Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris

I 0 flashcards i 6 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS QUÍMICA BÀSICA Grau en Nutrició Humana i Dietètica Universitat de Lleida AprenAI 2026-2027 Apunts i fórmules de Química Bàsica per a Nutrició (UdL): estructura atòmica, estequiometria, gasos, equilibris àcid-base, volumetries i solubilitat.

APREN.AI Índex 1 Estudi de la matèria — Classificació i estats d'agregació Classificació de la matèria Estats d'agregació i canvis de fase 2 Estructura atòmica — Models atòmics i configuració electrònica Evolució dels models atòmics: de Dalton a Schrödinger Caracterització nuclear: Z, A i concepte d'orbital Els quatre nombres quàntics Regles d'ompliment i configuració electrònica 3 Càlculs químics — Masses, mol i estequiometria Massa atòmica, abundància isotòpica i massa molecular Composició centesimal, el mol i la massa molar Estequiometria: el mètode del mol i el reactiu limitant Reaccions químiques fonamentals: àcids, bases i combustió 4 Estats fluids — Dissolucions i gasos ideals Dissolucions: conceptes fonamentals i saturació Expressions quantitatives de la concentració Magnituds del gas ideal i lleis empíriques Equació d'estat del gas ideal i mescles gasoses 5 Equilibri químic — Teories àcid-base, pH i hidròlisi Definició operacional i model d'Arrhenius Teoria de Brönsted-Lowry i autoionització de l'aigua Força dels àcids i bases: constants Ka i Kb L'escala de pH i el càlcul d'equilibris Hidròlisi salina 6 Química analítica — Volumetries de neutralització i solubilitat Volumetries de neutralització àcid-base Indicadors àcid-base i zona de viratge Solubilitat i producte de solubilitat (Kps) Criteri i predicció de la precipitació 7 Formulari Estructura atòmica i nombres quàntics Massa, mol i càlculs estequiomètrics Dissolucions i lleis dels gasos Equilibris àcid-base, pH i hidròlisi Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 1 Solubilitat i precipitació Constants Errors típics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 2 1 Estudi de la matèria — Classificació i estats d'agregació EN ACABAR SABRÀS Distingir entre substància pura (element o compost) i mescla (homogènia o heterogènia). Descriure les propietats macroscòpiques i microscòpiques dels estats sòlid, líquid i gasós. Identificar els canvis d'estat d'agregació segons les variacions tèrmiques del sistema. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què el gel manté la seva forma sobre una taula mentre que l'aigua s'escampa lliurement?

La química és una disciplina fonamentalment aplicada que estudia l'estructura, les propietats i les transformacions de la matèria. El seu impacte abasta àmbits tan diversos com la salut, la preservació mediambiental, la gestió de recursos naturals i la producció de materials o aliments d'ús quotidià. ESQUEMA Classificació general de la matèria Classificació de la matèria La matèria es defineix a partir dels seus components bàsics, formats per conjunts d'àtoms, ions o molècules. Segons la seva organització i composició química, s'ordena en dos grans grups: DEFINICIÓ Una substància pura presenta una composició química fixa i propietats constants.

Elements: formats per un únic tipus d'àtom, com ara el carboni (C), el nitrogen (N), l'oxigen (O), el ferro (Fe) o l'alumini (Al). Per a aprofundir en el model atòmic, vegeu «Estructura atòmica — Models atòmics i configuració electrònica».

Compostos: combinacions químiques fixes de diferents elements mitjançant enllaços que formen molècules, com l'aigua destil·lada, l'àcid sulfúric (H_2SO_4), el diòxid de carboni (CO_2) o l'amoníac Substàncies pures Composició química constant Elements Àtoms idèntics (C, Fe) Compostos Molècules fixes (H SO ) Mescles Combinació física de substàncies Homogènies Una sola fase (dissolucions) Heterogènies Múltiples fases observables Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 3 (NH_3).

Quan diverses substàncies s'ajunten físicament sense reaccionar entre si, formen mescles: Mescles homogènies (dissolucions): presenten una sola fase amb aspecte i propietats uniformes a tota la mostra, com l'aigua de mar. L'estudi formal d'aquestes fases es desenvolupa a «Estats fluids — Dissolucions i gasos ideals». Mescles heterogènies: consten de dues o més fases diferenciables fàcilment, com el formigó o el sistema format per aigua i oli. ERROR FREQÜENT Confondre una mescla homogènia (com l'aigua de mar) amb un compost pur (com l'aigua destil·lada).

En una dissolució, les substàncies conserven la seva identitat química i es poden separar mitjançant mètodes físics, mentre que un compost químic té una fórmula fixa i només es pot separar mitjançant reaccions químiques. COMPROVA-HO 2 Per quina raó el diòxid de carboni és un compost i l'aigua de mar és una mescla homogènia? Estats d'agregació i canvis de fase Les partícules constituents de la matèria s'organitzen en diferents disposicions anomenades estats d'agregació. L'estat final depèn de les condicions de pressió i temperatura de l'entorn.

Estat Forma Volum Compressibilitat Comportament microscòpic Sòlid Definida Definit Pràcticament incompressible Partícules immòbils en una xarxa cristal·lina tridimensional periòdica; només presenten vibració. Líquid Variable (s'adapta) Definit Pràcticament incompressible Partícules amb desplaçaments relatius notables; capacitat de fluir. Gas Variable Variable (expansible) Fàcilment compressible Partícules molt separades que ocupen tot l'espai del recipient. Existeix també l'estat de plasma, el més abundant a l'univers però d'escassa presència directa al nostre planeta a causa de les condicions necessàries per al seu manteniment.

Els increments o descensos de temperatura provoquen canvis d'estat físics: Fusió: transició de sòlid a líquid mitjançant aportació tèrmica. Solidificació: pas de líquid a sòlid per refredament. Vaporització: transformació de líquid a gas. Condensació líquida: canvi de gas a líquid. Sublimació: pas directe de sòlid a gas sense passar per líquid. Condensació sòlida: pas directe de gas a sòlid. Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 4 COMPROVA-HO 3 Quina diferència mecànica existeix entre les partícules d'un sòlid i les d'un líquid? IDEES CLAU La química investiga l'estructura, les propietats i les reaccions de la matèria aplicada a la societat.

La matèria es classifica en substàncies pures (elements i compostos) i mescles (homogènies i heterogènies). Els estats físics clàssics són sòlid, líquid i gas, condicionats per la pressió i la temperatura. Els sòlids tenen forma i volum definits gràcies a la xarxa cristal·lina tridimensional. Els gasos s'expandeixen i es comprimeixen amb facilitat perquè no tenen volum propi fix. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 4. Com es classifiquen les mostres d'aigua de mar i d'aigua amb oli segons la seva homogeneïtat? 5. Quins noms reben les transicions directes entre l'estat sòlid i l'estat gasós? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 6.

Quin tipus de matèria és el gas diòxid de carboni (CO )? 7. Quin estat d'agregació té volum definit però forma variable? 8. Com s'anomena el pas directe de gas a sòlid? 9. Quina característica microscòpica defineix un sòlid cristal·lí?

2 Mescla heterogènia a) Substància pura elemental b) Substància pura composta c) Mescla homogènia d) Gas a) Líquid b) Sòlid c) Plasma d) Vaporització a) Fusió b) Condensació sòlida c) Sublimació d) Partícules que flueixen lliurement a) Xarxa tridimensional amb vibració b) Absència total de forces d'unió c) Distàncies interparticulars molt grans d) Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 5 Estructura atòmica — Models atòmics i configuració electrònica EN ACABAR SABRÀS Distingir els postulats clàssics de Dalton de la descripció mecanoquàntica moderna de Schrödinger. Calcular el nombre de partícules subatòmiques a partir dels valors de Z i A identificant isòtops.

