Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari

I 0 flashcards i 7 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS QUÍMICA GENERAL I INORGÀNICA Grau en Nutrició Humana i Dietètica Universitat de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts complets de Química General i Inorgànica: estructura atòmica, enllaç, estequiometria, termodinàmica, cinètica, equilibri àcid-base i solubilitat. APREN.AI Índex 1 Estructura atòmica i enllaç químic fonamental 1. Estructura atòmica, nombres quàntics i configuració electrònica 2. Electrons de valència i tipus d'enllaç químic 3. Ressonància i longitud d'enllaç 4. Excepcions a la regla de l'octet 5.

Electronegativitat, polaritat de l'enllaç i forces intermoleculars 2 Geometria molecular, hibridació i enllaç avançat Model RPECV i predicció de la geometria molecular Polaritat molecular i moment dipolar vectorial Hibridació d'orbitals i enllaços σ i π Teoria dels orbitals moleculars (TOM) Aromaticitat i regla de Hückel Compostos de coordinació 3 Estequiometria i càlculs en reaccions químiques Massa atòmica, massa molecular i el concepte de mol Composició percentual, fórmula empírica i molecular Reactiu limitant i càlcul del rendiment 4 Termodinàmica química i transferència de calor Fonaments termodinàmics: sistemes, fronteres i propietats El primer principi de la termodinàmica, calor i treball Capacitat calorífica i canvis de temperatura Llei de Hess i càlcul d'entalpies Mecanismes de transmissió de calor Aplicació pràctica: calor, preservació i tractament tèrmic d'aliments 5 Espontaneïtat, entropia i equilibri químic Entropia i criteris d'espontaneïtat Energia lliure de Gibbs i estabilitat química Potencial químic i equilibri químic 6 Equilibris àcid-base i solubilitat en medi aquós Teoria de Brønsted-Lowry i parells conjugats Autoionització de l'aigua i escala de pH Equilibris d'àcids i bases febles: constants Ka i Kb Sistemes amortidors i efecte de l'ió comú Equilibris de solubilitat i Kps Efecte del pH sobre la solubilitat i precipitació selectiva Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 1 7 Cinètica química: velocitat i ordres de reacció Concepte de velocitat de reacció Molecularitat i reaccions elementals Cinètica integrada per a ordres 0, 1 i 2 Factors que modifiquen la velocitat de reacció 8 Formulari Estructura atòmica, enllaç i geometria Estequiometria i càlculs químics Termodinàmica i transmissió de calor Espontaneïtat i equilibri químic Equilibris àcid-base i solubilitat Cinètica química integrada Constants i 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.

Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 2 1 Estructura atòmica i enllaç químic fonamental EN ACABAR SABRÀS Determinar la configuració electrònica d'un àtom i la seva càrrega formal a partir de les estructures de Lewis Classificar els enllaços químics en apolars, polars o iònics calculant la diferència d'electronegativitat Identificar les excepcions a la regla de l'octet distingint octets incomplets i octets expandits PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què l'aigua líquida necessita tanta energia per evaporar-se si els àtoms d'oxigen i hidrogen mai se separen durant el procés?

La matèria s'organitza a partir d'unitats fonamentals anomenades àtoms, les propietats químiques dels quals depenen directament de la seva configuració electrònica i de la manera com comparteixen o transfereixen electrons per formar enllaços estables. ESQUEMA Estructura atòmica i enllaç químic 1. Estructura atòmica, nombres quàntics i configuració electrònica L'àtom està constituït per un nucli central, on es concentren els protons i els neutrons, envoltat per un núvol d'electrons. Un orbital atòmic és la regió de l'espai on existeix una probabilitat màxima de trobar un electró determinat.

L'estat de cada electró es descriu mitjançant quatre nombres quàntics: (nombre quàntic principal): determina la mida i el nivell energètic. (nombre quàntic secundari o azimutal): defineix la forma de l'orbital. (nombre quàntic magnètic): especifica l'orientació espacial de l'orbital. (nombre quàntic d'espín): descriu el sentit de rotació de l'electró sobre si mateix.

Estructura atòmica Nucli, orbitals i nombres quàntics Configuració electrònica Ompliment energètic per regla d'Aufbau Enllaç intramolecular Iònic i covalent segons electronegativitat Regla de l'octet Estructures de Lewis i excepcions Interacció intermolecular Pont d'hidrogen atractiu feble n l m s Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 3 L'ompliment dels nivells electrònics s'efectua en sentit d'energia creixent segons el principi d'Aufbau, d'acord amb la seqüència canònica: Segons la seva posició a la taula periòdica, els metalls tendeixen a cedir electrons per donar lloc a cations ( , , ), mentre que els no-metalls capten electrons per constituir anions ( , , ).

COMPROVA-HO 2 Quina diferència funcional existeix entre el nombre quàntic l i el nombre quàntic m? 2. Electrons de valència i tipus d'enllaç químic Els electrons de valència són aquells situats a la capa més externa de l'àtom i són els responsables de generar les unions químiques. Els àtoms tendeixen a guanyar, perdre o compartir electrons fins a assolir vuit electrons a l'última capa, adquirint l'estabilitat pròpia d'un gas noble (regla de l'octet).

La natura de la unió depèn del mecanisme emprat pels elements participants: Enllaç iònic: es produeix per transferència completa d'electrons d'un metall a un no-metall, originant càrregues netes que s'organitzen en xarxes cristal·lines estables (per exemple, ). Enllaç covalent: s'estableix entre no-metalls que comparteixen parells electrònics (com a la molècula d'aigua ).

Per avaluar la distribució de càrrega en una molècula o un ió poliatòmic com el carbonat ( ) o el sulfat ( ), es calcula la càrrega formal de cada àtom mitjançant l'expressió: EXEMPLE Càlcul de la càrrega formal d'un àtom de carboni en una espècie enllaçada amb 3 hidrògens i un parell d'electrons no compartits ( amb un altre H): Electrons de valència del C neutre: 4. Electrons no compartits: 2. Electrons enllaçants: 6 (tres enllaços senzills). 3. Ressonància i longitud d'enllaç Quan una única estructura de Lewis no reflecteix fidelment la distribució electrònica real d'una molècula o ió, aquesta es representa mitjançant diverses estructures equivalents anomenades formes ressonants.

La molècula real no oscil·la entre elles, sinó que és un híbrid de ressonància intermedi. 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d Na+ Mg2+ Al3+ Cl I O2 Na + : Cl ¨ Na + : + : Cl ¨ H O 2 CO 3 2 SO 4 2 C rrega formal = a ˋ e tom neutre a ˋ e no compartits e 2 1 enlla ants ç H : : C̈ H C rrega formal = a ˋ 4 2 (6) = 2 1 1 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 4 Esquema de les formes ressonants i híbrid de ressonància de l'ozó. A l'ozó ( ), els dos enllaços oxigen-oxigen tenen la mateixa distància i caràcter intermedi entre simple i doble.

Pel que fa a la longitud de l'enllaç covalent, la distància depèn del radi atòmic i de l'ordre d'enllaç, complint la relació estricta: Per aprofundir en l'anàlisi de la geometria tridimensional derivada d'aquestes estructures i els models d'enllaç avançat, vegeu «Geometria molecular, hibridació i enllaç avançat». 4. Excepcions a la regla de l'octet Tot i la gran utilitat de la regla de l'octet, certs compostos presenten desviacions estructurals característiques: Octet incomplet: àtoms centrals com el bor (B) en el trifluorur de bor ( , amb 6 electrons al voltant del bor) o el beril·li (Be) en el dihidrur de beril·li ( , amb només 4 electrons) queden estables sense assolir vuit electrons.

Estructura de Lewis del dihidrur de beril·li com a octet incomplet. Octet expandit: elements no metàl·lics situats a partir del tercer període de la taula periòdica poden allotjar més de 8 electrons (fins a 10 o 12 electrons de valència). Això és possible gràcies a la disponibilitat d'orbitals d buits en la seva capa de valència. En són exemples paradigmàtics l'àcid sulfúric ( , on el sofre envolta 12 electrons) i l'àcid fosfòric ( , on el fòsfor n'allotja 10). ERROR FREQÜENT Intentar expandir l'octet en elements del segon període com el carboni, el nitrogen o l'oxigen.

