dades com aquestes, que mostrin les proporcions fixes de les masses en els canvis químics, per tal de reproduir la manera de pensar de Dalton, que és encara la nostra… Així “inventareu” aquests àtoms que ja coneixem força!

1. Començarem per cremar ferro. Com vàrem fer en l’electròlisi i la síntesi de l’aigua, pensarem en les masses de les dues substàncies que reaccionen.

a) Una és el ferro. Quina és l’altra?

b) Per què crema sense flama?

2. Ara analitzarem els resultats de cremar llana de ferro posada en una càpsula. Hem pesat la llana de ferro abans de cremar-la completament. També hem pesat el que en queda després.

a) Aquesta és la taula de resultats. Completa-la.

b) Com interpretes aquesta diferència de masses? (recorda que l’òxid de ferro és un sòlid)

c) Representa les dades en un sistema de coordenades cartesianes. Posa en l‘eix de les abscisses les masses de ferro i en de les ordenades les masses d’oxigen. Quin resultat has obtingut?

Dalton va fer una hipòtesi molt simple… que després va resultar incorrecta però que va obrir el camí cap a la teoria atòmica. És la següent: ‘Si reaccionen dues substàncies elementals per formar un compost de totes dues, el compost més estable estarà format per un àtom de cada element”.
Recordeu també que suposem que:

  • Cada substància elemental està feta d’àtoms tots iguals.
  • Els àtoms d’un element són diferents dels d’un altre element.
  • En les reaccions químiques interaccionen els àtoms dels elements.

La representació dels elements

Dalton representava els àtoms dels elements amb els símbols que veieu en aquesta taula.

Però actualment utilitzem els símbols proposats pel químic suec Jöns Jacob Berzelius el 1813. Partia del nom llatí de l’element i el representava o bé amb una lletra majúscula o amb una majúscula seguida d’una minúscula.

Gravat representant Berzelius (1779-1848)

Heus aquí alguns exemples que des del català o castellà poden semblar més xocants:

Tornem a les nostres dades de combustió del ferro. Ara caldrà que feu de Dalton i que transformeu aquelles masses en unitats de reacció o “àtoms”. És a dir, imagineu que els àtoms químics tenen unes masses que corresponen a les masses de les interaccions entre ells. Assignareu masses atòmiques a tres àtoms: ferro, oxigen i hidrogen.

Comprovareu que penseu com químics… sempre amb la balança a la mà.

3. Redacta la conclusió dels càlculs que heu fet anteriorment, suposant que un àtom de ferro ha reaccionat amb un d’oxigen. Per exemple:

a) Segons les nostres dades, el ferro i l’oxigen reaccionen en la proporció…

b) Això vol dir que si la massa de l’àtom d’oxigen és 16, la del ferro deu ser…

Acabes de reinventar l’àtom de la química! Aquest invent ens ha proporcionat una manera d’imaginar com són les substàncies i una manera d’escriure els canvis químics o reaccions químiques. Les nostres lletres són els símbols dels àtoms dels elements.

No podem pesar directament els àtoms però ens va molt bé tenir-los tots ordenats, dels més lleugers als més pesats. Gràcies a això es van poder classificar els elements, com acabeu de veure!

Ho podem fer si donem a l’àtom de l’element hidrogen la massa 1. D’aquesta manera, la massa de l’àtom d’oxigen és 16 i la massa de l’àtom de ferro és 56.

Recordeu que –com ja vàrem veure a l’estudiar l’electròlisi– la massa de l’àtom d’oxigen és 16 vegades més gran que la massa de l‘àtom d’hidrogen; i que en totes les comparacions entre masses d’àtoms, la massa de l’àtom d’hidrogen és sempre la més petita.

I això no exclou que, des del punt de vista químic, dos hidrògens equivalen a un oxigen, perquè és la proporció en què reaccionen.

Podríeu justificar que de manera semblant (a partir d’interaccions entre ells, mesurant les quantitats que intervenen) s’hagin pogut trobar les masses relatives de tots els àtoms? Podem pensar altres exemples que relacionin masses d’altres àtoms amb les que ja coneixeu.

