Unitat 5

Unitat 5. On està la càrrega elèctrica? Per què es formen unes substàncies i no unes altres? 

Durant la nostra investigació hem deixat dos problemes pendents:

• Quan vam treballar la reacció química no vam poder explicar per què es formen unes determinades substàncies compostes en un procés químic i no unes altres. Concretament, per què quan reaccione hidrogen i oxigen es forma H₂O o H₂O₂ i no HO o HO₂? I aquest és només un dels molts exemples que podem plantejar.
• En la unitat anterior, hem establit que tota la matèria està formada per càrregues positives o negatives. També sabem que tota la matèria està formada per partícules. Com connectem els dos models? On està la càrrega?

Per buscar una resposta a aquests problemes anem a seguir la següent estratègia:

1. La càrrega elèctrica és matèria? On es troba?

3. Com classifiquem els àtoms? Els sistema periòdic.

4. Per què els àtoms formen una determinades molècules i no unes altres?
4. Problemes oberts.

1. La càrrega elèctrica és matèria? On es troba?

1.1. Els experiments amb raigs catòdics.

Amb el Van der Graaff hem aconseguit produir i veure descàrregues elèctriques entre objectes. Hem observat que tenen color violaci, però eren massa menudes i massa ràpides com per poder estudiar-les. Amb l'ajuda de tubs de vidre, coneguts com a tubs de descàrrega, i fonts d'alta tensió podem produir descàrregues aïllades i mantingudes en el temps. 

En fer-ho, ens n'adonem que el color que emet el tub de descàrrega depén del gas que conté. Concretament, les descàrregues que nosaltres observàvem són violàcies, igual que la llum que emet el tub que conté nitrogen. De fet, el 78% de l'aire és nitrogen, d'ací aquesta coincidència.

Ara bé, si volem analitzar la càrrega elèctrica de manera aïllada haurem de retirar també el gas que conté el tub, i d'eixa forma podrem observar i experimentar únicament amb càrrega elèctrica. A l'institut no disposem d'aquest tipus de materials, per eixe motiu usarem diversos vídeos on es mostren els experiments.

A1. Visualitzeu el vídeo sobre els experiments amb raigs catòdics. Establiu conclusions sobre la naturalesa d'aquests raigs (de què estan formats? Llum? Electricitat? Partícules? Etc.).

• Com podem explicar que es forme l’ombra de la creu en l’extrem del tub?
• Com podem explicar que el molinet gire? I que gire més ràpid quan augmentem la diferència de potencial? I que gire al revés quan canviem els cables?
• Com podem explicar que l’imant desvie el raig?
• Com explicar que el raig es forme sempre, siga quin siga el material que es pose en l’extrem negatiu?

A2. Si els electrons estan en tota la matèria, on es troben?

1.2. Posant a prova el model atòmic de Thomson. Els experiments de dispersió de partícules

A3a. Experiment dels llapissos usant la plantilla de l'annex.

A3b. Visualitzeu el vídeo sobre l'experiment de dispersió de partícules alfa.

• Si el model de Thomson fóra correcte, quin resultat caldria esperar en bombardejar àtoms amb partícules alfa (positives)?
• Valoreu el resultat obtingut i modifiqueu, si ho considereu necessari, el model atòmic de Thomson. Establiu conclusions sobre l'estructura dels àtoms.

1.3. Noves partícules. Distribució de totes les partícules en l’àtom. El model de Bohr

A4. Introducció per part del professor del model atòmic de Bohr.

A5. Representeu els següents àtoms:

• Un àtom de carboni amb 6 protons i 6 neutrons.
• Un àtom de fluor amb 9 protons i 10 neutros.
• Un àtom d'alumini, amb 13 protons i 14 neutros.
• Un àtom de carboni, amb 6 protons i 8 neutros.

A6a. Introducció per part del professor del nombre atòmic i màssic. Indiqueu el nombre atòmic i màssic dels àtoms anteriors i escriviu el seu símbol. Useu la taula periòdica.

