-
1
Annex del llibre QUMICA 2 Batxillerat
Presentaci
En aquest annex trobareu tots aquells continguts de Qumica de 2n
de Batxillerat que no es recullen en el llibre de lalumne i que sn
necessaris per afrontar les PAU.
Lannex compta tamb amb dos apartats finals: una bateria
dactivitats per treballar la teoria i una llista de webs
interessants per si es volen ampliar encara ms els punts que
sexposen.
-
2
ndex
1. Caracteritzaci del model ondulatori de ltom i de la
quantificaci de lenergia 3
2. Descripci de la interacci de les radiacions electromagntiques
amb algunes molcules de latmosfera 10
3. Relaci entre labsorci de radiaci IR i lefecte dhivernacle
11
4. Relaci entre labsorci de radiaci UV i la concentraci doz a
lestratosfera 15
5. Descripci dalguns mtodes actuals emprats per a lanlisi de
substncies 19
6. Interpretaci de les velocitats de difusi dels gasos a partir
de la seva massa molecular. Llei de Graham 25
7. Elaboraci del model de gas real per explicar les desviacions
respecte del comportament ideal 27
8. Caracteritzaci del procs de liquaci dun gas 28
Activitats 29
Webs recomanats 31
-
3
1. Caracteritzaci del model ondulatori de ltom i de la
quantificaci de lenergia
1.1. Hiptesi de Planck
Al tombant del segle, el cientfic alemany dorigen jueu Max
Planck va proposar una funci matemtica que descrivia el
comportament de la radiaci de lanomenat cos negre, s a dir,
lexplicaci matematicocientfica del comportament duna radiaci
atrapada en un recipient escalfat que t la mateixa temperatura que
les seves parets, una mena de forn.
Era un model teric que Planck va introduir pensant ms en una
elucubraci matemtica que no pas com una descripci duna realitat
cientfica.
En principi, podia semblar que lespeculaci matemtica de les
radiacions del cos negre no tenia cap importncia, per les
conclusions que es derivaven daquest plantejament teric van marcar
lesdevenidor de la cincia. Aix, per poder explicar el comportament
de la radiaci electromagntica en un cos negre, calia introduir el
terme de discontinutat en lenergia. Lenergia electromagntica havia
de tenir una naturalesa discontnua, contrriament al que es pensava
fins llavors. Lenergia no semet o sabsorbeix de manera contnua, sin
en paquets intermitents anomenats quantes.
Segons Planck, lenergia E dun quanta es pot calcular amb
lexpressi:
E h=
on h s una constant universal, anomenada constant de Planck, el
valor de la qual s de 6,626 1034 J s i s la freqncia de la
radiaci.
Lemissi denergia es comportaria com si fos una fbrica de moneda
que noms emets monedes o bitllets de determinades quantitats de
diners. Aix, podem disposar de monedes d1 euro, 2 euros, 20
cntims... i de bitllets de 5, 10, 20... euros, per mai no podrem
tenir monedes de 3 o 22 euros, ni bitllets de 12 o 34 euros. s el
que anomenarem una emissi discontnua deuros per part de la fbrica.
Doncs b, lemissi discontnua denergia i la seva absorci funcionen de
manera semblant.
1.2. Nocions bsiques dondulatria
Les ones electromagntiques sn la forma que adopta, en la seva
propagaci, lenergia electromagntica. La propagaci es duu a terme
mitjanant la vibraci dun camp elctric i dun camp magntic
perpendiculars entre ells i perpendiculars, alhora, a la direcci de
propagaci. Les magnituds que caracteritzen una ona sn:
Longitud dona ( ). s la distncia mnima entre dos punts en
concordana de fase, s a dir, amb el mateix estat de vibraci (fig.
1).
-
4
En el cas de la llum, aquestes distncies sn molt petites i shan
dexpressar en les unitats adequades. Les ms utilitzades sn:
1 m = 106 m 1 nm = 109 m 1 = 1010 m 1 pm = 1012 m
Perode (T). s el temps que triga una ona a recrrer una distncia
igual a la de la longitud dona. Es mesura en s. Freqncia ( ). s el
nombre de longituds dona que passen per un punt determinat en un
segon. Sexpressa en s1 o, s el mateix, en Hz.
El perode i la freqncia sn magnituds inverses. Per tant, es
verifica:
1 11 iT TT
= = =
Fig. 1
La velocitat de propagaci duna ona, v, s constant per a cada
medi i, tenint en compte les definicions de longitud dona i de
perode, podem escriure:
v vv vT v
T
= = = = =
Per tant, per a un fenomen ondulatori concret i fixat el medi,
la freqncia i la longitud dona sn magnituds inversament
proporcionals.
A ms de la llum, entre les ones electromagntiques cal incloure,
per exemple, les ones de rdio, els raigs X, la radiaci de
microones...
Els diferents tipus de radiacions electromagntiques es
diferencien entre elles per la seva i la seva , relacionades
mitjanant lexpressi:
c =
on c, velocitat de propagaci de lona electromagntica, s constant
i igual a 3 108 m s1 en el buit.
Cal tenir present que, a diferncia de les ones mecniques, les
ones electromagntiques no necessiten cap medi material per
propagar-se.
-
5
1.3. Efecte fotoelctric
El 1887, Heinrich Hertz observ que, en fer incidir llum sobre la
superfcie dun metall sen desprenien electrons. En principi, el
fenomen no es podia qualificar destrany, perqu s lgic suposar que
la llum, font denergia, pot interaccionar amb la matria
arrencant-ne els electrons.
De tota manera, la mecnica clssica no podia explicar algunes
caracterstiques experimentals daquest fenomen. Per exemple: Noms
sobservava emissi delectrons a partir duna freqncia mnima de la
llum incident, anomenada freqncia llindar. La velocitat amb qu
aquests electrons es desprenien del metall no variava en augmentar
la intensitat de la radiaci incident.
Fig. 2. Efecte fotoelctric.
