U.7 TAULA PERIÒDICA I ENLLAÇ QUÍMIC - iessantvicent.com · En aquesta unitat farem una aproximació a l'estudi de la química, per això ens centrarem en el coneixement de les

7.1

U.7 TAULA PERIÒDICA I ENLLAÇ QUÍMIC

En aquesta unitat farem una aproximació a l'estudi de la química, per això ens centrarem en el coneixement de les unitats bàsiques que constitueixen la matèria des del punt de vista químic: els àtoms. Veurem com estan constituïts i com s'expliquen algunes de les seues propietats com la capacitat d'enllaçar-se. Precisament dedicarem una part important de la unitat a entendre, de forma experimental i teòrica, quants tipus de substàncies químiques hi ha i quantes formes d'enllaç entre els àtoms i les molècules. Desenrotllarem els punts següents:

1. L'estructura externa dels àtoms 2. La taula periòdica i l'estructura atòmica 3. Caràcter metàl·lic i no-metàl·lic dels elements 4. Els principals estats d'oxidació dels elements 5. La unió entre àtoms. Introducció experimental 6. Tipus de partícules que formen les substàncies 7. Principals tipus de substàncies químiques 8. Tipus d'enllaç químic: iònic, covalent i metàl·lic 9. Classificació experimental de les substàncies químiques 10. Activitats complementàries

Applets de química de la universitat de Colorado que es poden descarregar d'aquest enllaç:

https://phet.colorado.edu/es/simulations/category/chemistry


7.2

1. L'ESTRUCTURA EXTERNA DELS ÀTOMS

Quan volem aprofundir en el coneixement del comportament de la matèria i les substàncies químiques ens trobem amb un problema molt complex però molt interessant: com estan constituïts els àtoms? Originalment els àtoms foren pensats com les unitats més petites i indivisibles que constitueixen la matèria i que no es modifiquen essencialment durant les transformacions químiques de les substàncies. Sabem que n'hi ha poc menys d'un centenar d'àtoms diferents en la natura, els elements que s'organitzen en la taula periòdica. Però la indivisibilitat dels àtoms no pot explicar moltes propietats que coneixem, començant pel fet que n'hi haja tants de diferents o que puguen guanyar o perdre càrrega elèctrica amb certa facilitat.

Tot això ho resolgueren els treballs que feren els científics en el canvi del segle XIX al XX. Ara veurem molt resumidament en què consistiren aquells treballs, per provar d'entendre com es comporten els diferents àtoms químicament.

A.1 Resumiu breument tot el que sapigueu sobre com estan constituïts els àtoms, tot indicant, si ho coneixeu, quines experiències ho demostraren i quins científics les dugueren a terme. De tots els aspectes que constitueixen l'estructura interna dels àtoms ens fixarem

bàsicament en què contenen una part central molt massiva que s'anomena nuc l i i que conté tota la càrrega elèctrica positiva. En el nucli s'hi troben unes partícules anomenades protons (+) i neutrons (0) en un nombre significatiu. El nombre de protons constitueix la identitat de cada element i s'anomena nombre atòmic (z) . El nombre de neutrons (N) sumat al de protons (Z) es relaciona amb la massa de l'àtom per la qual cosa s'anomena nombre màss i c (A = N + Z).

El problema més complex resideix en l'anomenada es truc tura externa o es corça dels àtoms, atès que la grandària dels nuclis és molt inferior al conjunt de l'àtom. Com a conseqüència d'aquesta disparitat de volums podem afirmar que l'àtom està pràcticament buit o fofo, que diríem, i només té massa en un punt molt menut que s'hi troba al centre. Ara bé, si això és així ¿com s'explica l'enorme volum atòmic? Hi resideixen els e l e c t rons , les altres partícules essencials de la matèria, caracteritzats per tenir molt poca massa (comparada amb els protons i neutrons) i la mateixa càrrega que els protons però negativa.

És a dir, el problema és ¿on es troben els electrons per donar-li volum als àtoms? El cas és que els electrons expliquen alguna cosa més que el volum atòmic, de fet, els electrons expliquen les propietats químiques dels àtoms. Segons el seu nombre i com estan distribuïts dins de l'àtom el seu comportament químic varia.

En aquest nivell resulta extremadament difícil justificar el que s'anomena dis tr ibuc ió o conf igurac ió e l e c t rònica d'un àtom en concret, però ho intentarem.

A.2 Com penseu que es podrien distribuir els electrons d'un àtom en la seua escorça? ¿Podrien estar tots junts en un mateix lloc? Per què?

A.3 Explicació breu del professor sobre els conceptes de nivell d'energia electrònic i capa electrònica. De forma abreviada direm que tots els electrons que té un àtom (que si és neutre són els

mateixos que protons, Z) es distribueixen a diferents distàncies del nucli en forma de nivells d'energia i capes electròniques. Els nive l l s d 'energ ia s'originen per la interacció elèctrica entre el nucli (+) i els electrons (-), però també per les repulsions entre els electrons que estan pròxims entre si. Per això els electrons es reparteixen en diferents capes a diferents distàncies aproximades del nucli tot seguint unes regles una mica complicades per a ser explicades en aquest nivell.


7.3

Per aquest motiu ens limitarem a descriure les reg les bàsiques i aplicar-les sense justificar-les encara. Cal dir que aquestes regles ixen d'un tractament matemàtic força complex derivat del comportament poc usual dels electrons que no són objectes com els altres objectes físics i segueixen unes lleis específiques dins de l'anomenada f í s i ca quànti ca .