4. Posa’t a prova amb aquests:

a) S’ha pogut comprovar que la massa de l’àtom de carboni és ¾ de la massa de l’àtom d’oxigen. Si ordenem les masses de manera que la massa de l’àtom d’hidrogen és 1 i la de l’oxigen és 16, la massa de l’àtom de carboni és ____________. El càlcul per saber-ho és:

b) Pots entrenar-te continuant aquesta afirmació: S’ha pogut comprovar que la massa de l’àtom de plom és el triple que la massa de l’àtom de ferro. Si ordenem…

L’àcid clorhídric, HCl(aq), reacciona amb 1 g de Zn i forma H2 gas i clorur de zenc que queda dissolt. En aquesta fotografia es veu que res no s’escapa del sistema químic: la massa es conserva. Però si traiem el globus i deixem que l’hidrogen s’escapi, gairebé no es nota la diferència de massa. La massa de zenc que reacciona és molt més gran que la massa d’hidrogen que marxa.

c) Ho pots justificar fent una hipòtesi referent a la massa de l’àtom de l’hidrogen i la de l’àtom de zenc?

Aquí hi ha un grapat de peces de formes, mides i materials diversos, que volem fer servir per simular àtoms de diferents elements.

d) Com triaries les que podrien representar àtoms d’hidrogen i àtoms d’oxigen?

Conclusió

Si suposem que quan les substàncies reaccionen els seus àtoms s’uneixen en proporcions senzilles, les masses d’aquests àtoms són, de fet, les masses que interaccionen en el canvi químic i es poden comparar entre elles. D’aquesta manera es calculen les unitats d’interacció de totes les substàncies elementals i de totes les substàncies compostes.

La massa d’interacció química és una magnitud pròpia de la química, anomenada quantitat de substància. La seva unitat és el mol.

John Dalton va ser el primer d’atrevir-se a fer una hipòtesi tan agosarada: la hipòtesi atòmica química. Molts químics no creien que imaginar àtoms fos útil per a la química… però cinquanta anys més tard –Dalton ja s’havia mort– gairebé tots els químics li varen donar la raó.

Ara ja comprenem que la massa i les propietats químiques estiguin relacionades. Les masses dels àtoms s’han determinat a partir de les reaccions químiques en les quals participen!

Aquest és l’àtom químic que imaginava Mendeléiev. Però Marie Curie i altres científics del segle XX… el varen fer encara més interessant!

De l’or a l’urani

L’or i l’urani són metalls escassos, però les seves propietats els fan molt desitjats. Curiosament, un és valorat per la seva permanència i l’altre justament pel contrari. Fabricar or a partir d’un material menys preuat va ser l’objectiu de l’alquímia.

Fabricar urani és un objectiu actual. Però cap d’aquests dos propòsits es pot aconseguir.

5. Podries justificar per què són tasques impossibles?

L’or és un metall noble, una substància elemental que no reacciona fàcilment i per això se’l troba “natiu” en la Naturalesa. Sedueix pel seu color groc, que recorda el Sol, i per la seva lluentor que es manté molts i molts anys; ha estat, i és encara, símbol de riquesa, d’ambició, de poder.

L’urani, en canvi, és un metall actiu, que es troba combinat. Els seus àtoms tenen l’estranya característica de trencar-se espontàniament i emetre radiacions i partícules. Aquesta propietat s’ha aprofitat per construir bombes i centrals elèctriques. Ara és símbol de poder militar i de l’amenaça de destrucció que plana sobre el planeta i contra la qual hem de lluitar decididament.

L’urani no interessava gaire, fins que va cridar l’atenció la seva emissió espontània de radiacions, tant de la substància elemental com de tots els seus compostos. El fenomen va ser estudiat per Marie Curie (1867-1934) en la seva tesi doctoral. El va anomenar radioactivitat.

