QUIMICA1r Batxillerat

Grup Hipernova

Pep Forteza Ferrer (Coordinador)

Carlos Alonso Arias

Agustı Ceba Herrero

Llucia Sancho de la Jordana

Versio: 1.03

Darrera actualitzacio: 20/08/2014

Imatge de portada Alex Abian

Index

1 Teoria atomica i enllac quımic 71.1 Model de Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Model de Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.1 Descobriment de l’electro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.2 Model atomic de Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.3 Descobriment del proto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Model de Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.1 Radioactivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.2 L’experiment de Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.3 Model atomic de Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.4 Limitacions del model atomic de Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4 Descobriment del neutro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.5 Com s’identifiquen els atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5.1 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5.2 Isotops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6 Espectres atomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.6.1 Radiacio electromagnetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.6.2 Interaccio de la llum amb la materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.6.3 L’espectre de l’hidrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7 Model de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7.1 Quantitzacio de l’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7.2 Model atomic de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.8 Model mecanoquantic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.8.1 Nombres quantics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.8.2 Configuracio electronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.9 Taula periodica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.10 Enllac quımic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.10.1 Enllac ionic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.10.2 Enllac covalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.10.3 Forces intermoleculars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.10.4 Enllac metal·lic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2 Formulacio inorganica 312.1 Definicions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1 Valencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.1.2 Nombre d’oxidacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.1.3 Nomenclatura sistematica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2 Substancies simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3 Ions simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.4 Composts binaris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4.1 Hidrurs i composts binaris amb hidrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.4.2 Composts binaris amb oxigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.4.3 Altres composts binaris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.5 Composts ternaris i quaternaris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5.1 Hidroxids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5.2 Oxoacids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3

INDEX

2.5.3 Oxosals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.5.4 Sals acides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.6 Ions heteropoliatomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6.1 Cations derivats dels hidrurs progenitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6.2 Anions derivats d’oxoacids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6.3 Anions derivats d’hidracids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3 Quımica del carboni 433.1 Quımica del carboni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2 L’atom de carboni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3 Formules dels composts organics. Models moleculars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.4 Propietats generals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.5 Famılies i series homologues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.6 Hidrocarburs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.6.1 Alcans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.6.2 Alquens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.6.3 Alquins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.6.4 Hidrocarburs aromatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.7 Derivats halogenats dels hidrocarburs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.8 Composts oxigenats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.8.1 Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.8.2 Fenols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.8.3 Eters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.8.4 Aldehids i cetones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.8.5 Acids carboxılics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.8.6 Sals d’acids carboxılics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.8.7 Esters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.9 Composts nitrogenats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.9.1 Amines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.9.2 Amides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.9.3 Nitrils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.9.4 Nitroderivats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.10 Isomeria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.10.1 Isomeria estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.10.2 Isomeria espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4 Lleis i conceptes basics en quımica 694.1 La materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.1.1 Propietats de la materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.1.2 Densitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.1.3 Formes de presentacio de la materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2 Lleis ponderals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.2.1 Llei de conservacio de la massa o llei de Lavoisier . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.2.2 Llei de les proporcions definides o llei de Proust . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.2.3 Llei de les proporcions multiples o llei de Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3 Teoria atomica de Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.4 Lleis volumetriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.4.1 Llei dels volums de combinacio o de Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4

INDEX

4.4.2 Hipotesis d’Avogadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.4.3 Teoria atomicomolecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.5 La mesura de la quantitat de substancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.5.1 Massa molecular relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.5.2 El mol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.5.3 Massa molar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.5.4 Constant d’Avogadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.6 La formula de les substancies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.7 Les lleis dels gasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.7.1 Llei de Boyle i Mariotte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.7.2 Llei de Charles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.7.3 Llei de Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.7.4 Equacio general dels gasos ideals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.7.5 Equacio d’estat dels gasos ideals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.7.6 Llei d’Avogadro. Volum molar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.7.7 Llei de Dalton de les pressions parcials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.7.8 Teoria cinetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5 Reaccions quımiques 855.1 Teoria de les reaccions quımiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.2 Energia de les reaccions quımiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.3 Velocitat de les reaccions quımiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.4 Equacio quımica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.5 Tipus de reaccions quımiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5.5.1 Segons la transformacio que es produeix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.5.2 Reaccions de combustio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.5.3 Reaccions de neutralitzacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.6 Calculs estequiometrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.6.1 Calculs en massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.6.2 Calcul amb volums de gasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.6.3 Calculs amb reactius no purs (riquesa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.6.4 Calculs amb reactiu limitant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.6.5 Rendiment de les reaccions quımiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.7 Dissolucions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.7.1 Concentracio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.7.2 Solubilitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.7.3 Propietats col·ligatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.7.4 Calculs estequiometrics amb reactius en dissolucio . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