Aquests elements no tenen orbitals accessibles en el seu nivell quàntic ( ) i mai poden envoltar-se de més de 8 electrons de valència. 5. Electronegativitat, polaritat de l'enllaç i forces intermoleculars L'electronegativitat és la mesura de la capacitat d'un àtom per atraure cap a si la densitat electrònica d'un enllaç covalent. Els elements més electronegatius són, en ordre decreixent, el fluor (F), l'oxigen (O), el clor (Cl) i el nitrogen (N).

La diferència d'electronegativitat ( ) entre dos àtoms enllaçats determina el caràcter fonamental de la seva unió: O 3 d > enlla senzill ç d > enlla doble ç denlla triple ç BF 3 BeH 2 H SO 2 4 H PO 3 4 d n = 2 Δχ Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 5 Diferència d'electronegativitat ( ) Tipus d'enllaç Comportament electrònic Covalent apolar Electrons compartits estrictament per igual (ex. ) Covalent polar Desplaçament de càrrega parcial ( , ex. , ) Iònic Transferència completa d'electrons d'un àtom a l'altre L'enllaç per pont d'hidrogen no és un enllaç covalent intramolecular, sinó una interacció intermolecular atractiva molt rellevant.

S'estableix entre un àtom d'hidrogen enllaçat prèviament a un heteroàtom fortament electronegatiu i un altre àtom electronegatiu que actua com a acceptor mitjançant els seus parells d'electrons no enllaçants. Diagrama de la interacció intermolecular per pont d'hidrogen. COMPROVA-HO 3 Per què l'enllaç per pont d'hidrogen no es classifica com un enllaç químic primari com el covalent o el iònic? IDEES CLAU Els nombres quàntics ( ) defineixen la distribució energètica i espacial dels electrons a l'àtom. L'enllaç iònic implica transferència electrònica neta entre metall i no-metall, mentre que el covalent es basa en compartir electrons.

La ressonància descriu molècules reals com un híbrid intermedi de diverses estructures de Lewis teòriques. Els elements del tercer període amb orbitals buits poden formar octets expandits superant els vuit electrons de valència. El pont d'hidrogen és una interacció intermolecular atractiva molt més feble que els enllaços covalents o iònics. Δχ Δχ = 0 H H 0 < Δχ < 2 δ + δ H Cl H F Δχ 2 n, l, m, s d Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 6 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 4. Com influeix l'ordre d'enllaç (senzill, doble, triple) en la distància interatòmica? 5. Quin és el criteri numèric de diferència d'electronegativitat ( ) per considerar un enllaç covalent polar?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 6. Quin conjunt de nombres quàntics descriu respectivament mida, forma, orientació i gir de l'electró? 7. Per quin motiu el fòsfor pot presentar un octet expandit a l'àcid fosfòric? 8. Quin tipus d'enllaç es genera si la diferència d'electronegativitat entre dos àtoms és igual a 2,5? 9. Què representa realment l'híbrid de ressonància d'una molècula com l'ozó? 2 Geometria molecular, hibridació i enllaç avançat EN ACABAR SABRÀS Predir la geometria molecular i els angles d'enllaç mitjançant el model RPECV. Identificar el tipus d'hibridació i comptabilitzar els enllaços σ i π en una molècula.

Avaluar l'aromaticitat d'un compost orgànic aplicant la regla de Hückel. Calcular el nombre de coordinació, la càrrega del complex i l'estat d'oxidació del metall.

Δχ n, m, l, s a) l, n, s, m b) n, l, m, s c) m, l, n, s d) Té orbitals d buits disponibles a) Posseeix una electronegativitat nul·la b) Pertany al segon període c) Forma exclusivament unions iòniques d) Covalent apolar a) Pont d'hidrogen b) Covalent polar c) Enllaç iònic d) Una estructura mitjana real única a) Una barreja física de molècules diferents b) Un enllaç iònic temporal c) Una oscil·lació ràpida entre estructures d) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 7 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 10 Per què la molècula d'aigua forma un angle de 104,5° en lloc de ser totalment lineal com el diòxid de carboni?

Model RPECV i predicció de la geometria molecular La geometria molecular descriu la disposició tridimensional que adopten els nuclis dels àtoms constituents d'una molècula en l'espai. Per predir aquesta conformació s'utilitza el model RPECV (repulsió dels parells electrònics de la capa de valència). Aquesta metodologia es fonamenta en la repulsió electroestàtica existent entre els núvols electrònics situats al voltant de l'àtom central: els parells d'electrons cerquen situar-se a la màxima distància angular possible per reduir la repulsió energètica al mínim (per a la construcció prèvia de les estructures de Lewis, vegeu «Estructura atòmica i enllaç químic fonamental»).

En la notació estàndard del model es designa com a A l'àtom central, B cadascun dels àtoms perifèrics enllaçats i E cada parell electrònic solitari o no compartit. Els enllaços múltiples (dobles o triples) es tracten com una única regió de densitat electrònica de cara a avaluar la repulsió.

Fórmula Àtoms units (B) Parells lliures (E) Disposició electrònica Geometria molecular Angle d'enllaç ideal 2 0 Lineal Lineal 180° 3 0 Plana trigonal Plana triangular (trigonal plana) 120° 4 0 Tetraèdrica Tetraèdrica 109,5° 5 0 Bipiràmide trigonal Bipiràmide trigonal 90° / 120° 6 0 Octaèdrica Octaèdrica 90° 2 1 Plana trigonal Angular < 120° 3 1 Tetraèdrica Piràmide trigonal < 109,5° 2 2 Tetraèdrica Angular < 109,5° 4 1 Bipiràmide trigonal Tetràedre distorsionat (balancí) Variable 3 2 Bipiràmide trigonal Forma de T Variable Dibuixar l'estructura de Lewis de l'espècie química. 1 Comptar el nombre d'àtoms enllaçats a l'àtom central i el nombre de parells electrònics no compartits.

2 Assignar la disposició electrònica i deduir la geometria molecular resultant. 3 AB 2 AB 3 AB 4 AB 5 AB 6 AB E 2 AB E 3 AB E 2 2 AB E 4 AB E 3 2 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 8 Quan existeixen parells no enllaçants (E), aquests ocupen un volum espacial més gran que els parells enllaçants compartits. Aquesta asimetria genera una repulsió intensificada que tanca els angles d'enllaç reals per sota del valor geomètric ideal. EXEMPLE A la molècula d'aigua ( ), l'oxigen central presenta dos enllaços covalents simples i dos parells solitaris ( ). La disposició dels quatre parells és tetraèdrica, però la geometria molecular és angular.

COMPROVA-HO 11 Quina diferència hi ha entre la disposició electrònica i la geometria molecular d'una molècula AB3E? Polaritat molecular i moment dipolar vectorial Una molècula és polar quan conté enllaços covalents polaritzats i la seva distribució espacial condueix a un moment dipolar global no nul. El moment dipolar correspon a la suma vectorial dels dipols individuals de cada enllaç químic. Si la molècula és altament simètrica, els vectors dipolar individuals es cancel·len exactament entre si donant una suma nul·la; per tant, l'espècie serà apolar. En cas contrari, si la geometria és asimètrica o la resultant vectorial no s'anul·la, la molècula serà polar.

Hibridació d'orbitals i enllaços σ i π La teoria de l'enllaç de valència descriu que l'enllaç es produeix pel solapament d'orbitals atòmics entre àtoms que comparteixen electrons. La hibridació consisteix en la combinació d'orbitals atòmics purs d'un mateix àtom per originar un nou conjunt d'orbitals híbrids degenerats i equivalents en energia i forma. Hibridació sp³: combinació d'un orbital s i tres orbitals p. Origina 4 orbitals híbrids amb disposició tetraèdrica i angle de 109,5°. Hibridació sp²: mescla d'un orbital s i dos orbitals p. Genera 3 orbitals híbrids dirigits als vèrtexs d'un pla triangular amb un angle de 120°. Hibridació sp: combinació d'un orbital s i un orbital p.