I va explicar aquest fenomen d’una manera sorprenent: va considerar que els àtoms d’urani es trencaven i, en fer-ho, desprenien, en diferents processos, part del nucli (partícules alfa, formades per dos neutrons i dos protons), electrons (partícules beta) i també radiació gamma.

Alguns científics varen opinar, despectivament, que “ara resulta que els àtoms es suïciden!” però aviat es va veure que Curie tenia raó i que havia començat una nova època, “l’època de l’urani”.

Marie Curie al seu laboratori

Marie Curie va identificar dos elements nous, el radi i el poloni, en els minerals d’urani que investigava… molt abans d’obtenir les substàncies elementals, que són metalls. Eren les restes de l’urani que s’havia trencat i ells continuaven trencant-se!

Les seves investigacions – junt amb les del seu marit Pierre i les d’altres químics en els primers anys del segle XX– van permetre conèixer amb detall l’estructura elèctrica dels àtoms, que ja hem estudiat a la unitat 7.

Ella va adonar-se, amb sorpresa, que els compostos de l’urani eren més radioactius que l’urani mateix… Això era impossible! …excepte que…

6. Se t’acut quina podria ser la raó d’aquest fet?

El “DNI” dels elements i la Taula Periòdica

A partir del treball pioner de Marie Curie i d’altres científics de la seva època, al llarg del segle XX s’ha pogut anar determinant l’estructura elèctrica dels àtoms del elements, allò que en dèiem “el DNI dels elements”, que es refereix a la constitució dels seus àtoms. El camí va ser laboriós i tindreu temps d’estudiar-lo, més endavant. És suficient, de moment, conèixer-ne la conclusió.

A mesura que es va anar sabent l’estructura dels àtoms, la Taula Periòdica va anar prenent sentit i va ser encara més útil i més important. Ara, ja al segle XXI, la Taula Periòdica que utilitzem (semblant a la de Mendeléiev) ens dóna molta més informació sobre els àtoms dels elements i podem comprendre millor per què interaccionen entre ells de la manera que ho fan.

Les dades que caracteritzen un element, i que per això en podem anomenar el seu “DNI”, es presenten en forma de números acompanyant el símbol de l’element. Vegem, com a exemple, el del crom:

El nombre atòmic del crom és 24 i ens indica el nombre de protons (de càrrega positiva) en el nucli. Com tota la matèria, els àtoms habitualment són neutres, i per això l’àtom de crom també té 24 electrons (de càrrega negativa) situats fora del nucli.

El nombre de massa, 52, és la suma de protons i de neutrons del nucli.

Per tant, l’àtom de crom té 24 protons i 28 neutrons que formen el nucli de l’àtom i una massa atòmica aproximada de 52 (recordeu que són masses relatives!)

Les partícules del nucli determinen la massa de l’àtom, ja que els electrons tenen una massa molt menor.

Alguns dels electrons participen en el canvi químic: es poden intercanviar entre àtoms diferents o amb un circuit elèctric i són responsables dels enllaços entre àtoms. Ho veurem amb més detall al següent apartat.

7. Prova d’escriure el “DNI” dels elements que heu col·locat en la vostra taula i formula de nou la llei periòdica. Estareu afegint a la vostra Taula Periòdica una informació, el nombre atòmic, que Mendeléiev no coneixia.

Per què hem dit que els àtoms són “inexistents”?

L’àtom de Dalton, de Mendeléiev… L’àtom de la química, forma part de les substàncies, no el podem veure mai, l’hem d’imaginar a partir dels canvis químics que sí que veiem, però no el tenim gairebé mai tot sol, aïllat.

Per això, si volem representar els elements de la Taula Periòdica no podem representar els àtoms, invisibles, només podem representar-hi les substàncies elementals. Hem d’endevinar l’àtom en les substàncies de les quals forma part. Les estructures d’aquestes substàncies (diverses, fantàstiques!) ens donen pistes sobre les diferents maneres que tenen els àtoms d’unir-se entre ells.

(Theodore Gray)

Per sort, hi ha regularitats. Això vol dir que els àtoms segueixen algunes “pautes” quan s’enllacen.