A6b. Indiqueu quins són els següents elements i quants protons, neutrons i electrons tenen:

1.4. El canvis en l'interior de l'àtom

A7. Hem comentat que en fregar objectes els àtoms poden guanyar o perdre electrons, i que això fa que adquirisquen càrrega. Quina càrrega adquireixen els següents àtoms (useu la taula periòdica per consultar la quantitat de partícules subatòmiques que tenen):

• El fluor quan guanya un electró.
• El sodi quan perd un electró.
• El sofre quan guanya dos electrons.
• El magnessi quan perd dos electrons.

A8. I què passaria si l'àtom poguera guanyar o perdre protons? Analitza què passaria en els següents casos:

• Un atòm de carboni guanya un protó.
• Un àtom de plom perd tres protons.
• Un àtom d'urani guanya dos protons.
• Un àtom de nitogen perd un protó.

A9. Què passa si canvia la quantitat de neutros d'un àtom?

• Un àtom de clor-35 guanya dos neutrons.
• Un àtom d'oxigen-16 guanya un neutró.
• Un àtom de carboni-14 per dos neutrons.
• Un àtoms d'urani-235 guanya un neutró.

Algunes aplicacions dels isòtops: visualitzeu els següents vídeos.

A10. PORTFOLI. Recapituleu el treball fet fins ací:

• Feu una representació de l'àtom explicant amb detall quina és l'estructura i les partícules que el formen.
• Definiu els conceptes ió, nombre atòmic, nombre màssic i isòtop.
• Expliqueu què passa quan canvia la quantitat de protons, neutros o electrons d'un àtom.

A12. Si mires l'etiqueta d'una botella d'aigua observaràs que en la composició té, a més d'altres components: sodi, calci i clorurs. Aquestes substàncies no es troben en l'aigua en forma d'àtoms neutres, sinó que estan en forma de ions, concretament els ions següents:

• Na⁺
• Ca⁺²
• Cl^-

Usa la taula periòdica per determinar quants protons i quants electrons tenen cadascun d'aquests ions. Indica també quina és la distribució dels electrons en les òrbites atòmiques.

Per què aquests àtoms es troben en forma d'ions i no com a àtoms neutres?

A13. Una de les substàncies més perilloses que es produeixen en un reactor nuclear és el ¹³¹I. Aquesta substància és absorbida pel cos que l'acumula en la glàndula tiroidea i l'usa per produir l'anomenada “hormona del creixement”. La major part del iode que hi ha en la naturalesa és ¹²⁷I, que no és radioactiu i que no suposa cap risc per a la salut. En condicions normals, aquest és el iode que usa la glàndula tiroidea per produir hormones.

En què es diferencien, a nivell microscòpic, els àtoms de ¹³¹I i els de ¹²⁷I? Explica bé la teua resposta i ajuda't de la taula periòdica si ho necessites.

2. Com classifiquem els àtoms? Els sistema periòdic

Descarrega el següent document per fer les activitats que venen a continuació. 

A14. Escriu el número atòmic de totes les caselles fins al bari. Indica, a continuació, el número atòmic dels elements que hi apareixen.

A15. Fes la configuració electrònica de tots els elements fins al calci. Indica quin ió formaran els elements que hi apareixen.

A16. L'ordenació de la taula periòdica no és fortuïta, sinó que té aquesta estructura perquè aporta molta informació. En la taula observem dues agrupacions.

• Les FILES, o períodes (línies hortizontals). Què tenen en comú tots els elements d'una fila?

• Les COLUMNES, o famílies (línies verticals). Què tenen en comú tots els elements d'una columna?

A17. Basant-te en el que hem fet fins ara, indica quin ió formaran els elements que apareixen en aquesta taula periòdica.

A18. Introducció per part del professor del concepte de METALL i de NO-METALL. Classifiqueu en metall i no-metalls els elements que apareixen en aquesta taula periòdica.

A19. Afegeix en la taula periòdica els següents elements. Si hi ha més d'una resposta és suficiente amb què en dones una:

• Un element A amb número atòmic 53.
• Un element B amb tres òrbites electròniques.
• Un element C amb 5 electrons en l'última òrbita electrònica.
• Un element D que no forma ions.
• Un element E que forma el ió E⁺.
• Un element F que forma el ió F^-2.
• Un element G del grup 8.
• Un element H del període 2.

