ESTUDI CIENTÍFIC DE LA MATÈRIA.

1. PRIMERES LLEIS CIENTÍFIQUES DE LA QUÍMICA ESTUDI CIENTÍFIC DE LA MATÈRIA. Tema 1. La teoria cineticomolecular de la matèria

2. Introducció • Estudiarem les primeres lleis relatives a les reaccions químiques estudiades utilitzant el mètode científic. • Per aquesta raó es diu que aquestes lleis estableixen la transició entre la Alquímia i la Química. • La majoria d’aquestes lleis han estat desenvolupades al segle XVIII • Hi a lleis referents a la massa a les reaccions químiques (lleis ponderals) i lleis referents al comportament del volum en reaccions entre gasos (lleis volumètriques)

3. Llei conservació de la matèria (Lavoisier) Esquema general Lleis Ponderals Llei proporcions definides (Proust) Teoria atòmica de Dalton Llei proporcions múltiples (Dalton) Lleis fonamentals de la Química Llei dels volums de combinació (Gay-Lussac) Teoria atòmicomolecular Lleis Volumètriques Llei d’avogadro

4. Lleis Ponderals • Són aquelles que tenen a veure amb la massa de substància i la manera en que evoluciona a les reaccions químiques. • Llei de la conservació de la massa (Lavoisier) • Llei de les proporcions definides (Proust) • Llei de les proporcions múltiples (Dalton)

5. Llei de conservació de la MassaLavoisier • La massa no pot variar en cap procés físic o químic produït a la matèria. • La massa de reactius en una reacció química ha de ser igual a la massa productes. • En general la matèria ni es crea ni es destrueix, només es transforma. • Qüestions: • En la combustió d’una fusta, es conserva realment la massa? • En realitat, la massa es pot convertir en alguna altre cosa?

6. Llei de conservació de la MassaExemple pràctic. C + O2 ―› CO2 12 g 32 g INICIAL 44 g FINAL ÉS POSSIBLE!!! • Inicialment la massa total és 44 g • Al final la massa total és 44 g

7. Llei de conservació de la MassaExemple pràctic. C + O2 ―› CO2 10 g 32 g INICIAL 44 g FINAL ÉS IMPOSSIBLE!!! • Inicialment la massa total és 42 g • Al final la massa total és 44 g

8. Llei de les proporcions definidesProust • Sempre que dos o més elements es combinen per formar un mateix compost ho fan en una proporció en massa constant. • Berthollet va dubtar d’aquesta llei ja que amb les seves experiències va constatar que: • en ocasions dos elements es poden combinar en proporcions diverses (segons quin sigui el mètode experimental utilitzat) • Qüestió: • Què creus que passava amb aquesta aparent contradicció?

9. Llei de les Proporcions definidesExemple pràctic. C + O2 ―› CO2 12 g 32 g INICIAL 44 g FINAL La proporció en que es combinen és: 12g C = 32 g O2 3g C = 8 g O2

10. Llei de les proporcions definidesExemple pràctic. C + O2 ―› CO2 18 g 32 g INICIAL 6 g 44 g FINAL La proporció en que es combinen és: 12g C = 32 g O2 HAN DE SOBRAR 6 g de C !!!

11. Llei de les proporcions múltiplesDalton • Quan dos elements es combinen per formar més d’un compost, les quantitats d’un dels elements que es combinen amb una quantitat fixa de l’altre mantenen entre si una relació de nombres enters senzills. (2/1; 3/1; 3/2;..)

12. Llei de les proporcions múltiplesExemple pràctic. C + O2 ―› CO C + O2 ―› CO2 12 g 32 g 12 g 16 g INICIAL 44 g 28 g FINAL 32 g O21 2 = 1 16 g O22

13. Teoria atòmica de Dalton • Les lleis ponderals van suggerir a Dalton un comportament determinat de la matèria. Va recuperar la idea atomística de la matèria de Demòcrit i va enunciar la TEORIA ATÒMICA basada en els següents principis: • Tots els elements estan formats per àtoms petitíssims, que són partícules indivisibles i indestructibles. • Tots els àtoms d’un element són iguals pel que fa a la massa i a altres propietats, i diferents dels àtoms de qualsevol altre element. • Un compost químic no elemental està format per àtoms de compost, tots iguals entre ells. Cada àtom de compost està format per àtoms de diferents elements que es combinen en una relació de nombres enters senzills. • En una reacció química, els àtoms es recombinen, i així, unes substàncies es transformen en altres. Quines errades té la teoria atòmica de Dalton amb els coneixements del segle XXI?

14. Explicació de la llei de conservació de la massaper la Teoria Atòmica de Dalton • A les reaccions químiques els àtoms no es creen ni es destrueixen, només es recombinen. • Per tant la massa total del sistema no canvia al llarg d’un procés químic.