Produeix 2 orbitals híbrids oposats amb geometria lineal i angle de 180°. Esquema d'orbitals híbrids sp amb disposició lineal a 180°. Pel que fa al tipus de solapament: Enllaç sigma (σ): solapament frontal d'orbitals al llarg de l'eix internuclear on la densitat electrònica es concentra directament entre els dos àtoms. H O 2 AB E 2 2 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 9 Enllaç pi (π): solapament lateral d'orbitals p purs no hibridats on la densitat electrònica es troba concentrada per sobre i per sota de l'eix internuclear. Aquesta diferenciació permet determinar la constitució dels enllaços covalents: Un enllaç simple conté exactament 1 enllaç σ.

Un enllaç doble està format per 1 enllaç σ i 1 enllaç π. Un enllaç triple està integrat per 1 enllaç σ i 2 enllaços π. A la molècula d'àcid acètic ( ), el carboni del grup metil presenta hibridació sp³ i enllaços simples σ, mentre que el carboni carbonílic presenta hibridació sp² per formar un doble enllaç format per un enllaç σ i un altre π amb l'oxigen. A l'etè ( ), cada carboni és sp² ( ), formant l'enllaç doble central (1 σ + 1 π). A l'etí ( ), cada carboni és sp ( ), originant un enllaç triple central (1 σ + 2 π). COMPROVA-HO 12 Quants enllaços σ i π conté una molècula amb un enllaç triple central com l'acetilè (H-C C-H)?

Teoria dels orbitals moleculars (TOM) La teoria dels orbitals moleculars proposa que els orbitals atòmics se superposen per formar orbitals nous deslocalitzats per tota la molècula. La combinació lineal d'ones associades als electrons dona lloc a fenòmens d'interferència: Interferència constructiva (en fase): dona lloc a un orbital molecular enllaçant. Presenta màxima probabilitat de trobar l'electró entre els nuclis, menor energia relativa i major estabilitat que els orbitals atòmics de partida. Interferència destructiva (fora de fase): origina un orbital molecular antienllaçant. Presenta un pla nodal amb màxima densitat allunyada dels nuclis, major energia i menor estabilitat.

El nombre d'orbitals moleculars obtinguts és sempre idèntic al nombre d'orbitals atòmics combinats. Cada orbital molecular pot allotjar un màxim de dos electrons amb espíns oposats, i el rebliment s'inicia sempre pels orbitals de menor energia.

PROCÉS Formació d'orbitals moleculars en la TOM 1 Orbitals atòmics purs Funció d'ona dels àtoms aïllats 2 Superposició d'ones Interferència constructiva o destructiva 3 Orbital enllaçant Interferència en fase i menor energia 4 Orbital antienllaçant Fora de fase i major energia CH COOH 3 C H 2 4 AB 3 C H 2 2 AB 2 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 10 Aromaticitat i regla de Hückel L'aromaticitat és una propietat d'estabilització termodinàmica particular associada a la deslocalització cíclica d'electrons π a través d'estructures ressonants equivalents (vegeu «Estructura atòmica i enllaç químic fonamental»). Esquema de les estructures ressonants del benzè aromàtic.

Perquè un sistema sigui considerat aromàtic ha de complir estrictament la totalitat dels requisits establerts per la regla de Hückel: ERROR FREQÜENT Considerar aromàtic qualsevol anell conjugat sense comprovar el nombre d'electrons π o la presència d'àtoms sp³. El ciclobutadiè té 4 electrons π: compleix la regla 4n (és antiaromàtic i inestable), no pas 4n + 2. Si l'anell conté un carboni sp³, s'interromp la conjugació i és no aromàtic. Compost Cíclic i conjugat? Àtoms sp² (orbitals p)? Conformació plana?

Electrons π Classificació Benzè Sí Sí (tots sp²) Sí (120°) 6 ( ) Aromàtic Tiofè Sí Sí (sofre sp²) Sí 6 ( ) Aromàtic Ciclobutadiè Sí Sí (tots sp²) Sí 4 ( ) Antiaromàtic Ciclooctatetraè No complet No plans / no tots sp² No plana 8 No aromàtic Pirrole Sí Sí (nitrogen sp²) Sí 6 ( ) Aromàtic L'estructura ha de ser completament cíclica i contenir dobles enllaços conjugats al llarg de l'anell. 1 Tots els àtoms de l'anell han de tenir un orbital p sense hibridar disponible (tots els vèrtexs han de tenir hibridació sp² o sp, mai centres saturats sp³). 2 La molècula ha de tenir una conformació plana per permetre el solapament efectiu dels orbitals p paral·lels.

3 El nombre d'electrons π deslocalitzats ha de complir l'expressió 4n + 2, on és un nombre enter ( ). 4 n n = 0, 1, 2, ... n = 1 n = 1 4n, n = 1 n = 1 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 11 COMPROVA-HO 13 Per què el ciclobutadiè no és aromàtic malgrat ser cíclic, pla i conjugat? Compostos de coordinació Un compost de coordinació és una espècie química neutra formada per un ió complex associat electroestàticament a un contraió per compensar la càrrega neta. El catió o àtom metàl·lic central es troba coordinat mitjançant enllaços dotius amb molècules o ions anomenats lligands.

El nombre de coordinació indica el total d'enllaços establerts directament entre els lligands i el metall central. ESQUEMA Components d'un compost de coordinació Per determinar l'estat d'oxidació del metall es calcula la diferència entre la càrrega neta del catió complex i les càrregues aportades pels lligands: A l'espècie , el contraió sulfat té càrrega -2, per tant la càrrega neta del complex és +2. Com que l'amoníac és neutre i el bromur és -1, l'estat d'oxidació del cobalt és +3. Al complex , el contraió són dos clorurs ( ), per la qual cosa la càrrega neta del complex és +2. El nombre de coordinació del Co és 6.

Com que conté un lligand clorur (-1) i cinc amoníacs neutres, l'estat d'oxidació del cobalt és +3. Al compost , la presència d'un contraió clorur indica una càrrega neta del complex de +1. Atès que l'etilendiamina (en) és un lligand bidentat neutre i hi ha dos clorurs (-2) a l'esfera interna, el metall presenta estat d'oxidació +3 i nombre de coordinació 6.

Ió complex Espècie amb enllaços de coordinació Metall central Acceptor de parells electrònics Lligands Ions o molècules donadores Contraió Compensa la càrrega del complex [CoBr(NH ) ]SO 3 5 4 [Co(NH ) Cl]Cl 3 5 2 2 × ( 1) = 2 [Cr(en) Cl ]Cl 2 2 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 12 IDEES CLAU El model RPECV prediu la geometria molecular minimitzant les repulsions electroestàtiques entre parells d'electrons. Els parells electrònics no enllaçants generen una repulsió més intensa que els parells enllaçants i tanquen els angles d'enllaç reals. La hibridació sp s'associa a geometria lineal (180°), la sp² a trigonal plana (120°) i la sp³ a tetraèdrica (109,5°).

La regla de Hückel requereix que el compost sigui cíclic, pla, totalment conjugat i contingui electrons π per ser aromàtic. En els compostos de coordinació, la càrrega neta del complex es dedueix a partir del contraió i permet aïllar l'estat d'oxidació del metall. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 14. Quina geometria molecular adopta una molècula amb fórmula tipus AB2E2 com l'aigua? 15. Quants enllaços σ i π formen un enllaç doble carboni-carboni a l'etè? 16. Quin és l'estat d'oxidació del cobalt i el nombre de coordinació a [Co(NH3)5Cl]Cl2? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 17. Quin angle d'enllaç ideal correspon a una hibridació sp² en una molècula trigonal plana? 18.