Lexplicaci del fenomen, conegut amb el nom defecte fotoelctric,
va venir de la m dAlbert Einstein, un cientfic jueu alemany, que el
1905 hi va aplicar la hiptesi de Planck. La llum es propaga de
manera discontnua en paquets que va anomenar quantes de llum o
fotons.
Quan una radiaci lluminosa, fotons, duna freqncia determinada,
impacta sobre un metall, transfereix tota la seva energia al
metall. Una part de lenergia sutilitza per separar els electrons
dels nuclis positius, s lenergia llindar o funci de treball
0h i la resta els proporciona lenergia cintica, 212
mv , necessria per abandonar el
metall i produir lefecte fotoelctric (fig. 2).
La naturalesa corpuscular de la llum que explica, entre altres
fenmens, lefecte fotoelctric, tanmateix s incapa de justificar
altres fenmens que, com la refracci, la reflexi i la difracci,
presenten una naturalesa clarament ondulatria.
Per tal de fer compatible aquesta contradicci aparent,
actualment saccepta que la llum t una naturalesa dual: de vegades,
es comporta com una ona, i daltres, com una partcula.
-
6
Un balan denergia senzill ens duu a la igualtat:
Energia Energia Energia dimpacte = llindar + cintica
20
1 +
2h h mv =
20
12
h h mv = +
on s la freqncia de la radiaci incident; 0 s la freqncia llindar
o freqncia mnima que produeix lextracci delectrons, que depn del
metall; h s la constant de Planck, m s la massa de lelectr i v s la
velocitat de sortida de lelectr.
A partir daquesta expressi anomenada equaci dEinstein de lefecte
fotoelctric, es poden explicar les propietats observades en lefecte
fotoelctric: Existeix una freqncia mnima, anomenada freqncia
llindar, per sota de la qual no es produeix lemissi delectrons,
sigui quina sigui la intensitat de la llum incident. Lemissi
delectrons s prcticament instantnia si la freqncia s suficient.
Lenergia cintica dels electrons no depn de la intensitat de la llum
incident, sin nicament de la seva freqncia.
Fig. 3. Detector fotoelctric.
Lefecte fotoelctric t moltes aplicacions en la indstria i en la
societat: ascensors, alarmes, portes dobertura automtica, etc.
Una de les aplicacions ms recents s en el camp dels detectors de
fum. Hi ha dos tipus de detectors de fum: Els detectors dionitzaci,
que sn els ms corrents, disparen una alarma quan les partcules de
fum sajunten amb partcules daire ionitzades. Els detectors
fotoelctrics, als quals un dode emissor de llum envia un feix
ininterrompudament a laltre costat de la cmera. En penetrar-hi fum,
la llum es dispersa en totes direccions i una cllula fotoelctrica
muntada formant un angle amb el dode dispara lalarma (fig. 3).
-
7
Els detectors dionitzaci reaccionen ms rpidament als incendis
amb flama. En canvi, els fotoelctrics sn rapidssims en incendis
sense flama. Avui ja hi ha detectors equipats amb tots dos
sistemes. Evidentment, en cuines o llocs on hi pot haver fum shan
dutilitzar uns altres tipus de detectors, com ara el trmic, que
sactiven quan hi ha variacions de temperatura.
1.4. Espectres atmics
Segurament moltes vegades ens hem meravellat davant larc de Sant
Mart (fig. 4). Aquest fenomen es produeix quan la llum del Sol
incideix sobre les gotes daigua suspeses en latmosfera mentre plou
o en acabar de ploure. Quan la llum travessa aquestes gotes, es
descompon en les radiacions que la formen.
La descomposici de qualsevol radiaci electromagntica en les
radiacions de diferents longituds dona que la constitueixen s el
que anomenem espectre, i laparell que fa possible la descomposici s
lespectroscopi. En el cas de larc de Sant Mart, sn les gotes daigua
que hi ha a latmosfera les que fan la funci despectroscopi.
Fig. 4. Arc de Sant Mart.
Els espectres, segons les radiacions que continguin, es
classifiquen en: Espectres continus. Sn els que abasten totes les
radiacions compreses entre dos extrems, passant de les unes a les
altres gradualment. Espectres discontinus. Sn els que noms contenen
certes radiacions de determinades longituds dona.
Els espectres, per, tamb es poden classificar segons el tipus de
causa que els origina. Aix, tenim: Espectres demissi. Sn els
enregistrats directament de la font emissora.
-
8
Espectres dabsorci. Sn els enregistrats procedents de la font
emissora, per que ha passat per una determinada matria. Aquesta
matria absorbeix unes radiacions determinades, que desapareixen de
lespectre.
Lespectre de la llum blanca s demissi continu (fig. 5).
Lespectre global de les radiacions electromagntiques (fig. 5.)
va des de les ones de rdio, que tenen valors de longitud dona de
lordre de metres, fins a les radiacions gamma, amb valors de
longituds dona de lordre de 1015 m. Lull hum noms s sensible a la
radiaci electromagntica amb longitud dona compresa entre 4 107 m i
7,5 107 m. s el que anomenem llum visible.
Quan tenim un recipient amb lquid, per exemple brou,
escalfant-se als fogons de casa i es vessa i cau al foc, les flames
adquireixen coloracions taronges, grogues i, fins i tot,
vermelloses. Aix s degut a les substncies que han caigut sobre la
flama. Per, per qu apareixen diferents colors?
Fig. 5
Lexplicaci s que els electrons dels toms de les substncies
adquireixen energia en caure sobre la flama: diem que sexciten.
Una vegada excitats, perden aquest excs denergia per tornar al
seu estat inicial i lalliberen en forma de radiaci duna determinada
longitud dona que, materialment, correspon a una zona concreta de
lespectre. Si aquesta zona s la visible, observarem la coloraci de
la flama.
Si la combinaci de lnies espectrals que cauen a la part visible
s de color taronja, el que veurem ser aquest color.
