Title: 3.4. Massa molecular i mol: introducció a les reaccions químiques.
Course: Física i Química 3r ESO 1r T

Massa atòmica i massa molecular

Massa atòmica i massa molecular

❓ Quant creieu que pot pesar un sol àtom de coure? o millor dit, què creieu que fa que un àtom de coure pesi? perquè... deu pesar, encara que molt poquet, oi? Si el posem sobre una balança de cuina... marcarà res? no, oi? però i si hi posem molts àtoms de coure? un bocí de coure

Definicions

MASSA ATÒMICA (m_A)

La massa atòmica és la massa d'un àtom en el seu estat fonamental.

- La massa atòmica es podria expressar en quilograms (kg) per tenir-la en unitats del Sistema Internacional, però per fer càlculs amb reaccions químiques resultaria una mica més complicat de calcular, ja que estaríem parlant de valors molt petits. El que es fa és expressar-les amb unitats de massa atòmica (u).
- Per calcular la massa atòmica, expressada en quilograms, cal conèixer el nombre atòmic de l'element i els isòtops dels quals està formada una substància (i la seva abundància) per conèixer el nombre de neutrons que té també el nucli, per tant, ens caldrà el nombre màssic.
- Per saber la massa atòmica, expressada en unitats de massa atòmica, tan sols cal que mirem quina és la massa atòmica promig dels isòtops en una taula periòdica, ja que aquesta massa es troba ja calculada per la majoria d'àtoms i es fa en relació a la massa de la dotzena part de la massa de carboni 12, que es correspon a una unitat atòmica.

MASSA MOLECULAR (m_M)

La massa molecular és la massa d'un conjunt d'àtoms formant una molècula o estructura molecular.

- Per calcular la massa molecular d'una substància expressada en quilograms hem de saber de quins àtoms està formada i quina quantitat hi ha de cada àtom en aquella molècula i a partir d'això sumar el nombre atòmic de cada un dels elements que conté tenint en compte el nombre de cops que es repeteix cada element.
- Per calcular la massa molecular d'una substància, expressada en unitats atòmiques, només cal sumar les masses atòmiques de tots els àtoms que apareixen en la seva fórmula.

Observem una representació de com seria un àtom de fluor de l'isòtop F-19. Fixeu-vos quants protons té, quants electrons i quants neutrons i mireu la taula de sota amb les masses que s'associen a cada una de les partícules.

Imatge/autoria (enllaç metàl·lic): @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

Massa i càrrega de les partícules subatòmiques
partícula | massa (Kg) | càrrega (Coulombs)
electró (e-)^ | 9,10938 · 10^-31 kg | - 1,6 · 10^-19C
protó (p+)^ | 1,67262 · 10^-27 kg | + 1,6 · 10^-19C
neutró ( n ) | 1,67492 · 10^-27 kg | 0

Drets de la imatge i taula / autoria: @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

- El F-19 té 9 electrons + 9 protons + 10 neutrons.
- la massa dels electrons és inapreciable si ho comparem amb la massa dels protons i neutrons, ja que és una mica més de 1000 vegades més petita, per tant, no la comptarem.
- m_A (F) = 9 protons + 10 neutrons = 9 (1,67262 · 10^-27) + 10 (1,67492 · 10^-27) = 3,18028 · 10^-26 kg

- m_A (F) (Taula Periòdica) = 18, 998 u \( \simeq \) 19 u

Determinació de la massa atòmica i molecular

grafia dels elements Hidrogen, Oxigen i Alumini, amb el símbol (O) amb el seu nombre atòmic  i la massa atòmica @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

- m_A (H) =  1,0 u
- m_A (O) =  15,999 u
- m_A (O2) =  15,999 · 2 \( \simeq \)  32 u
- m_A (Al) =  26,982 u \( \simeq \)  27u
- m_M (H_2O) = 1,0 u · (2 àtoms H)  + 15,999 u · (1 àtom d'O)   \( \simeq \) 18 u
- m_M(Al_2O_3) = 26,982  u · (2 àtoms Al)  + 15,999 u · (3 àtom d'O)   \( \simeq \) 102 u

Drets de la imatge/autoria: @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

💡 [Activitats] Relacionat amb aquestes unitats haureu de realitzar diferents càlculs sobre massa atòmica (m_A) i massa molecular (m_M).

El mol i el nombre d'Avogadro

El mol i el nombre d'Avogadro

Tal i com hem vist, en descriure els elements cada un d'ells té asssociat un nombre atòmic, donat pel nombre de protons al nucli, i també un nombre màssic, donat pel nombre de protons i neutrons, però ara hem vist que també existeix la massa atòmica, que, un cop o extrapolem a substàncies amb fórmula coneguda, representa el pes real que tenen les substàncies a nivell atòmic o molecular (i per això parlem també de massa molecular o pes molecular quan parlem de molècules).

Per què diem tot això, doncs perquè per tal de saber el nombre de partícules elementals (àtoms, molècules, ions, electrons, protons, neutrons, etc) que conté una quantitat determinada de substància s'utilitza el Nombre d'Avogadro. Aquest nombre és una constant que s'utilitza molt en Química per saber el nombre de partícules que conté una quantitat determinada de matèria.

Nombre d'Avogadro (N_A) = 6,022·10^23 partícules / mol

Aquest nombre agafa el nom d'un científic italià (Amadeo Avogadro, que va néixer a finals del s.XVIII, però el seu ús s'atribueix al físic francès Jean Perrin (1870–1942).