Com influeixen els parells solitaris de l'àtom central en els angles d'enllaç respecte a l'ideal? 19. Quants electrons π ha de tenir un anell pla conjugat amb n = 1 per ser aromàtic segons Hückel? 20. Quina és la càrrega neta del catió complex en la substància [Co(NH3)5Cl]Cl2?

3 Estequiometria i càlculs en reaccions químiques 4n + 2 109,5° a) 90° b) 120° c) 180° d) Augmenten els angles d'enllaç a) Anul·len el moment dipolar b) No alteren els angles c) Redueixen els angles d'enllaç d) 6 electrons π a) 8 electrons π b) 4 electrons π c) 2 electrons π d) +1 a) +3 b) +2 c) 0 d) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 13 EN ACABAR SABRÀS Calcular el nombre d'àtoms i partícules mitjançant el concepte de mol i la constant d'Avogadro Determinar la fórmula empírica i molecular a partir de la composició centesimal Identificar el reactiu limitant i en excés en una equació química ajustada Calcular el percentatge de rendiment teòric i real d'un procés químic PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 21 Si per preparar un entrepà calen dues llesques de pa i una llesca de formatge, i tenim 10 llesques de pa i 8 de formatge, quin ingredient impedeix fer més entrepans?

L'estequiometria estudia les relacions quantitatives entre els reactius i els productes que intervenen en les transformacions químiques. ESQUEMA Càlculs estequiomètrics i reaccions químiques Massa atòmica, massa molecular i el concepte de mol El mol representa la quantitat de matèria que conté exactament entitats elementals (àtoms, molècules o ions), valor conegut com a constant d'Avogadro. La massa atòmica o molecular expressada en grams correspon precisament a la massa d'un mol d'aquesta substància.

Per determinar el nombre d'àtoms presents en una mostra determinada, es converteix la massa inicial a mols i posteriorment s'aplica el factor d'Avogadro: Composició de la matèria Mol, massa molar i Avogadro Fórmules químiques Fórmules empírica i molecular Composició percentual Percentatge en massa d'elements Reaccions químiques Relacions molars i estequiometria Reactiu limitant Reactiu que s'esgota primer Rendiment Comparació teòrica i real 6,023 × 1023 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 14 EXEMPLE Càlcul d'àtoms de potassi presents en 0,551 g de K (massa molar = 39,10 g/mol): En el cas de compostos, com ara calcular els àtoms d'hidrogen en 72,5 g de C3H8O (massa molar = 60 g/mol), es té en compte la proporció interna de la molècula (8 mols d'H per cada mol de C3H8O): Composició percentual, fórmula empírica i molecular La fórmula empírica indica la proporció sencera més simple d'àtoms en una substància (com ara CH2O per a la glucosa), mentre que la fórmula molecular reflecteix el recompte real de cadascun dels àtoms dins la molècula (com ara C6H12O6).

La composició percentual en massa d'un element X s'obté mitjançant l'expressió: on és el nombre d'àtoms de l'element presents en la fórmula química.

EXEMPLE Per a l'etanol (C2H6O, massa molar = 46 g/mol): Per deduir la fórmula empírica a partir de dades percentuals en massa, es segueixen aquests passos: 0,551 g K 39,10 g K 1 mol K = 1 mol K 6,023 × 10 toms K 23 a ˋ 8,49 × 10 toms K 21 a ˋ 72,5 g C H O 3 8 60 g C H O 3 8 1 mol C H O 3 8 1 mol C H O 3 8 8 mols H = 1 mol H 6,023 × 10 toms H 23 a ˋ 5,82 × 10 toms H 24 a ˋ %X = massa molar del compost n massa at mica de l'element o ˋ 100 n %C = 46 2 12 100 = 52,14% %H = 46 6 1 100 = 13,13% %O = 46 1 16 100 = 34,73% Prendre com a base 100 g de mostra, transformant els percentatges directament en grams.

1 Convertir els grams de cada element a quantitat de substància (mols) dividint per la seva massa atòmica respectiva. 2 Dividir cadascun dels valors de mols obtinguts entre el valor més petit per trobar la relació de nombres enters. 3 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 15 EXEMPLE Deducció de la fórmula a partir de 24,75% de K (39,10 g/mol), 34,77% de Mn (54,94 g/mol) i 40,51% d'O (16,00 g/mol): Dividint pel valor menor (0,6330): COMPROVA-HO 22 Quina informació addicional es requereix per determinar la fórmula molecular coneixent ja la fórmula empírica?

Reactiu limitant i càlcul del rendiment En una reacció química, el reactiu limitant és aquell que es consumeix completament en primer lloc, limitant la quantitat màxima teòrica de producte que es pot generar. El reactiu que no es gasta del tot és el reactiu en excés. PROCÉS Procediment de càlcul estequiomètric complet ERROR FREQÜENT Comparar directament les masses en grams dels reactius per deduir quin s'esgotarà abans. La proporció que regeix una reacció és estrictament molar: cal convertir sempre les quantitats inicials a mols abans de comparar-les mitjançant els coeficients estequiomètrics.

n = K = 39,10 g/mol 24,75 g 0,6330 mol ; n = Mn = 54,94 g/mol 34,77 g 0,6329 mol ; n = O = 16,00 g/mol 40,51 g 2,532 mol K : = 0,6330 0,6330 1 ; Mn : 0,6330 0,6329 1 ; O : 0,6330 2,532 4 KMnO 4 Massa inicial Dades de massa dels reactius 1 Conversió a mols Dividir per les masses molars 2 Reactiu limitant Comparar segons coeficients estequiomètrics 3 Producte teòric Càlcul a partir del limitant 4 Percentatge de rendiment Relació entre real i teòric 5 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 16 Quan es fan reaccionar 12 g de C amb 64 g de O2 segons l'equació ajustada : Com que es disposa de 64 g d'O2 i només se'n requereixen 32 g, el carboni actua com a reactiu limitant i l'oxigen queda en excés.

El rendiment teòric és la quantitat de producte calculada estequiomètricament a partir del reactiu limitant. El percentatge de rendiment es calcula amb l'expressió: EXEMPLE Per a la reacció , si es barregen 124 g d'Al amb 601 g de Fe2O3 i s'obtenen 205 g d'Al2O3 reals: Quantitat de Fe2O3 requerida per consumir tot l'Al: Com que disposem de 601 g de Fe2O3, el ferro en excés confirma que l'alumini és el reactiu limitant. Càlcul del producte teòric format d'Al2O3 (massa molar = 102 g/mol): Càlcul final del percentatge de rendiment: COMPROVA-HO 23 Per què la quantitat teòrica de producte s'ha de calcular obligatòriament a partir del reactiu limitant?

C + (s) O 2(g) CO 2(g) 12 g C 12 g C 1 mol C 1 mol C 1 mol O 2 = 1 mol O 2 32 g O 2 32 g O necessaris 2 % rendiment = massa o mols te rics o ˋ massa o mols reals 100 2 Al + Fe O 2 3 Al O + 2 3 2 Fe 124 g Al 27 g Al 1 mol Al 2 mols Al 1 mol Fe O 2 3 = 1 mol Fe O 2 3 160 g Fe O 2 3 367,4 g Fe O 2 3 124 g Al 27 g Al 1 mol Al 2 mols Al 1 mol Al O 2 3 = 1 mol Al O 2 3 102 g Al O 2 3 234,2 g Al O 2 3 % rendiment = 234,2 g 205 g 100 = 87% Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 17 IDEES CLAU Un mol conté partícules (nombre d'Avogadro) i la seva massa en grams equival a la massa molar.

La fórmula empírica és la relació sencera més simple d'àtoms en un compost, mentre que la molecular indica el nombre exacte. La determinació de la fórmula empírica requereix transformar la composició centesimal en mols i simplificar dividint pel menor valor. El reactiu limitant s'esgota primer i fixa la quantitat teòrica màxima de producte que es pot generar. El percentatge de rendiment compara la massa o mols reals obtinguts al laboratori respecte al valor teòric calculat. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 24. En què es diferencia la fórmula empírica de la molecular en el cas de la glucosa? 25.