Quan Balmer estudiava lespectre de lhidrogen, hi va observar una
srie de lnies amb longituds dona caracterstiques, les sries de
Balmer, i va trobar que verificaven una relaci matemtica
senzilla:
2 21 1 1 2H
Rn
=
on n > 2, n N i RH s la constant de Rydberg, que val 1,0968
107 m1.
Ms endavant, es van obtenir altres sries espectrals: la de
Lyman, a la zona ultraviolada, i les de Paschen, Brackett i Pfund,
a la regi infraroja.
-
9
Totes les sries obeeixen a la frmula general: 2 21 2
1 1 1
HR n n
=
n1 = 1 Srie de Lyman n2 = 1 Srie de Balmer
n3 = 1 Srie de Paschen n4 = 1 Srie de Brackett n5 = 1 Srie de
Pfund
i n2 sempre pren valors ms grans que n1.
-
10
2. Descripci de la interacci de les radiacions electromagntiques
amb algunes molcules de latmosfera
Segons lenergia del fot que interacciona amb la matria, la
radiaci pot provocar ionitzaci, s a dir, pot arrencar electrons
dels toms o de les molcules, o no. Si lenergia del fot freqncia de
la radiaci s molt alta, es produeix ionitzaci.
Dacord amb lefecte que causen sobre la matria, podem dividir
lespectre en ones electromagntiques ionitzants i ones
electromagntiques no ionitzants.
Fig. 6
Tot seguit esmentem els diferents efectes que cada tipus de
radiaci electromagntica pot provocar en la matria, comenant per les
radiacions de freqncia ms alta i acabant per les de freqncia ms
baixa. Raigs gamma: provoquen ionitzaci (radioactivitat). Raigs X:
causen ionitzaci. UV: originen ionitzaci en el cas de lUV lluny i
salts electrnics en lUV proper. Visible: indueixen salts
electrnics. IR: produeixen moviments de vibraci en les molcules.
Aquest fet sutilitza en lanlisi qumica per determinar grups
funcionals de les molcules. Microones: causen moviments de rotaci i
torsi de les molcules. Ones de rdio: provoquen transicions despn
nuclear.
A continuaci ens centrarem en la radiaci IR i en la relaci que
pot tenir amb lefecte dhivernacle.
Radiaci ionitzant
Radiaci no ionitzant
-
11
3. Relaci entre labsorci de radiaci IR i lefecte dhivernacle
Qualsevol cos, pel sol fet destar a una temperatura superior al
zero absolut, emet una radiaci electromagntica. Aix, un cos que rep
una radiaci electromagntica, per exemple llum, en reflecteix una
part, mentre que una altra part labsorbeix, cosa que produeix
lescalfament del cos, que emetr una radiaci electromagntica en una
longitud dona ms gran, s a dir, de freqncia ms baixa. Aquest
fenomen sexplica amb la llei de Stefan-Boltzmann.
La radiaci electromagntica que procedeix del Sol inclou totes
les longituds dona. Quan aquesta radiaci arriba a latmosfera, una
part s reflectida en direcci a lespai, una petita part s absorbida,
mentre que la resta arriba fins a la superfcie terrestre.
Aleshores, la Terra sescalfa i emet radiaci de longituds dona ms
grans que la inicial.
Es calcula que el 43% de lenergia que arriba a la superfcie de
la Terra pertany a lespectre visible, el 48% a linfraroig i el 9% a
lultraviolat. Daquesta radiaci que arriba, el 70% s reflectida.
Fig. 7. Radiaci que ens arriba del Sol i radiaci emesa per la
Terra.
La radiaci infraroja emesa des de la Terra pot ser absorbida per
alguns gasos atmosfrics, que la tornen a enviar cap a la superfcie.
Aix causa un escalfament, que sanomena efecte dhivernacle, i que
provoca que la temperatura de la superfcie de la Terra sigui uns 33
C ms alta que la que tindria sense atmosfera. Aquest fenomen s
comparable al que passa en un hivernacle, on la temperatura
interior s superior a la del medi perqu la coberta de vidre o
plstic absorbeix una part de la radiaci emesa per la Terra i evita
que sescapi cap a lexterior.
-
12
La temperatura mitjana a la superfcie del planeta s de 15 C. Es
calcula que sense atmosfera la Terra estaria aproximadament a 18 C,
i aix la convertiria en un planeta no apte per a la vida tal com la
coneixem.
Lefecte dhivernacle sha produt des de la formaci de latmosfera
terrestre i, tal com acabem de veure, ha contribut al
desenvolupament de la vida a la Terra. Per tant, es tracta dun
fenomen natural que no s prejudicial.
Per laugment de lemissi i la concentraci posterior de gasos
causants daquest efecte ha provocat un increment considerable del
fenomen en les darreres dcades. Aix ha comportat laparici de canvis
molt bruscos que no es produirien de manera natural.
Aix, doncs, lactivitat humana ha fet augmentar lefecte
dhivernacle. Els gasos que provoquen efecte dhivernacle sn el vapor
daigua, el CO2, el met, els xids de nitrogen i els
clorofluorocarburs (CFC).
En la taula segent es resumeix la contribuci de cada gas a
lefecte dhivernacle, la manera com soriginen aquests gasos i el
temps mitj que romanen a latmosfera.
Fonts antropogniques Temps de vida Contribuci a lefecte
dhivernacle
CO2
Combusti de combustibles fssils Desforestaci Crema de
biomassa
200 anys 60%
CH4 Ramaderia Descomposici anaerbia de les escombraries
12 anys 15%
N2O
Combusti en els vehicles de motor Fertilitzants nitrogenats
115 anys 4-5%
CFC Refrigerants Propellents Fabricaci de plstics
45 anys 12%
Oz i altres Reaccions fotoqumiques Algunes hores 8-9% Taula 1.
Dades extretes de http://www.consumer.es
Cadascun daquests gasos absorbeix la radiaci infraroja emesa per
la Terra en longituds dona caracterstiques, tal com ja hem vist, i
en conjunt provoquen lefecte dhivernacle.