Interpretar els quatre nombres quàntics assignant els seus valors permesos. Escriure configuracions electròniques aplicant el diagrama de Moeller, el principi de Pauli i la regla de Hund. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 10 Com és possible que gairebé tot el volum d'un àtom estigui pràcticament buit si la matèria macroscòpica ens sembla tan sòlida? Evolució dels models atòmics: de Dalton a Schrödinger L'estudi de la constitució íntima de la matèria comença formalment l'any 1808 amb la proposta de John Dalton, qui va establir el primer model científic modern.

Els seus postulats defensaven que els elements estan formats per partícules minúscules, indivisibles i indestructibles anomenades àtoms, i que tots els àtoms d'un mateix element químic resulten completament idèntics entre ells. També indicava que els àtoms no es creen ni es destrueixen ni es transformen en altres diferents, combinant- se en proporcions numèriques fixes per donar lloc als compostos. Tot i que gran part de les seves idees sobre les proporcions químiques continuen sent vàlides, la física clàssica de principis del segle XIX no tenia constància de l'existència de les partícules subatòmiques, dels isòtops ni dels processos de transformació nuclear.

Per aquest motiu, es considerava erròniament que l'àtom era indivisible i que tots els àtoms d'un mateix element tenien exactament la mateixa massa. Més d'un segle després, l'any 1926, Erwin Schrödinger va formular el model mecanoquàntic actual. En aquest marc, l'àtom es descriu dividit en dues regions clarament diferenciades pel que fa a volum, massa i funció: Nucli atòmic: zona central extremadament compacta on es concentra la totalitat de la càrrega elèctrica positiva i pràcticament tota la massa del sistema. Està constituït per protons i neutrons.

Escorça atòmica: regió molt extensa en comparació amb el nucli on es troben distribuïts els electrons, que aporten la càrrega elèctrica negativa. En un àtom elèctricament neutre, el nombre d'electrons presents a l'escorça coincideix de manera exacta amb el nombre de protons ubicats al nucli.

Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 6 ESQUEMA Estructura de l'àtom segons el model mecanoquàntic Partícula subatòmica Càrrega elèctrica Ubicació a l'àtom Massa en repòs (uma) Protó Positiva (+1) Nucli atòmic 1,00728 uma Neutró Neutra (0) Nucli atòmic 1,00867 uma Electró Negativa (-1) Escorça atòmica 0,00055 uma Com es dedueix de la taula anterior, la massa de l'electró resulta insignificant en comparació amb la dels nucleons (protons i neutrons). Per això, el pes global de qualsevol estructura atòmica recau pràcticament de forma exclusiva en el seu nucli.

DEFINICIÓ La unitat de massa atòmica (uma) és l'estàndard de referència per mesurar la massa d'àtoms i molècules, i es defineix prenent la massa de l'isòtop carboni-12 ( ) com a exactament 12 uma (vegeu «Càlculs químics — Masses, mol i estequiometria»). COMPROVA-HO 11 Quina troballa experimental posterior a 1808 va invalidar directament la idea de Dalton que tots els àtoms d'un mateix element químic són completament idèntics? Caracterització nuclear: Z, A i concepte d'orbital Per identificar qualsevol espècie nuclear s'utilitza la notació estàndard , on X representa el símbol químic de l'element.

Aquesta descripció requereix definir dos paràmetres fonamentals: Número atòmic ( ): quantitat total de protons que conté el nucli. És el tret d'identitat de l'element; tots els àtoms d'un mateix element posseeixen estrictament el mateix valor de . Número màssic ( ): suma del nombre de protons i del nombre de neutrons presents en el nucli ( ). Representa la quantitat sencera de nucleons.

Nucli atòmic Regió central petita amb gairebé tota la massa Protons Càrrega positiva i massa de 1,00728 uma Neutrons Sense càrrega i massa de 1,00867 uma Escorça atòmica Regió extensa que allotja els electrons Electrons Càrrega negativa i massa de 0,00055 uma C 12 X Z A Z Z A A = Z + N Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 7 Els isòtops són àtoms que pertanyen al mateix element químic (mateix ) però presenten un nombre diferent de neutrons, cosa que comporta valors diferents per al seu número màssic . La massa atòmica pròpia d'un isòtop concret equival directament al seu valor de .

En el model mecanoquàntic de 1926, Schrödinger va abandonar la noció clàssica de trajectòries o òrbites determinades. Mitjançant la seva equació diferencial, va descriure l'energia i el comportament dels electrons mitjançant una solució matemàtica coneguda com a funció d'ona . El mòdul al quadrat d'aquesta expressió determina la probabilitat de trobar un electró en un determinat nivell d'energia i posició espacial. Per tant, anomenem orbital atòmic a cadascuna d'aquestes regions de l'espai al voltant del nucli on la probabilitat de localitzar un electró amb una energia concreta és màxima. ERROR FREQÜENT És molt habitual confondre una òrbita amb un orbital.

Una òrbita clàssica implica una trajectòria fixa i definida d'una partícula al voltant d'un centre (com un planeta al voltant del Sol). En canvi, un orbital quàntic és una distribució tridimensional de probabilitat derivada de la funció d'ona on l'electró té una probabilitat elevada de ser trobat, sense que puguem precisar una trajectòria definida. COMPROVA-HO 12 Si dos àtoms tenen el mateix nombre atòmic Z = 17 però números màssics A = 35 i A = 37, com es classifiquen químicament i en què es diferencien a nivell subatòmic? Els quatre nombres quàntics La funció d'ona no s'acostuma a resoldre de manera analítica per a cada aplicació química pràctica.

En comptes d'això, la distribució espacial i energètica dels electrons en els orbitals s'expressa mitjançant un conjunt de quatre valors anomenats nombres quàntics: Z A A Ψ(x, t) Ψ Nombre quàntic principal ( ): adopta valors enters positius ( ). Informa del nivell energètic principal de l'electró, de la seva distància mitjana respecte del nucli atòmic i de la mida global de l'orbital. Com més gran és el valor de , més gran és l'orbital i més elevada és la seva energia. 1 n n = 1, 2, 3, ... n Nombre quàntic del moment angular o secundari ( ): pren valors des de 0 fins a per a un nivell determinat. Defineix la geometria o forma de l'orbital atòmic (el tipus de subnivell).

Segons el seu valor numèric, s'assigna convencionalment una lletra: orbital s orbital p orbital d orbital f orbital g orbital h 2 l n 1 l = 0 l = 1 l = 2 l = 3 l = 4 l = 5 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 8 PER RECORDAR-HO Mentre que els tres primers nombres quàntics ( ) caracteritzen l'orbital (la seva mida, forma i orientació), el quart nombre quàntic ( ) defineix l'estat magnètic intern de l'electró dins d'aquell orbital. COMPROVA-HO 13 Quants orbitals atòmics diferents existeixen en un subnivell que té nombre quàntic secundari l = 2?

Regles d'ompliment i configuració electrònica La configuració electrònica d'una espècie química és la representació sistemàtica de la distribució dels seus electrons entre els diferents orbitals atòmics disponibles. Per escriure correctament aquesta distribució en un àtom neutre en el seu estat fonamental (estat de mínima energia), s'han d'aplicar de manera simultània tres regles fonamentals: Nombre quàntic magnètic ( ): pot adquirir valors enters compresos entre i , incloent el zero ( ). Determina l'orientació espacial de l'orbital respecte a un eix de coordenades.