A Sistemes de mesura 105A.1 Magnituds fonamentals i derivades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105A.2 Dimensions de les magnituds fısiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105A.3 El Sistema Internacional d’Unitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106A.4 Notacio cientıfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106A.5 Xifres significatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107A.6 Ordre de magnitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108A.7 Mesures i errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

A.7.1 Imperfeccio dels instruments i sensibilitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5

INDEX

A.7.2 Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109A.7.3 Expressio dels errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109A.7.4 Dades experimentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110A.7.5 Valor mes probable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Activitats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

B Llibre d’estil 113

C Operadors matematics i alfabet grec 115C.1 Operadors i sımbols matematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115C.2 Alfabet grec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

D Solucions 117D.1 Teoria atomica i enllac quımic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117D.2 Formulacio inorganica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117D.3 Quımica del carboni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117D.4 Lleis i conceptes basics de quımica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117D.5 Reaccions quımiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

E Constants fısiques i valors numerics 119

6

1Teoria atomica i enllac quımic

De que esta fet el nostre mon?

Aquesta es una pregunta que els humans ens hem fet des dels temps mes remots. Com es el queens envolta? Tal i com se’ns mostra als sentits, o existeix una estructura invisible i mes profunda? Esla materia com un fluid continu o be esta composta de partıcules inimaginablement petites?

Pel que sabem avui dia, la resposta correcta es la segona. Existeix un lımit mes enlla del qual lamateria ja no es pot dividir mes, son les partıcules elementals.

Fa uns 2500 anys, els filosofs grecs Leucip i el seu deixeble Democrit d’Abdera defensaven queexistia una estructura profunda de la materia mes enlla de l’abast dels sentits. Als constituentsmes basics de la materia els anomena atoms, que deriva del atomos, que vol dir indivisible. PeroLeucip i Democrit eren atomistes metafısics i, per tant, aquest concepte d’atom no eren mes que ideesabstractes i raonaments filosofics sense cap mena de suport experimental o empıric.

Per la mateixa epoca, altres filosofs grecs, entre els que destaquen Plato i Aristotil, varen donarsuport a la teoria contraria, segons la qual la materia es contınua i sempre es pot dividir en parts mespetites, fins a l’infinit. L’elevat prestigi de Plato i Aristotil provoca que el concepte d’atom fos fouoblidat durant molts segles fins que John Dalton el recupera en la seva teoria atomica l’any 1803.

1.1 Model de Dalton

Durant la primera decada del segle XIX, John Dalton, a traves de l’estudi de les lleis de combinacio desubstancies quımiques, arriba a la conclusio de que la materia no podia ser contınua, havien d’existiruns constituents basics indivisibles: els atoms.

Podem resumir els principis de la teoria atomica de la seguent manera:

1. Tota la materia esta constituıda d’atoms que son partıcules indivisibles.

2. Els atoms d’un element quımic donat son tots iguals.

3. Atoms diferents posseeixen propietats diferents.

4. Els compostos quımics estan formats per unio d’atoms diferents en proporcio numerica senzilla.

5. En les reaccions quımiques, els atoms ni es creen ni es destrueixen, simplement es redistribueixenper forma nous composts.

Actualment sabem que aquests principis no son totalment correctes pero els trets generals de lateoria atomica sı.

7

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

1.2 Model de Thomson

1.2.1 Descobriment de l’electro

A finals del segle XIX s’estudiaven les descarregues electriques en gasos a baixa pressio utilitzant tubsde descarrega. Aquests tubs de vidre contenien gasos a baixa pressio amb dos electrodes metal·licsconnectats a una generador de corrent d’alt voltatge. A la paret oposada al catode (electrode negatiu)apareixia una coloracio verdosa provocada pel xoc contra el vidre d’una radiacio emesa pel catode.D’aquesta forma es van descobrir els raigs catodics.

Estudis posteriors van permetre concloure que els raigs catodics estaven formats per partıculesmaterials amb carrega electrica negativa pero s’ignorava la seva naturalesa.

Thomson, a l’any 1897, va determinar que els raigs catodics estaven formats per partıcules i vadeterminar la relacio entre la seva carrega i la seva massa. Havia descobert l’electro.

La relacio carrega/massa de les partıcules dels raigs catodics era unes dues mil vegades mes petitaque qualsevol altra relacio carrega/massa coneguda. A mes, la relacio era la mateixa independentmentdel gas que es col·locava a l’interior del tub de descarrega i del metall del qual estava fet el catode.Aquest dos fets indicaven que l’atom era divisible i que l’electro era un component basic dels atoms.

