Guia de Química: Mescles, Àtoms i Taula Periòdica

Tècniques de separació de mescles

Decantació

Permet separar un sòlid mesclat heterogèniament amb un líquid en el qual és insoluble, o bé dos líquids immiscibles de densitat diferent.

Decantació d'un sòlid

És una tècnica en la qual, si s'inclina el recipient, es pot separar el líquid o sobrenedant, vessant-lo en un altre recipient sense que caigui el sòlid o sediment.

Decantació d'un líquid

S'utilitza per separar líquids immiscibles (com aigua i oli). S'introdueix la mescla en un embut de decantació i es deixa que reposi fins que els líquids se separen en dues capes. Després, s'obre la clau i es deixa sortir el líquid de la capa inferior, tancant la clau quan el líquid de la segona capa estigui a punt de sortir.

Filtració

Permet separar un sòlid que està en suspensió en un líquid. Consisteix a fer travessar la mescla per un filtre permeable i porós. El filtre permet el pas del líquid, però no el del sòlid.

Vaporització

S'utilitza per separar soluts sòlids dissolts (com sal i sucre). S'escalfa la solució en una càpsula de porcellana fins que el líquid s'ha evaporat del tot.

Cristal·lització

Consisteix a deixar la solució en un cristal·litzador perquè s'evapori a temperatura ambient. A mesura que la solució es concentra i se sobresatura, el solut es va cristal·litzant en forma de grans de cristalls.

Sublimació

Si una substància sublima en escalfar-la, només cal escalfar la mescla per separar-la. Tot seguit, s'haurà de refredar el gas perquè torni a sublimar a sòlid (sublimació inversa o deposició).

Separació magnètica (Imantació)

S'utilitza per separar substàncies amb propietats magnètiques (com metalls o aliatges ferromagnètics) d'altres que no en tenen.

Destil·lació

Tècnica que permet separar i recuperar els components líquids d'una solució. Consisteix a escalfar la mescla en un matràs; llavors, el líquid amb el punt d'ebullició més baix s'evapora primer, se separa de l'altre líquid i es condensa per recuperar-lo. S'usa, per exemple, amb l'alcohol i els seus derivats.

Teoria atòmica i models atòmics

Model atòmic de Dalton

• La matèria està formada per partícules extremadament petites, indivisibles i indestructibles anomenades àtoms.
• Cada element químic té tots els àtoms idèntics.
• Cada compost químic està format per la unió d’àtoms de diferents elements, sempre del mateix tipus i en la mateixa proporció.

Element químic: És aquella substància que no es pot descompondre en altres de més senzilles, perquè està formada per un únic tipus d’àtom.

Compost: És aquella substància que es pot descompondre en altres de més senzilles, perquè està formada per àtoms de més d’un tipus d’element.

Model atòmic de Thomson

• Va descobrir l’electró.
• Hi ha càrregues elèctriques de dos tipus, simbolitzades com a positives (+) i negatives (-).
• Les càrregues elèctriques de diferent tipus s’atreuen, mentre que les del mateix tipus es repel·leixen.
• Les càrregues elèctriques poden passar d’un objecte a un altre.
• Com més petita sigui la distància entre les càrregues, més gran serà la força d’atracció o de repulsió.

Thomson va descobrir que els electrons són partícules molt petites amb càrrega elèctrica negativa i va proposar un model atòmic segons el nou descobriment.

"Els àtoms estan formats per electrons, amb càrrega elèctrica negativa, que estan distribuïts per una esfera de matèria de càrrega positiva. L’àtom és elèctricament neutre."

Model atòmic de Rutherford

Va concloure que gairebé tota la matèria estava acumulada en un petit volum, el nucli, i la resta de l’àtom estava pràcticament buit.

• Els àtoms tenen dues zones diferenciades: el nucli atòmic i l’escorça electrònica.
• El nucli és molt petit comparat amb l’àtom, però conté gairebé tota la massa i tota la càrrega positiva.
• Els electrons giren al voltant del nucli en un espai molt més gran. El nombre d’electrons iguala la càrrega positiva del nucli i, per tant, l’àtom és elèctricament neutre.

Més tard es van descobrir els protons i els neutrons.

Protons: Tenen la mateixa càrrega elèctrica que els electrons, però positiva, i una massa molt més gran.