El vapor daigua, per exemple, absorbeix radiaci en les longituds
dona de menys de 3,5 m; tamb entre 5 m i 8 m, i per sobre de 12
m.
-
13
El CO2, per la seva banda, absorbeix entre els 2,5 m i els 4 m,
exactament en els 4,26 m. Labsorci correspon a una vibraci de tensi
asimtrica. Als 15 m, labsorci correspon a la vibraci de la molcula
en flexi.
Tanmateix, hi ha una regi de lespectre infraroig compresa entre
els 8 m i els 12 m en qu els gasos de latmosfera no absorbeixen la
radiaci infraroja. En aquesta zona de lespectre, anomenada finestra
atmosfrica dinfraroig, la radiaci IR pot escapar cap a lespai.
Per la presncia de gasos contaminats, com loz troposfric que
absorbeix a una longitud dona de 9,7 m i els CFC que tamb
absorbeixen en aquesta zona provoca que la radiaci corresponent a
la finestra atmosfrica dinfraroig no pugui escapar.
Cal tenir en compte, a ms, que petites quantitats daquests gasos
incrementen molt lefecte dhivernacle. Aix, un gram de CFC produeix
un efecte dhivernacle 15000 vegades ms gran que un gram de CO2. A
latmosfera, per, la quantitat de CO2 present s molt superior a la
dels CFC.
Daltra banda, no hi ha cap gas a latmosfera que absorbeixi les
radiacions entre les longituds dona de 0,3 m i 0,7 m, zona de
lespectre electromagntic que correspon a la llum visible. Per aix
la radiaci emesa pel Sol en la zona del visible arriba fins a la
Terra.
Fig. 8. La finestra atmosfrica dinfraroig s la zona de lespectre
en la qual no hi ha solapament entre les diferents absorcions de la
radiaci IR pels gasos causants de lefecte dhivernacle.
Des de la revoluci industrial, lemissi de CO2 i daltres gasos
contaminats ha anat augmentant a causa de lactivitat humana. Com a
conseqncia, en els darrers 100 anys la temperatura mitjana de la
Terra ha experimentar un augment de 0,6 C.
Per intentar establir mesures per palliar el canvi climtic
derivat daquest augment de temperatura, lany 1997 una trentena de
pasos van signar el protocol de Kyoto, un conveni internacional que
pretenia reduir un 5% en el perode de 2008 a 2012 les emissions de
CO2 i daltres gasos causants de lefecte dhivernacle respecte a
les
-
14
emissions de 1990. La finalitat daquest acord era evitar
laparici de les conseqncies que es preveu que provocar el canvi
climtic, entre les quals cal destacar: Alteracions climtiques
Desertitzaci i sequeres Inundacions Desgel de les glaceres i de
parts dels pols, amb laugment consegent del nivell del mar
Destrucci dels ecosistemes
-
15
4. Relaci entre labsorci de radiaci UV i la concentraci doz a
lestratosfera
Les radiacions electromagntiques en la zona de lespectre que
correspon a lultraviolat tamb interaccionen amb algunes molcules de
latmosfera, com loz estratosfric. Per poder entendre com es
produeix aquesta interacci i quins efectes t, en primer lloc cal
que sapiguem qu sentn per radical en el llenguatge qumic.
4.1. Concepte de radical lliure
Tota transformaci qumica implica la formaci de substncies noves.
Des del punt de vista atmic, aix es justifica mitjanant la
reordenaci dtoms.
Sabem que els enllaos de moltes molcules sn covalents, i que en
aquest tipus denlla els toms que formen el compost comparteixen un
o ms parells delectrons. En aquest cas, una reacci qumica implica
una ruptura dels enllaos covalents entre els toms que conformen els
reactius, que es combinen amb altres toms mitjanant enllaos nous
que donen lloc a altres compostos, que sn els productes de la
reacci.
La ruptura de lenlla inicial i, en definitiva, el repartiment
dels electrons compartits, determina el tipus de producte que es
forma.
Per a un hipottic reactiu RH2CA , la ruptura de lenlla entre
ltom de carboni i ltom de lelement A (enlla senzill, un parell
delectrons compartits) es pot produir mitjanant una escissi de
manera simtrica, s a dir, la uni es parteix per la meitat i cada
tom conserva un electr de lenlla. Cada electr es representa amb un
punt al costat de ltom corresponent. En el cas que plantegem, un
punt al costat del carboni i un altre al costat de ltom A. Aix, es
formen dues espcies anomenades radicals lliures.
H H H
R-C-A o RCA R-C + A
H H H
La formaci dun radical implica la ruptura homoltica de lenlla
(cada tom ret un dels electrons) i requereix laportaci de molta
energia. Aquesta energia, moltes vegades, prov de radiaci
ultraviolada.
Els radicals sn espcies generalment neutres que es caracteritzen
pel fet de posseir un electr no aparellat. Per tant, no tenen
lestabilitat que els conferiria la configuraci de gas noble (dacord
amb la regla de loctet). Aix explica que la seva reactivitat sigui
molt alta i que tendeixin a reaccionar rpidament.
-
16
En les reaccions en qu intervenen radicals se solen succeir les
etapes segents: Iniciaci. Formaci dels radicals mitjanant el
trencament de lenlla, com a resultat de laplicaci de calor, o de
llum duna freqncia determinada, com per exemple ultraviolada.
Propagaci. El radical format inicialment interacciona amb una altra
molcula per produir un altre radical, que continua la reacci. Es
tracta, doncs, de reaccions en cadena. Finalitzaci. Es produeix
quan dos radicals interaccionen entre ells i donen lloc a una
molcula no radicalria.
4.2. Loz a lestratosfera
Loz, O3, s una forma allotrpica de loxigen. Es tracta dun gas de
color blau, dolor picant i metllica, que es pot detectar en les
tempestes i a prop de xarxes dalt voltatge on es produeixin
guspires.
A la troposfera, loz s inestable i t una vida mitjana
daproximadament quinze minuts. A causa del seu poder oxidant, s
perjudicial per a la salut que sacumuli en aquesta capa de
latmosfera.