Si per cremar 1 mol de C cal 1 mol de O₂ i tenim 1 mol de C i 2 mols de O₂, quin és el reactiu limitant? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 26. Què representa la fórmula empírica d'un compost químic? 27. Com s'identifica el reactiu limitant d'una reacció química? 28. Quin és el primer pas per trobar la fórmula empírica des del percentatge?

6,023 × 1023 El nombre absolut d'àtoms per molècula a) La proporció sencera més simple entre àtoms b) La massa total expressada en grams c) L'estructura tridimensional de la xarxa d) És el reactiu que té volum superior a) És el reactiu que té menys massa b) És el reactiu que s'esgota abans c) És el de coeficient estequiomètric més baix d) Sumar tots els percentatges dels reactius a) Multiplicar directament pel nombre d'Avogadro b) Multiplicar els percentatges per la massa molecular c) Convertir els percentatges en massa a mols d) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 18 29. Com es defineix el percentatge de rendiment d'una reacció?

4 Termodinàmica química i transferència de calor EN ACABAR SABRÀS Distingir els diferents tipus de sistemes termodinàmics i les propietats de les seves fronteres. Calcular el treball, la calor i la variació d'energia interna mitjançant el primer principi de la termodinàmica. Aplicar la llei de Hess per determinar l'entalpia de reacció a partir d'etapes, entalpies de formació o d'enllaç. Calcular fluxos de calor per conducció i convecció emprant les lleis de Fourier i de transport tèrmic. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 30 Per què cal més temps per coure una patata sencera que si la tallem a daus petits?

La termodinàmica química estudia les transformacions de l'energia en els processos químics i físics, analitzant com es relacionen variables com la temperatura, la pressió i el volum.

ESQUEMA Estructura de la termodinàmica química Suma de les masses dels reactius consumits a) Massa real dividida per massa teòrica per cent b) Resta entre massa teòrica i massa real c) Massa teòrica dividida per massa real per cent d) Principis i funcions d'estat Primer principi, energia interna i entalpia Sistemes i fronteres Oberts, tancats i aïllats Capacitats calorífiques Calor específica i molar Termoquímica Llei de Hess i calors de reacció Mecanismes de transport Conducció, convecció i radiació tèrmica Llei de Fourier Conducció en sòlids Convecció de Newton Transport en fluids Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 19 Fonaments termodinàmics: sistemes, fronteres i propietats Per descriure qualsevol procés energètic, dividim l'univers en dues parts fonamentals: el sistema, que és la regió de l'espai o quantitat de matèria objecte d'estudi, i l'entorn, que és la resta de l'univers que l'envolta.

La separació entre tots dos s'anomena frontera. Esquema dels límits d'un sistema termodinàmic, frontera i entorn. Segons els fluxos de matèria i calor a través d'aquesta frontera, classifiquem els sistemes en tres tipus bàsics: Sistema obert: pot intercanviar lliurement matèria i energia amb el seu entorn (per exemple, una olla destapada). Sistema tancat: pot transmetre energia amb l'exterior però cap tipus de matèria (com una olla amb tapa hermètica). Sistema aïllat: no intercanvia ni massa ni energia amb l'entorn (un termo ideal).

Les característiques de les parets que limiten el sistema en condicionen el comportament: Tipus de paret Intercanvi permès Paret oposada Comportament contrari Mòbil Permet variacions de volum Rígida Manté el volum estrictament fix Diatèrmica Permet el pas d'energia calorífica Adiabàtica Aïlla tèrmicament (sense flux de calor) Permeable Permet el pas de matèria Impermeable Impedeix completament el flux de massa L'estat macroscòpic d'un sistema es descriu mitjançant variables d'estat com la pressió ( ), el volum ( ) i la temperatura ( ), que es connecten a través d'equacions d'estat (com la dels gasos ideals, ).

Quan una propietat depèn exclusivament dels punts inicial i final del sistema i no del camí seguit, s'anomena funció d'estat, com l'energia interna o l'entalpia. COMPROVA-HO 31 Quina diferència fonamental hi ha entre una paret adiabàtica i una paret diatèrmica? P V T P V = nRT Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 20 El primer principi de la termodinàmica, calor i treball El primer principi de la termodinàmica expressa la conservació de l'energia. Per a un sistema aïllat, l'energia total roman constant.

En un sistema no aïllat, qualsevol canvi en la seva energia interna ( ) prové de la calor ( ) transferida o del treball ( ) exercit: El treball mecànic associat a una força contrària és . Si considerem el treball d'expansió o compressió enfront d'una pressió externa constant: Segons el criteri de signes: quan l'entorn realitza treball sobre el sistema (compressió). quan el sistema fa treball sobre l'entorn (expansió). si el sistema absorbeix calor de l'exterior. si el sistema transfereix calor cap a l'entorn. en absència de gradient tèrmic o amb parets adiabàtiques ( en equilibri). La calor és energia en trànsit impulsada per una diferència de temperatures.

L'equivalència canònica entre unitats d'energia és . DEFINICIÓ: CALOR A VOLUM CONSTANT I A PRESSIÓ CONSTANT En un procés que transcorre a volum constant ( ), el treball és nul ( ), per tant la calor intercanviada mesura directament la variació d'energia interna: En un procés a pressió constant, la quantitat de calor intercanviada equival al canvi d'entalpia ( ): En funció del balanç energètic, distingim dos comportaments: Procés exotèrmic: el sistema allibera calor cap a l'exterior ( H < 0). Procés endotèrmic: el sistema absorbeix calor de l'entorn ( H > 0).

Capacitat calorífica i canvis de temperatura La capacitat calorífica mesura la facilitat d'una substància per emmagatzemar calor en variar la seva temperatura.

Es distingeixen dues magnituds fonamentals segons com es quantifiqui la massa del sistema: U q w ΔU = q + w w = F d w = P ΔV w > 0 w < 0 q > 0 q < 0 q = 0 ΔT = 0 1 cal = 4,184 J ΔV = 0 w = 0 q = v ΔU H q = p ΔH Δ Δ Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 21 Magnitud Definició Fórmula Unitats habituals Calor específica ( ) Calor requerida per elevar 1 K la temperatura d'una unitat de massa o Capacitat calorífica molar ( ) Calor requerida per elevar 1 K la temperatura d'un mol de substància Quan dos cossos a diferent temperatura es posen en contacte tèrmic dins d'un recipient aïllat, la calor cedida pel cos calent és absorbida pel fred fins a assolir una temperatura d'equilibri ( ), complint-se el balanç: ERROR FREQÜENT Confondre la calor específica per gram amb la capacitat calorífica molar a les equacions termoquímiques condueix a errors de magnitud d'un factor equivalent a la massa molecular.

Assegura't de comprovar si la quantitat de matèria està expressada en grams ( ) o en mols ( ) abans d'aplicar la fórmula. COMPROVA-HO 32 Quanta calor cal subministrar a un sistema a volum constant per augmentar la seva energia interna en 250 J? Llei de Hess i càlcul d'entalpies Com que l'entalpia és una funció d'estat, el canvi energètic global d'una reacció química depèn únicament dels estats inicial i final dels compostos, i no del camí ni dels passos intermedis. Aquesta propietat fonamenta la llei de Hess: Diagrama de combinació d'etapes de reacció segons la llei de Hess.

Si una reacció es pot expressar formalment com la suma de diverses etapes químiques individuals, la seva entalpia de reacció ( ) és la suma algebraica directa de les entalpies de cadascuna de les etapes: A més de combinar etapes de reacció, l'entalpia estàndard de reacció es pot determinar mitjançant: c e q = m c e ΔT J/(g K) J/(kg K) C m q = n C m ΔT J/(mol K) T f m 1 c e,1 (T f T ) + 1 m 2 c e,2 (T f T ) = 2 0 m n ΔH r ΔH = r ΔH etapes Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 22 Entalpies estàndard de formació ( ): Entalpies d'enllaç: tenint en compte que trencar enllaços requereix energia (endotèrmic) i formar enllaços n'allibera (exotèrmic): Mecanismes de transmissió de calor La transferència de calor entre regions a diferent temperatura té lloc a través de tres mecanismes principals: Conducció i la llei de Fourier El flux de calor transmès per conducció a través d'una paret o làmina plana es regeix per la llei de Fourier: On és la conductivitat tèrmica del material, expressada habitualment en o , és l'àrea superficial de contacte perpendicular al flux i és el gradient espacial de temperatura al llarg del gruix.

