3.3 Repassem les regles dels canvis químics, amb bona lletra

Els canvis químics es poden escriure assignant un símbol a cada element (i, per tant, al seu àtom), una fórmula a cada substància i una equació química que mostra la diferència entre distribució dels àtoms dels elements abans i després del canvi. Per escriure d’aquesta manera cal comptar la matèria química “per mols” i no “per grams”. Però no sempre és fàcil saber com són les substàncies que corresponen a les fórmules, ni quan els símbols representen un element en un compost o una substància elemental.

Veurem, en primer lloc, el significat de les fórmules químiques i de les equacions químiques.

En segon lloc, ens interessem per les transferències d’energia en els canvis químics.

Finalment, tornarem a l’estructura (elèctrica) de la matèria i a l’electròlisi (una càrrega, dues càrregues, tres càrregues… cap càrrega)… i a l’estructura de l’aigua.

El ‘mol’ misteriós

Hem vist que a partir de la hipòtesi atòmica i de les relacions de massa en la reacció química, arribem a la conclusió que l’àtom d’oxigen té una massa 16 vegades més gran que la massa de l’hidrogen. I que s’ha arribat a fer una escala de masses atòmiques relatives de tots els elements en la qual la massa de l’hidrogen és 1. En aquesta taula, els àtoms es representen per un símbol que representa també la massa relativa de l’àtom.

Deixem ara aquest món hipotètic i centrem-nos en el món real, el món de les mesures que fem amb les nostres balances reals, el món del grams o dels quilograms de les substàncies.

En aquest “món real” 1 g d’hidrogen conté tants àtoms com 16 g d’oxigen.

Anomenem mol a aquest grapat d’àtoms d’hidrogen o d’oxigen o de qualsevol altre element que “pesa” la quantitat en grams de la seva massa atòmica relativa.

El mol és la unitat amb la qual parlen els químics quan imaginen les substàncies formades pels àtoms dels elements.

Les relacions de masses de les substàncies en els canvis químics reals les expressarem com a relacions entre mols de substàncies.

Vegeu els avantatges d’aquesta manera de fer i de pensar en l’exemple següent i després ho apliqueu vosaltres mateixos. Els tres casos busquen aclarir la composició de tres substàncies que coneixeu bé: aigua, òxid de ferro i diòxid de carboni. (Les xifres utilitzades estan arrodonides).

L’aigua està formada d’oxigen i d’hidrogen, en les proporcions següents:

Un 11 % de la seva massa és hidrogen, un 89 % és oxigen.

89 / 16 = 5,6

11 / 1 = 11

11 / 5,6 = 1,96 ≈ 2

Traduït a àtoms: 2 àtoms d’hidrogen i 1 àtom d’oxigen, H2O

La relació entre mols ens diu la proporció entre àtoms, que es representa amb l’anomenada fórmula empírica. És la que s’utilitza en substràncies que no estan formades per molècules.

Les formades per molècules es representen amb una fórmula semblant però que ara indica el nombre exacte d’àtoms de cada element que formen una sola molècula. S’anomena fórmula molecular.

Així, H2O és la formula molecular de l’aigua.

1. Fem-ne alguns exercicis:

a) L’òxid de ferro està format per ferro i oxigen, en les proporcions següents: 22 % d’oxigen, 78 % de ferro. Quina és la seva fórmula empírica?

b) El diòxid de carboni està format per carboni i oxigen, en les proporcions següents: 27,2 % de carboni i 72,8 % d’oxigen. Quina és la seva fórmula empírica, que en aquest cas és també la molecular?

Les fórmules de les substàncies (ja en coneixeu moltes!) expressen d’una manera visual i senzilla aquesta nova manera de mirar els materials.

2. De les substàncies que apareixen simbòlicament a la imatge del damunt, quines fórmules són empíriques i quines moleculars?

Les fórmules ens ajuden!

Recordeu la combustió de l’espelma de parafina? Havíeu arribat a esbrinar les quantitats de substàncies que intervenien en els canvis. Vegeu ara la mateixa reacció, escrita amb mols i no en grams:

C25H52 + 38 O2 → 25 CO2 + 26 H2O

  •  La fórmula de la parafina és C25H52. Un mol de parafina (la seva massa química) són 352 g de para-fina perquè 25 àtoms de C de massa 12 més 52 àtoms d’hidrogen de massa 1:

25 • 12 + 52 • 1 = 352 g parafina

  •  La fórmula de l’oxigen és O2. Un mol d’oxigen són

2 • 16 = 32 g O2

  •  La fórmula del diòxid de carboni és CO2. Un mol de diòxid de carboni són 44 g de diòxid de carboni:

12 • 1 + 16 • 2 = 44 g CO2

  •  La fórmula de l’aigua és H2O. Un mol d’aigua són 18 g d’aigua:

2 • 1 + 16 = 18 g H2O

Aquesta equació química ens “diu” –amb llenguatge químic– que 1 mol de parafina reacciona amb 38 mols d’oxigen i forma 25 mols de diòxid de carboni i 26 mols d’aigua. A partir d’aquesta relació que serveix d’exemple podeu calcular les quantitats que intervenen en qualsevol cas concret: que només es cremi 1 g de parafina, per exemple.