Neutrons: No tenen càrrega elèctrica i la seva massa és gairebé idèntica a la del protó.

Nombre atòmic (Z): És el nombre de protons que té un àtom. Tots els protons de l’àtom es troben al nucli. Un element químic es caracteritza perquè tots els seus àtoms tenen, al nucli, el mateix nombre de protons.

Nombre màssic (A): És el nombre total de partícules que hi ha al nucli d’un àtom, és a dir, la suma del nombre de protons i el nombre de neutrons.

N (neutrons) = A - Z

Isòtops: Són aquells àtoms que tenen el mateix nombre atòmic (Z), però un nombre màssic (A) diferent.

Massa atòmica relativa: És la mitjana ponderada de les masses dels seus isòtops naturals. Es calcula sumant el resultat de les multiplicacions entre la massa atòmica i l'abundància de cada isòtop i, finalment, dividint-la entre 100.

Abundància isotòpica natural: És el percentatge de cadascun dels isòtops que hi ha a la natura formant un element.

Radioisòtops

Tipus de radiació: Radiació alfa (α), Radiació beta (β), Radiació gamma (γ).

Període de semidesintegració: És el temps que triguen a desintegrar-se la meitat dels nuclis inicials del radioisòtop.

Aplicacions dels radioisòtops en medicina

• Fer exploracions diagnòstiques: Consisteix a injectar al pacient una solució amb radioisòtops d'aquells elements que tendeixen a incorporar-se a l'òrgan del qual es vol fer el diagnòstic.
• Tractar el càncer: L'energia de la radiació s'usa amb fins terapèutics per destruir cèl·lules canceroses. Consisteix a subministrar petites dosis de radiació, concentrada en els teixits cancerosos.

Fissió nuclear

És un procés en el qual s'allibera una gran quantitat d’energia. El vapor d’aigua a pressió generat mou unes turbines acoblades a uns generadors elèctrics, que produeixen corrent elèctric.

Riscos

• Les reaccions nuclears es poden descontrolar accidentalment.
• S’hi generen residus radioactius que no es poden tractar fàcilment per convertir-los en innocus i han de ser aïllats del medi ambient amb molta cura.

Fusió nuclear

Es produeix quan nuclis petits s’uneixen per formar nuclis amb més massa. En aquest procés es desprèn una gran quantitat d’energia.

Qualitats

• És un procés que desprèn una quantitat d’energia més gran que la fissió.
• El combustible que s’hi utilitza és l’hidrogen, un element que abunda als mars i oceans.
• És un procés més net que la fissió perquè no genera tants residus radioactius.

L’únic inconvenient és que les altes temperatures que s'assoleixen necessiten unes instal·lacions especialitzades que encara es troben en fase experimental.

Estructura de la matèria

Elements a la natura

Elements naturals

• Els elements a la Terra:
  • El ferro és l’element que més abunda en el nostre planeta. Es troba principalment al nucli terrestre.
  • A l’escorça terrestre, els dos elements més abundants són l’oxigen i el silici.
• Els elements en els éssers vius: El 99% de la matèria viva està constituïda únicament per 6 elements: oxigen, carboni, hidrogen, nitrogen, calci i fòsfor.
  • Oligoelements: Són una petita quantitat d'altres elements que formen la matèria del nostre cos, com el cobalt, el coure, el zinc, el seleni o el fluor.
• Els elements a l’univers: Els més lleugers i abundants són l'hidrogen i l'heli.

La taula periòdica dels elements

La va crear el científic Dmitri Mendeléiev. Ell va ordenar els elements en ordre creixent de massa atòmica i va agrupar en columnes aquells que tenien propietats químiques semblants. La taula periòdica actual deriva d'aquella primera taula, però ha estat força modificada, ja que els elements s'ordenen segons el nombre atòmic (Z) i no per la massa atòmica.

Grups d'elements a la taula periòdica

• Alcalins: Són els elements del grup 1 (tret de l'hidrogen). Són metalls de baixa densitat.
• Halògens: Són els elements del grup 17. Són molt corrosius i reaccionen amb els metalls formant sals.
• Gasos nobles: Són els elements del grup 18. Són molt estables i rarament es combinen amb altres elements; només ho fan en condicions molt extremes.