El 1911, Millikan va determinar experimentalment la massa i la carrega de l’electro amb el seuexperiment de la gota d’oli.

1.2.2 Model atomic de Thomson

El descobriment de l’electro com a part de tots els atoms plantejava el problema de l’estructura del’atom. Aquest ja no es podia considerar com la partıcula indivisible proposada per Dalton.

Thomson argumenta que ja que l’electro es una part dels atoms carregada negativament i la materiaes neutra, havia d’existir una part dels atoms carregada positivament. Proposa que la part positivaera una esfera que inclou tants electrons encaixats com sigui necessari per neutralitzar-la.

Aquest model permet explicar la naturalesa dels raigs catodics (electrons que es desprenen delsatoms quan xoquen contra el catode) i dona una explicacio a que siguin identics independentment delgas analitzat.

1.2.3 Descobriment del proto

El 1886, Goldstein va utilitzar un tub de descarrega amb el catode perforat. Va observar que al mateixtemps que es produıen els raigs catodics n’hi havia d’altres que travessaven els orificis del catode i

Figura 1.1: Esquema del tub de descarrega (esquerra) i representacio grafica del model atomic deThomson (dreta).

8

1.3. MODEL DE RUTHERFORD

produıen la luminescencia caracterıstica en xocar amb les partes del tub. Els va anomenar raigscanals.

Aquest raigs estan constituıts per partıcules positives (ja que son atretes pel catode) i la sevamassa i carrega depen del gas tancat en el tub.

L’explicacio mes acceptable per a la constitucio dels atoms era que els electrons es desprenenindependentment del tipus de catode emprat per a l’experiment, per tant, es troben en tota la materia.

Aquests electrons, en anar cap a l’anode, topen amb les partıcules del gas i n’arrencan electrons,de forma que les deixa carregades positivament, i son atretes pel catode; aixı doncs, la seva massa icarrega depenen de les del gas. Els raigs canals son, per tant, ions positius del gas tancat en el tub.

El 1914, Rutherford realitza l’experiencia emprat hidrogen, l’atom mes senzill, amb la qual cosales partıcules positives obtingudes havien de ser les mes petites que poguessin existir i les va anomenarprotons.

Com que es possible obtenir raigs catodics i canals amb qualsevol gas i qualsevol electrode, es vaarribar a la conclusio que el proto i l’electro eren components primordials de tots els atoms.

1.3 Model de Rutherford

1.3.1 Radioactivitat

Durant la primera decada del segle XX, E. Rutherford i els seus col·laboradors estudiaven la radiacioprocedent de l’urani. Havien descobert que existien dos tipus de radioactivitat, que anomenaren α i β.L’equip de Rutherford va utilitzar aquestes partıcules com a sonda per estudiar l’estructura atomica.

Actualment sabem que realment existeixen tres tipus de radioactivitat natural:

• Radiacio α: son partıcules amb carrega positiva, de doble valor que la de l’electro. Rutherfordva descobrir que es tractava de nuclis d’atoms d’heli (actualment sabem que estan formades perdos protons i dos neutrons lligats). Quan un atom emet una partıcula α de forma espontania,l’atom transmuta i es converteix en un altre element quımic.

• Radiacio β: Son electrons (o positrons) en moviment. Igual que passa en el cas de la radiacioα, quan un atom emet una partıcula β es transmuta en un altre element.

• Radiacio γ: es una radiacio de la mateixa naturalesa que la llum, pero molt mes energetica.No te carrega electrica i la seva emissio no implica transmutacio atomica.

1.3.2 L’experiment de Rutherford

A l’any 1909 l’equip de Rutherford va utilitzar una font d’urani per obtenir partıcules α amb les qualsbombardejaven unes finıssimes plaques d’or d’uns 5000 A. Despres de xocar amb la placa de metall,les partıcules es dispersaven i es detectaven amb una pantalla de sulfur de zinc.

Es va observar que la major part de les partıcules travessaven la lamina sense desviar-se, alguneses desviaven de la seva trajectoria inicial i devers una cada 10 000 rebotaven amb un angle de dispersiogran. Segons els calculs realitzats amb el model atomic de Thomson, haurien de rebotar un nombremolt mes petit de partıcules. Els resultats indicaven que el model atomic de Thomson no podia sercorrecte.

1.3.3 Model atomic de Rutherford

Les partıcules α son unes 8000 vegades mes massives que els electrons, per tant, els electrons noles poden desviar apreciablement. Les poques partıcules que rebotaven amb angles grans havien dexocar amb qualque objecte amb una massa mes gran que la propia partıcula i amb carrega positiva.

9

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

Figura 1.2: Detall microscopic de l’experiment de Rutherford (esquerra) i representacio grafica delmodel atomic de Rutherford (dreta).

