Tema 2: La diversitat de la matèria

1 Introducció

A la natura, i en general al nostre voltant, és molt difícil que trobem substàncies o materials purs. L’aigua destil·lada, el ferro, el coure o l’or són exemples de substàncies pures però generalment, no trobem mai l’aigua destil·lada, sinó aigua amb sals dissoltes, i els metalls com el ferro, el coure o l’or generalment presenten impureses.
És a dir, normalment, trobem barreges (homogènies o heterogènies) de diferents materials.
En aquest tema anem a recordar com classifiquem la matèria que ens envolta, com podem separar diferents parts d’elles i estudiarem més a fons un cas particular de les mescles: les dissolucions.
2.2 Teoria cinètica
La teoria cinètica molecular o teoria cineticomolecular de la matèria és una teoria física que explica el comportament i propietats macroscòpiques de la matèria a partir d’una descripció estadística dels processos moleculars microscòpics. En altres paraules, explica les propietats i el comportament dels diversos estats d’agregació de la matèria. La teoria cinètica es va desenvolupar amb base en els estudis de físics com Ludwig Boltzmann i James Clerk Maxwell al final del segle XIX. La teoria cineticomolecular està basada en tres postulats:
1. La matèria està constituïda per partícules molt petites, pràcticament invisibles llevat que disposem d’un microscopi electrònic: Podem parlar de molècules, àtoms, electrons, protons, neutrons i d’altres fins i tot més petites.
2. Les partícules exerceixen entre si forces d’atracció que les mantenen unides: En els sòlids, la intensitat de la força és molt gran; en els líquids, moderada, i en els gasos, molt petita.
3. Les partícules estan en moviment constant:
Les partícules dels sòlids gairebé no es mouen, només vibren. Les partícules dels gasos es mouen independentment les unes de les altres, i en els líquids es dóna una situació intermèdia. Recordem que com més elevada és la temperatura de la matèria, més vibraran les seves partícules.
2.2.1 La teoria cinètica dels gasos
Els gasos es caracteritzen per les seves propietats: són fluids i adopten la forma del recipient on són ja que ocupen sempre tot l’espai disponible. Són fàcilment compressibles quan se’ls aplica pressió i, si s’escalfen, es dilaten molt.
Aquestes propietats s’expliquen mitjançant la teoria cineticomolecular. Per tal que aquesta teoria ens resulti senzilla, cal definir el concepte de gas ideal que compleix que:
1. El volum de les seves molècules és negligible en comparació del volum que ocupen.
2. Les molècules es mouen en línia recta i en totes direccions ja que la força d’atracció entre elles és molt petita.
3. En el seu moviment, les molècules xoquen entre elles de manera elàstica (sense perdre energia) i contra les parets del recipient on es troben. Aquests xocs contra les parets són la causa de la pressió que exerceixen els gasos.
Els gasos ideals compleixen les següents lleis:
Llei de Boyle i Mariotte: Per a qualsevol quantitat d’un gas, el volum que ocupa és inversament proporcional a la pressió a la que es troba, sempre que la temperatura es mantingui constant.

És a dir, a temperatura constant, si augmenta la pressió disminueix el volum del gas. Matemàticament s’expressa així:
P · V = constant          o          P1 · V1 = P2 · V2

Primera llei de Charles i Gay Lussac: A pressió constant, el volum d’un gas és proporcional a la seva temperatura. És a dir, a pressió constant, el volum del gas augmenta amb la temperatura.Matemàticament s’expressa així:

Segona llei de Charles i Gay Lussac: A volum constant, la pressió d’un gas és proporcional a la seva temperatura. És a dir, a volum constant, la pressió del gas augmenta amb la temperatura. Matemàticament s’expressa així:

Aquestes tres lleis es poden combinar en una única expressió que s’anomena llei general dels gasos:
PV=nRT
On, P és la pressió, V és el volum, n és el nombre de mols o quantitat de partícules, R és la constant dels gasos ideals i T la temperatura en Kelvin.