Propietats periòdiques

Caràcter metàl·lic

Està relacionat amb les propietats físiques i químiques dels elements. Aquest caràcter disminueix a mesura que ens desplacem cap a la dreta per un període; per això, el caràcter dels primers grups és molt més gran que el dels últims.

• Metalls: Tenen un aspecte lluent i estan freds quan els toquem, perquè són molt bons conductors de la calor.
• No-metalls: No tenen propietats metàl·liques. Molts d’aquests són gasos, però també n’hi ha que tenen el punt de fusió força elevat.
• Semimetalls: Són elements difícils de classificar, perquè tenen característiques intermèdies entre els metalls i els no-metalls.

L'enllaç químic

Consisteix en la cessió, presa o ús compartit d’electrons entre dos àtoms, de manera que tots dos aconsegueixen la configuració electrònica de gas noble, és a dir, condicions de total estabilitat.

Molècules i xarxes cristal·lines

Una molècula és una agrupació discreta d'àtoms. Si els àtoms que s'uneixen són del mateix element, es formarà una substància química elemental, mentre que si són de diferents elements, tindrem un compost químic.

Nomenclatura de compostos binaris

• Òxids: Hi intervé l'oxigen i qualsevol altre element (Ex: CO₂ = diòxid de carboni).
• Hidrurs: Hi intervé l'hidrogen i qualsevol altre element (Ex: CoH₃ = trihidrur de cobalt).
• Sals: Hi intervé un element metàl·lic i un no metàl·lic (Ex: NaCl = clorur de sodi).
• Combinació de no-metalls: L'element situat a la dreta de la fórmula s'anomena amb la terminació -ur, tret de l'oxigen, que s'anomena òxid.

Tipus de substàncies segons l'enllaç

Substàncies moleculars

• Unió d'àtoms que formen molècules (del mateix element o de diferents elements).
• Formen una estructura estable perquè comparteixen electrons (enllaç covalent).
• A temperatura ambient són gasos o líquids.
• Canvien d'estat fàcilment i no condueixen el corrent elèctric.

Substàncies atòmiques (cristalls covalents)

• Substàncies formades per xarxes cristal·lines, gràcies a l'enllaç covalent.
• Aquesta xarxa forma cristalls atòmics units per forts enllaços covalents.
• Són sòlids, densos, insolubles i no condueixen el corrent elèctric.

Substàncies iòniques

• És la unió entre un element metàl·lic i un no metàl·lic.
• Aquest tipus d'enllaç s'anomena enllaç iònic.
• Són sòlids durs però fràgils.
• No condueixen l'electricitat en estat sòlid, però sí en estat líquid o dissoltes.

Substàncies metàl·liques

• Formades per àtoms d'elements metàl·lics (Ex: Na, Fe...).
• L'enllaç que uneix aquestes substàncies s'anomena enllaç metàl·lic.
• Formen substàncies sòlides, mal·leables i dúctils.
• Són insolubles en qualsevol dissolvent.
• Condueixen força bé la calor i el corrent elèctric.

Llista d'elements químics

H

Hidrogen

Li

Liti

Na

Sodi

K

Potassi

Rb

Rubidi

Cs

Cesi

Fr

Franci

Be

Beril·li

Mg

Magnesi

Ca

Calci

Sr

Estronci

Ba

Bari

Ra

Radi

Al

Alumini

Ga

Gal·li

In

Indi

Tl

Tal·li

C

Carboni

Si

Silici

Ge

Germani

Sn

Estany

Pb

Plom

N

Nitrogen

P

Fòsfor

As

Arsènic

Sb

Antimoni

Bi

Bismut

O

Oxigen

S

Sofre

Se

Seleni

Te

Tel·luri

Po

Poloni

F

Fluor

Cl

Clor

Br

Brom

I

Iode

At

Àstat

He

Heli

Ne

Neó

Ar

Argó

Kr

Criptó

Xe

Xenó

Rn

Radó

Cr

Crom

Mn

Manganès

Fe

Ferro

Co

Cobalt

Ni

Níquel

Pd

Pal·ladi

Pt

Platí

Cu

Coure

Ag

Argent (Plata)

Au

Or

Zn

Zinc

Cd

Cadmi

Hg

Mercuri

B

Bor