A20. Entra en el següent enllaç. Selecciona l'opció "juego" i ves responent a les activitats que se't plantegen.

3. Per què els àtoms s'uneixen d'una manera i no d'una altra? Per què no totes les fórmules són vàlides?

A21. Per què es formen les substàncies compostes NaCl, CaCl₂ i AlCl₃ i no unes altres entre els mateixos elements? Anomena aquests compostos.

A22. Quines substàncies compostes formaran els següents elements? Anomena-les:

• El fluor i el calci.
• L'oxigen i el magnessi.
• El sofre i el sodi.
• El sofre i el calci.
• L’alumini i l’oxigen.

A23. Quines propietats tenen les substàncies formades per enllaços iònics?

• Són sòlids, líquids o gasos?
• Canviaran d'estat a temperatura alta o baixa?
• Si es deformen es trenquen o són elàstics?
• Seran bons conductors de l'electricitat?
• Es poden dissoldre en aigua?

Justifica totes les respostes.

A24. Per què es formen les substàncies Cl₂, O₂ i N₂? Anomena-les.

A25. Quines substàncies compostes formaran els següents elements? Anomena-les:

• L’hidrogen amb ell mateix.
• L’oxigen i l’hidrogen.
• El carboni i l’oxigen.
• El clor i l’oxigen.

A26. Quines propietats tenen les substàncies formades per enllaços covalents?

• Són sòlids, líquids o gasos?
• Canviaran d'estat a temperatura alta o baixa?
• Si es deformen es trenquen o són elàstics?
• Seran bons conductors de l'electricitat?
• Es poden dissoldre en aigua?

Justifica totes les respostes.

A27. I com s’uneixen entre ells els metalls? Quina substància composta formarà el magnesi amb si mateix? I el sodi? Anomena-les.

A28. Quines propietats tenen les substàncies formades per enllaços metàl·lics?

• Són sòlids, líquids o gasos?
• Canviaran d'estat a temperatura alta o baixa?
• Si es deformen es trenquen o són elàstics?
• Seran bons conductors de l'electricitat?
• Es poden dissoldre en aigua?

Justifica totes les respostes.

A29. Activitat experimental d'identificació de substàncies. 

A30. PORTFOLI. Explica les tres formes que tenen els àtoms per a enllaçar-se a partir d'un exemple de cadascuna. 

A31. PORTFOLI. Fes una taula indicant les propietats de les substàncies formades per cadascun dels tres tipus d'unions entre àtoms.

A32. Usa la següent taula periòdica per respondre:

1. Quina és la configuració electrònica de B? I la de E?
2. Quin és el nombre atòmic de D?
3. Quin ió formarà A? I C?
4. En quin grup i en quin període es troba B?
5. Quina substància composta formaran A i B: AB, A₂B, AB₂ o una altra (indica-la)?
6. Situa un element F que forme un enllaç iònic amb A.
7. Situa un element H que forme un enllaç iònic amb C de fórmula CH₃.
8. Quin enllaç formaran E i B?
9. Quin enllaç formarà A amb ell mateix?
10. Situa un element I que forme un enllaç covalent amb B de fórmula BI₂.
11. De les substàncies compostes formades en els apartats f, g, h, i i j:
    • Anomena-les totes.
    • Quines són sòlides a tempertura ambient? I líquides? I gasoses?
    • Quines són bones conductores de l’electricitat?
    • Quines es dissolen en aigua?

5. Problemes oberts

El treball que hem fet fins ací ens ha permés entendre com és la matèria i com es transforma. Van començar establint el model cinètic-corpuscular amb el qual explicàvem com són i com es comporten els gasos, líquids i sòlids. Vam modificar aquest model fins arribar al model atòmic-molecular, que ens permetia entendre la diversitat de les substàncies i explica com es transformen unes en altres. Posteriorment, les nostres investigacions ens van portar a establir un model que explicava la interacció elèctrica, i això ens va obligar a investigar en detall l'estructura dels àtoms. En aquesta darrera unitat, hem establit un model d'àtom que ens ha permés entendre la taula periòdica i la formació de substàncies compostes, a més de predir les seues propietats. Després de tot açò, què queda per fer? 

A33. Quines són les limitacions dels nostres coneixements? Què queda per fer?