Unitat 3

Unitat 3. Com es transforma la matèria?

En la unitat anterior hem investigat com és la matèria. Al final de la unitat hem vist que unes substàncies es poden transformar en altres. Concretament, l'electròlisi ens ha permés obtindre hidrogen i oxigen (dues substàncies pures simples) de l'aigua (que és també una substància pura, però composta). En aquesta unitat investigarem en detall els procesos de transformació de substàncies i l'interés que tenen.

A1. Indiqueu substàncies d'ús comú en la nostra vida diària. Com penseu que s'obtenen?

A2. Identifiqueu procesos que produeixen substàncies útils i procesos que produeixen substàncies nocives per a nosaltres. 

Després de veure que la nostra vida quotidiana depén en gran mesura de les transformacions de substàncies, anem a buscar una explicació de com tenen lloc, com és possible que a partir d'unes substàncies es formen unes altres. Per avançar en aquest objectiu no comencem de zero, sinó que anem a aprofitar tot el que hem fet sobre l'estructura de la matèria. És més, no ens conformarem amb construir un model que explique la transformació de substàncies, sinó que anirem més enllà, buscant respostes a problemes actuals com: quin procés ens pot aportar la major quantitat d'una substància útil, quin procesos són els menys contaminants, com podem augmentar la velocitat a la qual es produeix una determinada substància. En fi, ens enfrontarem a problemes de caràcter pràctic que tenen un impacte inqüestionable sobre la nostra societat. L'índex que seguirem serà el següent:

1. Com sabem quan es produeixen noves substàncies?
2. Quina quantitat de substància es produeix o consumeix en un procés químic?
3. Com podem augmentar o disminuir la velocitat d'un procés químic?
4. Problemes oberts.

1. Com sabem quan es produeixen noves substàncies?

1.1. Quines transformacions produeixen noves substàncies?

A3. Indiqueu transformacions que es puguen fer a un full de paper i que no canvien la substància que el forma. Indiqueu altres transformacions que canvien la substància que el forma.

Definiu transformació (canvi) físic i transformació (canvi) químic.

A4. Identifica raonadament els processos en què s'ha produït una reacció química:

• El despreniment d'un gas produït per una pastilla efervescent.
• La formació de l’Arc de Sant Martí
• La formació de gel a partir d’aigua líquida
• L’oxidació d’un clau de ferro
• La preparació d'un café amb llet.
• La formació d'una substància blanca en la boca d'una aixeta.

A5. PORTFOLI. A mode de conclusió, resumiu en el portfoli els conceptes de procés químic i procés físic. Afegiu dos exemples de cada.

1.2. Què ocorre a nivell microscòpic en les transformacions químiques?

A6. Representeu amb dibuixos el que ocorre amb les molècules d'aigua durant l'electròlisi.

A7. Activitats d'ajust de reaccions a partir de demostracions experimentals:

Combustions: Combustió d’alcohol, combustió de magnesi.

Oxidacions: Oxidació d’un clau de ferro en dissolució de sulfat de coure, oxidació d’un clau en aigua oxigenada, descomposició de l’aigua oxigenada.

Neutralitzacions: Atac d’àcid clorhídric a zinc i a carbonat de calci, neutralització amb bicarbonat de sodi i amb sosa i de bicarbonat amb vinagre.

Precipitació: iodur de potassi amb nitrat de plom.

A8. L'àcid acètic és un compost format per àtoms de carboni, hidrogen i oxigen i que es troba representat) en el següent dibuix:

• Escriu la fórmula de les substàncies representades en el dibuix. Quina és la de l'àcid acètic?
• El dibuix representa la reacció entre l'àcid acètic i el gas oxigen. Quina és la fórmula del gas oxigen?. Quantes molècules de reactius hi ha?. I de productes?
• Quants àtoms de cada classe hi ha abans de la reacció i després d'ella?
• En què consistix una reacció química?