La primera reg la consisteix en saber que els electrons es van distribuint tot seguint un ordre cre ixent d 'energ ia , és a dir, primer s'omplin els nivells d'energia més baixos, aquells on els electrons tenen menor energia. Per això cal conèixer l'ordre segons aquest esquema:

Tal com veiem, el primer nivell que s'ompli és l'anomenat 1s, després el 2s, 2p, 3s, 3p, 4s,

3d... Veiem què signifiquen aquests símbols per als nivells d'energia. Primer hi ha un nombre (1, 2, 3...) que fa referència a la proximitat dels electrons al nucli. És el que, per simplificar, diem les capes. El nivell "1s" vol dir que els electrons que s'hi troben estan en la primera capa, la més pròxima al nucli, després ve la capa 2 que conté els nivells "2s" i "2p", etc. Però cal adonar-se que no totes les capes són equivalents i el nombre de nivells va creixent, tal com veiem en el diagrama, ni s'omplin seguint l'ordre de les capes sinó la fletxa en diagonal del diagrama anterior. La fletxa de l'esquema acaba en "7p" per als àtoms actuals, perquè no n'hi ha cap que tinga més de 7 capes i els subnivells no marcats tampoc s'arriben a omplir en els elements actuals (el màxim té 118 electrons).

La segona reg la , i última per ara, fa referència a la capac i tat e l e c t rònica de l s n ive l l s . Ateses les propietats que tenen els electrons es pot demostrar que en els nivells anomenats amb la lletra "s" només caben fins a 2 electrons, però en els "p" en caben 6, en els "d" en caben 10 i en els "f" en caben 14. Naturalment no podem justificar amb detall aquests números, només els utilitzarem per a fer la configuració dels elements més senzills, a fi d'entendre com funcionen les regles. Coneguda la capacitat dels diferents nivells anirem afegint electrons a cada nivell fins que els que queden vagen al darrer nivell disponible, essent els anteriors complets. Els electrons de cada nivell s'indiquen per mitjà d'exponents sobre el símbol de cada nivell.

EXEMPLERESOLT

Escriviuladistribuciódels11electronsquetél'elementsodi(11Na).

1s2(enelnivell1s,únicdelaprimeracapa,cabenfinsa2electrons)

2s2(enelnivell2sdelasegonacapacaben2electrons)

2p6 (enelnivell2pde lasegonacapacaben6electrons), jan'hemdistribuït 10 il'electróquequedaaniràalsegüentnivelldisponible:

3s1(enelnivell3sdelaterceracapacabenfinsa2electrons,peròelsodinoentéprouperomplir-lo,peraixòposemun1)


7.4

Elresultatquehemobtingutésmoltinteressant,perquèsignificaqueels11electronsqueté un àtomde sodi estan repartits enTRES capes, és a dir no estan tots a lamateixadistància del nucli, sinó que es reparteixen en tres "zones" diferents. Ara bé, totes lescapes no són igual d'importants, ja que les dues capes més profundes (1 i 2) estanCOMPLETES, mentre que la DARRERA CAPA (3) està INCOMPLETA. Això és moltimportant per a explicar les propietats químiques del sodi. Tots els àtoms tendeixen acompletarlesseuescapes.Normalmentladarreracapaéslamésimportantdel'àtomisesol anomenar CAPA DE VALÈNCIA perquè explica la valència o capacitat decombinació de l'element. En el cas del sodi el fet de tenir 1 electró en la darrera capaexplicarà la tendència d'aquest element a perdre aquest electró i actuar amb el queanomenemvalència(+1).Peròaixòhoexplicaremambdetallmésendavant.

A.4 Assageu d'aplicar les dues regles per a fer les configuracions electròniques dels elements que tenen des d'1 (H) fins a 10 electrons (Ne). Indiqueu el nombre de capes de cada element i el nombre d'electrons de la darrera capa.

A.5 Si heu entès com van les regles, completeu ara les configuracions dels 10 elements següents de la taula periòdica (del Na fins al Ca). Indiqueu el nombre de capes de cada element i el nombre d'electrons de la darrera capa.

2. LA TAULA PERIÒDICA I L'ESTRUCTURA ATÒMICA

Les diferents classes d'àtoms ordenades seguint una pauta constitueixen un dels instruments més útils i complets per a l'estudi de la química: la taula per iòdi ca . S'anomena així l'ordenació dels elements en per íodes (files) i grups (columnes) seguint l'ordre creixent del seu nombre atòmic que mostra com les propietats atòmiques no són aleatòries sinó que segueixen unes tendències, de vegades molt clares i senzilles, de vegades una mica més complicades i difícils de detectar a primera vista. En una de les primeres formes, una mica diferent de l'actual, fou dissenyada pel químic rus Dmitri MENDELÉIEV (1834-1907) i es mostra tal com fou publicada el 1871 a la pàgina inicial de la unitat (7.1). Mendeléiev va ordenar els elements per ordre creixent de la seua massa atòmica perquè llavors no es coneixien encara els nombres atòmics, però amb la massa atòmica es produeixen algunes anomalies en l'ordre correcte dels elements. Ens fixarem ara en algunes poques d'aquestes propietats que apareixen en la taula periòdica.

A.6 Feu la configuració electrònica dels elements Mg, Ca i Sr i la dels elements S, Se i Te. Raoneu si hi trobeu alguna regularitat o coincidència. Quines regles podem establir a partir de les dues sèries d'elements mostrats?

elements representatius (blocs s+p) elements de transició (blocs d+f)

A.7 Què tenen en comú i diferent tots els elements d'un mateix període?


7.5

A.8 Què tenen en comú i diferent tots els elements d'un mateix grup?

A.9 A què anomenem "blocs" en la taula periòdica? Què representen?

Ens fixarem ara en la taula periòdica reduïda: els grups 1, 2 i del 13 al 18. Aquests són els grups dels elements representat ius perquè contenen tots els tipus d'elements coneguts i s'hi mostra la variació gradual de les seues principals propietats. Els grups 1 (excepte l'H) i 2 són metalls típics. El grup 1 són els metalls alca l ins i el grup 2 els alca l inoterr i s . El grup 18 són els gasos iner ts , molt poc reactius. La resta de grups (13-17) constitueixen un quadrat que conté metalls, semi-metalls i no-metalls i van variant de forma gradual tal com després veurem. La resta d'elements de la taula periòdica (bloc "d", grups 3-12, i bloc "f") són tots metalls i s'anomenen elements de transició i de transició interna, però el seu estudi detallat es deixa per a cursos superiors.