Rutherford va concloure que la part positiva de l’atom no era una esfera que envoltava els electronssi no que estava concentrada en una petitıssima zona central que anomena nucli atomic. El diametredel nucli atomic es de l’ordre de 10−15 m, es a dir una cent mil·lesima part de la mida de l’atom.

Podem resumir el model de Rutherford de la seguent manera. L’atom es practicament buit. Estaformat per un nucli central positiu que conte quasi tota la massa de l’atom i els electrons, negatiusque descriuen orbites circulars al voltant del nucli per compensar l’atraccio electrostatica del nucli.

1.3.4 Limitacions del model atomic de Rutherford

Les dues limitacions principals que presenta el model atomic de Rutherford son la inestabilitat i quees energeticament continu.

La teoria electromagnetica prediu que una carrega que descriu un moviment circular uniforme,com ara l’electro, perd energia en forma de radiacio electromagnetica (llum). Calculs senzills indiquenque els electrons haurien de perdre tota la seva energia en 10−8 s cosa que, evidentment, no passa

Per altra banda, el model de Rutherford no explica les bandes discontinues d’emissio o absorciodels espectres atomics. Segons aquest model, l’energia dels electrons pot prendre qualsevol valor dinsl’atom.

1.4 Descobriment del neutro

La massa dels nuclis no corresponia amb la carrega existent en aquests. Aproximadament la massa eradoble a l’esperada pel nombre de protons. Rutherford va predir que en el nucli atomic havia d’existiruna partıcula de massa similar al proto i sense carrega electrica que expliques la discrepancia en lamassa nuclear i estabilitzes el nucli de la repulsio electrostatica entre protons. Aquesta partıcula vaser anomenada neutro.

El 1932, Chadwick va descobrir els neutrons mitjancant el bombardeig d’atoms de beril·li ambpartıcules α.

D’aquesta manera es completava l’estructura atomica del model de Rutherford amb un nucli formatpels protons i neutrons (nucleons) i una escorca per on giren els electrons.

Actualmen saben que la interaccio nuclear forta entre protons i neutrons es la responsable del’estabilitat del nucli.

10

1.5. COM S’IDENTIFIQUEN ELS ATOMS

1.5 Com s’identifiquen els atoms

Els atoms es diferencien en el nombre de partıcules que els formen. Aquesta informacio queda definidaper dues caracterıstiques:

Nombre atomic (Z): indica el nombre de protons del nucli i determina l’element de que es tracta(tots els atoms d’un mateix element tenen el mateix nombre de protons) i coincideix amb el nombred’electrons si l’atom es neutre.

Nombre massic (A): indica el nombre de nucleons, es a dir neutrons i protons, que composen elnucli.

Per tal d’indicar el nombre de partıcules que conte un atom s’utilitza el seu sımbol i els nombresA i Z a mes de la carrega ionica, disposats de la seguent manera:

Nombre massic (A)Nombre atomic (Z)X

(Q) Carrega ionica

(n) Atoms presents

1.5.1 Ions

Quan els atoms perden la seva neutralitat electronica es converteixen en ions. La carrega de l’iocoincideix amb el nombre d’electrons que l’atom guanya o perd:

• Io positiu o catio: quan un atom perd electrons, adquireix carrega electrica positiva.

• Io negatiu o anio: quan un atom guanya electrons, adquireix carrega electrica negativa.

El nombre d’electrons sera el mateix que de protons quan l’atom es neutre, superior quan l’io esnegatiu i inferior quan es positiu.

Podem obtenir la carrega electrica d’un io a partir del nombre de protons, Z, i del nombre d’elec-trons, ne− :

Q = Z − ne−

✞

✝

☎

✆1.1

1.5.2 Isotops

El 1912, Thomson va observar que quan es mesurava la massa dels atoms de neo emprant un es-pectrograf de masses s’obtenien masses de 20 u i altres masses de 22 u. En el cas de l’oxigen estrobaven tres partıcules de 16, 17 i 18 u i pel clor dues, de 35 i 37 u.

Els isotops son atoms del mateix element quımic que difereixen unicament en la seva massa, es adir, tenen el mateix nombre de protons pero diferent nombre de neutrons.

Per anomenar un isotop s’indica el nom d’element (o el seu sımbol) seguit del seu nombre massic.Per exemple, carboni-12 (C-12).

Existeixen uns 280 isotops naturals dels 90 elements naturals. A mes, al laboratori s’han aconseguitsintetitzar mes de 2000 isotops artificials a partir del bombardeig de nuclis amb partıcules radioactives.

La majoria dels elements es presenten a la natura com una mescla de diversos isotops, en unaproporcio, referida al nombre d’atoms, que s’anomena abundancia isotopica.