Esquema d'una placa conductora amb gradient tèrmic entre superfícies. La rapidesa amb què la temperatura canvia en el temps dins del material es relaciona amb la seva difusivitat tèrmica ( ): ΔH f ΔH = r n ΔH (productes) p f n ΔH (reactius) r f ΔH = r ΔH(enlla os trencats) ç ΔH(enlla os formats) ç Conducció: transmissió d'energia a través de sòlids o fluids immòbils deguda a les vibracions i col·lisions moleculars, sense transport net de matèria. 1 Convecció: transport tèrmic predominant en fluids (líquids o gasos) mitjançant el moviment i circulació física de masses de fluid.

2 Radiació: transmissió d'energia mitjançant ones electromagnètiques generades pel moviment tèrmic de partícules carregades, sense necessitat de suport material. 3 = Q̇ = Δt ΔQ k A Δx ΔT k W/(m C) W/(m K) A Δx ΔT α Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 23 Sent la densitat de la substància i la seva capacitat calorífica a pressió constant.

Convecció i coeficient de transferència Quan un fluid en circulació envolta una superfície sòlida a temperatura diferent, la transferència tèrmica segueix l'equació de refredament o escalfament: On és el coeficient de transferència de calor per convecció (que depèn de la viscositat, la velocitat del flux i altres propietats del medi) i és la temperatura superficial de l'objecte. Aplicació pràctica: calor, preservació i tractament tèrmic d'aliments El deteriorament dels aliments és una alteració que en redueix la qualitat, l'aspecte i el valor nutritiu.

Entre les seves causes principals destaquen els danys físics, les plagues i factors ambientals com la llum (que degrada vitamines i genera gasos o males olors), l'oxigen (reaccions d'oxidació d'aromes i colors), la humitat (proliferació de microorganismes) i la temperatura inadequada (desnaturalització de proteïnes o pèrdua de textura). El control precís de la calor permet gestionar aquests fenòmens: Cocció: transformació culinària que augmenta la comestibilitat i redueix el risc d'intoxicació.

El temps de tractament ( ) per assolir la temperatura desitjada al centre d'una peça cilíndrica o esfèrica és proporcional al quadrat del seu radi ( ): Congelació: preservació que retarda les reaccions de descomposició, conserva la textura i qualitat original i impedeix la proliferació bacteriana. COMPROVA-HO 33 Per què duplicar el gruix d'un aliment requereix quadruplicar aproximadament el temps necessari per coure'n l'interior?

= Δt ΔT α , on α = dx2 d T 2 ρ C p k ρ C p = Q̇ = Δt ΔQ h A (T fluid T ) s h T s t r t α c [log(T T )] 2 e 2 c 2 r2 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 24 IDEES CLAU Un sistema és obert si intercanvia massa i energia, tancat si només bescanvia energia, i aïllat si no transfereix cap de les dues. El primer principi estableix que ; a volum constant i a pressió constant . En una reacció exotèrmica s'allibera calor ( ), mentre que en una d'endotèrmica s'absorbeix ( ). La llei de Hess permet calcular l'entalpia global d'una reacció sumant les entalpies de les seves etapes constituents perquè l'entalpia és funció d'estat.

La conducció tèrmica depèn del gradient de temperatura segons la llei de Fourier ( ), i el temps de penetració tèrmica és proporcional al quadrat del radi. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 34. En quines condicions la calor intercanviada per un procés químic coincideix amb la variació d'entalpia ( )? 35. Com influeixen els enllaços trencats i formats en el càlcul de l'entalpia de reacció a partir d'energies d'enllaç? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 36. Com es defineix un sistema termodinàmic tancat? 37. Quin és el valor del treball en un procés isòcor (volum constant)? 38. Segons la llei de Fourier, de què depèn la velocitat de transmissió de calor per conducció?

ΔU = q + w q = v ΔU q = p ΔH ΔH < 0 ΔH > 0 = Q̇ k A Δx ΔT ΔH No intercanvia ni energia ni massa a) Intercanvia matèria i energia lliurement b) Manté el seu volum sempre invariant c) Intercanvia energia però no matèria d) És igual a zero a) Depèn de la pressió externa b) És màxim i positiu c) És igual a la calor d) De la velocitat lineal de circulació del fluid a) De la conductivitat, àrea i gradient tèrmic b) Únicament del coeficient convectiu del medi c) Exclusivament de l'emissivitat de la superfície d) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 25 39. Com varia el temps de cocció d'un aliment en funció de la seva mida geomètrica?

5 Espontaneïtat, entropia i equilibri químic EN ACABAR SABRÀS Calcular la variació d'entropia i d'energia lliure de Gibbs en processos químics. Distingir entre estabilitat termodinàmica i estabilitat cinètica. Relacionar la constant d'equilibri amb la variació d'energia lliure estàndard. Predir el sentit d'una reacció comparant el quocient de reacció amb la constant d'equilibri. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 40 Pot produir-se espontàniament una reacció química encara que disminueixi l'ordre molecular intern dels seus compostos? Entropia i criteris d'espontaneïtat La termodinàmica permet predir si una reacció tindrà lloc sense aportació contínua d'energia externa.

L'entropia ( ) és una funció d'estat expressada en J/K que quantifica el desordre microscòpic d'un sistema. A escala molecular, Boltzmann va establir que: on és la constant de Boltzmann i és el nombre de microestats o formes en què els àtoms es poden disposar amb la mateixa energia. A major nombre de microestats accessibles, més gran és l'entropia. Aquest valor augmenta en processos d'expansió cap a un volum superior, mescla de substàncies o escalfament, ja que la calor intensifica el moviment aleatori dels àtoms. El tercer principi de la termodinàmica fixa que per a una substància cristal·lina perfecta a la temperatura de zero absolut ( ), l'entropia val zero ( ).

El segon principi de la termodinàmica indica que en tot procés espontani, l'entropia total de l'univers augmenta: L'intercanvi de calor a pressió constant condiciona l'entorn: (vegeu l'explicació de calor i entalpia a «Termodinàmica química i transferència de calor»).

Per a qualsevol reacció química en condicions estàndard, la variació d'entropia del sistema es calcula restant els valors dels reactius als dels productes: És directament proporcional al seu radi a) És inversament proporcional al seu gruix b) És proporcional al quadrat del radi c) És independent de les dimensions físiques d) S S = k lnW B k B W T = 0 K S = 0 ΔS = univ ΔS + sis ΔS > entorn 0 ΔS = entorn T ΔH sis ΔS = S (productes) S (reactius) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 26 EXEMPLE Considerem una reacció amb i a ( ): COMPROVA-HO 41 Pot un procés amb una variació d'entropia negativa en el sistema ser espontani?

Energia lliure de Gibbs i estabilitat química Per avaluar l'espontaneïtat sense calcular directament l'entorn, s'empra l'energia lliure de Gibbs ( ). A pressió i temperatura constants, la relació fonamental és: El signe d'aquesta magnitud determina la viabilitat termodinàmica del canvi: Si , el procés és espontani i el sistema és termodinàmicament estable respecte a la conversió. Si , la transformació no és espontània en aquest sentit. Si , el sistema ha assolit l'estat d'equilibri.