3. CARÀCTER METÀL·LIC I NO-METÀL·LIC DELS ELEMENTS

Una de les propietats més importants dels elements és l'anomenat caràcter metàl·lic ja que d'ell depèn la forma com es combinen químicament i les reaccions i propietats generals que presenten les substàncies que formen.

A.10 Poseu exemples de substàncies metàl·liques i assenyaleu algunes propietats que les caracteritzen. La gran majoria d'elements de la taula periòdica tenen caràcter metàl·lic, és a dir, formen

metalls i aliatges (mescles homogènies i combinacions de diferents metalls). Si examinem la configuració electrònica dels elements metàl·lics ens adonarem que comparteixen algunes semblances: 1) tots són àtoms amb pocs electrons en la capa de valència (1, 2, 3 o 4) ; 2) en un grup que conté metalls i no-metalls els metàl·lics són els elements de més cap avall, és a dir els que tenen més capes. Simplificant-ho un poc podríem dir que els àtoms dels elements metàl·lics solen tenir tendència a desfer-se dels pocs electrons que tenen a la capa de valència als que atrauen amb poca intensitat.

A.11 Raoneu quin signe tindran habitualment els ions que formen els elements metàl·lics. ¿Formaran més aviat anions (-) o cations (+)? Trobem els elements metàl·lics en els blocs "s", "d" i "f", amb excepció de l'hidrogen que

no està clar on situar-lo. La raó és que tots aquests elements tenen 1 o 2 electrons de valència (bloc "s") i 3 electrons de valència (bloc "f"). En el bloc "d", que conté els 30 clàssics metalls de transició pesats (Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Au, Ag, Pt, Hg...), les capes de valència són més difícils d'explicar, però la majoria d'ells tenen 2 electrons extens, ja que els nivells "d" que tenen a mig omplir es troben una capa més endins de l'exterior i no sempre els utilitzen.

Finalment trobem també alguns metalls (de post-transició) en les parts baixes del grups del bloc "p" entre els elements que tenen com a molt 3 o 4 electrons de valència i moltes capes (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Po) i un cas de 5 electrons de valència, el bismut, que té 6 capes. Els grups d'elements dels bloc "p" s'anomenen tradicionalment: famíl ia de l bor (13), famíl ia de l carboni (14), famíl ia de l n i trogen (15), amfígens (16), halògens (17) i gasos iner ts (18).

A.12 Identifiqueu quins elements tenen caràcter no-metàl·lic i en quin bloc i en quins grups es troben. ¿Podem trobar-hi algunes característiques en comú?

A.13 Raoneu quin signe tindran habitualment els ions que formen els elements no-metàl·lics. ¿Formaran més aviat anions (-) o cations (+)?

A.14 Quines propietats caracteritzen les substàncies formades exclusivament per elements no-metàl·lics?


7.6

A.15 Identifiqueu els elements semi-metàl·lics. Com podem justificar la seua existència?

A.16 Els darrers elements per classificar són els del grup 18. Quina configuració electrònica tenen en la seua capa de valència? Quines propietats químiques se'n deriven? Perquè s'anomenaran gasos inerts?

4. ELS PRINCIPALS ESTATS D'OXIDACIÓ DELS ELEMENTS

Una altra propietat periòdica que convé conèixer, necessària per a entendre com es combinen els àtoms entre si, s'anomena es tat d 'oxidac ió . L'estat d'oxidació d'un element es relaciona amb el nombre d'electrons que té en la capa de valència. És un número, normalment enter, amb un signe (+ o -). En el llenguatge quotidià de la química es solen confondre els estats d'oxidació amb les valències, però es tracta de dos conceptes diferents, atès que la valènc ia fa referència més aviat al nombre d'enl laços que té un element en una molècula, concepte que també guarda relació amb els electrons de valència. Nosaltres anomenarem estats d'oxidació al que habitualment s'anomenen valències químiques perquè el nom és més correcte.

Per a entendre els estats d'oxidació d'un element cal diferenciar entre el que anomenarem es tat iònic i es tat covalent . Més endavant en la unitat entendrem millor el perquè d'aquests noms. Ara veiem com es defineixen.

L'estat d'oxidació iònic d'un element que té tendència a perdre electrons (caràcter metàl·lic) és precisament el nombre d'e l e c trons que pot perdre per a completar la capa. (De fet la paraula oxidació significa pèrdua d'e l e c trons).

En canvi, l'estat d'oxidació iònic d'un element que té tendència a guanyar electrons (caràcter no-metàl·lic) és el nombre d'e l e c trons que l i fa l t en per a completar la capa.

A.17 Raoneu quins estats d'oxidació iònics més habituals tindran els elements dels grups 1 i 2.

A.18 Raoneu quins estats d'oxidació iònics més habituals tindran els elements dels grups 15, 16, 17 i 18.

D'altra banda, l'estat d'oxidació covalent d'un element que té tendència a compartir electrons (quasi sempre amb caràcter no-metàl·lic, encara que hi ha metalls que també ho poden fer) és precisament el nombre d'e l e c trons que pot arr ibar a compart ir . El problema és que el nombre d'electrons a compartir depèn de si té un nombre pare l l o impare l l d'electrons i hi ha algunes excepcions. Explicarem ara els casos més significatius.

L'element fluor (grup 17) té se t electrons en la seua capa de valència. Pot guanyar un electró i formar l'anió f luorur (F-) , però també pot compart ir un so l e l e c tró sense formar ions i el seu estat covalent és (-1), però ja no en té cap més.