En canvi, la seva presncia a lestratosfera permet que hi hagi
vida a la Terra, perqu actua com a filtre de les radiacions
ultraviolades dalta freqncia absorbint entre el 97% i el 99%
daquestes radiacions. En lestratosfera, loz es troba majoritriament
en la zona situada entre 20 km i 40 km de la superfcie terrestre,
en lanomenada capa doz.
En aquesta capa, loz es forma i es destrueix contnuament, de
manera que sestableix un equilibri entre la reacci de formaci de
loz i la reacci de destrucci corresponent. Tal com veurem tot
seguit, en les dues reaccions el paper de la radiaci ultraviolada s
determinant.
Pel que fa a la reacci de formaci del O3, sinicia amb una
ruptura homoltica de la molcula doxigen, que es produeix quan hi
incideix radiaci ultraviolada. Les dues etapes de la formaci de loz
sn aquestes:
O2 + h (< 240 nm) O + O O2 + O O3
Per tant, la formaci de loz a lestratosfera implica labsorci de
llum de lUV lluny. La destrucci del O3, per contra, requereix
labsorci de radiaci en lUV mitj:
O3 + h (< 320 nm) O2 + O O3 + O 2 O2
Aquesta ltima reacci s molt lenta i est catalitzada per
substncies com ara els xids de nitrogen, els xids de clor i els
seus precursors respectius.
Els gasos contaminants responsables de la destrucci de la capa
doz sn compostos estables a la troposfera, per a lestratosfera es
fotodissocien i donen espcies radicalries, que catalitzaran la
reacci de destrucci de loz per produir oxigen.
-
17
Daquesta manera, els responsables principals de la destrucci de
la capa doz, els clorofluorocarburs, CFC, com ara el
diclorofluorocarbur, presents en esprais i en circuits de
refrigeraci, experimenten la reacci segent:
Cl2CF2 + h Cl + ClCF2 Cl + O3 ClO + O2 ClO + O Cl + O2
Reacci global : O3 + O 2 O2
Malauradament, els clorofluorocarburs no sn els nics compostos
que produeixen halgens radicalaris que catalitzen la reacci de
descomposici de loz: els dissolvents orgnics, com el tetraclorur de
carboni (CCl4) i el dicloroet (CH3CHCl2), i els fumigants emprats
en lagricultura, com el bromomet (BrCH3), tamb contribueixen a la
desaparici contnua doz.
El mecanisme de destrucci de loz necessita llum i temperatures
molt baixes. s per aquesta ra que els mxims descensos en els
nivells doz es donen a lAntrtida durant la primavera.
Cal tenir en compte que a lestratosfera la quantitat de vapor
daigua s molt limitada, de manera que noms es poden formar nvols si
les temperatures sn molt baixes. Com que en la destrucci de la capa
doz s determinat que es formin uns tipus determinats de nvols, els
nvols estratosfrics polars (polar statospheric clouds, PSC), les
temperatures de fins a 78 C que es poden assolir a lhivern a
lAntrtida tenen un paper fonamental en la destrucci de la capa doz,
ja que fan possible la presncia dels PSC.
En els PSC, els components halogenats que a la troposfera serien
inerts es poden transformar en clorines i bromines, ClO i BrO,
compostos que reaccionen amb loz en presncia de llum i provoquen el
descens de la seva concentraci. Les clorines i bromines deixen de
ser actives quan reaccionen amb xids de nitrogen.
Els riscos per a la salut derivats de la disminuci de la capa
doz que sha produt en les darreres dcades sn conseqncia del fet que
loz actua com a filtre de la radiaci ultraviolada, de manera que la
seva disminuci fa augmentar la radiaci UV que arriba a la
Terra.
Lespectre UV comprn longituds dona des dels 400 nm radiacions
menys energtiques, UVA fins als 10 nm lultraviolat lluny, molt
energtic, UVC, passant pels UVB, al voltant dels 320 nm.
Els fotons ultraviolats de freqncia ms elevada (per tant, de
longitud dona ms petita), els UVC, com que tenen ms energia poden
provocar ionitzaci de la matria, mentre que els fotons ultraviolats
de freqncia ms baixa provoquen salts electrnics.
La major part de la radiaci solar en forma dUVC s absorbida per
la capa doz, situada a lestratosfera, de manera que noms arriba a
la terra radiaci UVA menys energtica i una part de radiaci UVB que
no han estat absorbida.
Si ens exposem al Sol sense protecci, permetem que la radiaci UV
interaccioni amb el nostre organisme, la qual cosa fa augmentar el
risc de patir cncers de pell o cataractes, i facilita la supressi
del sistema immunitari. La radiaci ultraviolada
-
18
tamb t efectes nocius sobre altres organismes vius i s
especialment perjudicial per a la vida marina i per als
conreus.
Per protegir-nos dels raigs solars que arriben a la Terra, les
cremes solars contenen substncies orgniques amb dobles enllaos que
absorbeixen intensament la radiaci ultraviolada, per exemple lcid
p-aminobenzoic (PABA).
Per intentar palliar la destrucci de la capa doz, lany 1987 es
va signar el protocol de Mont-real, en qu es prohibien els CFC,
fins llavors usats com a refrigerants o propellents. Tanmateix,
alguns pasos encara els utilitzen. A ms, com ja hem vist, hi ha
altres compostos qumics procedents de lactivitat humana que tamb
afavoreixen la destrucci de la capa doz.
-
19
5. Descripci dalguns mtodes actuals emprats per a lanlisi de
substncies
5.1. Introducci a la radiaci infraroja
La zona de lespectre que comprn linfraroig (IR) sn les longituds
dona superiors a les del visible (aproximadament, des de 750 nm) i
inferiors a les longituds dona de les microones (fins al voltant
dels 400 000 nm). Tal com hem vist anteriorment, per a qualsevol
ona es compleix:
E h=
c =
Aix, doncs, podem escriure: 1
cE h hc= =
on %1
= sanomena nombre dona i sexpressa generalment en m1. En el cas
de
lIR, per, sol ser ms prctic fer servir els cm1.
