Conceptes Fonamentals de Química: Àtoms, Estats de la Matèria i Lleis dels Gasos

Conceptes Fonamentals de Química

Àtoms i Molècules

• Els àtoms són partícules subatòmiques. El nucli conté neutrons (neutres) i protons (càrrega positiva), mentre que l'escorça conté electrons (càrrega negativa).
• La massa de l'àtom es concentra principalment al nucli, formada per neutrons i protons. La unitat de massa atòmica (u.m.a.) equival a 1,66 x 10^-24 g.
• El nombre atòmic (Z) representa el nombre de protons (i, en un àtom neutre, el nombre d'electrons).
• El nombre màssic (A) és la suma del nombre de protons i neutrons.
• Els isòtops són àtoms del mateix element que tenen el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons. Per exemple, l'hidrogen pot presentar-se com: hidrogen (0 neutrons), deuteri (1 neutró) i triti (2 neutrons).
• La massa molecular (M) és la suma de les masses atòmiques de tots els àtoms que formen una molècula.
• Les molècules són conjunts d'àtoms units per enllaços químics, que interaccionen per atracció.
• El mol és una unitat de mesura que relaciona la massa atòmica o molecular amb una quantitat macroscòpica de substància.
• El nombre d'Avogadro (N_A) estableix que 1 mol de qualsevol substància conté 6,022 x 10²³ partícules (àtoms, molècules, ions, etc.).

Nomenclatures Químiques

• Tradicional: metà, silà, borà.
• Estequiomètrica: triclorur de ferro, triòxid de dialumini.
• Stock: Clorur de Ferro (III) (FeCl₃).

Teoria Cineticomolecular

La Teoria Cineticomolecular explica que a major temperatura (T), les partícules tenen major energia cinètica (Ec), vibren i es desplacen més, dificultant els enllaços. A major pressió (P), s'afavoreixen els enllaços.

Estats de la Matèria

Sòlids

Els sòlids representen el màxim nivell de condensació de la matèria. Es classifiquen en:

• Sòlids metàl·lics: Àtoms en estat d'oxidació 0, amb un núvol electrònic deslocalitzat en 3D i una xarxa cristal·lina. Els electrons es mouen lliurement entre tots els nuclis, la qual cosa els confereix alta conductivitat elèctrica.
• Sòlids iònics: Formats per l'empaquetament d'àtoms ionitzats (cations i anions) distribuïts de forma alternada (+ - + -), buscant la mínima repulsió electrostàtica. Els cations solen ser metalls i els anions no-metalls.
• Sòlids moleculars: Generalment formats per no-metalls. La unió entre molècules és molt feble (forces de Van der Waals), per la qual cosa solen ser líquids o gasos a temperatura ambient i requereixen temperatures i pressions baixes per ser sòlids. Presenten gran varietat de mides i formes, i no s'empaqueten bé a causa de les seves geometries.
• Sòlids covalents: Formats per àtoms no-metàl·lics units per enllaços covalents forts, formant una xarxa tridimensional contínua (no molècules individuals). Presenten temperatures de fusió molt elevades.

Líquids

Els líquids s'adapten a la forma del recipient que els conté i presenten una baixa dilatació tèrmica (el seu volum no canvia significativament amb la temperatura). Quan un líquid comença a evaporar-se i s'assoleix un equilibri entre la fase líquida i gasosa, es parla de pressió de vapor.

• L'evaporació es produeix a qualsevol temperatura a la superfície del líquid.
• L'ebullició es produeix a la temperatura d'ebullició (T_eb) i en tot el volum del líquid.
• La viscositat és la dificultat d'un líquid per deformar-se o fluir.

Gasos

Els gasos estan formats per partícules independents, amb forces d'atracció gairebé nul·les. Es troben en continu moviment, no tenen volum propi (ocupen el volum del recipient que els conté) i la temperatura els dilata. Presenten alta compressibilitat i baixa densitat.

Àcids Hidràcids

Els àcids hidràcids són substàncies que, en contacte amb l'aigua, s'ionitzen. Els ions resultants s'envolten de molècules d'aigua polaritzada, quedant en estat aquós.

Lleis dels Gasos

Conceptes Bàsics de Pressió i Volum

• La pressió (P) es defineix com la força (F) per unitat de superfície (S): P = F/S.
• La pressió atmosfèrica (P_atm) és aproximadament 1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa.
• El volum es pot mesurar en diverses unitats, com 1 dm³ = 1 L, o 1 m³ = 10³ dm³, etc.

Llei de Dalton de les Pressions Parcials

La suma de les fraccions molars de tots els gasos en una mescla és igual a 1.

Llei de Boyle-Mariotte

Per a una massa de gas qualsevol a temperatura (T) constant, el volum (V) que ocupa és inversament proporcional a la pressió (P) que suporta.
P = K * (1/V) o bé P * V = K (on K és una constant).

Llei de Charles

A pressió constant, el volum d'un gas és directament proporcional a la seva temperatura absoluta:
V = K' * T o bé V/T = K' (on K' és una constant).

A volum constant, la pressió d'un gas és directament proporcional a la seva temperatura absoluta:
P = K'' * T o bé P/T = K'' (on K'' és una constant).

Llei d'Avogadro

Per a un mateix volum, qualsevol gas en les mateixes condicions de pressió (P) i temperatura (T) conté la mateixa quantitat de mols (n).
V = K''' * n (amb P i T constants).

Condicions Estàndard i Normals

• Condicions normals (CN): 0 °C (273,15 K) i 1,01 x 10⁵ Pa (1 atm).
• Condicions estàndard (CE): 25 °C (298,15 K) i 1 atm.

Equació dels Gasos Ideals

L'equació que relaciona la pressió, el volum, el nombre de mols i la temperatura d'un gas ideal és:
P * V = n * R * T

On R és la constant dels gasos ideals, amb valors diferents segons les unitats:

• R = 8,314 J/(mol·K) si P està en Pa, V en m³, n en mol i T en K.
• R = 0,082 atm·L/(mol·K) si P està en atm, V en L (dm³), n en mol i T en K.

Relació amb la Densitat i Massa Molecular

Es pot relacionar la pressió, la massa molecular i la densitat d'un gas amb l'equació:
P * M = ρ * R * T (on M és la massa molecular i ρ és la densitat).

Per a una mescla de gasos, es pot utilitzar la massa molecular aparent (M_aparent), que és la mitjana ponderada de les masses moleculars dels gasos components (calculada com la suma dels percentatges de cada gas dividits per 100 i multiplicats per la seva massa molecular).

En condicions normals (CN), 1 mol de qualsevol gas ideal ocupa un volum de 22,4 dm³ (L).