En aquest enllaç trobaràs una simulació que t'ajudarà a practicar la interpretació i ajust d'equacions químiques. Has d'ajustar la quantitat de reactius i productes que cal posar per a què les reaccions que et donen estiguen ajustades. Et recomanem que comences totes les activitats posant una molècula de cadascuna de les substàncies que apareixen en la reacció i, a partir d'eixe punt, que vages modificant les quantitats fins ajustar-la.

A9. Escriu les equacions químiques que es corresponen amb els següents processos i anomena els reactius i els productes.

• Quan el ferro s’oxida reacciona amb l’oxigen de l’aire per produir diòxid de ferro.
• L’aigua oxigenada es descompon en aigua i oxigen molecular.
• L’amoníac que usem per neteja s’obté fent reaccionar hidrogen i nitrogen moleculars.
• El diòxid de sofre que produeix la pluja àcida es produeix quan les industries cremen (amb presència d'oxigen) materials que contenen sofre. Considera la reacció de combustió del sofre.

A10. Explica en el llenguatge comú què ocorre en les següents reaccions químiques, fes els dibuixos que permeten explicar-les i anomena els reactius i els productes en cada cas.

• H₂ (g) + Cl₂ (g)→ HCl (aq)
• HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H₂O (l)
• AgNO₃ (aq) + NaCl (s) → NaNO₃ (aq) + AgCl (aq)
• CH₄ (g) + O₂ (g) → CO₂ (g) + H₂O (g)

A11. Ajusta les equacions químiques representades i anomena els reactius i els productes.

• Quan es crema carbó amb poc oxigen es forma monòxid de carboni, que és tòxic:
• C (s) + O₂ (g) → CO (g)
• L'òxid de dinitrogen, conegut com a gas de la risa, s'ha usat en èpoques passades com a anestèsic. Es produeix a partir de la descomposició del nitrat d'amoni:
• NH₄NO₃(s) → H₂O(g) + N₂O (g)
• El marbre (carbonat de calci) amb què estan fets els bancs de cuina i algunes escultures pot ser atacat pels àcids (vinagre, suc de llima, salfumant, pluja àcida...). Quan això ocorre el marbre es desfà o queda tacat. Un dels procesos que té lloc és:
• CaCO₃ (s) + HCI (aq) → CO₂ (g) + CaCl₂ (aq) + H₂O (l)
• El iode amb què es fa el betadine i altres productes sanitaris es pot obtindre del iodur d'hidrogen:
• HI (g)→H₂ (g) + I₂ (s)
• El clorat de potassi s'usa en explosius perquè a elevada temperatura es descompon produint oxigen. Aquest oxigen és el que permet que una altra substància es creme ràpidament, produint l'explosió:
• KCIO_{3 (s)} → KCl (s) + O₂ (g)
• El tetraclorur de carboni s'ha usat per produir clorofluorocarbonis (CFCs), antigament usats en neveres i màquines d'aire condicionat. Es va prohibir perquè contribuïen a la destrucció de la capa d'ozó. El procés de producció de tetraclorur de carboni és el següent: 
• CS₂ (l) + Cl₂ (g) → CCl₄ (l) + S₂CI₂ (g)

Text: productes d’origen natural i sintètic. Importància de la indústria química en la millora de la qualitat de vida.

A12. PORTFOLI. L'obtenció industrial de l'amoníac va ser un dels grans avanços del segle XX. De fet, el descobridor del procés va rebre el premi Nobel per aquest fet. Aprofita la reacció de síntesi de l'amoníac a partir d'hidrogen molecular i nitrogen molecular i:

• Justifica la importància d'aquest procés industrial. Llegeix-ho en aquesta web.
• Ajusta-la i representa-la amb partícules.
• Identifica els reactius i els productes.
• Explica en detall què ocorre durant una reacció química a nivell microscòpic i a nivell macroscòpic.