La taula segent recull els nombres dona, expressats en cm1, i
les longituds dona, expressades en nm, que corresponen a les
radiacions de la zona de lIR.
Nombre dona (cm-1) IR
Longitud dona (nm)
12.500-9090 IR proper 800-1.100 9090-666,6 IR mitj 1.100-15.000
666,6-100 IR lluny 15.000-100.000
Tal com hem vist anteriorment, la radiaci electromagntica en la
zona de linfraroig provoca la vibraci de les molcules, i aix
sutilitza en lanlisi qumica per caracteritzar substncies.
Els modes de vibraci que pot causar la radiaci IR sobre una
molcula es poden classificar en dues formes bsiques: de tensi i de
flexi.
De tensi. Les vibracions de tensi sn canvis en la distncia
interatmica en leix de lenlla entre dos toms. Les vibracions de
tensi poden ser simtriques o asimtriques.
Tensi simtrica Tensi asimtrica
Fig. 9. Esquema dels modes de vibraci de tensi.
-
20
De flexi. Les vibracions de flexi sn canvis en els angles que
formen els enllaos. Com a efecte de la radiaci IR podem tenir les
flexions segents.
Tisores (en el pla) Balanceig (en el pla)
Aleteig (fora del pla, Deformaci (fora del pla) perpendicular al
paper)
Fig. 10. Esquema dels modes de vibraci de flexi.
- Tisores. Els moviments sn en el mateix pla, primer amunt i
desprs avall, com en el tall dunes tisores.
- Balanceig. Els moviments tamb sn en el mateix pla, per primer
cap a un costat i desprs cap a laltre.
- Aleteig. Els moviments sn fora del pla dels enllaos, per en el
mateix pla de moviment. Si ens fixem en la imatge, els moviments
seran perpendiculars al pla del paper.
- Deformaci. Els moviments sn fora del pla dels enllaos: un va
cap a dins el pla i laltre cap a fora el pla.
A cada tipus denlla hi corresponen unes formes de vibraci
especfiques, cadascuna de les quals sorigina quan la molcula
absorbeix radiaci IR duna freqncia determinada.
Aix, cada molcula presenta un espectre IR determinat, que mostra
les freqncies de vibraci dels enllaos presents en aquella molcula.
Per aix es poden determinar els grups funcionals que formen una
molcula analitzant en quines longituds dona (o en quins nombres
dona) sha produt labsorci de radiaci. La interacci de la radiaci IR
amb la matria permet, doncs, fer lanlisi de substncies.
-
21
5.2. Lespectroscpia IR
Lespectroscpia s la branca de la qumica que se centra en lanlisi
de les propietats de la matria mitjanant lestudi dels espectres. En
el cas de lespectroscpia IR, el que sanalitzen sn els espectres
dinfraroig, que mostren la vibraci dels enllaos de la molcula
examinada i que sobtenen mitjanant un aparell anomenat espectrmetre
infraroig.
Lespectrmetre infraroig consta duna font productora de raigs
infrarojos que emet aquesta radiaci i la fa impactar en la mostra
que volem analitzar. Un detector processa la informaci sobre la
variaci que es produeix en cada freqncia.
Aix, si coneixem en quines freqncies de lespectre apareixen
bandes dabsorci per a un grup funcional determinat (fig. 11),
comparant lespectre duna substncia desconeguda amb lespectre de
mostra, podrem identificar de quina substncia es tracta.
La figura 12 mostra lespectre del benz. Si no sabssim que es
tracta daquest compost, ho podrem deduir per comparaci amb
lespectre de la figura 11, ja que:
- En lespectre del benz hi ha un senyal 800-1000 cm1, que
correspon a lanell aromtic.
- Un altre senyal cap a 1000 cm1, que tamb correspon a lanell
aromtic.
- Un senyal cap als 1600 cm1, del doble enlla C=C.
- Un senyal al voltant de 3000 cm1, del HC=C.
Fig. 11. Bandes dabsorci caracterstiques dalguns grups
funcionals.
-
22
Fig. 12 Espectre IR del benz.
Lespectroscpia infraroja s mpliament utilitzada en recerca i en
la indstria com una tcnica senzilla i fiable per dur a terme
mesures i controls de qualitat.
Tamb s un mtode emprat en la prevenci dimpactes ambientals.
Permet detectar concentracions molt baixes, que no sn perilloses
per a la salut, dalguns contaminants ambientals (formaldehid, cid
ntric, cid frmic, nitrat de peroxiacetil, oz, etc.). La presncia
daquestes substncies ens indica que cal prendre precaucions per
evitar que les seves concentracions augmentin i que es produeixin
conseqncies negatives per a la salut pblica. Aix, mitjanant
lespectroscpia IR shan detectat molcules de formaldehid i cid ntric
a la boirina de Los Angeles.
5.3. La ressonncia magntica nuclear
El fonament de la ressonncia magntica nuclear s lorientaci dels
nuclis dalguns toms en un camp magntic, en la mateixa direcci del
camp, i en el mateix sentit que el camp o en sentit contrari. Aix
dna lloc a dos possibles estats dels nuclis, amb energies
diferents.
Entre aquests dos estats denergia hi pot haver transicions, que
es produeixen amb absorci denergia i que es poden detectar amb els
aparells de ressonncia magntica nuclear (RMN). Les freqncies de les
radiacions que intervenen en aquestes transicions corresponen a les
ones de rdio.
Com que la freqncia exacta de cada transici depn no noms de la
naturalesa del nucli orientat pel camp magntic, sin tamb dels toms
propers, examinant la freqncia a la qual hi ha les transicions, es
pot conixer lestructura que envolta aquell nucli.
Perqu aquesta anlisi sigui possible, els aparells de RMN
disposen dun generador de camp magntic duna intensitat determinada,
que indueix els diferents estats denergia corresponents a les
diverses orientacions en el camp magntic. Un
-
23
ppm
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
emissor i un receptor dones de rdio fan possible la detecci de
les variacions produdes en les radiacions.
