4. Les reaccions químiques

ÍNDEX dels CONTINGUTS de la UNITAT

1. Canvi físic. Canvi químic

2. Les reaccions químiques

2.1. Velocitat de les reaccions químiques

2.2. Les equacions químiques

3. Llei de conservació de la massa.

4. El mol

5. Estequiometria.

6. Tipus de reacció químiques.

7. Àcids i bases. Escala de pH

8. Les solucions.

1. CANVI FÍSIC I CANVI QUÍMIC

Un canvi és la transformació d’un sistema al llarg del temps. Aquest canvi pot ser físic o químic:

Canvi físic:

En els processos en els quals existeix un canvi físic, la naturalesa bàsica de les substàncies que intervenen no sofreix cap alteració.

Per exemple, en els canvis d’estat, la substància que canvia d’estat segueix sent la mateixa: en escalfar aigua líquida obtenim vapor d’aigua, tant la substància que teníem a l’inici –aigua líquida– com la que obtenim al final del procés –vapor d’aigua– són la mateixa substància: aigua. No obstant això, les seves propietats físiques canvien d’un estat a l’altre (estat d’agregació, conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica, densitat, calor específica, etc.). En aquest cas, la substància que sofreix un canvi físic, no experimenta cap canvi en la seva composició.

Els canvis físics són transformacions que no alteren la naturalesa de les substàncies. És a dir, no produeixen substàncies diferents de les inicials.

Canvi químic:

Una reacció química (o canvi químic) és un procés en el qual unes substàncies (o espècies químiques) inicials, amb unes propietats característiques determinades, denominades reactius, es transformen en altres substàncies (o espècies químiques) finals, denominades productes de la reacció, les quals tenen altres propietats característiques diferents de les dels reactius. Es podria dir que es produeix un canvi en la naturalesa bàsica de les substàncies. Les substàncies inicials i finals són totalment diferents, encara que els àtoms que formaven les substàncies inicials són els mateixos que els que trobem al final de la reacció, s’han reagrupat de manera diferent.

Els canvis químics impliquen una modificació o transformació de la matèria. Això vol dir que hi ha una reordenació d’àtoms i que es formen nous enllaços químics.

Per exemple: La gasolina dels dipòsits de cotxes sembla que desapareix en fer recorreguts, però no és ben bé així, el que succeeix és que matèries inicials (gasolina i oxigen) es transformen en substàncies resultants (diòxid de carboni i vapor d’aigua) que són gasos i s’expulsen a l’atmosfera pel tub d’escapament.

Gasolina + oxigen   =   diòxid de carboni + vapor d’aigua

Els canvis químics són transformacions que alteren la naturalesa química de les substàncies i fan que apareguin substàncies diferents de les inicials.

En les reaccions químiques es produeixen canvis en l’estructura electrònica deguts al trencament d’enllaços químics de les espècies químiques inicials (reactius) i la formació de nous enllaços químics per formar noves substàncies (productes de la reacció). En canvi, en les reaccions nuclears, els canvis es produeixen en l’estructura nuclear i del seu estudi s’ocupa la branca de la Física, coneguda com a Física Nuclear.

vull tornar a l’índex del tema

2. LES REACCIONS QUÍMIQUES

Els canvis químics són el resultat d’un procés anomenat reacció química.

En tota reacció química les substàncies inicials que es transformen s’anomenen reactius i les substàncies noves que apareixen a causa de la transformació s’anomenen productes.

Les reaccions químiques són processos en els quals els àtoms trenquen els seus enllaços químics i formen altres nous, canviant la naturalesa de les substàncies que hi intervenen. Essencialment, podríem dir que en una reacció química, la composició de les substàncies que s’obtenen (productes de la reacció) és completament diferent de la de les substàncies que les van originar (reactius).

En ser els reactius i els productes substàncies diferents tenen propietats diferents: color, olor, sabor, densitat, viscositat, punt de fusió, etc.

Per exemple, en exposar un clau de ferro a l’aire, observem que, amb el temps, el clau adquireix una tonalitat marró– vermellosa: el ferro ha estat oxidat per l’oxigen contingut en l’aire i s’ha format una capa d’òxid de ferro (II) sobre la superfície del clau exposada a l’aire. La composició d’aquest òxid, que és el producte de la reacció, és diferent de la composició del ferro i a la de l’oxigen, que són els reactius de la reacció.