3. Podeu comprovar que no s’ha perdut cap àtom, en la reacció! Quants n’hi ha de cada element a cada banda de l’equació?

Si coneixem la fórmula de les substàncies podem saber quina és la massa d’un mol d’aquesta substància. La quantitat de la substància l’hem de mesurar amb la balança: és un valor que ens diu la massa inert. Però l’hem de passar a mols per saber quina és la quantitat química de substància i poder escriure equacions químiques.

Per exemple, 1 L d’aigua té una massa de 1000 g. Quants mols d’aigua són 1000 g (un litre) d’aigua? Fem el raonament següent:

1 mol d’aigua són 2 · 1 + 16 = 18 g d’aigua

1000 g seran 1 mol / 18 · 1000 = 55,6 mol H2O

Per exemple, volem saber quant d’àcid clorhídric, HCl, necessitem per transformar 8 grams d’hidròxid de sodi, NaOH, en sal.

L’equació química és

HCl + NaOH → NaCl + H2O

Aquesta equació ens “diu” que 1 mol d’HCl reacciona amb

1 mol d’NaOH 1 mol d’NaOH són 23 + 16 + 1 = 40 g

i 1 mol d’HCl són 1 + 35,5 = 36,5 g

4 g de NaOH són 1 / 40 · 4 mols = 0,1 mol NaOH

Per tant, necessitem 0,1 mols d’HCl. Si ho volem dir en grams seran

0,1 · 36,5 g = 3,65 g HCl

4. Feu una lloança al mol, en el format que preferiu!

I l’energia, també es conserva?

El foc, que hem estudiat en el primer apartat, ha estat el símbol del poder de transformació dels materials, perquè proporciona calor i amb això “engega” altres canvis. Ens fa pensar en l’energia. Molts canvis “que van sols” van acompanyats de canvis de temperatura (calor), de desplaçament dels materials (treball) i de radiacions (llum) que són diferents maneres de transmetre energia. Segons com es faci el procés podem tenir quantitats variables de calor, treball i llum… Però la suma és una quantitat fixa que depèn del procés i que es mesura en joules.

5. Com que aquests efectes són deguts a les interaccions químiques, podem assegurar que també són “proporcionals”. Podeu formular aquesta nova llei?

Quan es crema fusta augmenta la temperatura: ens escalfem, podem coure el menjar. Però aquest mateix procés pot fer una acció més útil encara: pot moure un tren. En el tren de vapor el canvi que es produeix és el mateix: la fusta (o el carbó) es crema (interacciona amb l’oxigen) i forma diòxid de carboni i aigua. I ja hem vist que és el mateix procés que fa viure les cèl·lules.

Però l’enginy humà va inventar la màquina de vapor: l’escalfor del carbó o de la fusta que crema escalfa l’aigua, l’aigua s’evapora i fa treball sobre el sistema de pistons i bieles que fan moure les rodes. Veiem com un canvi en provoca un altre i aquest un altre més… degut a la transferència de l’energia que es va alliberant en la combustió. Un altre exemple, ben diferent, de processos “encadenats”: els gasos calents expulsats en l’erupció d’un volcà poden interaccionar entre ells i produir sofre. No ho haurien fet a temperatura ambient!

6. Quin pot ser el procés que es produeix en aquesta imatge? Per què?

a) CO2 + H2 → C6H12O6?

b) SH2 + SO2 → S + H2O?

c) S + O2 → SO2?

D’on ve la calor, llum o treball que ens són tan útils?

Tornem a l’espelma encesa, que es va gastant i mentre crema va emetent energia en forma de calor. Ho podem escriure així:

(Si inventéssim un artefacte semblant a la màquina de vapor, de manera que la calor mogués alguna peça, afegiríem treball a la calor).

I com que calor i treball són maneres de transferir energia, podeu escriure:

Ara bé, ja sabeu que l’energia es conserva. Segons com es faci el procés podem tenir quantitats variables de calor i treball. Però la suma és una quantitat fixa, que depèn del procés, i que es mesura en joules.

On era abans l‘energia que s’ha transferit en aquest canvi?

L’equació ens fa pensar que la parafina i l’oxigen que han reaccionat tenen més energia que el diòxid de carboni i l’aigua formats.

Diem que a temperatura ambient la parafina i l’oxigen (el conjunt d’àtoms enllaçats que formen aquestes substàncies que han reaccionat) tenen més energia interna química que el diòxid de carboni i l’aigua (el conjunt d’àtoms enllaçats que formen aquestes substàncies formades). L’energia interna química d’un sistema depèn sobretot de la seva composició.

En produir-se el canvi químic, la diferència d’energia es transfereix a l’ambient com a calor (escalfant l’aire, per exemple) i treball (apartant l’atmosfera per introduir, per cada mol de parafina que es crema els 25 + 26 – 38 = 13 nous mols de gas, que cal encabir-hi).

Recordeu que la nou també es cremava i produïa una gran flama? Però que quan ens el mengem no hi ha cap flama ni sembla provocar gaire escalfor?

7. Justifica que el canvi d’energia ha estat el mateix, però que el cos humà gestiona millor el canvi que no pas nosaltres quan hem cremat la nou a l’aire, deixant que l’energia s’escapés.

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

4. Processos que ens fan viure ►

Hits: 5