Lespectroscpia RMN s molt efica en la determinaci de lestructura
de compostos orgnics, ja que en aquestes molcules els nuclis de
carboni 13 i, sobretot, els dhidrogen protons tenen les
caracterstiques idnies per aplicar-hi aquesta tcnica.
a)
b)
Fig. 13. Espectres RMN de 13C del pent (a) i de lacetat detil
(b).
-
24
5.4. Fonament de lespectrometria de masses
Un altre dels mtodes emprats actualment en lanlisi qumica s
lespectrometria de masses. Aquesta tcnica consisteix a detectar
fragments de la molcula que es pretn analitzar i per mitj de la
identificaci daquests fragments, i si cal ajudant-se dalguna altra
tcnica complementria, deduir de quina substncia es tracta.
Per obtenir els fragments, sha de vaporitzar la substncia que
volem estudiar, i un cop vaporitzada, cal bombardejar-la amb un
feix delectrons. Els fragments que resulten del trencament de les
molcules sn desviats ms o menys per un electroimant dacord amb la
seva relaci massa/crrega, i sn caracterstics de cada molcula
inicial.
Aix, segons els fragments que mostra lespectre de masses, podem
deduir quin s el compost que estvem analitzant. Sovint cal
corroborar-ho mitjanant algun altre mtode danlisi.
a)
b)
Fig. 14. Espectres de masses del dec (a) i del fenilmetanol
(b).
-
25
6. Interpretaci de les velocitats de difusi dels gasos a partir
de la seva massa molecular. Llei de Graham
La llei de Graham estableix que el quocient entre les velocitats
de difusi de dos gasos s inversament proporcional al quocient entre
les arrels quadrades de les densitats respectives.
21
2 1
v
v=
Si expressem la densitat com la massa molar dividida entre el
volum molar, resulta:
2 21
2 1 1
M / VM / V
v
v=
I tenint en compte que el volum molar de dos gasos sotmesos a
les mateixes condicions de pressi i temperatura s el mateix, podem
escriure:
21
2 1
MM
v
v=
Aix, doncs, podem afirmar que el quocient entre les velocitats
de difusi de dos gasos sotmesos a les mateixes condicions de pressi
i temperatura s inversament proporcional al quocient entre les
arrels quadrades de les seves masses molars.
Comparem, per exemple, les velocitats de difusi del dixid de
carboni i loxigen. Les masses molars respectives sn 44 g/mol i 32
g/mol.
Per tant:
22
2 2
COO
CO O
M 44 1,17M 32
v
v= = =
Loxigen, doncs, es difon a una velocitat 1,17 vegades la del
CO2.
Per si en lloc de comparar la velocitat de difusi de loxigen amb
la del dixid de carboni, la comparem amb la del monxid de carboni
(que t una massa molar de 28 g/mol), el resultat s un altre.
Vegem-ho:
2
2
O CO
CO O
M 28 0,94M 32
v
v= = =
La velocitat de difusi de loxigen s 0,94 vegades la del monxid
de carboni.
Aquest resultat t una aplicaci prctica en la diagnosi de
malalties respiratries. Com que mesurar la difusi de loxigen en una
persona o en un animal s difcil, per determinar el grau deficcia
amb qu loxigen es transfereix dels pulmons al corrent sanguini,
sempra el test de difusi del monxid de carboni.
-
26
El procediment que es duu a terme per efectuar aquesta prova s
el segent: el pacient inhala una petita quantitat de monxid de
carboni amb aire durant 10 segons (cal anar amb cura, perqu el
monxid de carboni s txic). Tot seguit, deixa anar aquest gas en un
detector. Si els pulmons estan en bones condicions, el monxid de
carboni de laire inspirat sabsorbeix b. Aix significa que
lintercanvi doxigen entre els pulmons i la sang s normal.
Evidentment, cal evitar el contacte massiu amb el monxid de
carboni, que podria tenir conseqncies mortals.
-
27
7. Elaboraci del model de gas real per explicar les desviacions
respecte del comportament ideal
En condicions de pressi i temperatura baixes, els gasos es
comporten dacord amb el model dun gas ideal, per quan la pressi o
la temperatura augmenten, sallunyen del model ideal.
Per tal dexplicar perqu es produeix aquesta desviaci, cal
revisar els principis en qu es fonamenta la teoria cintica dels
gasos ideals: Els gasos estan formats per moltes partcules (toms o
molcules), que es mouen constantment.
La grandria de les partcules s negligible comparada amb el volum
del recipient. Les forces datracci i repulsi entre les partcules sn
molt petites i es poden considerar negligibles. Els xocs de les
partcules sn elstics. Lenergia cintica de les partcules s
directament proporcional a la temperatura absoluta. A la mateixa
temperatura, lenergia cintica mitjana de les partcules es mant
constant al llarg del temps.
Per els gasos com el H2, el N2, el CO2, el CH4 i molts altres es
desvien del comportament ideal, per exemple a altes pressions. Ho
podem entendre a partir dels principis que acabem desmentar: A
altes pressions, la grandria de les molcules daquests gasos ja no
es pot considerar negligible respecte a la del recipient. Les
forces datracci tampoc no es poden negligir.
Aquestes diferncies es recullen en la frmula dels gasos reals o
de Van der Waals:
( )2
2anp V nb nRTV
+ =
En aquesta equaci, a i b sn constants determinades
experimentalment. a est relacionada amb les forces intermoleculars.
b est relacionada amb el volum de les partcules de gas.