Es molt important no confondre la massa atomica d’un element amb la massa isotopica d’un atom.La massa atomica d’un element quımic, la que apareix a la taula periodica, es calcula com la mitjanaponderada de la massa dels isotops que la formen.

11

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

Exemple 1

A la natura existeixen tres isotops radioactius del clor: Cl-35 amb una abundancia del 75,77 %,

Cl-36 amb una abundancia del 7 · 10−13 % i Cl-37 amb una abundancia del 24,23 %. Calcula

la massa atomica de l’element clor.

Si ens fixam amb les dades d’abundancia ens adonam que el Cl-36 es menyspreable ja que la sevaabundancia es molt mes petita a les altres dues (14 ordres de magnitud mes petita).La massa atomica es calcula a partir de la mitjana ponderada del Cl-35 i el Cl-37:

m(

35Cl)

·A(

35Cl)

+m(

37Cl)

·A(

37Cl)

100=

35 · 75, 77 + 37 · 24, 23

100= 35, 48 u

La massa atomica d’un element no coincideix amb el seu nombre massic, ja que s’obte a partir dela massa atomica exacte de cada atom i la seva abundancia a la natura.

1.6 Espectres atomics

Per tal d’estudiar l’estructura interna del atoms es fa interaccionar llum amb la materia. La investi-gacio de la llum emesa per gasos calents, es a dir l’estudi dels espectres atomics, era un dels campsmes actius de la darrera meitat del segle XIX. Es comprova que els gasos calents no emeten llum detots els colors, emeten certes longituds d’ona.

1.6.1 Radiacio electromagnetica

Les ones electromagnetiques, com els altres tipus d’ona, transporten energia i estan formades percamps electrics i magnetics acoblats entre sı. Es diferencien de la resta d’ones materials en que nonecessiten un medi per propagar-se, per tant, es propaguen en el buit a una velocitat c = 3×108 m/s.

Els parametres que s’utilitzen per caracteritzar una ona son:

• Longitud d’ona (λ): es la distancia entre dos maxims o mınims successius d’una ona.

• Frequencia (ν): es el nombre d’oscil·lacions que passen per cada punt en una unitat de temps.

c = λν✞

✝

☎

✆1.2

• Perıode (T): temps que tarda l’ona en recorrer una λ (temps per produir-se una oscil·lacio).

T =1

ν

✞

✝

☎

✆1.3

• Nombre d’ones (k): nombre d’oscil·lacions que hi ha en cada unitat de longitud.

k =1

λ

✞

✝

☎

✆1.4

S’anomena espectre electromagnetic al conjunt ordenat de les diferents longituds d’ona ofrequencies en que poden descompondre la radiacio electromagnetica.

Per a una mateixa amplitud, l’energia de les ones electromagnetiques augmenta amb la frequencia.Els diversos tipus d’ones electromagnetiques difereixen unicament en la longitud d’ona i la frequencia,les quals estan relacionades a partir de l’Eq. (1.2).

12

1.6. ESPECTRES ATOMICS

A la Taula 1.1 es dona l’espectre electromagnetic i els noms i dominis de frequencies i longitudsd’ona de les diferents bandes que el formen. Cal destacar que aquests dominis no estan ben definits ia cops es solapen.

L’ull huma es sensible a la radiacio electromagnetica amb longitud d’ona compresa entre els 400 iels 700 nm, aquest domini s’anomena llum visible i esta format pels diferents colors (Taula 1.2).

Zona espectral Frequencia (Hz) Longitud d’ona (m)Raigs gamma ν > 3× 1019 λ < 10−11

Raigs X 3× 1017 > ν > 3× 1019 10−9 > λ > 10−11

Ultraviolat 7× 1014 > ν > 3× 1017 4× 10−7 > λ > 10−9

Visible 4× 1014 > ν > 7× 1014 7× 10−7 > λ > 4× 10−7

Infraroig 3× 1012 > ν > 4× 1014 10−4 > λ > 7× 10−7

Microones 3× 109 > ν > 3× 1012 0, 1 > λ > 10−4

Radio ν < 3× 109 λ > 0, 1

Taula 1.1: Espectre electromagnetic.

Color Longitud d’ona (nm)Violat ∼ 380− 430Blau ∼ 430− 500Cian ∼ 500− 520Verd ∼ 520− 565Groc ∼ 565− 590

Taronja ∼ 590− 625Vermell ∼ 625− 740

Taula 1.2: Llum visible.

1.6.2 Interaccio de la llum amb la materia

Quan la llum del Sol passa a traves d’un prisma d’un espectroscopi es descompon en un espectre ambtots els colors: espectre continu.