2. Quina quantitat de substància es produeix o consumeix en un procés químic?

El treball que hem fet fins ara ens ha permitit explicar què ocorre quan té lloc un procés químic. Tanmateix, per a les substàncies d'interés, no només és important conèixer com es formen sinó també en quina quantitat es formen, això ens permetrà saber quanta matèria prima necessitem, quin serà el rendiment econòmic del procés, quin impacte tindrà el procés sobre el medi ambient o sobre la salut en cas que es produïsca alguna substància nociva, etc. 

A13. Quant d'hidrogen es produeix en fer l'electròlisi de 100 g d'aigua?

A14. El ferro es pot obtindre a partir de diversos minerals. Un d’ells és la pirita (FeS₂), un altre és l’hematites (Fe₂O₃). Els processos químics que tenen lloc són els següents:

FeS₂ + C → Fe + CS₂

Fe₂O₃ + C → Fe + CO₂

D’on podem obtindre més ferro, de 500 g de pirita o de 500 g d’hematites?

A15. El metà és el principal component del gas natural, el que s’usa com a font d’energia. Quan es crema produeix diòxid de carboni i aigua (en forma de vapor), a més d’una gran quantitat d’energia. Quina quantitat de diòxid de carboni es produeix quan es crema una botella de 15 kg de metà? Quin problema mediambiental presenta aquest diòxid de carboni?

A16. Una fàbrica emet a l’atmosfera 2,5 tones de diòxid de sofre i 3,5 tones de triòxid de sofre. Aquestes dues substàncies reaccionen amb el vapor d’aigua de l’atmosfera i formen, en el primer cas, H₂SO₃ (àcid sulfurós), i en el segon cas H₂SO₄ (àcid sulfúric). Quan plou, aquests àcids cauen dissolts en l’aigua i ataquen edificis, estructures metàl·liques, contaminen el sòl, rius i llacs i afecten greument a les plantes. Quina quantitat de cadascun dels dos àcids es produeixen en l’atmosfera a conseqüència de les emissions de la fàbrica?

A17. El diòxid de sofre és un dels principals contaminants atmosfèrics. Reacciona amb oxigen per formar el tiòxid de sofre. Escriu i ajusta la reacció i determina la quantitat de triòxid de sofre que s’obté a partir de 50 g de diòxid de sofre.

A18. Com saps, les plantes agafen diòxid de carboni de l’atmosfera per a fer la fotosíntesi. En aquest procés, per al qual també fa falta aigua i energia (que arriba en forma de llum solar), es produeix glucosa i oxigen. La reacció química és la següent:

CO₂ + H₂O + energia → C₆H₁₂O₆ + O₂

Una poma conté aproximadament 25 g de glucosa, quina quantitat de CO₂ ha absorbit el pomer de l’atmosfera per produir la glucosa que té eixa poma?  

3. Com podem augmentar o disminuir la velocitat d'un procés químic?

Treball experimental.

4. Problemes oberts

Hem vist que unes substàncies es poden transformar en altres a través de procesos que coneixem amb el nom de "reaccions químiques". A nivell microscòpic, les reaccions químiques consisteixen en reordenacions d'àtoms. Tanmateix, hi ha alguns aspectes que encara no som capaços d'explicar i que hauríem d'abordar. Entre d'altres:

• Per què es produeixen unes reordenacions i no unes altres? És a dir, per què quan cremem hidrogen en un laboratori es forma aigua i no una altra substància que conté eixos àtoms?
• Per què hi ha algunes reaccions que no comencen fins que s'aporta energia? Com sabem, la fotosíntesi no ocorre si no hi ha llum solar però un clau de ferro s'oxida espontàniament.
• Per què unes reaccions ocorren amb facilitat i altres són impossibles en la pràctica? Com hem vist, l'aigua es pot descompondre en oxigen i hidrogen, que es poden tornar a juntar per produir aigua. Però si cremem gasolina, no hi ha forma de tornar a obtindre-la a partir dels gasos produïts.