El nombre possible d'orientacions en l'espai per a un determinat subnivell ve donat per l'expressió : Per a (orbitals s), hi ha orientació (orbital simple). Per a (orbitals p), hi ha orientacions espacials (orbitals triples). Per a (orbitals d), hi ha orientacions (orbitals quíntuples). 3 m l +l m = l, (l 1), ..., 0, ..., l 1, l 2l + 1 l = 0 2(0) + 1 = 1 l = 1 2(1) + 1 = 3 l = 2 2(2) + 1 = 5 Nombre quàntic d'spin ( ): descriu el gir intrínsec de l'electró sobre el seu propi eix. Donat que només pot girar en dos sentits oposats, pren únicament els valors (sentit antihorari, indicat amb la fletxa ) o (sentit horari, indicat amb la fletxa ).

4 s +1/2 1/2 n, l, m s Principi de construcció (Aufbau): els electrons s'introdueixen ocupant progressivament els orbitals lliures d'energia més baixa. L'ordre energètic es regeix per la suma dels nombres quàntics . En cas de coincidir el valor de la suma per a dos subnivells diferents, té menor energia aquell que posseeix un valor menor del nombre quàntic principal . L'ordre pràctic d'ompliment s'obté seguint les diagonals del diagrama de Moeller: 1 n + l n Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 9 Esquema del diagrama de Moeller per a l'ompliment orbital segons energia.

COMPROVA-HO 14 Quina regla s'incompleix si ubiquem dos electrons amb el mateix spin s = +1/2 dins d'un únic orbital 1s? Principi d'exclusió de Pauli: en un mateix àtom no poden coexistir mai dos electrons que comparteixin exactament els mateixos quatre nombres quàntics ( ). Com a conseqüència directa, en un orbital individual (que ja té fixats i ) només hi caben com a màxim dos electrons, els quals han de tenir obligatòriament spins oposats o antiparal·lels ( i ). Quan això passa, diem que els electrons estan aparellats.

1 n, l, m, s n, l m +1/2 1/2 Regla de màxima multiplicitat de Hund: en subnivells degenerats (és a dir, conjunts d'orbitals amb idèntica energia com els tres orbitals p o els cinc orbitals d), l'ordenació més estable s'aconsegueix quan els electrons ocupen el màxim nombre d'orbitals individuals mantenint els seus spins paral·lels abans de començar a aparellar-se. D'aquesta manera s'afavoreix la presència del major nombre possible d'electrons desaparellats. 2 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 10 IDEES CLAU Dalton (1808) va formular la primera teoria atòmica postulant àtoms indivisibles, concepte superat pel descobriment de les partícules subatòmiques i els isòtops.

El model mecanoquàntic de Schrödinger (1926) divideix l'àtom en un nucli central (amb protons i neutrons) i una escorça àmplia (amb electrons). El nombre atòmic defineix l'element i la seva càrrega nuclear positiva, mentre que el nombre màssic reflecteix la suma total de nucleons. Un orbital atòmic és una regió espacial obtinguda de la funció d'ona que descriu la probabilitat de trobar un electró amb un cert contingut energètic. Els nombres quàntics determinen la mida, forma i orientació de l'orbital, mentre que concreta el sentit de rotació de l'electró.

L'ompliment electrònic en l'estat fonamental se sotmet a l'ordre creixent d'energia segons , al principi d'exclusió de Pauli i a la regla de Hund. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 15. Com es defineix un isòtop a partir dels valors de Z i A? 16. Quina capacitat màxima d'electrons admet un conjunt complet d'orbitals p i per què? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 17. Quin postulat de la teoria de Dalton de 1808 va quedar invalidat pels coneixements posteriors? 18. Quina partícula subatòmica presenta una massa en repòs de només 0,00055 uma? 19. Quina propietat geomètrica o energètica descriu el nombre quàntic secundari o de moment angular (l)?

Z A \textPsi(x, t) n, l, m s n + l L'existència de compostos químics a) L'existència d'elements químics diferents b) La combinació en proporcions fixes c) La indivisió absoluta de l'àtom d) El neutró a) El positró b) L'electró c) El protó d) La forma o tipus d'orbital a) L'orientació espacial en tres dimensions b) La mida global de l'orbital c) El sentit de gir de l'electró d) Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 11 20. Segons la regla de màxima multiplicitat de Hund, com s'omplen els orbitals d'un mateix subnivell? 3 Càlculs químics — Masses, mol i estequiometria EN ACABAR SABRÀS Calcular la massa atòmica mitjana d'un element a partir de la seva abundància isotòpica.

Relacionar el concepte de mol, nombre d'Avogadro i massa molar per a substàncies pures. Resoldre càlculs estequiomètrics identificant el reactiu limitant i els reactius en excés. Ajustar i interpretar reaccions àcid-base bàsiques i de combustió d'hidrocarburs. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 21 Per què no podem pesar directament els reactius en una balança i barrejar-los en la mateixa proporció de grams que indiquen els seus coeficients químics? Massa atòmica, abundància isotòpica i massa molecular Per mesurar les dimensions minúscules dels àtoms s'utilitza la unitat de massa atòmica (uma), establerta prenent la massa de l'isòtop carboni-12 ( ) com a exactament 12 uma.

A la natura, gairebé tots els elements químics es presenten com una mescla de diferents isòtops (vegeu «Estructura atòmica — Models atòmics i configuració electrònica»). La proporció en què es troba cadascun a la superfície terrestre s'anomena abundància isotòpica natural.

La massa atòmica relativa d'un element reflecteix aquesta diversitat i es determina mitjançant una mitjana ponderada de les masses isotòpiques segons la seva abundància: Un cas paradigmàtic és el clor, format per dos isòtops estables: Isòtop Massa isotòpica (uma) Abundància natural (%) 34,96885 75,77 36,96590 24,23 Aplicant la mitjana ponderada s'obté el valor característic de la taula periòdica: Aparellant electrons des del primer moment a) Ocupant només orbitals amb spin negatiu b) Maximitzant els electrons amb spins paral·lels c) Deixant buit el primer orbital d'energia d) C 12 Massa at mica = o ˋ 100 (massa isot pica % abund ncia ) o ˋ i a ˋ i Cl 17 35 Cl 17 37 34 96885 75 77 36 96590 24 23 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 12 En els càlculs convencionals s'acostuma a treballar amb valors arrodonits: , , i .

La massa molecular (o massa d'una unitat de fórmula) és la suma de les masses atòmiques dels àtoms indicats en la fórmula del compost. Per exemple, per a l'àcid sulfúric ( ): COMPROVA-HO 22 Per què la massa atòmica del clor a la taula periòdica és 35,453 uma i no pas un nombre enter? Composició centesimal, el mol i la massa molar La composició centesimal indica el percentatge en massa de cada element present en un compost químic. Coneguda la fórmula química, es calcula el pes relatiu de cada element respecte a la massa total. Inversament, a partir dels percentatges en massa es pot deduir la fórmula del compost.

Per exemple, el diòxid de carboni ( ) conté exactament un 27,3% de C i un 72,7% d'O. Per connectar el món atòmic amb les quantitats mesurables al laboratori s'utilitza el mol. Es defineix el nombre d'Avogadro (N_A) com la quantitat d'àtoms de carboni presents exactament en 12 grams de : Així, un mol de qualsevol substància conté entitats elementals (àtoms, molècules o ions). La massa molar és la massa d'un mol d'aquesta substància: té exactament el mateix valor numèric que la seva massa molecular o fórmula, però s'expressa en grams per mol (g/mol). Per exemple, un mol d' té una massa de 98 g.

COMPROVA-HO 23 Quina relació numèrica directa hi ha entre la massa molecular expressada en uma i la massa molar d'una substància? Estequiometria: el mètode del mol i el reactiu limitant L'estequiometria permet calcular les quantitats de reactius i productes que intervenen en un procés químic mitjançant l'equació ajustada.