L’espectre d’emissio dels elements en estat gasos calents a baixa pressio no es continu, sino quela radiacio esta formada per algunes frequencies que es poden separar per metodes optics.

L’espectre d’absorcio s’obte quan fem passar radiacio electromagnetica a traves del gas quecapta unes determinades radiacions que apareixen com ratlles negres al fons continu.

Cada element quımic emet sempre les mateixes ratlles, les frequencies de les quals son carac-terıstiques d’aquest element i, per tant, serveixen per identificar-lo. A mes, l’espectre d’emissio id’absorcio son complementaris, es a dir, si els superposam obtindrem l’espectre continu.

Un model atomic hauria de ser capac de justificar el perque de l’espectre de cada element quımic.

13

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

1.6.3 L’espectre de l’hidrogen

L’atom d’hidrogen es el mes senzill de tots i, per aixo, el mes estudiat. El seu espectre d’emissio escompon de varies series de bandes que apareixen a les zones ultraviolada, visible i infraroja: serie deLyman (UV), Balmer (visible), Paschen (IR), Brackett (IR) i Pfund (IR).

Rydberg troba una expressio empırica que relaciona la longitud d’ona de les radiacions observadesen les diferents series espectrals de l’hidrogen:

1

λ= R

(

1

n21

−1

n22

)

✞

✝

☎

✆1.5

on n1 i n2 son nombres enters a partir d’1 (n1 < n2) i R es la constant de Rydberg, que val 1, 097×107 m−1.

Amb aquesta equacio la serie espectral de Lyman correspon a n1 = 1, la de Balmer a n1 = 2, lade Paschen a n1 = 3, la de Brackett a n1 = 4 i la de Pfund a n1 = 5.

Tot i reproduir els valors experimentals, no dona cap explicacio del fenomen.

1.7 Model de Bohr

1.7.1 Quantitzacio de l’energia

El 1900, Max Planck suggereix que l’energia emesa per un cos mitjancant la radiacio d’una determinadafrequencia es multiple d’una quantitat elemental anomenada quanto.

El 1905, Albert Einstein afirma que la llum esta constituıda per partıcules anomenades fotons.L’energia d’aquests fotons ve donada per:

E = hν✞

✝

☎

✆1.6

on ν es la frequencia de la llum emprada i h es la constant de Planck: h = 6, 63× 10−34 J sD’aquesta manera l’energia, al igual que passa amb la massa i la carrega electrica, ja no es una

magnitud contınua, sino que esta formada per multiples sencers de quantitats elementals: el quantod’energia.

1.7.2 Model atomic de Bohr

A partir de la hipotesi quantica i de la naturalesa corpuscular de la llum, Bohr formula un nou modelatomic que explica els espectres d’emissio dels gasos.

Els principis en els que es basa el model atomic de Bohr son:

1. L’energia de l’electro dins l’atom esta quantitzada. L’electro es mou al voltant del nucli seguintorbites circulars. L’espai que envolta el nucli esta quantitzat, es a dir, cada una d’aquestesorbites correspon a un estat estacionari o nivell d’energia permes i s’associa amb un nombrenatural, n = 1, 2, 3, . . .

14

1.7. MODEL DE BOHR

2. Les orbites permeses son aquelles en que el moment angular de l’electro (L = mrv) es un multiplesencer de h/2π. Aixo significa que l’energia de les orbites i els seus radis estan quantitzats.

3. Un atom nomes absorbeix o emet energia quan un electro passa d’un nivell d’energia a unaltre. Sempre que un atom absorbeix o emet energia ho fa mitjancant fotons (radiacio electro-magnetica) de valor hv, i es com a consequencia de que l’electro experimenta un transit entrenivells que es pot resumir amb l’expressio:

∆E = |E2 − E1| = hν

on E2 es l’energia del nivell final i E1 la de l’inicial. Si E2 > E1, l’atom absorbeix energia.

Es molt habitual expressar l’energia dels electrons en electronvolts, eV:

1 eV = 1, 6× 10−19 J

Els electrons dins l’atom es troben ocupant nivells energetics, de manera que si tots ocupen elsnivells de menor energia possibles, es diu que l’atom es troba a l’estat fonamental.

Si transmetem energia a l’atom, un o diversos electrons poden absorbir l’energia necessaria perpassar a un altre nivell superior, moment en el qual l’atom es troba en un estat excitat.

Posteriorment, aquests electrons excitats retornen a l’estat inicial directament o passant per altresnivells intermedis i emeten fotons amb una energia igual a la diferencia energetica entre els dos nivells.Els fotons emesos en aquests transits entre nivells formen els espectres d’emissio.