En canvi, la resta d'elements del grup 17 (halògens) que també tenen se t electrons de valència i formen anions amb càrrega (-1), a més, poden compartir-ne sempre que siguen en nombre imparell: un, tres , c inc o se t , per això els seus estats covalents són: +1, +3, +5 i +7. La raó està en el fet que to ts e l s e l e c trons d'un àtom estable so len es tar empare l lats , cosa que ara no podem justificar, però que ocorre a causa d'una propietat essencial dels electrons. Això fa que si un àtom té un nombre imparell d'electrons en puga compartir sempre un nombre imparell i si en té un nombre parell ha de compartir-ne un nombre parell. La justificació més detallada es veurà en cursos superiors.


7.7

A.19 En el grup 16 (amfígens) ocorre el mateix que en els halògens, el primer element té un estat d'oxidació iònic negatiu i després un covalent de positiu, però ¿com són els estats d'oxidació iònic i covalents de la resta d'elements del grup? ¿Serieu capaços de raonar-ho?

A.20 Amb l'ajuda del professor tracteu de justificar els estats d'oxidació iònics i covalents de la resta d'elements representatius (grups 13-15). Ens hem detingut tant en entendre aquests estats d'oxidació perquè això ajuda a

memoritzar els més importants i això és necessari per a entendre les regles que s'utilitzen per anomenar les substàncies químiques, cosa que farem en la propera unitat. Ara, però, anem a continuar estudiant la propietat més important que tenen els àtoms: l ' en l laç químic , és a dir, la capacitat de combinació i els diferents tipus d'estructures que poden formar els àtoms gràcies, precisament, als seus electrons externs o de valència.

De fet, només uns pocs àtoms (els dels elements del grup 18) es mantenen aïllats i no formen agrupacions habitualment.

A.21 Una vegada més, ¿sabríeu explicar perquè els elements del grup 18 tenen molt poca o no tenen cap tendència a formar agrupacions entre ells o amb d'altres àtoms? Recordeu com s'anomenen? Però la resta d'elements, que són la gran majoria, si que es combinen entre ells i formen

ions, molècules o agregats de moltíssims àtoms (cristalls). De seguida veurem com va sorgir la necessitat d'una teoria per a explicar l'enllaç químic, és a dir, una teoria capaç de justificar com i perquè s'uneixen els diferents àtoms dels diferents elements i donen lloc a infinitat de substàncies químiques amb gran varietat de propietats macroscòpiques (densitat, punts de fusió i ebullició, solubilitat, conductivitat elèctrica i tèrmica, duresa, fragilitat...) que permeten d'identificar-les i classificar-les.

sulfur de cadmi CdS molècula de tetrafluorur de sofre SF4

bloc d'alumini Al cristall de quars SiO2

5. LA UNIÓ ENTRE ÀTOMS. INTRODUCCIÓ EXPERIMENTAL

De què trac ta la química?

La química és una de les ciències que estudia la matèria i les seues transformacions, però quin és exactament el problema general que centra els seus objectius?

Bàsicament la química tracta de respondre a dues grans preguntes:

• Què són les substàncies químiques?

• Què són els fenòmens químics?

Podem dir, doncs, que la química tracta de:

• l’estudi de les substàncies químiques, com a formes concretes de presentar-se la matèria

• l’estudi dels fenòmens químics, com a canvis en la naturalesa i propietats de les substàncies químiques


7.8

Com a estratègia d’investigació o model d’estudi es proposa de contrastar una sèrie de fets experimentals, observables en les experiències de laboratori, que s’han de poder explicar mitjançant un model teòric, conjunt d’hipòtesis que de forma coherent permeten interpretar els fets experimentals i predir-ne de nous. De forma esquemàtica:

Fets experimentals Model teòric 1

Característiques de les diferents substàncies químiques: conjunt de propietats físiques i químiques

↔

Estructura submicroscòpica de les substàncies: tipus de partícules que les formen i com estan unides (dins del model general de la TCM)

2

Canvis en les propietats de les substàncies: reaccions químiques o fenòmens químics

↔

Modificació de les forces i les partícules de manera que unes forces es desfan i se’n fan de noves

Concepte empír i c de substànc ia química

El concepte fonamental de la química és el concepte de substànc ia química . A aquest concepte hi arribem de forma experimental, de manera que primer establim una definició empírica i després donem una definició teòrica basant-nos en un model que ho explica. Vegem el procés. La matèria es presenta de forma natural com una mostra heterogènia, és a dir amb propietats no uniformes, i després d’un procés més o menys complex de separacions successives acabem obtenint el que anomenarem substàncies pures:

LA MATÈRIA ORDINÀRIA

PRESENTA UN ASPECTE

HETEROGENI

Procés de

→ separac ió

MOSTRES DE

MATÈRIA HOMOGÈNIA

Procés de

→ puri f i cac ió

SUBSTÀNCIES

PURES

A.22 ¿Recordeu alguns mètodes de separació per a purificar la matèria? Esmenteu-los i assenyaleu en quines propietats es basa cada mètode i per a quins tipus de mescles és més adient.

Ara bé, en aquest procés de separació, com sabem que hem aplegat a una substànc ia químicament pura?

Perquè es tracta d’una forma de matèria que presenta una sèrie de propie tats caracter í s t iques constants : homogeneïtat, uniformitat, punts de fusió i ebullició constants, conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica, solubilitat, densitat, color...

Aquest conjunt de característiques és la def ini c ió empír i ca de substància química.

Però el model teòric ens ha de permetre trobar una explicació a l’obtenció de substàncies pures. Efectivament, si prenem com a base la TCM segons la qual la matèria està constituïda per partícules, el procés de separació s’explica com a separació de partícules successivament fins a tenir una sola classe de partícules, segons això la def ini c ió t eòr i ca de substància pura seria:

Mostra de matèr ia formada per un únic t ipus de part í cula, és a dir on totes les partícules són iguals o bé guarden relacions constants (ja veurem que aquestes partícules poden ser: àtoms, molècules, ions, cristalls, macromolècules...)