L'estratègia universal és el mètode del mol, que segueix tres passos consecutius: M(Cl) = = 100 34,96885 75,77 + 36,96590 24,23 35,453 uma Cl 35,5 uma H 1 uma S 32 uma O 16 uma H SO 2 4 M(H SO ) = 2 4 2 1 + 1 32 + 4 16 = 98 uma CO 2 C 12 N = A 6,022 10 entitats/mol 23 N A H SO 2 4 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 13 PROCÉS Mètode del mol en estequiometria 1 Dades inicials Massa o quantitats inicials dels reactius 2 Conversió a mols Divisió per la massa molar de la substància 3 Relació estequiomètrica Ús dels coeficients de la reacció ajustada 4 Magnitud buscada Càlcul de la massa o quantitat final de producte Quan els reactius no es troben en les proporcions estequiomètriques exactes, un d'ells s'esgota abans.

El reactiu limitant és aquell que s'acaba primer durant la reacció química. Determina estrictament la quantitat màxima de producte que es pot formar. Els reactius en excés són aquells dels quals sobra una fracció un cop consumit completament el reactiu limitant. ERROR FREQÜENT No comparis directament els grams dels reactius per esbrinar el reactiu limitant. La quantitat inicial en grams s'ha de dividir obligatòriament per la massa molar de cada espècie per obtenir mols, i després dividir aquests mols pel coeficient estequiomètric respectiu de la reacció ajustada. El valor més baix d'aquest quocient és el reactiu limitant.

COMPROVA-HO 24 A partir de quin reactiu s'ha de calcular la quantitat teòrica de producte obtingut en una reacció? Reaccions químiques fonamentals: àcids, bases i combustió L'estequiometria s'aplica a diverses famílies de transformacions químiques habituals al laboratori: 1.

Comportament d'àcids i bases segons el model d'Arrhenius Segons la descripció d'Arrhenius, els àcids generen ions en dissolució aquosa i presenten patrons de reactivitat característics: Atac a metalls: reaccionen amb metalls desprenent gas hidrogen: Atac a carbonats: descomponen els carbonats amb alliberament de diòxid de carboni i formació d'aigua: Conversió inicial a mols: es transformen les dades de partida (grams, unitats o volums) a quantitat de substància en mols mitjançant la massa molar corresponent. 1 Relació estequiomètrica: s'apliquen les proporcions definides pels coeficients de l'equació química ajustada per calcular els mols de la substància requerida.

2 Conversió a la magnitud final: es converteixen els mols obtinguts a la unitat sol·licitada en l'enunciat (grams, volum o partícules). 3 H+ 2HCl + Zn ZnCl + 2 H 2 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 14 Les bases generen ions en medi aquós i reaccionen amb gasos àcids com el per precipitar sals carbonatades: La interacció directa entre un àcid i una base constitueix una reacció de neutralització, en la qual es produeixen una sal i aigua: 2. Reaccions de combustió Una reacció de combustió és l'oxidació ràpida d'un combustible orgànic en presència d'oxigen com a comburent.

Quan un hidrocarbur com el propà ( ) es crema totalment, els productes resultants són exclusivament diòxid de carboni i vapor d'aigua: COMPROVA-HO 25 Quins productes s'obtenen en fer reaccionar àcid clorhídric amb carbonat de calci? IDEES CLAU La unitat de massa atòmica (uma) es pren exactament com la dotzena part de la massa del carboni-12 ( ). La massa atòmica dels elements a la taula periòdica és la mitjana ponderada dels seus isòtops segons la seva abundància natural. Un mol conté exactament entitats (nombre d'Avogadro, ), i la massa molar coincideix en valor numèric amb la massa molecular en g/mol.

Els càlculs estequiomètrics exigeixen transformar les dades a mols per aplicar les relacions de l'equació química ajustada. El reactiu limitant s'esgota completament abans que els altres i determina la quantitat teòrica màxima de productes que es poden formar. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 26. Com es defineix formalment el nombre d'Avogadro a partir del carboni-12? 27. Quin compost s'obté en forma de precipitat en fer reaccionar hidròxid de sodi amb diòxid de carboni?

2HCl + CaCO 3 CaCl + 2 CO 2 +H O 2 OH CO 2 2NaOH + CO 2 Na CO 2 3 +H O 2 HCl + NaOH NaCl + H O 2 C H 3 8 C H + 3 8 5O 2 3CO + 2 4H O 2 C 12 6,022 1023 N A Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 15 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 28. Quants grams pesa un mol d'àcid sulfúric (H SO )? 29. Quin concepte defineix el reactiu limitant d'una reacció química? 30. Quins productes es generen en la combustió completa del propà (C H )? 31. Què es desprèn en reaccionar un àcid com l'HCl amb un metall com el zinc?

4 Estats fluids — Dissolucions i gasos ideals EN ACABAR SABRÀS Distingir i calcular les unitats físiques i químiques de concentració d'una dissolució. Diferenciar de manera operativa la concentració d'una dissolució de la seva densitat. Aplicar l'equació d'estat del gas ideal en càlculs de pressió, volum, densitat i massa molar. Calcular pressions parcials i totals en mescles gasoses mitjançant la llei de Dalton. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 32 Si afegim aigua a un refresc ensucrat, canvia la massa de sucre que conté o canvia la seva concentració?

Dissolucions: conceptes fonamentals i saturació Una dissolució és una mescla homogènia (vegeu «Estudi de la matèria — Classificació i estats d'agregació») formada per dues o més substàncies químiques en proporcions variables. En qualsevol sistema binari simple distingim dos integrants essencials: Solut: el component que es troba generalment en menor proporció o que es dissol en l'altre medi.

49 g a) 98 g b) 100 g c) 32 g d) El que sobra un cop finalitzat el procés a) El reactiu amb menor massa molar b) El que té menys grams inicials c) El que s'esgota abans a la reacció d) Na CO i H O a) CO i H O b) C sòlid i H O c) CO i H d) Vapor d'aigua a) Diòxid de carboni b) Hidrogen gas c) Oxigen gas d) Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 16 Dissolvent: la substància majoritària o el medi dispersant en el qual s'integra el solut. La proporció relativa entre aquests components estableix la concentració del sistema.

Quan analitzem la quantitat de solut respecte a un volum de dissolvent concret, trobem el límit físic anomenat solubilitat, que defineix la capacitat màxima de solut que accepta una quantitat fixada de dissolvent a una temperatura donada. Segons aquest llindar de saturació, distingim tres condicions: 1. Dissolució insaturada (o no saturada): conté menys solut del màxim permès, per la qual cosa encara admet més quantitat sense alterar l'estat del sistema. 2. Dissolució saturada: assoleix el límit exacte de solubilitat, establint un estat d'equilibri dinàmic entre el solut dissolt i el solut sense dissoldre. 3.

Dissolució sobresaturada: conté més solut del que permet l'equilibri de solubilitat; es tracta d'una situació inestable en la qual s'origina un precipitat sòlid. D'altra banda, de manera qualitativa o relativa, solem classificar les mescles en diluïdes o concentrades segons si la fracció de solut present és petita o elevada en relació amb el medi. DEFINICIÓ La solubilitat molar expressa el nombre màxim de mols de solut capaços de dissoldre's per cada litre de dissolució resultant en equilibri. Si la mesura es fa en unitats màssiques, s'utilitzen habitualment grams de solut per litre de dissolució (g/L).

COMPROVA-HO 33 Què passa si afegim solut addicional a una dissolució que ja ha assolit el seu equilibri de saturació? Expressions quantitatives de la concentració La descripció rigorosa de qualsevol dissolució requereix paràmetres quantitatius. La concentració vincula quantitativament el solut amb el dissolvent o amb la dissolució global. Unitat de concentració Símbol Fórmula matemàtica Descripció i unitats típiques Molaritat Mols de solut per cada litre de volum total de la dissolució. Molalitat Mols de solut referits a la massa en quilograms del dissolvent pur. Grams per litre g/L Massa de solut en grams dissolta en un litre de dissolució.