Les reaccions químiques tenen les següents característiques:

– les substàncies presents inicialment, anomenades reactius, desapareixen més o menys completament,

– apareixen una o més substàncies noves, anomenades productes, a mesura que van desapareixent els reactius,

– les propietats dels productes són, en general, molt diferents de les dels reactius,

– una reacció química implica un canvi d’energia (o calor) del sistema, en passar de reactius a productes. Així que les reaccions químiques van acompanyades normalment d’emissió o absorció d’energia, com per exemple calor, llum o electricitat. Una reacció és exotèrmica si allibera energia, i endotèrmica si cal aportar-li energia perquè tingui lloc. Els canvis energètics associats a les reaccions químiques són estudiats per una subdivisió de la branca de Química Física, denominada Termodinàmica Química.

-les reaccions químiques es produeixen a una velocitat determinada, que depèn de diversos factors (tipus de reacció, temperatura, presència de catalitzador o enzim). De l’estudi de les velocitats de reacció, s’ocupa altra subdivisió de la branca de Química Física, anomenada Cinètica Química.

La Termodinàmica Química ens permetrà conèixer si un procés és viable, de manera espontània, energèticament, sense necessitat de realitzar realment. L’estudi cinètic de les reaccions químiques ens permetrà saber si, encara que el procés sigui viable termodinàmicament parlant, ho serà realment causa de la seva velocitat de reacció.

vull tornar a l’índex del tema

2.1 VELOCITAT D’UNA REACCIÓ QUÍMICA

Algunes reaccions químiques es produeixen de manera gairebé instantània, per exemple les que donen lloc a una explosió. D’altres poden requerir minuts o hores, com les que es produeixen quan es cuinen els aliments. Algunes poden necessitar dies, com quan es podreix una fruita. N’hi ha que requereixen anys, de manera que resulten imperceptibles, per exemple les reaccions que deterioren o formen les roques.

La velocitat de reacció es defineix com la quantitat de reactiu que es transforma per unitat de temps, o bé la quantitat de producte que es forma per unitat de temps.

La velocitat d’una reacció està relacionada amb diferents factors. Per comprendre com hi influeixen aquests factors, cal partir de la idea que perquè dues substàncies reaccionin és necessari que les seves partícules entrin en contacte.

En realitat el que fan les partícules és xocar entre si. Si el xoc es produeix amb una determinada orientació i les partícules tenen una energia mínima necessària, anomenada energia d’activació, es pot produir la reacció. Això és el que proposa la teoria de les col·lisions.

Factors que influeixen en la velocitat de reacció:

Segons la teoria de les col·lisions, els factors que influeixen en la velocitat de reacció seran els mateixos que els relacionats amb els xocs entre les partícules i amb la seva energia. Així, si es vol augmentar la velocitat d’una reacció es pot optar per:

– Augmentar la concentració dels reactius. Com que hi ha més quantitat de partícules hi haurà més xocs i també augmentarà la probabilitat de xocs que tinguin l’orientació adequada.

– Augmentar la temperatura. Així augmenta l’energia cinètica de les partícules. Hi haurà més partícules que tinguin un valor d’energia igual o superior a l’energia d’activació. També hi haurà més mobilitat en les partícules, la qual cosa farà augmentar el nombre de xocs.

Augmentar el grau de divisió dels reactius. D’aquesta manera hi ha més superfície de contacte i així s’incrementa el nombre de xocs.

Afegir un catalitzador al sistema en reacció. Un catalitzador és una substància que modifica la velocitat de reacció sense experimentar cap alteració permanent, ja que no intervé en la reacció, per la qual cosa es pot recuperar al final del procés. Actua disminuint l’energia que necessiten les partícules per poder reaccionar.

vull tornar a l’índex del tema

2.2. L’EQUACIÓ QUÍMICA

Les reaccions químiques se simbolitzen mitjançant equacions químiques.

Les equacions químiques són expressions matemàtiques abreujades que s’utilitzen per descriure el que succeeix en una reacció química en els seus estats inicial i final.

Hi figuren dos membres; en el primer, els símbols o fórmules dels reactius i en el segon els símbols o fórmules dels productes.

Per separar els dos membres s’utilitza una fletxa que generalment es dirigeix cap a la dreta, indicant el sentit de la reacció. Quan hi ha més d’una substància en els reactius o en els productes se separen amb el signe de sumar +. :


Ex: Reacció de combustió: el metà pot reaccionar amb oxigen per formar diòxid de carboni i aigua

CH4 + 2 O2    =    CO2 + 2 H2O

A més, sol indicar l’estat físic en què es troben les diferents substàncies participants, mitjançant uns símbols que es col·loquen entre parèntesis darrere de cadascuna d’elles. Aquests símbols són:

  • (s) que indica que la substància està en estat sòlid.
  • (l) que indica que la substància està en estat líquid.
  • (g) que indica que la substància en estat gasós.
  • (aq) que indica que la substància es troba dissolta en aigua.