7.9

A més, cal afegir que en els processos de separació podem aplegar a un nivell més i classificar les substàncies pures en dos grups: substànc ies s imples i substànc ies compostes . Quan estudiem les partícules que formen les substàncies pures veurem que aquestes es diferencien segons les classes d’àtoms que contenen, però això requereix aprofundir en els conceptes bàsics de la TCM aplicada a la química: què són els àtoms i què són les molècules?

A.23 Després de reflexionar un poc sobre les substàncies químiques ¿sabríeu posar algun exemple de matèria que fóra una mescla heterogènia, una mescla homogènia, una substància pura simple i una substància pura composta? ¿Podríeu justificar el perquè de cada exemple?

A.24 ¿Sabríeu catalogar aquestes formes de matèria com a heterogènies, homogènies, simples o compostes: 1) aire; 2) aigua destil·lada; 3) aigua d'un riu contaminat; 4) or natiu; 5) diamants d'una mina; 6) aigua del mar?

6. TIPUS DE PARTÍCULES QUE FORMEN LES SUBSTÀNCIES

ÀTOMS, IONS I MOLÈCULES

La identificació de les partícules que formen una substància no és un problema fàcil de resoldre, però hi ha algunes característiques que permeten intuir si una substància conté o no ions en la seua estructura o bé si les partícules que la formen són molècules o bé està formada per àtoms intensament units en un nombre indefinit. Emperò convé deixar clar què són els àtoms, què són les molècules i què són els ions com a unitats bàsiques que constitueixen les substàncies químiques.

Ja hem vist que els àtoms són les unitats bàsiques de la química i n’hi ha un centenar de diferents, que corresponen als diferents elements químics. Cada element constitueix un tipus particular d’àtom que identifiquem amb un nom, un símbol i la propietat anomenada nombre atòmic (Z) que correspon al nombre enter de càrregues positives o protons que hi ha seu nucli o part central. Envoltant el nucli es troben els electrons amb càrregues negatives. En condicions ideals els àtoms són elèctricament neutres, ja que contenen un nombre igual de càrregues de cada signe, protons (+) i electrons (-), però això no significa que siguen estables, ja que rarament trobem els àtoms lliures i més sovint els trobem combinats amb d’altres àtoms iguals o diferents.

De vegades els àtoms guanyen o perden electrons (-) i això altera la càrrega total, però a canvi l’àtom guanya estabilitat. Els àtoms que han guanyat o perdut electrons s’anomenen ions . Els que han guanyat electrons tenen càrrega neta negativa i s’anomenen anions , mentre que els que han perdut electrons tenen càrrega neta positiva i s’anomenen cat ions . Els anions i els cations són estables però com tenen càrrega neta diferent interaccionen elèctricament i formen agregats d’un nombre indefinit i molt més estables: els cristalls iònics.

Efectivament l ’ exis tènc ia de ls ions s’estableix a partir de l’electròlisi, reacció química que té lloc quan una substància en estat líquid o en dissolució aquosa es sotmet a un corrent elèctric continu com el que produeix una bateria. De vegades els ions que conté la substància es poden identificar pel color que s’observa en la reacció. Veurem un cas concret en l’electròlisi del iodur de potassi (KI), on es forma iode que tenyeix de marró l’elèctrode positiu (ànode) i, si afegim unes gotes de fenolftaleïna, podem veure un color rosa intens en l’elèctrode negatiu (càtode).


7.10

electròlisi del KI : l'elèctrode negre (-) es tenyeix de rosa i el roig (+) de marró

Altres vegades els àtoms no formen ions però guanyen estabilitat unint-se entre ells en un nombre limitat i concret. Aleshores es forma una molècula que resulta molt estable i, si és elèctricament neutra, tendeix a mantenir-se lliure o bé dèbilment unida a les altres molècules mitjançant les forces intermoleculars. Una molècula també pot tenir excés de càrrega i resulta ser un ió po l iatòmic que interaccionarà amb d’altres ions.

Una substànc ia que conté molècules és possible reconèixer-la perquè les seues partícules són estables i elèctricament neutres, de manera que interaccionen entre si amb forces molt dèbils, per això solen tenir punts de fusió baixos. Per contra, les substàncies que no estan formades per molècules solen tenir punts de fusió més bé elevats. No obstant això, cal combinar diferents propietats per a poder assegurar-nos que la classificació entre substàncies moleculars, no moleculars i iòniques és correcta.

molècula de ful·lerè C60

7. PRINCIPALS TIPUS DE SUBSTÀNCIES QUÍMIQUES

Vegem finalment alguns exemples de les substàncies que contenen cada tipus de partícula.

El gas noble hel i està constituït per àtoms d’un sol tipus (He, Z = 2), a temperatura i pressió ambient tots els seus àtoms es troben pràcticament lliures i resulta molt difícil liquar-lo, calen temperatures molt baixes i pressions molt elevades. Si li apliquem un voltatge elevat emet una llum rosada.

heli He

El diamant és un sòlid molt dur i de punt de fusió elevadíssim, però també està constituït per un sol tipus d’àtoms, el carboni (C, Z = 6), però els seus àtoms lliures no són estables i, encara que poden formar molècules, més habitualment s’uneixen entre ells en un nombre indefinit i formen un sòlid cristal·lí atòmic.

diamant C pur

El f e rro també és un sòlid de punt de fusió elevat i està constituït per un sol tipus d’àtoms (Fe, Z = 26), però els seus àtoms s’uneixen entre si d’una manera diferent als del carboni en el diamant.

ferro metall Fe


7.11

El brom és un líquid molt volàtil i està format per àtoms d’un sol tipus (Br, Z = 35), que assoleixen l’estabilitat unint-se de dos en dos, formant el que anomenem molècules diatòmiques (Br2).

