Reacciones químicas 4t ESO

content/ca/apuntes-cuarto-eso/reacciones-quimicas/index.md

@@ -2,7 +2,7 @@
 title: Reaccions químiques
 url: "/recursos-fisica-quimica/apunts/4eso/reaccions-quimiques"
 subtitle: Ajust d'equacions químiques i càlculs estequiomètrics
-summary: "<code style='color: #2E3440;background:#88C0D0'>PROPERAMENT</code> <br> Ajust d'equacions químiques, càlculs massa-massa i càlculs massa-volum."
+summary: "Ajust d'equacions químiques, càlculs massa-massa i càlculs massa-volum."
 breadcrumbs: ["recursos-fisica-quimica","apunts","4teso"]
 authors:
 - rodrigo-alcaraz-de-la-osa
@@ -19,10 +19,10 @@ weight: 5
 external_link: ""
 
 image:
-  caption: Foto de [**Alex Kondratiev**](https://unsplash.com/@alexkondratiev) en [Unsplash](https://unsplash.com)
+  caption: Foto de [**Alex Kondratiev**](https://unsplash.com/@alexkondratiev) a [Unsplash](https://unsplash.com)
   focal_point: Smart
 
-links:  
+links:
 - icon_pack: fas
   icon:
   name: 📜 Pòster
@@ -34,9 +34,267 @@ links:
 #   E.g. `slides = "example-slides"` references `content/slides/example-slides.md`.
 #   Otherwise, set `slides = ""`.
 
-slides: 
+slides: reaccions-quimiques-4ESO
+
+math: true
+---
+
+{{% toc %}}
+
+## Ajust d'equacions químiques
+
+La **llei de conservació de la massa** implica dos **principis**:
+
+1. El nombre total d'àtoms abans i després d'una reacció no canvia.
+2. El nombre d'àtoms de cada tipus és el mateix abans i després.
+
+A una **equació química** general:
+
+$$
+\ce{aA + bB -> cC + dD}
+$$
+
+- A, B, C i D representen els **símbols químics** dels àtoms o la **fórmula molecular** dels compostos que reaccionen (costat esquerre) i els que es produeixen (costat dret).
+- $a$, $b$, $c$ i $d$ representen els **coeficients estequiomètrics**, que han de ser ajustats segons la **llei de conservació de la massa** (comparant d'esquerra a dreta àtom per àtom el nombre que hi ha d'aquests a cada costat de la fletxa).
+
+Els **coeficients estequiomètrics** indiquen el nombre d'àtoms/molècules/**mols** que reaccionen/es produeixen de cada element/compost (o volum si les substancies que intervenen són gasos en les mateixes condicions de pressió i temperatura).
+
+### Exemple
+{{% callout example %}}
+<br>
+
+> Es vol ajustar la següent equació química:
+
+{{% math %}}
+$$
+\ce{MnO2 + HCl -> MnCl2 + Cl2 + H2O}
+$$
+{{% /math %}}
+
+---
+
+Comencem pel $\ce{Mn}$: veiem que a l'esquerra hi ha 1 àtom de Mn $\ce{Mn}$ i a la dreta hi ha també 1 àtom, està **ajustat**.
+
+---
+
+Després mirem l'$\ce{O}$: veiem que a l'esquerra hi ha 2 àtoms d'$\ce{O}$ i a la dreta només hi ha 1. Per tant hem de posar un 2 a la molècula d'aigua:
+
+{{% math %}}
+$$
+\ce{MnO2 + HCl -> MnCl2 + Cl2 + 2H2O}
+$$
+{{% /math %}}
+
+---
+
+Seguim amb l'$\ce{H}$: a l'esquerra hi ha 1 sol àtom mentre que a la dreta hi ha $2\times 2=4$ àtoms. Per tant hem de col·locar un 4 al $\ce{HCl}$:
+
+{{% math %}}
+$$
+\ce{MnO2 + 4HCl -> MnCl2 + Cl2 + 2H2O}
+$$
+{{% /math %}}
+
+---
+
+Finalment el $\ce{Cl}$: com hem posat 4 molècules de $\ce{HCl}$ hi ha 4 àtoms de $\ce{Cl}$ a l'esquerra, a la dreta hi ha 2 àtoms de la molècula de clorur de manganès(II) i 2 àtoms més de la molècula de clor, 4 en total, amb el que està **ajustat** i no hem de posar res més.
+
+---
+
+La **reacció ajustada** queda així:
+
+{{% math %}}
+$$
+\ce{MnO2 + 4HCl -> MnCl2 + Cl2 + 2H2O}
+$$
+{{% /math %}}
+
+{{% /callout %}}
+
+Pots practicar més l'**ajust** d'**equacions químiques** amb aquestes **simulacions**:
+
+<iframe src="https://phet.colorado.edu/sims/html/reactants-products-and-leftovers/latest/reactants-products-and-leftovers_es.html" width="100%" height="600" scrolling="no" allowfullscreen></iframe>
+
+<iframe src="https://phet.colorado.edu/sims/html/balancing-chemical-equations/latest/balancing-chemical-equations_es.html" width="100%" height="600" scrolling="no" allowfullscreen></iframe>
+
+## Càlculs massa-massa
+
+Es tracta de situacions en les quals ens donen la massa (típicament en g) d'un compost químic i ens demanen la massa (també en g) d'un altre compost químic.
+
+Seguim aquestes **tres passes**:
+
+1. **Passar de g a mol** utilitzant la **massa molar**.
+2. **Relacionar mols** d'un compost amb mols d'un altre, a partir dels **coeficients estequiomètrics**.
+3. **Passar de mol a g** utilitzant la **massa molar**.
+
+### Exemple
+{{% callout example %}}
+<br>
+
+> El clorat de potassi, $\ce{KClO3}$, descompon en clorur de potassi, $\ce{KCl}$, i oxigen. Calcula la massa d'oxigen que s'obté quan descomponen $86.8\thinspace\mathrm g$ de clorat de potassi per l'acció de la calor.
+$M(\ce{K}) = 39.1\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\ce{Cl}) = 35.5\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\ce{O}) = 16\thinspace\mathrm{g/mol}$.
+
 ---
 