2.3 Classificació de la Matèria
Esquemàticament podem classificar la matèria de la següent forma:

Anem a repassar els conceptes:
Mescla heterogènia: barrega formada per components visiblement diferents o de fases diferents i presenten una composició no uniforme, on se n’aprecien a simple vista els seus components:
Per exemple: l’aire ple de pols en una tempesta, aigua i oli, una amanida, etc…
Mescla homogènia: Barrega on els constituents no es poden distingir ni a simple vista ni amb un microscopi convencional, ja que presenta una distribució uniforme de les diferents partícules i qualsevol dels seus punts té la mateixa composició i propietats. Tota la mescla homogènia a més, presenta el mateix estat de la matèria.
Per exemple: l’aire, un café, l’aigua de la mar, etc.
Dins de les mescles homogènies es troben les dissolucions, un tipus molt freqüent de mescles, on un component minoritari (el solut) es dissol en un de majoritari (el dissolvent). Per exemple, en qualsevol refresc, que no és més que aigua amb gas, és una solució de diòxid de carboni (solut) amb aigua (dissolvent).
Existeixen cinc tipus de barreges homogènies que són:
Sòlid – sòlid (p.ex.: tots els aliatges, com ara el llautó).
Líquid – sòlid (p.ex.: l’aigua de mar).
Líquid – líquid (P.ex: el vi)
Gas – líquid (p.ex: el salfumant).
Gas – gas (p.ex.: l’aire).
Anem a estudiar millor una dissolució, per exemple, l’aigua de mar, des del punt de vista de la teoria cinètica:
L’aigua de mar està formada per l’aigua, que és el dissolvent, i la sal (NaCl) que és el solut. D’aquesta forma podem determinar que:
SOLUT + DISSOLVENT ==> DISSOLUCIÓ
Peró, que passa amb les partícules que formen aquesta dissolució. Analitzem les següent imatges:

Explica què ha passat:

2.4 Mètodes de separació de mescles
Segons siguen mescles heterogènies o homogènies hem d’emprar difrentes mètodes per separar els seus components.
Mescles Heterogènies
Tamisatge

Aquest procés permet separar dos sòlids amb un gra de mida diferent amb un tamís o garbell. Consisteix a fer passar la mescla a través de distints tamisos
Filtració

La filtració s’empra per a separar un sòlid mesclat amb un líquid amb el qual no és soluble, i consisteix a fer passar la mescla a través d’un paper de filtre que s’adapta a un embut. Per exemple, serveix per separar sorra i aigua ja que aprofita la diferent mesura de les partícules.
Decantació

La decantació és una tècnica que permet de separar un sòlid mesclat heterogèniament amb un líquid amb el qual és insoluble o bé dos líquids immiscibles de densitat diferent.
Per separar líquids immiscibles, com per exemple aigua i oli, cal introduir la mescla en un recipient anomenat embut de decantació i deixar que repose fins que els líquids se separen en dues capes. Després, s’obre la clau i es deixa sortir el líquid de la capa inferior (2) a poc a poc, i tanquem la clau quan falte poc perquè isca l’altre líquid (1) . Per no contaminar els components de la mescla en separar-los, no és convenient aprofitar ni el final del primer líquid ni el començament del segon. Finalment, cal agafar un altre recipient i recollir el segon líquid.
Separació magnètica

Serveix per separar mescles on un dels components té propietats magnètiques i l’altre no. Es poden fer servir vidres de rellotge i un imant.

Mescles Homogènies
Cristal·lització

Permet separar sòlids dissolts en un líquid. Es basa en les diferents temperatures d’evaporació del sòlid i del líquid. Per norma general, els sòlids tenen temperatures d’evaporació major que les del sòlid, per tant, si aconseguim evaporar només el líquid quedaria sols el sòlid.
Destil·lació

Destil·lació és un mètode de separació de substàncies químiques basat en les diferents volatilitats que presenten cadascuna. Aquest procés s’utilitza sobretot per tal de separar o purificar els components d’una mescla líquida.