brom Br2

En algunes sals trobem el brom formant ions bromur (Br-). Els ions bromur són àtoms de brom que assoleixen l’estabilitat guanyant un electró, a canvi no els podem trobar sols sinó combinats amb ions positius, com ara els ions potassi (K+), i no formen molècules sinó cristalls iònics.

estructura cristal·lina del bromur de potassi KBr

També hi ha sals que contenen ions poliatòmics. Com ara el guix amb que ratllem la pissarra està format per ions positius de calci (Ca2+) i ions negatius anomenats sulfat (SO4

2-), però els ions sulfat estan constituïts per la unió estable i limitada d’un àtom de sofre i quatre àtoms d’oxigen, amb un excés global de dos electrons.

sulfat de calci CaSO4

A.25 Poseu altres exemples de substàncies de composició semblant a les descrites: 1) heli; 2) diamant; 3) ferro; 4) brom; 5) bromur de potassi; 6) sulfat de calci.


7.12

8. TIPUS D'ENLLAÇ QUÍMIC: IÒNIC, COVALENT I METÀL·LIC

Una vegada aclarides quines unitats bàsiques podem combinar queda comentar quins tipus d’enllaços trobem entre aquestes unitats.

Les substàncies que tenen ions presenten un tipus anomenat en l laç iònic que consisteix en la interacció entre cations (+) i anions (-) per assolir la neutralitat elèctrica.

Les que tenen molècules presenten dos tipus diferents d’enllaç: dins de la molècula (enllaç intramolecular) els àtoms s’uneixen de forma estable i fixa mitjançant un en l laç covalent , mentre que les molècules presenten un en l laç intermolecular entre elles.

Les que no tenen ni ions ni molècules sinó que només tenen àtoms poden ser de dos tipus: en els metalls els àtoms ionitzats s’uneixen mitjançant un en l laç metàl· l i c , mentre que els no-metalls que no formen molècules uneixen els seus àtoms mitjançant un en l laç covalent per a formar sòlids covalents atòmics.

Podem concloure resumint que hi ha tres tipus d’enllaç entre àtoms i un quart tipus d’enllaç entre molècules, tal com veiem en aquest quadre:

TIPUS D'ENLLAÇ DESCRIPCIÓ

IÒNIC Atracció/repulsió entre ions de diferent signe, combinats en la proporció adient per a neutralitzar les seues càrregues respectives (cristalls iònics)

COVALENT Compartició d’electrons externs entre àtoms per a formar agrupacions estables i limitades (molècules) o bé sòlids d’un nombre indefinit d’àtoms (cristalls atòmics)

METÀL·LIC Cas intermedi entre els dos anteriors, els metalls formen cations (+) que es mantenen units fortament perquè comparteixen molts electrons entre tots els àtoms (enllaç deslocalitzat dins d'un cristall metàl·lic)

INTERMOLECULAR Interacció elèctrica dèbil entre molècules que són elèctricament neutres i estables però que en aproximar-se poden atraure’s dèbilment (formen cristalls moleculars en estat sòlid)

9. CLASSIFICACIÓ EXPERIMENTAL DE LES SUBSTÀNCIES QUÍMIQUES

Com a resultat del procés de purificació successiva els químics han anat caracteritzant al llarg de la història una gran varietat de substàncies químiques. Avui dia se’n coneixen més d’un milió. Tanmateix la gran majoria de substàncies es poden classificar i agrupar en unes poques categories que faciliten el seu estudi. Ara intentarem fer una classificació empírica a partir d’unes poques substàncies més o menys pròximes o familiars de manera que apareixeran els principals grups de substàncies coneguts en química. El procediment a seguir és aquest:

1. Triem unes poques substàncies, concretament: el sucre de canya refinat, anomenat sacarosa (C12H22O11); la sal de cuina o clorur de sodi (NaCl); el bicarbonat de sodi (NaHCO3); l’arena de platja (SiO2); el zinc (Zn); el iodur de potassi (KI); el iode (I2); el sofre (S); el magnesi (Mg) i el carbó actiu (C).


7.13

2. Estudiem de forma experimental algunes propietats que ens poden informar sobre com estan constituïdes aquestes substàncies:

a) la so lubi l i tat en aigua (líquid polar) i la solubilitat en acetona (líquid no polar o apolar)

b) la conduct iv i tat e l è c tr i ca en diferents estats (sòlid, líquid o en dissolució)

c) els punts de fus ió de forma qualitativa (consultarem dades bibliogràfiques per a completar)

3. Realitzem les proves de forma qualitativa amb cada substància.

4. Recollim les dades en una taula i classifiquem amb criteris qualitatius:

• La naturalesa e l è c tr i ca o no de les partícules bàsiques que formen la substància (que poden ser ions, àtoms o molècules)

• La intensi tat (fortes o febles) de les forces entre les partícules (les forces entre molècules solen ser dèbils, mentre que les forces entre àtoms i entre ions són més fortes)

L'esquema següent ens ajudarà a fer la classificació, guiada en primer lloc pels punts de fusió i seguida de les altres propietats. A l'esquema apareix també la solubilitat en aigua i en acetona, propietat que ens pot ajudar a descartar algunes substàncies, ja que tant els sòlids covalents atòmics com els metàl·lics són insolubles en aigua i en acetona. Només són solubles els sòlids iònics (en aigua sí però en acetona no) i els sòlids covalents moleculars que poden ser solubles en aigua o en acetona. Com ara una substància que només siga soluble en acetona segurament serà un sòlid molecular, però una soluble en aigua tant pot ser iònica com molecular, caldrà verificar quines altres propietats té per afinar en la classificació.

BREUS ORIENTACIONS PER A FER LES PROVES

En tots els casos atendrem a les instruccions del professor per al procediment a seguir, per les precaucions a tenir en compte i per a eliminar residus i netejar el material en acabar.