A vegades veiem equacions en què els reactius i els productes no porten cap mena d’indicació, ja que per a l’explicació, la pràctica o els exercicis que estem tractant no es considera rellevant l’estat de les substàncies que hi intervenen.

Si els reactius estan en estat sòlid, líquid o en dissolució i com a producte de la reacció s’obté un gas, es pot simbolitzar en l’equació química amb una fletxa cap amunt.

Si els reactius estan en estat líquid o en dissolució i com a conseqüència de la reacció es produeix un producte sòlid, es diu que precipita i es pot simbolitzar en l’equació química amb una fletxa cap avall.

El nombre d’àtoms de cada element roman constant en una reacció química, ja que com s’ha indicat un canvi químic consisteix en una reordenació dels àtoms, amb ruptura d’enllaços i formació d’altres nous, però sense crear ni destruir àtoms en el procés (en aquest cas es parlaria d’una reacció nuclear).

En escriure una equació química es posa de manifest que es verifica la llei de conservació de la massa.

vull tornar a l’índex del tema

3. LLEI DE CONSERVACIÓ DE LA MASSA

Des dels inicis de la química, un dels camps de treball va ser l’estudi de les relacions que hi ha entre les quantitats dels productes i dels reactius que intervenen en una reacció. A finals del segle XVIII i principis del XIX es van publicar les lleis fonamentals que regeixen aquest aspecte dels processos químics, anomenades lleis ponderals.

La primera d’aquestes lleis va ser la Llei de la conservació de la massa o llei de Lavoisier. Lavoisier (1743-1794 ) va ser el gran innovador de la química i és considerat el pare de la química moderna:

En tota reacció química la massa total dels reactius que reaccionen és igual a la massa total dels productes que se n’obtenen.

Comprovar aquest principi de vegades és difícil, ja que en moltes reaccions hi ha implicats gasos i resulta complicat mesurar-ne la massa.
La llei de la conservació de la massa és conseqüència del fet que en una reacció química no es formen àtoms nous, sinó que només es recombinen per formar els reactius. El nombre d’àtoms de cada element no varia durant el procés; per tant, no es crea ni es destrueix massa.

 4. EL MOL

En el Sistema Internacional d’unitats (SI) el mol és la unitat de la magnitud quantitat de substància (n), i correspon a la quantitat d’una substància que conté 6,022·1023 partícules.

El nombre 6,02·1023 s’anomena constant o nombre d’Avogadro, en honor al científic italià Amedeo Avogadro (1776-1856) i se simbolitza amb NA.

El concepte de mol és fàcil d’entendre si es pensa que és similar al de dotzena. Una dotzena és la quantitat de substància que conté dotze «partícules», un nombre útil en situacions de la vida quotidiana però molt petit per referir-se a àtoms. Si es pensa en el concepte de dotzena, es podria dir, que una dotzena de cotxes té una dotzena de volants i quatre dotzenes de rodes (4 · 12 = 48 rodes).

El que pesa una dotzena no es pot saber, ja que depèn de què és la dotzena (no pesa el mateix una dotzena d’ous que una dotzena de llibres); el que sí que sabem, però, és que conté dotze elements. Amb el mol passa exactament el mateix: sabem el nombre de partícules que conté, però la massa del mol depèn de les partícules que el formen. No pesa igual un mol d’hidrogen que un mol d’oxigen o que un mol d’aigua, donat que no pesen igual els àtoms d’hidrogen que els d’oxigen…

El mol conté aquest nombre tan elevat de partícules (6,02214129×1023 ) perquè justament aquest nombre d’àtoms té una massa (en g) que coincideix amb el pes atòmic de cada element.

La massa d’un mol de qualsevol substància és numèricament igual a la massa de les seves partícules expressada en grams. Aquesta es coneix com a massa molar (M) i té unitats g/mol.

El pes atòmic del H = 1 doncs 6,02×1023 àtoms d’H (1 mol d’H) pesa justament 1g

El pes atòmic de l’O= 16 doncs 6,02×1023 àtoms d’O (1 mol d’O) pesa justament 1g

Si vols una explicació llarga i molt entenedora sobre el concepte de mol és recomanable que et llegeixes aquests apunts amb una llarga (però fàcil!) explicació sobre el concepte del mol.