Percentatge en massa Grams de solut continguts en de dissolució total (riquesa màssica). M M = V (L) dissolucio ˊ n solut m m = m (kg) dissolvent n solut g/L = V (L) dissolucio ˊ m (g) solut %(m/m) %(m/m) = × m dissolucio ˊ m solut 100 100 g Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 17 Unitat de concentració Símbol Fórmula matemàtica Descripció i unitats típiques Percentatge en volum Mil·lilitres de solut presents en de volum total de dissolució. Fracció molar Quocient adimensional entre els mols d'un component i el total de mols. ERROR FREQÜENT No s'ha de confondre mai la concentració d'una dissolució amb la seva densitat.

La concentració mesura quant solut hi ha respecte al volum o massa de la mescla (per exemple, g solut/L dissolució), mentre que la densitat relaciona la massa global d'una substància o mescla amb el volum exacte que aquesta ocupa: Per tant, la densitat de la dissolució (g dissolució/mL dissolució) permet convertir la massa de dissolució en volum de dissolució, però no indica directament quant solut conté. COMPROVA-HO 34 Quina diferència fonamental hi ha en el denominador de la molaritat respecte al de la molalitat? Magnituds del gas ideal i lleis empíriques Per caracteritzar l'estat fluid gasós s'utilitzen tres variables fonamentals: pressió ( ), volum ( ) i temperatura ( ).

La pressió es defineix com la força exercida per unitat de superfície perpendicular ( ). En el Sistema Internacional s'expressa en pascals ( ). S'utilitzen de manera canònica les equivalències següents: De manera addicional, s'empra el bar com a unitat derivada ( ). La variable tèrmica ha de calcular-se obligatòriament en escala de temperatura absoluta en kèlvins: Un gas ideal és un model teòric de partícules puntuals sense interaccions que satisfà simultàniament les lleis històriques dels gasos: Llei d'Avogadro: a temperatura i pressió constants, el volum d'un gas resulta directament proporcional a la quantitat de matèria ( ).

Llei de Boyle-Mariotte: a temperatura i nombre de mols fixos, la pressió i el volum mantenen una proporcionalitat inversa ( ). Llei de Charles i Gay-Lussac: a pressió i quantitat de matèria constants, el volum creix de forma directament proporcional a la temperatura absoluta ( ).

%(V/V) %(V/V) = × V dissolucio ˊ V solut 100 100 mL X i X = i n total n i ρ = V m P V T P = F /A 1 Pa = 1 N/m 2 1 atm = 760 mmHg = 760 Torr = 101.325 Pa 1 bar = 10 Pa 5 750 Torr T (K) = t ( C) + ° 273,15 V = k × 1 n P × V = k 2 V = k × 3 T Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 18 ESQUEMA Lleis fonamentals del gas ideal COMPROVA-HO 35 Què passa amb el volum d'una massa fixa de gas si es duplica la seva temperatura absoluta a pressió constant? Equació d'estat del gas ideal i mescles gasoses La integració d'aquestes relacions condueix directament a l'equació d'estat del gas ideal: On representa la constant universal dels gasos ideals, amb el valor canònic .

Si recordem la definició de massa molar (vegeu «Càlculs químics — Masses, mol i estequiometria»), , l'equació es pot reformular a partir de la densitat màssica del fluid gasós ( ): Quan conflueixen diferents gasos sense reaccionar dins d'un mateix recipient, la massa molar efectiva de la mescla s'obté sumant la contribució ponderada de cada constituent mitjançant la seva fracció molar: En aquest escenari, cada substància exerceix una pressió parcial ( ), que equival a la pressió que generaria si ocupés en solitari la totalitat del volum a la mateixa temperatura.

La relació es regeix mitjançant la llei de Dalton: Tenint en compte que la fracció molar de cada espècie respon a , la suma de totes les fraccions molars és sempre unitària ( ), d'on es dedueix que la pressió global correspon a la suma íntegra de les pressions individuals del sistema: Lleis dels gasos Comportament empíric del fluid ideal Llei de Boyle-Mariotte P i V inversament proporcionals Llei de Charles i Gay- Lussac V i T directament proporcionals Llei d'Avogadro V i n directament proporcionals P × V = n × R × T R R = 0,082 mol K atm L n = m/M m ρ = m/V P × M = m ρ × R × T M = mescla X × i i M i P i P = i X × i P total X = i n /n i total X = i 1 P = total P i i Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 19 COMPROVA-HO 36 Si una mescla gasosa conté un 20 % molar d'oxigen i la pressió total és de 2 atm, quina és la pressió parcial de l'oxigen?

IDEES CLAU Una dissolució és una mescla homogènia el límit màxim de solut de la qual està fixat per la solubilitat a una temperatura concreta. La molaritat relaciona els mols de solut amb el volum de la dissolució en litres, mentre que la molalitat utilitza la massa de dissolvent pur en quilograms. La densitat relaciona la massa i el volum totals d'una fase, mentre que la concentració expressa la proporció relativa de solut. L'estat d'un gas ideal s'avalua amb l'equació usant sempre la temperatura absoluta en kèlvins. La llei de Dalton estableix que la pressió parcial d'un gas individual en una mescla és el producte de la seva fracció molar per la pressió total del sistema.

COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 37. Com es calcula la massa molar mitjana d'una mescla de gasos si en coneixem la composició molar? 38. Quina relació matemàtica vincula la pressió d'un gas amb la seva densitat i la seva massa molar? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 39. Quin paràmetre utilitza la molalitat en el seu denominador? 40. A quant equival una pressió estàndard d'1 atm en mil·límetres de mercuri? 41. Quina llei gasosa relaciona de forma inversament proporcional la pressió i el volum a temperatura constant?

P × V = n × R × T Grams de solut agregat a) Quilograms de dissolvent pur b) Mols totals de mescla c) Litres totals de dissolució d) 101,325 mmHg a) 1000 mmHg b) 760 mmHg c) 750 mmHg d) Llei de Dalton a) Llei de Boyle-Mariotte b) Llei de Charles c) Hipòtesi d'Avogadro d) Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 20 42. Segons la llei de Dalton, com s'obté la pressió parcial d'un gas en una mescla? 5 Equilibri químic — Teories àcid-base, pH i hidròlisi EN ACABAR SABRÀS Distingir el concepte d'àcid i base segons els models d'Arrhenius i Brönsted-Lowry. Calcular el pH i el pOH de dissolucions d'àcids i bases forts i febles.

Preveure el caràcter àcid, bàsic o neutre d'una dissolució salina mitjançant la hidròlisi dels seus ions. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 43 Com pot una sal neutra com el fluorur de sodi donar lloc a una dissolució amb pH bàsic quan es dissol en aigua pura? L'estudi dels equilibris àcid-base permet analitzar el comportament de múltiples dissolucions aquoses a partir de la transferència protònica entre espècies químiques.

ESQUEMA Estructura del tema d'equilibris àcid-base Definició operacional i model d'Arrhenius Abans de desenvolupar models teòrics a escala molecular, els àcids i les bases es reconeixien de manera experimental per les seves propietats observables: Multiplicant fracció molar i pressió total a) Sumant la densitat a la temperatura b) Dividint la pressió pel volum c) Multiplicant els mols pel volum molar d) Models àcid-base Arrhenius i Brönsted-Lowry Arrhenius Dissociació d'H+ i OH- en aigua Brönsted-Lowry Transferència protònica i parells conjugats Equilibri aquós Autoionització i constants Ka i Kb Escala de pH Càlcul per a forts i febles Hidròlisi salina Reactivitat dels ions amb l'aigua Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 21 Propietat Àcids Bases Gust organolèptic Sabor agre o àcid Sabor amarg Tacte No característic Tacte suau i lliscant (hidrolitzen proteïnes cutànies) Colorants vegetals Modifiquen el color dels indicadors Provoquen canvis de color alternatius Reactivitat química Dissolen nombroses substàncies i desprenen davant metalls actius Precipiten substàncies que prèviament s'havien dissolt en àcids Reacció mútua Neutralitzen les propietats bàsiques Neutralitzen les propietats àcides Per explicar aquests fets, la teoria d'Arrhenius estableix el comportament dels compostos segons la seva dissociació en medi aquós.