Solubilitat: prepararem una sèrie de tubs d'assaig on posarem un dit d'aigua destil·lada i afegirem una punta d'espàtula de la substància que volem provar. Per a l'acetona provarem només el iode i una altra substància qualsevol i emprarem la mínima quantitat d'acetona possible a fi d'evitar els seus efectes nocius.

Conductivitat: en un got petit posarem un poc de la substància dissolta en aigua i introduirem els elèctrodes d'un petit circuit format per una pila de petaca (4,5 V) i una pereta petita, si hi ha conducció la pereta s'encendrà. Només farem la prova en les substàncies solubles en aigua. A banda provarem la conductivitat en estat sòlid d'aquelles substàncies que en tinguem una mostra compacta. En el cas del iodur de potassi, KI, seguirem les indicacions del professor.


7.14

Punts de fusió: triarem unes poques substàncies i les escalfarem amb un tub d'assaig per veure si fonen com a molt a la temperatura màxima de la flama (uns 900 °C). Així establirem una escala qualitativa, les dades exactes les buscarem a la bibliografia per omplir la taula, ja que aquesta informació és molt important.

ESQUEMA PER A CLASSIFICAR LES SUBSTÀNCIES Una vegada fetes les experiències abans proposades i emplenada la taula que s’adjunta a la

pàgina següent, amb l’ajut d’aquest esquema farem la classificació de les substàncies que hem triat:

SÒLID

ALTA

⇐ Temperatura de

fusió

⇒

BAIXA

⇓

⇓

⇓

SÒLID

(COVALENT) MOLECULAR

SÒLID (COVALENT)

ATÒMIC

⇐ No conductor Insoluble

⇐ Conductivitat ⇒ ⇐ Solubilitat ⇒

⇓

No conductor Soluble en aigua o en

acetona

SÒLID IÒNIC

⇐ No, sòlid. Sí, líquid

Soluble en aigua

Ã

SÒLID

METÀL·LIC

⇐ Bon conductor

Insoluble

Ã


7.15

NOM :_____________________________________________ GRUP : __________ DATA : _________

PROPIETATS I CLASSIFICACIÓ D’ALGUNES SUBSTÀNCIES QUÍMIQUES

Substància i fórmula

Aspecte

Solubilitat Conductivitat Punt de fusió

Forces

Partícules

Enllaç

Aigua

Acetona

Sòlid

Dissolt en

aigua

Qualitatiu

Dada

SACAROSA (C12H22O11)

SAL DE CUINA (NaCl)

BICARBONAT DE SODI (NaHCO3)

ARENA (SiO2)

SOFRE

(S)

ZINC (Zn)

IODE (I2)

IODUR DE POTASSI

(KI)

MAGNESI

(Mg)

CARBÓ

(C)


7.16

10. ACTIVITATS COMPLEMENTÀRIES

A.26 Una substància presenta aquestes propietats: 1) té un aspecte cristal·lí de color blanc; 2) es dissol relativament bé en aigua; 3) no es dissol en acetona; 4) en estat sòlid és aïllant, però la dissolució aquosa condueix el corrent; 5) el seu punt de fusió supera els 400 °C. Indiqueu de forma raonada: a) si les forces entre les seues partícules seran fortes o febles; b) si està constituïda per àtoms, ions o molècules; c) quin tipus d'enllaç uneix les partícules. Classifiqueu el tipus de substància seguint l'esquema proposat.

A.27 Una substància és soluble en aigua però no en acetona. Quins tipus de

substància podria ser? I una substància que no es dissol ni en aigua ni en acetona?

A.28 Ens informen que una substància nova que s'acaba de descobrir té aquestes propietats: 1) bona conductora de l'electricitat; 2) punt de fusió baix (fon a temperatura ambient); 3) insoluble en aigua; 4) transparent. Raoneu quina o quines d'aquestes propietats són incompatibles i quin tipus de substància podria ser.

A.29 Ordeneu raonadament aquestes substàncies per ordre creixent del seu punt de fusió: a) un sòlid covalent com el silici; b) un sòlid molecular amb ponts d'hidrogen com la glucosa; c) un metall com el coure; d) una substància soluble en acetona com el iode; e) una sal com el clorur de potassi.

A.30 La substància de la imatge és dicromat de potassi, K2Cr2O7. A la vista de les propietats indicades en la taula completeu a tall d'hipòtesi les que falten:

Forma cristalls de color taronja

Solubilitat en aigua

Solubilitat en acetona

Conductivitat en estat sòlid

Conductivitat en dissolució aquosa Bona

Punt de fusió

Fragilitat Molt fràgil

TIPUS DE SUBSTÀNCIA


7.17

A.31 Raoneu la veracitat d'aquestes afirmacions: a) Les substàncies iòniques no condueixen el corrent elèctric, perquè els ions

que contenen es troben immobilitzats en els cristalls que les formen. b) Una substància soluble en aigua segur que és covalent molecular. c) Els metalls són fàcils de reconèixer perquè són les úniques substàncies que

en estat sòlid condueixen el corrent elèctric. d) Una substància amb un punt de fusió molt baixet segur que és molecular.

A.32 Tenim els elements: fluor, sofre, carboni, silici, liti i calci. Indiqueu de forma raonada quines substàncies podríem formar amb ells i classifiqueu-les en: a) substàncies iòniques; b) substàncies covalents moleculars; c) substàncies covalents atòmiques; d) substàncies metàl·liques. Indiqueu la fórmula i el nom d'aquelles que resulten de la combinació d'elements diferents.

A.33 Tenim els elements: alumini, oxigen, nitrogen, clor, magnesi i sodi. a) Escriviu la seua configuració electrònica i indiqueu quantes capes tenen i quants electrons tenen en la capa de valència; b) raoneu quins seran els seus estats d'oxidació més freqüents; c) assenyaleu a tall d'hipòtesi com seran les combinacions entre els diferents elements, quins tipus de substàncies formaran i quines fórmules químiques tindran.