2.5 Dissolucions
Si mesclem aigua amb sal o aigua amb alcohol, obtenim un líquid clar en el qual no podem distingir a ull nu o amb l’ajuda d’un microscopi tots els components que hi són presents. Diem aleshores que la sal i l’alcohol són solubles en aigua i la mescla preparada l’anomenem dissolució. Les substàncies que formen una dissolució s’anomenen solut i dissolvent.
El dissolvent és el component que té el mateix estat físic de la dissolució (sòlid, líquid o gasós), o el que hi és en major proporció si tots dos estan en el mateix estat. El solut és el que està en menor proporció.
En els exemples anteriors l’aigua seria el dissolvent i la sal o l’alcohol, el solut. Una de les característiques de les dissolucions és que són homogènies, és a dir, que qualsevol porció de la dissolució té la mateixa composició, i per tant, les mateixes propietats. Fixem-nos bé en la diferència amb una reacció química: en formar una dissolució no es trenquen enllaços per formar-ne de nous.
2.5.1 La concentració de les dissolucions
Per descriure una dissolució cal conèixer els components que la formen i la proporció en què es troben. La concentració d’una dissolució expressa la quantitat de solut que es troba dissolt en una determinada quantitat de dissolució.
Una dissolució diluïda conté una quantitat de solut molt petita comparada amb la quantitat de dissolvent.
Una dissolució concentrada conté una quantitat molt gran de solut respecte de la quantitat de dissolvent.
A la dreta podem veure dos exemples de dissolucions, una de diluïda i una de concentrada de les mateixes substàncies: sulfat de coure (II) en aigua. Fixem-nos que la dissolució diluïda presenta un color blau més clar que la concentrada.
També existeixen les dissolucions
Les unitats que s’utilitzen més freqüentment per expressar la concentració d’una dissolució són: Percentatge en massa, percentatge en volum i grams per litre. Sense oblidar el concepte de densitat.
El percentatge en massa (% en massa): Expressa els grams de solut per cent grams de dissolució (no de dissolvent!).

El percentatge en volum (% en volum): Expressa el volum de solut (litres, m3 cc, ml, etc…) que es troba dissolt en 100 volums de dissolució. Aquesta unitat s’utilitza per dissolucions on el solut és líquid o gas.

Els grams per litre (g/l): expressen els grams de solut que es troben dissolts en un litre de dissolució. S’acostuma a utilitzar quan el solut és sòlid i el dissolvent és líquid.

2.6 Solubilitat
La quantitat de solut que es pot dissoldre en una quantitat determinada d’un dissolvent és limitada. El sucre, per exemple, és soluble en aigua, però si en un got d’aigua afegim cada vegada més i més sucre, arribarà un moment en què aquesta ja no es dissolgui més i es dipositi en el fons. A més, es dissol més quantitat de sucre en aigua calenta que en aigua freda.
La quantitat màxima (en grams) de qualsevol solut que es pot dissoldre en 100 g d’un dissolvent a una temperatura donada s’anomena solubilitat d’aquest solut a aquesta temperatura. Així, la solubilitat s’expressa en grams de solut per 100 g de dissolvent.
La solubilitat d’una substància pura en un determinat dissolvent i a una temperatura donada és una altra de les seves propietats característiques.
Quan una dissolució conté la màxima quantitat possible de solut dissolt a una temperatura donada, diem que està saturada a aquesta temperatura. En aquest cas, si afegim més solut, aquest es quedarà sense dissoldre.
2.6.1 La solubilitat dels gasos
Quan s’eleva la temperatura d’una dissolució d’un gas en un líquid, s’observa, comunament, que li gas es desprèn. Això es produeix perquè la solubilitat dels gasos en els líquids disminueix en augmentar la temperatura. Exemple: Una beguda carbònica a temperatura ambient té menys gas dissolt que si està freda, això és perquè a major temperatura es dissol menys quantitat de gas i part d’aquest s’escapa.
2.6.2 Corbes de solubilitat
En general, la solubilitat d’una substància en un determinat dissolvent augmenta a mesura que s’eleva la temperatura. Si es recull en el laboratori la quantitat d’una sal que es dissolen en 100 g d’aigua a diferents temperatures obtenim les següents dades:
Podem observar que el nitrat de potassi és la substancia que més varia la seua solubilitat, mentre que la del bromur de potassi és la que te una relació més lineal. Finalment podem veure que la substancia menys soluble quasi sempre es la dels sulfat de coure (II).
2.7 Exercicis
Annex 1
Annex 2
Annex 3
Annex 4

Deixa un comentari

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