Un àcid és una substància que allibera ions en dissoldre's en aigua, mentre que una base és aquella que s'ionitza alliberant anions . En aquest marc, la reacció de neutralització consisteix en la combinació directa d'aquests dos ions per formar aigua: En realitat, el protó lliure té una densitat de càrrega immensa i es troba fortament hidratat en forma d'ió hidroni ( ). En la resolució d'equilibris, ambdues notacions ( i ) es consideren completament equivalents. COMPROVA-HO 44 Com es defineix la reacció de neutralització en el model d'Arrhenius?

Teoria de Brönsted-Lowry i autoionització de l'aigua El model d'Arrhenius presenta la limitació d'exigir aigua com a dissolvent únic i no explicar el caràcter bàsic de molècules sense hidròxids com l'amoníac. La teoria de Brönsted-Lowry generalitza el concepte: un àcid és tota espècie capaç de cedir protons a una altra substància, i una base és l'espècie que els accepta. PARELL ÀCID-BASE CONJUGAT En tota transferència protònica, quan un àcid cedeix un protó es converteix en la seva base conjugada, i quan la base accepta el protó es transforma en el seu àcid conjugat: Aquí, i constitueixen dos parells àcid-base conjugats.

L'aigua pot actuar tant cedint com acceptant protons segons l'espècie amb la qual interaccioni; per aquest motiu rep el nom de substància amfipròtica.

Així, davant d'una base com el , l'aigua actua com a àcid: H 2 H+ OH H + + OH H O 2 H O 3 + H+ H O 3 + HA + H O 2 A + H O 3 + HA/A H O /H O 3 + 2 NH 3 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 22 Com a conseqüència d'aquest caràcter amfipròtic, l'aigua pura experimenta una transferència de protons entre les seves pròpies molècules mitjançant el procés d'autoionització: La posició d'aquest equilibri ve regulada pel producte iònic de l'aigua ( ), el qual a la temperatura de 25 ºC pren un valor constant: COMPROVA-HO 45 Per què diem que la molècula d'aigua té comportament amfipròtic?

Força dels àcids i bases: constants Ka i Kb La fortalesa d'un àcid o d'una base rau en la seva tendència relativa a alliberar o captar protons. Si l'equilibri de transferència es troba totalment desplaçat cap a la dreta, l'espècie és forta i la seva parella conjugada resulta extraordinàriament feble (gairebé inerta). Per avaluar quantitativament les espècies que no es dissocien completament, s'empren les constants d'equilibri d'ionització.

Per a un àcid feble genèric HAc i una base feble com el : H O + 2 NH 3 OH + NH 4 + H O + 2 H O 2 H O + 3 + OH K w K = w [H O ][OH ] = 3 + 1,0 10 14 NH 3 K = a ; K = [HAc] [Ac ][H O ] 3 + b [NH ] 3 [OH ][NH ] 4 + Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 23 Taula de valors de constants Ka i Kb per a diversos parells. Entre un àcid i la seva base conjugada es compleix rigorosament en solució aquosa la relació . Així, a mesura que augmenta la força d'un àcid (valor superior de ), menor és la capacitat bàsica del seu anió conjugat (menor ).

PER RECORDAR-HO Els àcids clorhídric (HCl), nítric ( ) i sulfúric ( , en la seva primera ionització), així com l'hidròxid de sodi (NaOH), tenen constants extremadament grans: es consideren dissociats al 100 % i no s'hi aplica equilibri reversible.

L'escala de pH i el càlcul d'equilibris Atès que les concentracions d'ions hidroni en dissolució solen ser molt reduïdes, s'utilitza una notació logarítmica compacta: A partir de la relació del producte iònic a 25 ºC s'obté la relació fonamental: Medi de la dissolució Concentració d'hidroni (25 ºC) Rang de pH (25 ºC) Neutre K a K = b K w K a K b HNO 3 H SO 2 4 pH = log[H O ] ; pOH = 3 + log[OH ] pH + pOH = 14 [H O ] = 3 + 10 M 7 pH = 7 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 24 Medi de la dissolució Concentració d'hidroni (25 ºC) Rang de pH (25 ºC) Àcid Bàsic (alcalí) Quan s'ha de calcular el pH cal distingir entre espècies fortes i febles: ERROR FREQÜENT Calcular el pH d'una base feble o forta aplicant directament com si fos el valor del pH.

Aquest logaritme determina el pOH. A 25 ºC s'ha de restar aquest resultat a 14 ( ) per no assignar un valor àcid a una substància clarament bàsica. Hidròlisi salina Quan una sal es dissol en aigua, es produeix la seva dissociació total en cations i anions. La hidròlisi salina és la reacció química que té lloc quan aquests ions interaccionen amb les molècules d'aigua, modificant el pH resultant segons la procedència dels components: ESQUEMA Comportament hidrolític dels ions de les sals [H O ] > 3 + 10 M 7 pH < 7 [H O ] < 3 + 10 M 7 pH > 7 Espècie forta (dissociació total): Si tenim una solució de HCl , com que , la concentració d'hidroni serà , per tant .

1 10 M 4 HCl H + + Cl [H O ] = 3 + 10 M 4 pH = log(10 ) = 4 4 Espècie feble (equilibri parcial): Per a un àcid feble HA amb concentració inicial 0,01 M i dissociació parcial : Les concentracions en equilibri seran , i . S'aplica l'expressió de la constant d'equilibri per aïllar la incògnita: Un cop obtinguda , es calcula directament el pH.

2 x HA + H O 2 A + H O 3 + [HA] = 0,01 x [A ] = x [H O ] = 3 + x K = a = [HA] [A ][H O ] 3 + 0,01 x x2 x = [H O ] 3 + log[OH ] pH = 14 pOH Ions sense hidròlisi Mantenen el pH neutre Anions forts Cl-, NO3-, SO4(2-), ClO4- Cations forts Na+, K+, Ca(2+), Mg(2+) Ions amb hidròlisi Modifiquen el pH de l'aigua Anions febles Generen OH- (pH bàsic) Cations àcids Generen H3O+ (pH àcid) Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 25 Perquè un ió pugui hidrolitzar-se, ha de procedir necessàriament d'un àcid o d'una base feble, ja que llavors actuarà com un conjugat amb prou força per alterar l'equilibri de l'aigua: Anions d'àcids forts: Espècies com , , , , o no s'hidrolitzen (passen com a inerts).

Cations de bases fortes: Ions dels alcalins i alcalinoterris com , , , , o tampoc no experimenten hidròlisi. Anions d'àcids febles (hidròlisi bàsica): Ions com , , , , , ( ), o capten un protó de l'aigua generant ions : La constant d'aquest equilibri s'expressa mitjançant . Cations hidrolitzables (hidròlisi àcida): El catió amoni ( ) i cations metàl·lics petits d'alta càrrega ( , , , ) actuen cedint protons al medi i formant hidroni, conferint un caràcter àcid ( ). COMPROVA-HO 46 Quin caràcter àcid-base presentarà una dissolució d'acetat de sodi (NaAc) i per què?