15. Explicació de la llei de les proporcions definidesper la Teoria Atòmica de Dalton C + O2 ―› CO2 12 g 32 g INICIAL 44 g FINAL Sempre que el carboni i l’oxigen es combinen per formar diòxid de carboni ho fan en una proporció definida i constant.

16. Explicació de la llei de les proporcions múltiplesper la Teoria Atòmica de Dalton C + O2 ―› CO C + O2 ―› CO2 12 g 32 g 12 g 16 g INICIAL 44 g 28 g FINAL El carboni es combina amb l’oxigen per formar dos compostos diferents. És normal que per una mateixa quantitat de carboni les quantitats d’oxigen mantinguin una relació de nombres enters sezills.

17. Lleis volumètriques • Tènen a veure amb el volum de combinació de gasos en les mateixes condicions de pressió i temperatura. • Llei dels volums de combinació (Gay-Lussac) • Llei d’Avogadro

18. Llei dels volums de CombinacióGay-Lussac • En les reaccions entre gasos, els volums de les substàncies que reaccionen i els volums dels productes, mesurats en les mateixes condicions de pressió i de temperatura, mantenen una relació de nombres enters senzills.

19. Llei dels volums de combinacióExemple pràctic 1. Cl + H ―› HCl 1 L 1 L INICIAL 2 L FINAL La proporció en que es combinen és: 1 L Cl2 = 1 L H2 = 2 L HCl A més a més sembla que el volum es conserva !!!

20. Llei dels volums de combinacióExemple pràctic 2. O + H ―› HO 1 L 2 L INICIAL 2 L FINAL La proporció en que es combinen és: 1 L O2 = 2 L H2 = 2 L H2O Doncs sembla que el volum no es conserva !!!

21. Llei dels volums de combinacióExemple pràctic 3. N + H ―› NH 1 L 3 L INICIAL 2 L FINAL La proporció en que es combinen és: 1 L N2 = 3 L H2 = 2 L NH3 DEFINITIVAMENT el volum no es conserva !!!

22. Llei d’Avogadro • En iguals condicions de pressió i de temperatura, volums iguals de gasos diferents contenen el mateix nombre de partícules.

23. Interpretació AvogadroExemple pràctic 1. Cl + H ―› 2HCl Cl2 + H2 ―› 2HCl Cl + H ―› HCl 1 L 1 L INICIAL 2 L FINAL Si el volum de clorur d’hidrogen és el doble que el d’hidrogen i el de clor, han de formar-se el doble de partícules. Això vol di que a la reacció, el clorur d’hidrogen ha de tenir in coeficient 2 Si la molècula de clorur d’hidrogen està formada per 1 àtom d’hidrogen i 1 àtom de clor , és necessari que el clor i l’hidrogen siguin diatòmics per tal que es conservi la matèria.

24. Interpretació AvogadroExemple pràctic 2. O2 + 2 H2 ―› 2 HO O2 + 2 H2 ―› 2 H2O O2 + H2 ―› HO 1 L 2 L INICIAL 2 L FINAL Suposem de partida que els elements no metàl·lics en estat gasós formen sempre molècules diatòmiques. Com que hi ha doble volum d’hidrogen i d’aigua que d’oxigen, hi haurà el doble de partícules. Posarem un coeficient 2 al Hidrogen i a l’aigua. Finalment, per mantenir invariable la quantitat de matèria és necessari que l’aigua tingui dos àtoms d’hidrogen

25. Interpretació AvogadroExemple pràctic 3. N2 + 3 H2 ―› 2 NH N2 + 3 H2 ―› 2 NH3 N2 + H2 ―› NH 1 L 3 L INICIAL 2 L FINAL Tornem a suposar molècules diatòmiques pel nitrogen i per l’hidrogen Com seguirà el raonament? Coeficient 3 a l’hidrogen i 2 a l'amoníac per tal de respectar la llei d’Avogadro. Finalment, l’amoníac ha de contenir 3 Hidrogens per tal de respectar la conservació de la matèria

26. Teoria atòmicomolecular • La llei de Gay-Lussac, conjuntament amb l llei d’Avogadro, van completar la teoria atòmica de Dalton. • A més de reconèixer que els elements químics els formen àtoms, també sabem que alguns formen molècules.

27. Postulats de la Teoria atomicomolecular • Tota la matèria està formada per àtoms molt petits, que són partícules indivisibles i indestructibles. • Tots els àtoms d’un element són exactament iguals pel que fa la massa i a la resta de propietats, i diferents dels àtoms de qualsevol altre element. • Totes les substàncies no elementals estan formades per molècules, que provenen de la unió d’àtoms en una determinada proporció. • Totes les molècules d’una mateixa substància són iguals entre elles i diferents de les molècules d’altre substància. • Les substàncies elementals poden estar formades per àtoms aillats o per molècules diatòmiques o poliatòmiques. • En una reacció química, els àtoms es recombinen i, així, unes substàncies es transformen en altres diferents.