Si observem una taula periòdica i ens fixem en l'element Ferro, veurem que un dels números que l'acompanya és 55,8. Aquest valor, lligat al nombre d'Avogadro, vindria a dir que 55,8 grams de ferro contindrien 6,022·10^23 àtoms de Ferro. Passaria el mateix per la resta d'àtoms i a la vegada, per la resta de compostos, pels quals es sumarien les masses atòmiques de cada un dels àtoms que formen un compost tenint en compte també les seves repeticions, ho veurem una mica més endavant per introduir un nou concepte. El mol. Doncs bé, un mol és la quantitat de matèria, expressada en grams, que conté 6,022·10^23 partícules (àtoms, ions o molècules). És a dir: sis-cents dos mil tres-centres vint trilions de partícules: 602.320.000.000.000.000.000.000.

1 mol d'una substància té 6,022·10^23 partícules d'aquella substància

Per a fer-ho més fàcil, el mol és la quantitat de matèria relacionada amb la massa atòmica o la massa molecular.

- m_A (Al) =  26,982 u \( \equiv \) 1 mol d'ALUMINI \( \equiv \) 27 g d'alumini contenen 6,022·10^23 àtoms d'alumini.
- m_M (H_2O) = 18 u \( \equiv \) 1 mol d'AIGUA \( \equiv \) 18 g d'aigua contenen 6,022·10^23 molècules d'aigua.

Drets de la imatge/autoria: @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

💡 [Exemple] Feu la pràctica: Peseu en una balança 18 grams d'aigua (podeu fer-ho en grams perquè la denstitat de l'aigua és d'1g/cm^3), poseu-los dins un got... creieu que caldrà un got gaire gran? Observeu quina quantitat té d'aigua... us faria passar la set? Doncs bé, aquesta petita porció d'aigua tindria exactament 6,022·10^23 molècules d'aigua. I si poseu 36 grams? doncs 2x6,022·10^23 molècules! Considerant que un got d'aigua tindria aproximadament uns 200 ml d'aigua i que la densitat de l'aigua és d'1g/cm^3... Quantes molècules et beuries quan et beus un got d'aigua?

\( 200 ml H_2O · \frac{1 cm^3 H_2O}{1 ml H_2O} · \frac{1g H_2O}{1 cm^3 H_2O} · \frac{1 mol H_2O}{18 g H_2O} · \frac{6,022·10^{23} molècules H_2O }{1 mol H_2O} = 6,69·10^{24}  \) molècules d'aigua

Introducció a les Reaccions Químiques

Imatge lliure de drets d’autor sota sota llicència Creative Commons - Piqsels

Introducció a les Reaccions Químiques

Bé, i ara que ja en sabem una mica més i abans de començar explícitament amb les reaccions químiques, observeu aquesta reacció i veurem quin munt d'informació que en podem obtenir:

Drets de la imatge/autoria: @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

- El que apareix a l'esquerra de la fletxa són els REACTIUS (metà i oxigen).
- A la dreta de la fletxa hi ha els PRODUCTES (diòxid de carboni i aigua)
- Entre parèntesi, darrere les fórmules químiques, apareix l'estat d'agregació de la substància:
  - sòlid (s)
  - líquid (l) / aquós (aq) (quan la substància es troba en dissolució
  - gas
- Aquesta reacció és una reacció de combustió, amb oxigen, de compostos orgànics, com poden ser el metà, els sucres o els carbohidrats dels quals ens alimentem, la fusta que es crema... en una reacció de combustió cal que hi hagi un combustible (allò que es crema) i un comburent (l'oxigen de l'aire). Les reaccions de combustió alliberen energia.

CH_4 + 2O_2 \( \Rightarrow \) CO_2 (g) + 2H_2O (l)

- Per tal que es compleixi el fet que abans i després de la reacció hi hagi el mateix nombre d'àtoms d'unes i altres substàncies, cal que algunes molècules apareguin més d'un cop, per tal de fer això cal ajustar les reaccions químiques (ho veurem més endavant). En qualsevol cas, el nombre que apareix en vermell en el requadre de sobre, és el NOMBRE o COEFICIENT ESTEQUIOMÈTRIC i ens indica quantes partícules de cada substància han de reaccionar o es produeixen quan té lloc aquesta reacció.
- En aquest cas, per UNA molècula de metà que reacciona calen DUES molècules d'oxigen (cada una amb 2 àtoms d'oxigen) i això formarà UNA molècula de diòxid de carboni i DUES molècules d'aigua.

 I quina relació té això amb els mols, la massa atòmica i tot el que hem estudiat fins ara? Doncs que de cada component de la reacció química podem calcular la seva massa atòmica o molecular, segons sigui element o compost, i un cop sabem això, podem preveure quina quantitat de reactius necessitarem d'un o altres components per formar una determinada quantitat de productes i això és possible perquè les reaccions es donen en proporcions moleculars però també les reaccions es donen mol a mol en les proporcions necessàries perquè tinguin lloc complint la llei de conservació de la massa.
Per tant:
- UN mol de metà (16g de metà) reaccionan amb  DOS mols d'oxigen (32g d'oxigen x 2) per formar UN mol de diòxid de carboni (44g de diòxid de carboni) i DOS mols d'aigua (18g d'aigua x 2).

16 g metà + 64 g oxigen \( \Rightarrow \) 44 g CO_2 + 36 g H_2O

80 g de REACTIUS  \( \Rightarrow \) 80 g de PRODUCTES

💡 [Pensa...] Per què ens alimentem? 🥗🍎 Per què respirem? 👃 Què alliberem? 🌬💧. Trobes cap relació amb el que hem comentat fins ara? El que ens mou, el que ho mou tot, és l'ENERGIA... i l'energia la trobem de moltes maneres i per tot arreu, a partir d'aliments que es "cremen" al nostre cos, a partir del sol, del vent, de calor del terra, a partir del moviment de les partícules, a partir del canvi d'unes substàncies a unes altres, a partir de... les reaccions químiques...