A.34 Els ions anomenats "oxoanions" contenen un element habitualment no-metàl·lic unit a un nombre variable d'àtoms d'oxigen en funció dels estats d'oxidació covalents del no-metall. a) Tracteu de formular els oxoanions del clor, el sofre, el nitrogen i el carboni, tot tenint en compte la regla bàsica que suposa afegir el "mínim" d'àtoms d'oxigen (estat: -2) per tal que resulte un anió (-); b) busqueu informació sobre la manera com s'anomenen aquests oxoanions; c) combineu tots els oxoanions obtinguts amb el catió potassi (+1) i formuleu i anomeneu els compostos iònics formats.

UN TAST D'HISTÒRIA DE LA CIÈNCIA

A.35 Llegiu i comenteu aquesta biografia de Dmitri Mendeléiev.

El químic rus Dmitri Ivànovitx Mendeléiev nasqué l'any 1834 a Tobolsk(Sibèria) i morí l'any 1907 a Sant Petersburg. Després de salvar nombroses penúries,aplegàadoctorar-seenquímicaalaciutatdelstsarsl'any1856iampliàestudisaParísiAlemanya.DeretornalseupaísexercídeprofessordequímicageneralalauniversitatdeSant Petersburg i fou director de l'oficina de pesos i mesures. La necessitat desistematitzarelsconeixementsdequímical'obligàaredactarunmanualperalesseuesclasses que seria l'origen dels seus treballs sobre la llei periòdica i la classificació delselements químics. L'any 1860 participà en el primer gran congrés internacional dequímica, a la ciutat alemanya deKarlsruhe, on es trobaren les diferents tendències del'època enfrontades per les discrepàncies sobre la llei d'Avogadro i el problema de ladeterminaciócorrectadelesmassesatòmiques.Enaquestcongréss'aclaríd'unavegadala diferència, que avui encaramantenim, entre àtoms imolècules i la defensa que féuCannizzarodelconceptedemassaatòmica impressionàelquímicrus.L'aportaciómésnotabledeMendeléiev,quelipermetéarribaralatauladelselements,fouprecisamentladistincióentreelement,associatalsàtoms ia llursmasses, icossimple,associata lesmolèculesilamassamolecular.


7.18

QuanMendeléiev iniciàelsseustreballsesconeixienunaseixantenad'elements,peròelnombred'aquestscontinuariacreixentduranttotelsegle.L'aparentcaosenquèestrobavenelsconeixementsdequímicadescriptiva,quecadavegadaaugmentavenambmésiméselements,dificultavalaseuaexposicióordenada.L'any1869publicàunprimerfull destinat als seus col·legues quemillorànotablement enuna ediciómés acurada el1871.Lafixaciómésexactadelesmassesatòmiquesilespropietatsfisicoquímiquesdelselements i la seua ordenació segons les masses creixents, li permeté emetre hipòtesissobrenouselementsdesconeguts,l'aïllamentdelsqualslidonariaunafamanotable.

Gaudíd'ungranprestigiipreconitzàeldesenvolupamentdelaindústriaquímica

alseupaís,creàestacionsd'investigacióagrícolaiféutreballsaplicatssobreelpetrolideBakú.Vaserundemòcrataconvençutilamortellliuràdeviureperpocsanysl'episodihistòricdelaRevoluciód'Octubrede1917.

Q1. Els intents de classificació dels elements són anteriors o simultanis als que va fer Mendeléiev. Busqueu informació al respecte sobre els treballs de Newlands, Chancourtois i Lothar Meyer i compareu-los amb els del químic rus.

Q2. Busqueu informació sobre les prediccions concretes de propietats de nous elements que va fer Mendeléiev i la confirmació a través del seu aïllament. ¿De quins elements es tracta?

A.36 Comenteu aquests dos textos escrits per Mendeléiev.

"Igual que fins a Laurent i Gerhart, s'utilitzaven indistintament els mots"molècula", "àtom", "equivalent", actualment es confonen sovint les expressions "cossimple"i"element".Noobstaquecadascunad'ellestingaunsignificatmoltdistintiquesigaimportantprecisar-hoafid'evitarconfusionsenelstermesdelafilosofiaquímica.Uncossimpleésquelcomdematerial,metallometal.loide,dotatdepropietatsfísiquesicapaçd'intervenirenreaccionsquímiques.Al'expressió"cossimple"licorresponlaideade "molècula". [...] Tanmateix, cal reservar el nom d'element per a caracteritzar lespartícules materials que formen els cossos simples i compostos, i que determinen laformacomescomportendesdelpuntdevista físic iquímic.Elmot"element"evoca laidead'àtom".(1871)


7.19

"Lespropietatsdelscossossimplesicompostosdepenend'unafuncióperiòdicadelspesosatòmicsdelselements,per l'únicaraóqueaquestespropietatssónensimateixeslespropietatsdelselementsdelsqualsderivenaquestscossos".(1896)

(CitatsperBensaude-Vincenten"Historiadelasciencias"deM.Serres.Cátedra.Madrid.1991)

Q1. Expliqueu per mitjà d'algun exemple, què vol dir Mendeléiev quan associa la idea de cos simple a la de molècula i la d'element a la d'àtom.

Q2. ¿Tots els cossos simples estan formats per molècules tal com avui dia s'entén? Preciseu el significat i les limitacions d'aquesta associació. ¿Coneixeu cossos simples diferents que estiguen formats pel mateix element? Com s'anomenen aqueixes substàncies?

B

U.7 TAULA PERIÒDICA I ENLLAÇ QUÍMIC - iessantvicent.com · En aquesta unitat farem una aproximació a l'estudi de la química, per això ens centrarem en el coneixement de les

Documents