Si mireu amb atenció, veureu que la major part de les substàncies elementals són metalls; d’altres són gasos, líquids, o sòlids de punt de fusió baix; d’altres formen estructures semblants a les dels diamants.

Els metalls, com per exemple el titani, es caracteritzen per ser conductors del corrent, lluents, gairebé sempre sòlids de punt de fusió variable però de punt d’ebullició elevat. En la Taula Periòdica de l’Annex 5 estan marcats en gris. Amb un cop d’ull s’hi pot veure que la majoria d’elements són metàl·lics.

N’hi ha d’altres que formen estructures sòlides semblants al diamant format per carboni: unes estructures que no són fàcils de fondre i que no són solubles en aigua ni conductores del corrent.

A la dreta de la Taula Periòdica hi ha uns quants elements, com el clor, que majoritàriament són gasos o líquids volàtils, no conductors del corrent. Aquests elements s’anomenen no-metalls i estan indicats amb fons blanc a la Taula Periòdica de l’Annex 5.

Els elements situats entre els metalls i les no-metalls, com el silici, tenen estructures característiques i s’anomenen metal·loides o semimetalls. Hi estan indicats amb fons de color blau.

Ja sabeu que si ens fixem en les propietats dels materials, les mesurem i hi pensem, podem imaginar com són per dins, i fins i tot com s’han format i per què. Així, recordeu que les diferències entre sòlids, líquids i gasos i els canvis d’estat d’agregació ens feien pensar en partícules enllaçades. I que els materials dels volcans i la propagació dels terratrèmols ens permeten saber com és la Terra per dins. Ara podem avançar una mica més, perquè ja en sabeu molt més, dels materials!

Per exemple, sabem que tots estan fets d’àtoms d’alguns dels 92 elements naturals de la taula periòdica, cadascun d’ells amb una massa química pròpia i format de càrregues elèctriques positives i negatives. Aquestes càrregues negatives més externes són les que intervenen en el canvis químics.

Però ATENCIÓ: també sabeu que aquests àtoms ni es veuen ni es noten si no és “amb ulls de químic” com acabem de veure!

Això ens permet de raonar la llei de periodicitat: més massa química són més protons i més electrons; i la repetició de propietats suggereix la repetició periòdica d’estructures electròniques.

Ara canviarem i ens ho mirarem “amb ulls d’arquitecte”, és a dir, veurem com són les diferents estructures que es formen quan s’enllacen els àtoms i relacionarem aquestes estructures amb les característiques dels àtoms que les formen.

Fem una maqueta per representar les estructures, i imaginem com han de ser els enllaços

8. Comencem amb algunes preguntes que fan pensar:

a) Com ha de ser una estructura per ser metàl·lica? (recorda el circuit elèctric)

b) Com s’estructuren els gasos? (recorda les molècules)

c) Com ha de ser una estructura per ser com el diamant? (recorda que no és conductora i que és difícil de fondre)

Ara només cal lligar caps i fer “construccions que s’aguantin”. Disposem d’àtoms amb una massa i volum determinat, que tenen electrons i protons. Com que s’uneixen i formen estructures que s’aguanten, serà que aquests electrons i protons es poden col·locar de tal manera que els nuclis d’uns àtoms atreguin els electrons dels altres àtoms, i així els uneixen.

Ho podem comparar amb aquests imants, que ells tots sols “s’organitzen” fins que assoleixen una estructura prou estable, que correspon a un estat de mínima energia.

I ara, una informació MOLT VALUOSA:
Les substàncies compostes es presenten amb aquestes mateixes estructures, quan els àtoms que s’uneixen són similars… i una altra més quan els àtoms són molt diferents!

9. Provem-ho! És més fàcil si utilitzem maquetes especialment preparades per simular les unions entre àtoms. Dibuixeu aquí les vostres estructures.

a) El diòxid de silici s’assembla al diamant en que no és soluble en aigua, fon a temperatura molt alta, és dur…

b) El diòxid de nitrogen i el tetraòxid de dinitrogen s’assemblen al clor en que són gasos a temperatura ambient.

c) I el bronze, que és un aliatge format per coure i una petita part (5 – 10 %) d’estany. S’assembla al titani perquè si no estan oxidats ambdós són lluents i condueixen l’electricitat.