Figura 1.3: Estats estacionaris del model atomic de Bohr, no totes les orbites estan permeses (esquer-ra). Absorcio d’un foto per part d’un electro en estat fonamental (centre). Emissio de fotons quanl’electro torna a l’estat fonamental (dreta).

Limitacions del model de Bohr

La realitzacio de nous experiments i la millora de les tecniques experimentals van posar de manifestalgunes limitacions del model atomic de Bohr.

Al augmentar la resolucio dels espectrografs es va observar que algunes de les lınies dels espectreseren en realitat dues.

A mes, quan s’efectua l’espectre al mateix temps que la substancia es sotmesa a un intens campmagnetic, s’observa que algunes lınies espectrals es desdoblen en varies.

Aquests dos fets indicaven que les transicions entre nivells eren mes complexes i abundants del queBohr havia proposat.

15

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

1.8 Model mecanoquantic

Durant la decada dels vint del segle XX es va trobar evidencia que les partıcules elementals de lamateria, com ara l’electro, es comportaven, sota certes condicions, com ones. Aquest fet es coneixcom dualitat ona-partıcula. Per tal de tenir en compte aquest fet, es va proposar un nou modelatomic en el qual l’electro ja no es descriu com una partıcula si no a traves d’una funcio anomenadafuncio d’ona Ψ.

L’equacio d’ona de l’electro es coneix com equacio d’Schrodinger i la seva solucio exacta unicamentes coneix pel cas de l’atom d’hidrogen.

L’aspecte mes radical de la descripcio ondulatoria de l’electro es la interpretacio de la funcio d’ona.El quadrat de la funcio d’ona expressa la probabilitat per unitat de volum de trobar l’electro en unadeterminada zona de l’espai. Ja no podem seguir la trajectoria d’un electro, no es pot mantenir lanocio d’orbita i es substitueix pel concepte d’orbital, el qual es la regio de l’espai en que hi ha unaprobabilitat elevada (superior al 90 %) de trobar l’electro.

El model mecanoquantic estableix que els electrons es troben al voltant del nucli i ocupen posicionsmes o menys probables, pero la seva posicio no es pot predir amb exactitud.

Els orbitals es poden visualitzar mitjancant diagrames de punts als quals la densitat de punts auna determinada zona es proporcional a la probabilitat de trobar-hi l’electro.

1.8.1 Nombres quantics

A les solucions de l’equacio d’Schrodinger apareixen una serie de quatre nombres anomenats nombresquantics: n, l, m i s. Cadascun d’ells esta relacionat amb una magnitud fısica de l’electro, els tresprimers determinen l’orbital i el darrer serveix per diferenciar els dos electrons que es poden trobardins un orbital. Un electro lligat a un atom es troba perfectament definit si es coneixen els seus quatrenombres quantics.

• Nombre quantic principal, n: indica el nivell d’energia o capa de l’electro.

n = 1, 2, 3, . . .

• Nombre quantic secundari, l: indica el subnivell o subcapa i determina la forma de l’orbital.

0 ≤ l ≤ n− 1

A quımica el mes habitual es utilitzar la notacio espectroscopica per especificar l’estat de cadaelectro. En aquesta notacio el nombre quantic secundari es substitueix per lletres:

Valor del nombre l 0 1 2 3 4Notacio espectroscopica s p d f g

16

1.8. MODEL MECANOQUANTIC

• Nombre quantic magnetic, m: descriu l’orientacio de l’orbital.

−l ≤ m ≤ l

Els possibles valors de m ens donen el nombre d’orbitals que hi caben a cada subnivell. Perexemple, el subnivell 2p, tendra tres orbitals: m = −1, 0, 1.

• Nombre quantic d’espın, s: determina l’alineacio paral·lela o antiparal·lela a un campmagnetic extern. A cada orbital podrem tenir fins a dos electrons, un amb cada valor d’espın.

s = ±1/2

El nombre maxim d’electrons en cada nivell energetic es 2n2 i a cada subnivell 2(2l + 1)

1.8.2 Configuracio electronica

La distribucio dels electrons a l’escorca d’un atom determinat rep el nom de configuracio electronica.La qual es determina mitjancant tres regles:

• Principi de mınima energia. Els electrons s’aniran col·locant als nivells de mınima energiaque estiguin lliures segons el seguent ordre:

Si agafam d’exemple l’orbital 1s2, l’1 correspon al valor de n, la s correspon al nombre quanticl en notacio espectroscopica i el superındex 2 indica el nombre maxim d’electrons que hi pothaver en aquesta subcapa.

• Principi d’exclusio de Pauli. Al mateix atom no podem tenir dos electrons amb els quatrenombres quantics iguals. Aixı doncs, a cada orbital nomes hi caben dos electrons, els quals esdiferencien pel valor de l’espın.