-{{% callout soon %}}
-Properament...
+Escrivim l'**equació química** de la descomposició:
+$$
+\ce{KClO3 -> KCl + O2}
+$$
+
+---
+
+L'**ajustem**:
+$$
+\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}
+$$
+
+---
+
+Calculem les **masses molars** de tots els compostos químics involucrats, en aquest cas el $\ce{KClO3}$ i el $\ce{O2}$:
+{{% math %}}
+$$
+\begin{aligned}
+	M(\ce{KClO3}) &= M(\ce{K}) + M(\ce{Cl}) + 3\cdot M(\ce{O}) \\\\
+	&= 39.1\thinspace\mathrm{g/mol} + 35.5\thinspace\mathrm{g/mol} + 3\cdot 16\thinspace\mathrm{g/mol} = 122.6\thinspace\mathrm{g/mol} \\\\
+	M(\ce{O2}) &= 2\cdot M(\ce{O}) = 2\cdot 16\thinspace\mathrm{g/mol} = 32\thinspace\mathrm{g/mol}
+\end{aligned}
+$$
+{{% /math %}}
+
+---
+
+Per a relacionar els grams de clorat de potassi amb els grams d'oxigen utilitzem les tres passes del **càlcul massa-massa**:
+
+{{% math %}}
+$$
+86.8\thinspace\mathrm{\cancel{g_{\ce{KClO3}}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{KClO3}}}}}{122.6\thinspace\mathrm{\cancel{g_{\ce{KClO3}}}}}\cdot \frac{3\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{O2}}}}}{2\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{KClO3}}}}}\cdot \frac{32\thinspace\mathrm{g_{\ce{O2}}}}{1\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{O2}}}}} = 34.0\thinspace\mathrm{g_\ce{O2}}
+$$
+{{% /math %}}
+{{% /callout %}}
+
+## Reactius en dissolució
+Quan els **reactius** es troben en **dissolució**, hem de relacionar el nombre de mols, $n$, amb el volum, $V$, a través de la concentració molar o **molaritat**:
+
+$$
+c = \frac{n}{V}	\rightarrow n = cV\quad \text{($V$ en L)}
+$$
+
+Pots aprendre més amb aquesta excel·lent **simulació**:
+
+<iframe src="https://phet.colorado.edu/sims/html/molarity/latest/molarity_es.html" width="100%" height="600" scrolling="no" allowfullscreen></iframe>
+
+### Exemple
+{{% callout example %}}
+<br>
+
+> L'àcid clorhídric reacciona amb l'hidròxid de calci per a produir clorur de calci i aigua. Calcula el volum d'àcid clorhídric 0.25 M que es necessita per a reaccionar amb 50 ml d'hidròxid de calci 0.5 M.
+
+{{% math %}}
+$$
+\ce{2HCl(ac) + Ca(OH)2(ac) -> CaCl2(ac) +  2H2O(l)}
+$$
+{{% /math %}}
+
+---
+
+{{% math %}}
+$$
+\begin{aligned}
+50\thinspace\mathrm{\cancel{mL_{\ce{Ca(OH)2}}}} & \cdot \frac{1\thinspace\mathrm{\cancel{L_{\ce{Ca(OH)2}}}}}{1000\thinspace\mathrm{\cancel{mL_{\ce{Ca(OH)2}}}}} \cdot \frac{0.5\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{Ca(OH)2}}}}}{1\thinspace\mathrm{\cancel{L_{\ce{Ca(OH)2}}}}} \\\\
+& \cdot \frac{2\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{HCl}}}}}{1\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{Ca(OH)2}}}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{L_{\ce{HCl}}}}{0.25\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{HCl}}}}} = 0.2\thinspace\mathrm{L_{\ce{HCl}}}
+\end{aligned}
+$$
+{{% /math %}}
+{{% /callout %}}
+
+## Cálculs massa-volum
+### Equació dels gasos ideals
+Quan algun dels compostos que intervenen a la reacció és un **gas**, necessitem fer ús de l'**equació dels gasos ideals**:
+
+$$
+pV = nRT
+$$
+
+- $p$ és la **pressió** a la qual es troba el gas, mesurada en atm.
+- $V$ és el volum que ocupa el gas, mesurat en L.
+- $n$ és el **nombre de mols** que tenim del gas, que el podem relacionar amb els grams a través de la **massa molar**.