Per a una reacció genèrica en condicions estàndard: Segons la comparació entre les energies lliures estàndard de productes i reactius es donen tres escenaris: si , aleshores ; si , aleshores ; i si coincideixen exactament, . Cal diferenciar el concepte termodinàmic de l'aspecte temporal: Tipus de compost Comportament termodinàmic Comportament cinètic Inert Termodinàmicament inestable ( cap a la descomposició) Persisteix durant llargs períodes per una velocitat molt lenta Làbil Termodinàmicament inestable Es descompon o reacciona amb gran rapidesa ΔS = 217 J/K ΔH = 1202 kJ T = 25 C 298 K Calculem la variació d'entropia de l'entorn transformant els kJ a J: .

1 ΔS = entorn = 298 K 1202 10 J 3 4,03 10 J/K 3 Sumem les contribucions a l'univers: . 2 ΔS = univ 217 J/K + 4,03 10 J/K = 3 3,81 10 J/K 3 Com que , el procés és espontani malgrat la disminució d'entropia del sistema. 3 ΔS > univ 0 G ΔG = ΔH TΔS ΔG < 0 ΔG > 0 ΔG = 0 ΔG = ΔG (productes) f ΔG (reactius) f ΔG > p ΔG r Δ G > r 0 ΔG < p ΔG r Δ G < r 0 Δ G = r 0 ΔG < 0 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 27 ERROR FREQÜENT Confondre espontaneïtat amb rapidesa. Un procés amb està termodinàmicament afavorit, però pot trigar segles a ocórrer si la barrera de reacció és alta (comportament inert).

La cinètica i la velocitat es tracten específicament a «Cinètica química: velocitat i ordres de reacció». COMPROVA-HO 42 Quina diferència hi ha entre una substància inert i una làbil si ambdues són termodinàmicament inestables? Potencial químic i equilibri químic L'energia de Gibbs molar parcial d'una espècie s'anomena potencial químic ( ). Aquesta propietat reflecteix com varia l'energia lliure quan s'altera la quantitat de matèria a pressió i temperatura constants. Com més baix és el valor de l'energia de Gibbs molar ( ), major és l'estabilitat del compost.

Per a una substància , el potencial químic es descriu segons: on és l'activitat química, una magnitud adimensional que mesura la concentració efectiva de l'espècie tenint en compte les interaccions moleculars reals en gasos o dissolucions no ideals. Quan un sistema assoleix l'equilibri químic, no presenta tendència a evolucionar en cap sentit i manté la seva composició constant tret que rebi una pertorbació externa. Per a una reacció del tipus , l'energia lliure de reacció varia amb la composició segons: on és el quocient de reacció.

En arribar a l'equilibri, la variació neta cessa ( ) i el quocient pren el valor fix de la constant d'equilibri ( ): Segons la fase dels components, els equilibris es classifiquen en homogenis, quan reactius i productes comparteixen el mateix estat d'agregació, o heterogenis, quan coexisteixen fases diferents. Esquema de la proporció de reactius i productes segons la magnitud de K.

La relació entre i determina el sentit d'evolució del sistema cap a l'equilibri: ΔG < 0 μ G m i μ = i μ + i RT lna i a i aA + bB cC + dD ΔG = r ΔG + r RT lnQ Q ΔG = r 0 K ΔG = r RT lnK K = [A] [B] a b [C] [D] c d Q K Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 28 PROCÉS Evolució del sistema segons Q i K 1 Q menor que K Massa reactius respecte a l'equilibri 2 Avanç cap a la dreta Consum de reactius per generar productes 3 Assoliment de Q igual a K Estat d'equilibri dinàmic sense canvi net Si : hi ha un excés relatiu de reactius; la reacció avança cap als productes (cap a la dreta). Si : el sistema es troba en equilibri dinàmic i la composició neta no canvia.

Si : hi ha un excés de productes; la reacció es desplaça cap als reactius (cap a l'esquerra). COMPROVA-HO 43 Com evolucionarà una mescla de reacció si el quocient calculat en un instant és Q = 15 i la constant d'equilibri val K = 2? IDEES CLAU L'entropia mesura el desordre i creix amb el nombre de microestats ( ). Un procés és espontani a l'univers quan . A pressió i temperatura constants, el criteri d'espontaneïtat és . La condició termodinàmica d'equilibri és , que condueix a . La comparació entre i indica la direcció de desplaçament del sistema cap a l'equilibri. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 44. Què expressa la relació entre l'energia lliure estàndard i la constant d'equilibri? 45.

Quina diferència formal presenten un equilibri homogeni i un d'heterogeni? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 46. Quina condició defineix l'estat d'equilibri químic? 47. Si el quocient de reacció compleix Q < K, cap a on evoluciona el sistema? Q < K Q = K Q > K S = k lnW B ΔS > univ 0 ΔG < 0 ΔG = r 0 ΔG = RT lnK Q K L'entropia del sistema és nul·la a) ΔG° és igual a zero b) Q és superior a K c) ΔGr és igual a zero d) Es manté inalterat en equilibri a) Cap a la formació de productes b) S'atura completament la reacció c) Cap a la formació de reactius d) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 29 48. Com es defineix una substància inert en termodinàmica? 49.

Segons Boltzmann, de quina variable depèn l'entropia a escala molecular? 6 Equilibris àcid-base i solubilitat en medi aquós EN ACABAR SABRÀS Distingir parells àcid-base conjugats i espècies amfipròtiques segons Brønsted-Lowry Calcular el pH i pOH de dissolucions d'àcids i bases febles avaluant les aproximacions Analitzar l'efecte de l'ió comú en dissolucions amortidores Determinar la solubilitat molar a partir del Kps i la seva variació segons el pH PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 50 Per què afegir una sal que conté l'ió amoni a una dissolució d'amoníac en redueix la basicitat?

Els equilibris en dissolució aquosa constitueixen el nucli de molts processos químics i analítics, des de la regulació del pH en medis biològics fins a la formació de precipitats sòlids en reaccions de separació.

Inestable termodinàmicament però amb transformació molt lenta a) Completament estable i sense reactivitat possible b) Substància amb variació d'entropia sempre positiva c) Inestable que es descompon de manera immediata d) De la velocitat de les molècules a) Únicament del volum del recipient b) Del nombre de microestats possibles c) De la pressió estàndard del gas d) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 30 ESQUEMA Equilibris en dissolució aquosa Teoria de Brønsted-Lowry i parells conjugats Segons la definició de Brønsted-Lowry, les transformacions àcid-base es basen estrictament en la transferència d'ions H d'una espècie química a una altra: Àcid: substància capaç de cedir protons.

Ha de contenir obligatòriament àtoms d'hidrogen i pot presentar càrrega positiva, neutra o negativa. Base: substància capaç de captar protons. Pot tenir càrrega elèctrica negativa o neutra. Espècies amfipròtiques: molècules o ions que poden actuar tant com a àcids com a bases segons el medi. Quan un àcid cedeix un protó, es converteix en la seva base conjugada; paral·lelament, la base receptora es transforma en el seu àcid conjugat. Esquema de transferència de protons i parells àcid-base conjugats.

Equilibri àcid-base Transferència de protons en medi aquós Teoria Brønsted-Lowry Parells àcid-base conjugats Autoionització i pH Producte iònic Kw i escala logarítmica Sistemes febles Constants Ka, Kb i solucions amortidores Equilibri de solubilitat Precipitació i dissociació de sòlids Producte de solubilitat Relació entre Kps i solubilitat molar Condicionants de solubilitat Efecte del pH i ió comú Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 31 La força dels electròlits determina el grau de transformació. Un àcid fort es dissocia completament en aigua i no deixa molècules sense dissociar.

En canvi, un àcid feble experimenta una ionització parcial, establint un estat dinàmic entre les molècules intactes i els seus ions. COMPROVA-HO 51 Quina condició estructural imprescindible ha de complir una substància per poder actuar com a àcid de Brønsted-Lowry? Autoionització de l'aigua i escala de pH L'aigua pura actua simultàniament com a àcid i com a base mitjançant el procés d'autoionització: Aquest procés defineix el producte iònic de l'aigua, representat per la constant .