Però HI HA UNA ESTRUCTURA QUE NOMÉS LA TENEN LES SUBSTÀNCIES COMPOSTES: l’estructura salina.

Les substàncies amb aquesta estructura són solubles en aigua, cristal·litzen i són conductores del corrent elèctric; és a dir, els àtoms estan units de manera que formen ions quan es dissolen en aigua. Un exemple ben conegut és el clorur de sodi, que també s’anomena “sal comuna”, la sal de taula.

10. Aquesta nova estructura es presenta només entre àtoms ben separats a la taula periòdica (al començament i al final dels períodes).

a) Per què és impensable que dos àtoms iguals es puguin enllaçar d’aquesta manera?

b) Com expliques l’estructura salina? Fes ne un dibuix.

Parlem dels líquids…i de l’AIGUA, tan important!

Recordeu el Model Cinètic de la matèria? Sabeu que els materials formats per molècules podien ser sòlids, líquids o gasosos segons quina fos la temperatura.
L’aigua era el millor exemple d’aquest comportament, gràcies al qual podem parlar del “cicle de l’aigua” a la naturalesa, un cicle del qual depèn la vida.

El diòxid de carboni és el gas que desprenen begudes com la cervesa

Potser vàrem pensar que totes les substàncies estaven fetes de molècules, però ara acabem de veure diverses maneres d’unir-se els àtoms dels elements per formar les estructures que podem veure i tocar i ens adonem que no és així. Hi ha poques substàncies que es comportin com l’aigua, sempre tan especial però tan important per a nosaltres! L’AIGUA és especial… precisament perquè a temperatura i pressió ambientals és un líquid! Les altres substàncies similars, formades per molècules de pocs àtoms són gasos! (per exemple CO2, N2, H2S, HCl…)

En canvi, dels materials formats per molècules només són líquids o sòlids aquells que estan formats per molècules grans: la gran quantitat d’electrons compartits entre els àtoms que les formen fa que s’estableixin enllaços febles entre les molècules; uns enllaços capaços de mantenir-les unides a temperatura ambient però que no poden aguantar un augment gaire gran de la temperatura. Per això aquests sòlids o líquids es fonen o bullen a temperatures no gaire altes (per exemple la naftalina, C10H8, és sòlida a temperatura ambient i es fon a 80 oC. I l’octà, C8H18, que a temperatura ambient és líquid, bull a 125 oC).

Si ho mirem amb ulls de químic, hem de pensar que les molècules de l’aigua s’enganxen amb facilitat les unes a les altres… i, esclar, això serà degut a que “estan millor” unides que separades: separades hi ha una “diferència de càrrega elèctrica” que desapareix quan estan unides: tal com estan els electrons, generen càrrega positiva sobre l’hidrogen i negativa sobre l’oxigen… La molècula, en conjunt, és neutra, no pot ser d’altra manera. Ho representem de la manera que indica el dibuix:

Però ho hem d’imaginar en moviment: milions i milions de molècules, ara s’ajunten, ara es separen, alguna s’escapa i passa a l’aire… Algunes –molt poques– interaccionen i es formen alguns ions hidròxid, OH– i oxoni, H3O+:

11. Amb aquesta informació podeu explicar millor que l’aigua és un bon dissolvent de les substàncies iòniques. I fins i tot, que el pH de l’aigua és 7 (és a dir, que la concentració d’ions oxoni a l’aigua és 10–7).

A l’apartat 4 estudiarem per què l’aigua és tan important per a la vida. Amb tot el que ja sabem, tornem als canvis químics. Ara ja podem parlar-ne amb un llenguatge més precís.

◀︎ 3.1 Misteris i informacions amagats a la Taula Periòdica

3.3 Repassem les regles dels canvis químics, amb bona lletra ►

Hits: 5