IDEES CLAU Segons Brönsted-Lowry, un àcid cedeix protons generant la seva base conjugada, i una base accepta protons generant el seu àcid conjugat. L'aigua presenta un caràcter amfipròtic que dona lloc a l'autoionització, regulada pel producte iònic a 25 ºC. Per a tot parell conjugat en medi aquós es verifica de manera invariable la relació . El valor del pH es calcula com i a 25 ºC compleix l'expressió . La hidròlisi salina només té lloc quan els ions de la sal provenen d'espècies febles, provocant que la dissolució adquireixi caràcter àcid o bàsic. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 47. Com es calcula el pH d'una dissolució 0,01 M d'un àcid feble monopròtic HA si coneixem la seva constant Ka? 48.

Quin tipus d'ions procedents d'una sal no produeixen cap reacció d'hidròlisi en aigua? ClO 4 NO 3 Cl Br I SO 4 2 Li+ Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ CO 3 2 HCO 3 S2 HS CN Ac CH COO 3 PO 4 3 F OH Ac + H O 2 HAc + OH K = h K (HAc) a K w NH 4 + Be2+ Zn2+ Al3+ Fe3+ pH < 7 K = w [H O ][OH ] = 3 + 1,0 10 14 K a K = b K w log[H O ] 3 + pH + pOH = 14 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 26 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 49. Quina condició defineix una espècie amfipròtica segons el model de Brönsted-Lowry? 50. Si una dissolució aquosa presenta a 25 ºC un pOH igual a 4, quin és el seu pH? 51.

Quina de les parelles d'ions següents no experimentarà cap procés d'hidròlisi en dissolució aquosa? 52. Com es vinculen les constants Ka i Kb d'un parell àcid-base conjugat a 25 ºC? 6 Química analítica — Volumetries de neutralització i solubilitat EN ACABAR SABRÀS Distingir entre el punt d'equivalència i el punt final d'una valoració àcid-base. Identificar l'indicador adequat segons el seu interval de viratge i el canvi de color. Formular l'expressió del producte de solubilitat (Kps) d'una sal poc soluble. Predir la formació de precipitat comparant el producte iònic de concentracions amb la Kps.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 53 Per què afegir unes gotes d'un indicador colorimètric ens permet saber quan hem neutralitzat exactament un àcid amb una base?

Forma exclusivament sals insolubles en aigua a) Pot comportar-se cedint o acceptant protons b) Es dissocia sempre de manera irreversible c) Pot alliberar ions OH o H indiferentment d) pH = 10 a) pH = 4 b) pH = 14 c) pH = 7 d) Na i Cl a) NH i Cl b) Al³ i NO c) Na i CH COO d) Ka + Kb = 14 a) Ka · Kb = Kw b) Ka / Kb = Kw c) Ka · Kb = 1 d) Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 27 Volumetries de neutralització àcid-base Una volumetria és un procediment analític quantitatiu basat a mesurar el volum necessari d'un reactiu d'anàlisi per completar la transformació química amb la mostra.

En les volumetries de neutralització, aquest procés s'aplica mitjançant una reacció entre un àcid i una base (conceptes tractats a «Equilibri químic — Teories àcid-base, pH i hidròlisi»). DEFINICIÓ La valoració àcid-base consisteix a calcular la concentració d'una dissolució problema fent-la reaccionar amb un volum determinat d'una dissolució patró de concentració exactament coneguda. Durant el transcurs de l'addició es produeix una modificació sobtada de les concentracions d'espècies en el medi quan s'arriba a les proximitats del punt d'equivalència. Aquest instant teòric s'assoleix quan s'han barrejat quantitats estequiomètricament equivalents dels dos reactius.

A la pràctica experimental, l'operació s'atura en un moment anomenat punt final, el qual cal que coincideixi tan fidelment com sigui possible amb el punt d'equivalència químic. Indicadors àcid-base i zona de viratge Per detectar visualment el punt final s'utilitzen indicadors àcid-base. Aquestes substàncies són àcids o bases febles orgànics en què la forma molecular o àcida i la seva forma conjugada presenten coloracions diferents: La percepció de la tonalitat depèn directament de la relació entre les concentracions d'ambdues formes a la mescla: Si la proporció de la forma protonada compleix , s'imposa el color àcid de l'indicador.

Si la proporció de la base conjugada assoleix , es percep el color bàsic. L'interval de transició entre aquests dos límits s'anomena zona o interval de viratge. La taula següent recull el comportament dels indicadors més habituals: Indicador Color àcid Color bàsic Interval de viratge (pH) Taronja de metil Taronja Groc 3,1 – 4,4 Roig de metil Roig Groc 4,2 – 6,3 Blau de bromtimol Groc Blau 6,0 – 7,6 Fenolftaleïna Incolor Rosa 8,3 – 10,0 HIn + H O In + H O 2 3 + [In ] [HIn] 10 [HIn] [In ] 10 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 28 ERROR FREQÜENT No confonguis el punt d'equivalència amb el punt final.

El punt d'equivalència és una propietat estequiomètrica estricta (quan els mols d'àcid i base neutralitzen la reacció), mentre que el punt final és una observació física experimental (el canvi de color de l'indicador). Un indicador mal triat farà virar la dissolució fora del punt d'equivalència, provocant un error sistemàtic en la valoració. COMPROVA-HO 54 Quina coloració presentarà una dissolució que conté blau de bromtimol a un pH fixat de 8,5? Solubilitat i producte de solubilitat (Kps) Una dissolució es considera saturada respecte d'un solut determinat quan ja no admet incorporar més quantitat d'aquest solut a una temperatura donada.

La concentració mesurada en termes de molaritat d'aquesta mescla saturada constitueix la solubilitat molar del compost en aquell medi líquid. Quan la concentració supera el límit marcat per la solubilitat a una temperatura concreta, la quantitat excedent genera un precipitat sòlid fins a restablir la saturació. En sals i compostos iònics poc solubles en aigua, el sòlid precipitat coexisteix en equilibri heterogeni amb els seus respectius ions dissolts en fase aquosa.

Per a un electròlit poc soluble com el iodur de plata, l'equilibri s'expressa de la manera següent: La posició de l'equilibri ve regida per la constant del producte de solubilitat ( ): Aquesta constant depèn exclusivament de la temperatura i quantifica la tendència d'un compost iònic a dissociar-se en els seus ions en dissolució aquosa. PER RECORDAR-HO En l'expressió de la no s'inclou mai el compost sòlid sense dissoldre, atès que la concentració dels sòlids purs es considera constant i queda incorporada en el valor numèric de la pròpia constant d'equilibri.

Criteri i predicció de la precipitació Per determinar si en barrejar dues dissolucions iòniques es formarà o no una fase sòlida insoluble, es calcula el producte iònic de concentracions instantànies dels ions i es compara directament amb el valor de la constant del compost corresponent. Per al cas de l'equilibri del , el criteri s'estableix de la manera següent: Si : no es produirà cap precipitat. Les concentracions iòniques calculades són estables i la dissolució roman homogènia (insaturada o just saturada).

AgI(s) Ag (aq) + I (aq) + K ps K = ps [Ag ][I ] = + 8,5 10 17 K ps K ps AgI [Ag ][I ] + K ps Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 29 Si : tindrà lloc la precipitació del compost insoluble. El procés continua fins que la concentració restant d'ions a la fase líquida satisfà de nou la igualtat amb la .

PROCÉS Criteri de decisió per a la precipitació d'un compost iònic 1 Càlcul d'ions Determinació de les concentracions dels ions en la barreja aquosa 2 Producte de concentracions Multiplicació de les concentracions iòniques calculades 3 Comparació amb Kps Avaluació del valor obtingut respecte a la constant de solubilitat 4 Estat final Absència de sòlid si és inferior o igual; precipitació si és superior COMPROVA-HO 55 Si en barrejar dues sals el producte iònic calculat resulta inferior a la Kps, es formarà algun sòlid insoluble al fons del vas?