Tot seguit presentem els valors de a i b per a alguns gasos. Les
unitats amb qu sexpressen aquestes dues constants sn el L2 atm/mol2
per a a i el L/mol per a b. Hidrogen (H2): a = 0,24; b = 0,0266
Nitrogen (N2): a = 1,39; b = 0,0391 Oxigen (O2): a = 1,36; b =
0,0318 Met (CH4): a = 2,25; b = 0,0428 Dixid de carboni (CO2): a =
3,59; b = 0,0427
-
28
8. Caracteritzaci del procs de liquaci dun gas
Les condicions que es donen en la liquaci dun gas sn les que
corresponen a un gas real: en comprimir-lo, la pressi augmenta, i
es produeix latansament entre les molcules, disminueix la seva
energia cintica i les forces de Van der Waals es donen amb una
certa intensitat, s a dir, no es poden negligir les forces datracci
entre partcules. Aix, s possible que el gas es condensi, s a dir,
que passi de lestat gass a lestat lquid.
Per la liquaci dun gas requereix que estigui per sota duna
temperatura determinada, que sanomena temperatura crtica i que s
caracterstica de cada compost. La pressi crtica s la mnima
necessria per liquar un gas a la temperatura crtica. Encara que
exercim una pressi superior a la crtica, si la temperatura s
superior a la crtica, no s possible liquar el gas.
-
29
Activitats
1. Calculeu la freqncia de les radiacions de longitud dona: a)
500 nm b) 1,8 108 m c) 65
2. Una llum blava t una longitud dona de 455 nm. Quina s la seva
energia?
3. Comenteu si s certa o falsa lafirmaci segent: Si una radiaci
t la longitud dona ms gran que una altra s que s ms energtica.
4. Les longituds dona corresponents a lespectre visible de la
llum van, aproximadament, des de 400 nm fins a 750 nm. a) Calculeu
les freqncies associades a aquestes longituds dona. b) Quines sn
les energies que corresponen a aquestes freqncies.
5. En escalfar el bari a la flama, dna una llum de coloraci
verda lenergia de la qual s de 2,247 eV. a) Quina s la freqncia
daquesta emissi? b) Quina s la seva longitud dona en m i en ?
6. A una empresa li interessa conixer una srie de dades sobre
laplicaci de lefecte fotoelctric en el coure en illuminar una lmina
daquest metall amb llum de freqncia 1,4 1015 s1.
Sabreu contestar les qestions segents: a) Es produeix efecte
fotoelctric? b) Quina s lenergia cintica dels electrons que surten
per efecte fotoelctric? c) Quina s la velocitat amb qu surten?
Dades: 15 10 1,1 10 s= ; melectr = 9,1 1028 g.
7. La longitud dona llindar de lefecte fotoelctric en el
wolframi o tungst s de 2 600 . a) Es produeix efecte fotoelctric
amb llum visible? b) Quant val lenergia llindar o funci treball
corresponent al tungst? c) A quina velocitat sortiran els electrons
si els impacta una radiaci de 2 200 .
8. Explica lefecte de la radiaci infraroja sobre la matria.
Descriu com sutilitza aquest efecte en lanlisi qumica.
9. Descriu la relaci entre ls de combustibles fssils i laugment
de lefecte dhivernacle.
10. Per qu els clorofluorocarburs (CFC) sn perjudicials per a la
capa doz?
11. Compara les velocitats de difusi de lamonac i del clorur
dhidrogen, en idntiques condicions de pressi i temperatura.
-
30
12. La taula segent recull algunes temperatures i pressions
crtiques de liquaci:
Tcrtica Pcrtica Dixid de carboni
31 C 73 atm
Oxigen 119 C 50 atm Nitrogen 147 C 34 atm Hidrogen 240 C 13
atm
Algun dels gasos que apareixen a la taula es podria liquar a
temperatura ambient, 20 C?
13. Cada dia es liqen gran quantitats daire. Quina es podria
considerar la temperatura crtica daquest procs?
-
31
Webs recomanats
Aquest web descriu mpliament la interacci de les radiacions
electromagntiques amb la matria.
http://www.slideshare.net/joseangelb7/interaccioradiacionsamblamateria
El web segent s una explicaci molt sinttica de lefecte
dhivernacle.
http://almez.pntic.mec.es/jrem0000/dpbg/2bch-ctma/tema5/14_GlobalWarm.swf
En aquest web hi ha una infografia sobre lefecte dhivernacle.
http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/naturaleza/2004/08/26/140161.php
Aquest enlla inclou grfiques de la National Oceanic and
Atmospheric Administration que relacionen lemissi de CO2 amb
laugment de temperatura i que mostren limpacte de lactivitat humana
en el canvi climtic. http://www.ncdc.noaa.gov/indicators/
Aquest enlla mostra una infografia molt senzilla sobre la
destrucci de la capa doz.
http://www.iesmariazambrano.org/Departamentos/flash-educativos/capa_ozono.swf
En aquest enlla podem veure la simulaci de diversos tipus de
vibracions.
http://wwwchem.uwimona.edu.jm/spectra/JSpecView/iranim/IRmodes/IRmodes.html
En aquest web podem veure la simulaci de la vibraci del
formaldehid i tamb lespectre IR daquest producte, en qu sindica en
quines longituds dona absorbeix cada tipus denlla. Tamb inclou un
espectre amb les freqncies de vibraci dels diversos grups
funcionals.
http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/InfraRed/infrared.htm#ir1
Aquest enlla s una simulaci de la llei de Graham.
http://www.educaplus.org/gases/lab_graham.html
En aquest document sobre gasos i dissolucions es tracta la llei
de Graham i lequaci de Van der Waals.
http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:kMqwQgKCvXcJ:www.illuisvives.cat/departaments/ciencies-de-la-naturalesa-i-de-la-salut/materies/batxillerat/quimica/2n-batxillerat/gasos-i-dissolucions+difusi%C3%B3+gasos&hl=ca&gl=es&pid=bl&srcid=ADGEESiJ588e8GitIrs5EG1KCkYSu3IE0JtXVEyXaRs4gGlpE6h1Dnk0DORc001vLX1UPo6jUX5E2GFw5B9i_A5zKQgkve_qoBRARHny2T3OpAX8-uwYLm2hh1rd1j6FKom4s_vq1eXB&sig=AHIEtbRpDW7O0TR94Xku3dAHk95Fk85CKQ