+- $R=0.082\thinspace\frac{\mathrm{atm\thinspace L}}{\mathrm{mol\thinspace K}}$ és la **constant universal dels gasos ideals**[^1].
+- $T$ és la **temperatura** a la qual es troba el gas, mesura en K:
+	$$
+	T(\mathrm K) = T(^\circ\mathrm C) + 273
+	$$
+
+[^1]: En el cas de treballar en el SI, la constant dels gasos ideals pren el valor $R=8.314\thinspace\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol\thinspace K}} = 8.314\thinspace\frac{\mathrm{kPa\thinspace L}}{\mathrm{mol\thinspace K}}$.
+
+### Exemple
+{{% callout example %}}
+<br>
+
+> Calcula el volum d'hidrogen, mesurat a $25\thinspace\mathrm{^\circ\mathrm C}$ i $0.98\thinspace\mathrm{atm}$, que es desprèn en fer reaccionar $41.4\thinspace\mathrm g$ de sodi en aigua:
+{{% math %}}
+$$
+\ce{2Na(s) + 2H2O(l) -> 2NaOH(aq) + H2(g)}
+$$
+{{% /math %}}
+$M(\ce{Na}) = 23\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\ce{H}) = 1\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\ce{O}) = 16\thinspace\mathrm{g/mol}$.
+
+---
+
+L'equació ens la donen ja **escrita** i **ajustada**. Fixeu-vos en les lletres entre parèntesis, que indiquen l'estat d'agregació de cada compost químic:
+
+- (s) $\rightarrow$ **sòlid**
+- (l) $\rightarrow$ **líquid**
+- (g) $\rightarrow$ **gas**
+- (aq) $\rightarrow$ a **dissolució aquosa** (*aqueous* en anglès)
+
+---
+
+Calculem primer les **masses molars** dels compostos involucrats:
+{{% math %}}
+$$
+\begin{aligned}
+	M(\ce{Na}) &= 23\thinspace\mathrm{g/mol}\text{ (m'ho donaven com a dada)} \\\\
+	M(\ce{H2}) &= 2\cdot M(\ce{H}) = 2\cdot 1\thinspace\mathrm{g/mol} = 2\thinspace\mathrm{g/mol}
+\end{aligned}
+$$
+{{% /math %}}
+
+---
+
+A partir dels grams de $\ce{Na}$ ccalculem els mols d'$\ce{H2}$ que es desprendran, utilitzant les dues primeres passes del **càlcul massa-massa**:
+
+{{% math %}}
+$$
+41.4\thinspace\mathrm{\cancel{g_{\ce{Na}}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{Na}}}}}{23\thinspace\mathrm{\cancel{g_{\ce{Na}}}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{mol_{\ce{H2}}}}{2\thinspace\mathrm{\cancel{mol_{\ce{Na}}}}} = 0.9\thinspace\mathrm{mol_\ce{H2}}
+$$
+{{% /math %}}
+
+---
+
+Per a relacionar la quantitat d'hidrogen que es desprèn (mesurada en mols) amb el volum (mesurat en L), utilitzem l'**equació dels gasos ideals**:
+$$
+pV = nRT
+$$
+
+S'ha d'anar amb cura perquè la temperatura $T$ l'hem de passar a K:
+\begin{align*}
+T(\mathrm K) &= T(^\circ\mathrm C) + 273 \\\\
+&= 25\thinspace ^\circ\mathrm C + 273 = 298\thinspace\mathrm K
+\end{align*}
+
+Aïllem el volum $V$:
+{{% math %}}
+$$
+V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.9\thinspace\mathrm{\cancel{mol}} \cdot 0.082\thinspace\frac{\mathrm{\cancel{atm}\thinspace L}}{\mathrm{\cancel{mol}\thinspace \cancel{K}}}\cdot 298\thinspace\mathrm{\cancel{K}}}{0.98\thinspace\mathrm{\cancel{atm}}} = 22.4\thinspace\mathrm{L_\ce{H2}}
+$$
+{{% /math %}}
+{{% /callout %}}
+
+## Pràctica virtual
+Et recomanem veure aquest preciós vídeo/curt-documental del [Departament de Física i Química de l'IES Valle del Saja](http://www.fqsaja.com) on es planteja, de manera qualitativa, una seqüència de cinc reaccions químiques que partint de coure, entre altres metalls, desemboca de nou en aquest metall:
+
+{{< youtube KFcRVAjuxAM >}}
+
+{{% callout note %}}
+[Aquí](https://drive.google.com/file/d/1wsDhdlJNQKB2VvzHSoMPOMhqPSKEyVP0/view) pots descarregar-te el **guió** de la **pràctica**.
 {{% /callout %}}