IDEES CLAU El punt d'equivalència correspon a la mescla estequiomètricament exacta de reactius, mentre que el punt final és el moment experimental en què s'atura la valoració. Els indicadors àcid-base canvien de color segons el pH en funció de l'equilibri entre la seva forma àcida i la seva base conjugada. La solubilitat molar és la concentració màxima en mols per litre d'un compost en una dissolució saturada a una temperatura concreta. La constant del producte de solubilitat ( ) expressa el producte màxim de les concentracions dels ions dissolts en equilibri amb el seu sòlid. Es produeix precipitació quan el producte de les concentracions dels ions en dissolució supera el valor de la .

COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 56. En quin interval de pH vira la fenolftaleïna i quins colors adopta en les seves formes àcida i bàsica? 57. Com s'utilitza la relació entre el producte de concentracions iòniques i la per saber si precipita una sal? [Ag ][I ] > + K ps K ps K ps K ps K ps Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 30 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 58. Quin concepte defineix l'instant en què s'han mesclat quantitats exactament estequiomètriques en una volumetria? 59. Quin color pren el blau de bromtimol en una dissolució àcida per sota de pH 6,0? 60. Quan predomina el color àcid d'un indicador HIn segons la relació de concentracions? 61.

Què passa quan el producte de concentracions d'ions en dissolució supera el valor de Kps? 7 Formulari Estructura atòmica i nombres quàntics Fórmula o procediment Significat dels símbols Quan s'utilitza : nombre màssic; : nombre atòmic (protons); : nombre de neutrons Per determinar la composició nuclear d'un isòtop. : nombre quàntic secundari; : nombre d'orientacions espacials Per calcular el nombre d'orbitals d'un subnivell (s=1, p=3, d=5, f=7). Ordre d'ompliment energètic Menor valor de ; si coincideix, menor valor de Per escriure configuracions electròniques en estat fonamental (Aufbau).

Punt de saturació a) Punt d'equivalència b) Punt final c) Zona de viratge d) Blau a) Rosa b) Groc c) Taronja d) Quan [HIn] és igual a [In ] a) Quan [HIn] és inferior a [In ] b) Quan [In ]/[HIn] és major o igual a 10 c) Quan [HIn]/[In ] és major o igual a 10 d) Es destrueix la constant de solubilitat a) Es manté una mescla completament insaturada b) Precipita l'excés fins a igualar Kps c) Augmenta indefinidament la concentració iònica d) A = Z + N A Z N m = l, …

, +l 2l + 1 l 2l + 1 n + l n Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 31 Massa, mol i càlculs estequiomètrics Fórmula o procediment Significat dels símbols Quan s'utilitza : massa de l'isòtop ; : abundància natural percentual Per calcular la massa atòmica mitjana d'un element. : mols; : massa (g); : massa molar (g/mol); : nombre d'Avogadro Per convertir entre massa, quantitat de substància i nombre de partícules. Mètode del mol: Dades inicials Conversió a mols ( ) Proporció estequiomètrica de la reacció ajustada Conversió a la magnitud final Relació molar reactiu- producte segons coeficients estequiomètrics Per resoldre càlculs de quantitat de substància en reaccions químiques.

Càlcul del reactiu limitant: Mols de cada reactiu dividits pel seu coeficient estequiomètric El quocient menor és el limitant El reactiu limitant s'esgota primer i fixa el rendiment màxim teòric Quan es barregen quantitats inicials conegudes de dos o més reactius. Dissolucions i lleis dels gasos Fórmula o procediment Significat dels símbols Quan s'utilitza : molaritat; : mols de solut; : volum en litres Càlcul de concentració molar d'una dissolució. : molalitat; massa de dissolvent expressada estrictament en kg Càlcul de concentració molal. : fracció molar del component ; compleix Mescles de gasos i dissolucions.

: pressió (atm); : volum (L); : temperatura absoluta ( ) Càlcul de variables d'estat d'un gas ideal. : densitat del gas (g/L); : massa molar del gas (g/mol) Per relacionar la densitat d'un gas amb la seva pressió i temperatura. i : pressió parcial; : pressió total del sistema Llei de Dalton per a mescles gasoses ideals.

M = 100 (M % ) i i M i i % i n = = M m m N A N n m M m N A n = m/M m M = V dissoluci (L) o ˊ n solut M n V m = m dissolvent (kg) n solut m X = i n total n i X i i X = i 1 P V = n R T P V T T = t + 273,15 K P M = m ρ R T ρ M m P = i X i P T P = T P i P i P T Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 32 Equilibris àcid-base, pH i hidròlisi Fórmula o procediment Significat dels símbols Quan s'utilitza i Mesura logarítmica de l'acidesa i basicitat en dissolució aquosa Càlcul del pH de dissolucions neutres, àcides o bàsiques. a 25 ºC : producte iònic de l'aigua; implica Relació entre concentracions d'hidroni i hidròxid a 25 ºC.

: concentració inicial d'àcid dèbil; Càlcul de la dissociació i pH d'un àcid feble. : constant d'hidròlisi de la base conjugada d'un àcid feble Càlcul del pH bàsic generat per la hidròlisi d'un anió d'àcid feble. color àcid ; color bàsic Proporció de les formes conjugades de l'indicador Determinació del viratge i color observat en una valoració. Solubilitat i precipitació Fórmula o procediment Significat dels símbols Quan s'utilitza : constant del producte de solubilitat per a En dissolucions saturades d'electròlits poc solubles.

Criteri de precipitació: Càlcul del producte iònic Si no precipita; si es produeix precipitació Comparació entre concentracions inicials i la constant d'equilibri Per preveure si apareixerà un sòlid insoluble en barrejar dissolucions. Constants Símbol Nom Valor Nombre d'Avogadro Constant universal dels gasos ideals Producte iònic de l'aigua (25 ºC) Masses en repòs de protó, neutró i electró , , Errors típics Utilitzar la temperatura en graus Celsius en comptes de Kelvins a l'equació dels gasos ideals ( ). Confondre densitat (g dissolució/mL dissolució) amb concentració (g solut/L dissolució).

pH = log[H O ] 3 + pOH = log[OH ] K = w [H O ][OH ] = 3 + 10 14 K w pH + pOH = 14 K = a c x 0 x2 c 0 x = [H O ] 3 + K = h K a K w K h [In ] [HIn] 10 [HIn] [In ] 10 K = ps [A ][B ] + K ps AB(s) A + + B Q = [A ][B ] + Q K ps Q > K ps N A 6,022 10 part cules/mol 23 ı ˊ R 0,082 atm L/(mol K) K w 1,0 10 14 m , m , m p n e 1,00728 uma 1,00867 uma 0,00055 uma T = t + 273,15 Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 33 Identificar el reactiu limitant a partir de la massa en grams en comptes dels mols dividits pels coeficients estequiomètrics. Calcular directament per a una base, oblidant que aquest càlcul dona el pOH i que cal fer a 25 ºC.

Confondre el punt d'equivalència (igualtat estequiomètrica teòrica) amb el punt final (canvi de color experimental de l'indicador). pH = log[OH ] 14 pOH Apunts de Química Bàsica: Matèria, Gasos i Equilibris 34 Solucions de les preguntes de repàs 1. En el gel les partícules estan bloquejades en posicions fixes d'una xarxa rígida, mentre que en l'aigua líquida tenen llibertat per desplaçar-se i fluir. 2. El CO_2 té una composició fixa formada per molècules unides químicament, mentre que l'aigua de mar conté sals dissoltes en aigua en proporcions…