Les reaccions químiques: canvis físics i químics, equacions de les reaccions, càlcul de la massa i el volum, la importància de les reaccions químiques.

vull tornar a l’índex del tema

5. ESTEQUIOMETRIA

Als químics els interessa conèixer la massa de reactius que necessiten per obtenir una quantitat de producte determinada en una reacció química, o la quantitat de producte que poden obtenir a partir d’una determinada quantitat de reactius. Els càlculs que cal fer per resoldre aquestes qüestions es diuen càlculs estequiomètrics.

Estequiometria vol dir estudi quantitatiu de les reaccions químiques, o, expressat d’una altra forma, càlculs numèrics aplicats a les reaccions per tal de resoldre qüestions com ara la quantitat d’una substància que es combina amb una altra.

Per realitzar els càlculs estequiomètrics cal disposar de l’equació química ajustada de la reacció. Llavors podem conèixer la quantitat de molècules d’un producte que es pot obtenir a partir d’una certa quantitat de molècules dels reactius.

Atès que la massa no es crea ni es destrueix, sinó que només es transforma (Llei de conservació de la massa), han d’haver-hi els mateixos àtoms de cadascun dels elements que intervenen en la reacció química, a un costat i a l’altre de l’equació química, és a dir, en els reactius i en els productes.

Ajustar o igualar una equació química vol dir que el nombre d’àtoms de cada element ha de ser igual en els dos membres de l’equació.

No es poden modificar els subíndexs, ja que estaríem canviant una substància per una altra. Bàsicament, es tracta de trobar uns nombres, anomenats coeficients estequiomètrics, que posarem davant de cada espècie química que intervingui en la reacció amb la finalitat de què hi hagi el mateix nombre d’àtoms de cada element tant en els reactius com en els productes.

Els coeficients estequiomètrics defineixen una proporció de molècules o àtoms i per tant una proporció en mols.

LA PRESENTACIÓ QUE HEM VIST A L’AULA:


6. TIPUS DE REACCIONS QUÍMIQUES

Presentació de diapositives amb els apunts:


ÀCIDS I BASES

La taronja està molt àcida, un sabó amb un pH neutre, la contaminant pluja àcida….tot i que en la nostra vida quotidiana hem sentit parlar de substàncies àcides , de pH,… ben bé no sabem que són.

Des dels primers temps de la ciència, els químics van classificar els compostos inorgànics (els únics coneguts aleshores), en tres grans grups, basant-se en les propietats de les substàncies: àcids, bases i sals.

Aquests conceptes: àcids, base, pH estan estretament lligats amb l’estructura química i les propietats dels compostos químics.

ELS ÀCIDS

Els àcids són un grup de substàncies que presenten les següents propietats:

  • Tenen un gust àcid, com el vinagre, el suc de llimona i d’altres fruites i el sabor picant que tenen les begudes carbòniques degut a l’àcid carbònic.
  • Reaccionen amb alguns metalls i se’n desprèn hidrogen.
  • En solució aquosa condueixen el corrent elèctric.
  • Els àcids presenten la propietat de canviar el color d’indicadors i colorants naturals. Per exemple, el tornassol, una substància extreta de líquens, pren coloració vermellosa en dissolucions d’àcids. Els colorants del most de raïm, l’extracte de col llombarda, etc., també canvien de color en contacte amb un àcid.
  • Reaccionen amb els carbonats (marbre) amb l’alliberament de diòxid de carboni, CO2.
  • Ataquen les cèl·lules, cal utilitzar-los amb molta cura i evitar el contacte amb la pell i els ulls. Aquesta propietat s’utilitza per matar bacteris i impedir que es reprodueixin (conservació d’aliments en vinagre)
  • Si els àcids reaccionen amb àlcalis (bases) es neutralitzen les propietats d’ambdós.

En dissolució aquosa alliberen cations hidrogen, H+.

 

LES BASES

Les bases o àlcalis són un grup de substàncies que presenten les següents propietats:

  • Tenen gust amargant.
  • Són bases les solucions d’amoníac, el lleixiu (hipoclorit de sodi NaClO) i els hidròxids
  • Són untuoses i lliscoses i viscoses al tacte com el sabó.
  • En solució aquosa condueixen l’electricitat.
  • Reaccionen amb els àcids i en neutralitzen les propietats.
  • Produeixen canvis de color indicadors i pigments vegetals, donen coloració blava al paper tornassol.

En dissolució aquosa alliberen anions hidroxil  OH

APUNTS complets: ÀCIDS, BASES , pH, INDICADORS

El pH: una escala molt útil després de llegir la unitat didàctica pots comprovar que entens el concepte de pH, fent aquesta autoavaluació.

AMPLIACIÓ:


Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà Els camps necessaris estan marcats amb *