A una temperatura de 25 °C, el seu valor és: Per descriure les concentracions d'ions en dissolució s'utilitzen escales logarítmiques negatives: Aplicant propietats logarítmiques a a 25 °C, s'obté la relació fonamental: Equilibris d'àcids i bases febles: constants Ka i Kb Per a un àcid feble genèric monobàsic HA en aigua, l'equilibri d'ionització s'expressa mitjançant la constant d'acidesa : De manera anàloga, una base feble B s'associa a la constant de basicitat : La relació entre la força d'una espècie i el seu conjugat és inversa: una base feble genera un àcid conjugat fort (amb petit), mentre que una base més forta genera un àcid conjugat feble (amb gran).

H O + 2 H O 2 H O + 3 + OH K w K = w [H O ][OH ] = 3 + 1,0 × 10 14 pH = log[H O ] i pOH = 3 + log[OH ] K w pH + pOH = 14 K a HA(aq) + H O(l) 2 H O (aq) + 3 + A (aq) K = a [HA] [H O ][A ] 3 + K b B(aq) + H O(l) 2 BH (aq) + + OH (aq) pK a pK a Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 32 EXEMPLE Càlcul del pH d'una dissolució d'àcid acètic ( ) 0,30 M a 25 °C ( ): L'equilibri inicial i final és: Substituint a la constant d'equilibri: Com que és petita, s'aplica l'aproximació : ERROR FREQÜENT Oblidar comprovar la validesa de l'aproximació .

Si la quantitat ionitzada supera el 5 % de la concentració inicial (o quan és relativament gran com en certs àcids d'ordre o ), cal resoldre directament l'equació de segon grau sense menystenir al denominador. COMPROVA-HO 52 Com varia la força de l'àcid conjugat respecte al valor de pKa de la seva base feble d'origen? Sistemes amortidors i efecte de l'ió comú En presència d'un ió comú aportat per una sal completament dissociada, l'equilibri d'un electròlit feble es desplaça, reduint la seva ionització.

Per exemple, en una dissolució d'amoníac 0,04 M ( ), la concentració d'ions inicial és: Aquest valor bàsic fa que la fenolftaleïna adopti un color rosa intens (ja que vira completament a partir de pH 9,5). En afegir 1 g de clorur amònic ( ) dissolt en el mateix volum (concentració 0,76 M de l'ió ), l'ió comú reprimeix la dissociació de l'amoníac: Amb aquesta nova concentració, i el , provocant que la dissolució es mantingui completament incolora davant la fenolftaleïna.

CH COOH 3 K = a 1,8 × 10 5 Inicial Equilibri CH COOH 3 0,30 M 0,30 x + H O 2 H O 3 + 0 x + CH COO 3 0 x 1,8 × 10 = 5 0,30 x x2 K a 0,30 x 0,30 x = 2 1,8 × 10 × 5 0,30 = 5,4 × 10 6 x = 2,32 × 10 M 3 pH = log(2,32 × 10 ) = 3 2,63 C 0 x C 0 x C 0 K a 10 2 10 3 x K = b 1,75 × 10 5 OH x = = 1,75 × 10 × 0,04 5 8,37 × 10 M 4 pOH = 3,08 pH = 10,92 NH Cl 4 NH 4 + 1,75 × 10 = 5 0,04 x (0,76 + x)x 0,04 0,76x x = 9,21 × 10 M 7 pOH = 6,04 pH = 7,96 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 33 Sistema Concentració [OH ] pH resultant Aspecte amb fenolftaleïna NH aquós (0,04 M) 10,92 Rosa intens (pH > 9,5) NH (0,04 M) + NH Cl (0,76 M) 7,96 Incolor (pH < 8,5) Equilibris de solubilitat i Kps Un compost és insoluble o poc soluble quan la seva energia reticular és molt gran i no queda compensada per l'energia d'hidratació dels seus ions.

En dissoldre un precipitat, s'estableix un equilibri heterogeni entre la fase sòlida i els ions dissolts. La solubilitat molar (s) representa la quantitat màxima de substància que es dissol per litre de solució en equilibri. Per a un compost poc soluble com l'hidròxid de magnesi: El producte de solubilitat s'expressa segons l'estequiometria: Amb un valor de , s'obté , amb , que equival a i . Efecte del pH sobre la solubilitat i precipitació selectiva La solubilitat dels precipitats que contenen anions bàsics depèn directament del pH del medi. Si augmenta el pH, s'incrementa la concentració d'ions , desplaçant l'equilibri cap a l'esquerra i provocant la precipitació.

EXEMPLE Variació de la solubilitat del ( ) segons el pH: A pH = 8,00: . A pH = 10,00: . Conclusió: com més bàsic és el medi, menor és la solubilitat de l'hidròxid metàl·lic. D'igual manera, l'equilibri del bitartrat de potassi ( ) és clau per evitar que precipiti en vins: Si la concentració de l'anió hidrogenditartrat és coneguda, es pot establir la concentració límit d'ions potassi per sota de la qual no es produirà terbolesa ni precipitació sòlida. COMPROVA-HO 53 Què passa amb la solubilitat del Fe(OH) en dissoldre's en un medi de pH àcid?

8,37 × 10 M 4 9,21 × 10 M 7 Mg(OH) (s) 2 Mg (aq) + 2+ 2 OH (aq) K = ps [Mg ][OH ] = 2+ 2 s (2s) = 2 4s3 K = ps 1,2 × 10 11 s = 1,4 × 10 M 4 [OH ] = 2s = 2,8 × 10 M 4 pOH = 3,55 pH = 10,45 OH Fe(OH) 2 K = ps 1,6 × 10 14 pOH = 6 [OH ] = 10 M 6 s = [Fe ] = 2+ = (10 ) 6 2 1,6×10 14 1,6 × 10 M 2 pOH = 4 [OH ] = 10 M 4 s = [Fe ] = 2+ = (10 ) 4 2 1,6×10 14 1,6 × 10 M 6 KHC H O 4 4 6 KHC H O (s) 4 4 6 K (aq) + + HC H O (aq) (K = 4 4 6 ps 1,30 × 10 ) 3 Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 34 IDEES CLAU Els àcids cedeixen protons (H ) i les bases en capten segons el model de Brønsted-Lowry. El producte iònic de l'aigua pura a 25 °C és , complint sempre .

Per a un àcid feble monobàsic, l'equilibri permet aproximar si la ionització és inferior al 5 %. L'efecte de l'ió comú redueix el grau de dissociació d'electròlits febles i permet estabilitzar el pH en mescles amortidores. El producte de solubilitat limita la concentració d'ions en equilibri; un augment de pH redueix la solubilitat dels hidròxids metàl·lics. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 54. Quina relació matemàtica vincula el producte de solubilitat i la solubilitat molar per a una sal del tipus ? 55. Com influeix l'addició d'una sal d'amoni ( ) sobre el pH d'una dissolució d'amoníac? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 56.

Quin és el valor de Kw per a l'aigua pura a una temperatura de 25 °C? 57. Com actua una substància amfipròtica segons la teoria de Brønsted-Lowry? 58. Quin efecte produeix l'augment de pH sobre la solubilitat d'un hidròxid metàl·lic? 59. Quina expressió defineix Kps per al Mg(OH) en funció de la solubilitat molar s?

K = w 1,0 × 10 14 pH + pOH = 14 K = a C x 0 x2 x K C a 0 K ps K ps s M(OH) 2 NH 4 + 4,0 × 10 ¹¹ a) 1,0 × 10 b) 1,0 × 10 ¹ c) 1,8 × 10 d) Només pot cedir protons a) Pot actuar com a àcid o base b) Només pot captar protons c) És un electròlit fort no dissociable d) No modifica la solubilitat a) Fa augmentar el valor de Kps b) Disminueix la seva solubilitat c) Augmenta la seva solubilitat d) Kps = 2s³ a) Kps = s² b) Kps = 4s³ c) Kps = 2s² d) Química General i Inorgànica: Apunts i Formulari 35 7 Cinètica química: velocitat i ordres de reacció EN ACABAR SABRÀS…