• Principi de maxima multiplicitat de Hund. Els electrons es col·loquen dins els diferentsorbitals de la subcapa de manera que hi hagi el maxim nombre d’electrons desaparellats, es adir, amb els espıns paral·lels. Per tal d’aclarir aquesta idea es poden utilitzar els diagrames decapses en els que cada orbital es representa per una capsa quadrada i cada electro per una fletxa(cap a dalt si l’espın es 1/2 i cap a baix si es −1/2).

En el cas dels ions, la configuracio electronica es la mateixa que la de l’atom neutre tenint encompte els electrons que ha guanyat o perdut.

17

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

1.9 Taula periodica

Quan els electrons es col·loquen en ordre creixent del seu nombre atomic, te lloc una repeticio periodicade certes propietats fısiques o quımiques.

L’origen d’aquesta periodicitat a les propietats quımiques dels elements radica en la configuraciodels seus electrons mes externs o electrons de valencia, i aquesta es repeteix periodicament.

Actualment, els elements s’ordenen en ordre ascendent del nombre atomic i es classifiquen d’acordamb la configuracio electronica dels atoms a l’estat fonamental.

La taula actual s’estructura en set perıodes (files) i 18 grups (columnes).El nombre de perıodes coincideix amb el nombre de nivells energetics, mentre que els elements

d’un mateix grup tenen la mateixa configuracio electronica externa (mateix nombre d’electrons devalencia ubicats al mateix tipus d’orbital), i per aixo, tenen propietats semblants.

Els elements d’un mateix perıode tenen els seus electrons interns ordenats com el gas noble delperıode anterior. Reben el nom de kernel, i es habitual abreujar la configuracio electronica reem-placant el kernel pel sımbol del gas noble entre claus, seguit de la configuracio electronica dels electronsde valencia.

Fe −→ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 −→ [Ar] 4s2 3d6

1.10 Enllac quımic

La gran varietat de propietats que presenten les substancies quımiques pures son degudes, no nomesa que estan constituıdes per diferents elements, sino tambe al tipus de forces que els mantenen units.

La forca responsable de la unio estable entre els ions, atoms o molecules que formen les substanciess’anomena enllac quımic.

Actualment, sabem que els electrons de l’atom situats al nivell mes extern, tambe anomenat nivellde valencia, tenen especial importancia en la formacio dels enllacos.

Els electrons de valencia son els que estan lligats mes debilment als nuclis de cada atom, i per aixoson susceptibles de ser atrets pels dos nuclis, de manera que constitueixen un vincle d’unio entre elsatoms.

La formacio de qualsevol tipus d’enllac estable suposa que el sistema resultant tindra menys energiaque el que constituıen les partıcules aıllades. Es mes, quant major sigui la disminucio d’energia, majorsera l’estabilitat de l’enllac i del sistema format.

La corba d’estabilitat energetica (c) representa la variacio de l’energia potencial quan dos atoms oions s’acosten l’un a l’altre. Resulta de la combinacio de dues: l’energia de repulsio (a) i la corresponenta l’energia d’atraccio (b). S’observa que hi ha una distancia internuclear, anomenada distancia d’enllac,

18

1.10. ENLLAC QUIMIC

per a la qual el sistema es mes estable, ja que la suma algebraica de les forces atractives i repulsiveses mınima.

L’energia de repulsio (a) es l’energia absorbida degut a l’existencia de forces repulsives (curt abast)entre els nuvols electronics. Es responsable de desestabilitzar el sistema.

L’energia d’atraccio (b) es l’energia despresa degut a la presencia de forces atractives (llarg abast)entre ions de carrega oposada. Disminueix quan els nuclis s’acosten, estabilitzant el sistema.

Regla de l’octet

En general, quan s’uneixen els atoms dels elements segueixen la regla de l’octet electronic, es a dir, enla formacio de l’enllac, els atoms tendeixen a cedir, guanyar o compartir electrons fins que el nombred’aquests sigui igual a 8 (ns2 np6) al seu nivell de valencia, ja que aixo suposa l’estabilitat maxima.

Aixı, els atoms tendeixen a assolir la configuracio electronica del gas noble mes proper. Els metallstendeixen a perdre electrons (convertint-se en ions positius) i el no metalls tendeixen a guanyarelectrons (convertint-se en ions negatius).

La gran estabilitat dels gasos nobles es deguda als 8 electrons de la seva estructura electronica.El cas de l’heli es especial, ja que la seva estructura es 1s2, a la que tendiran, per exemple, el liti i elberil·li.

La regla de l’octet electronic es util per predir la formacio d’enllacos, pero nomes es compleix, ino sempre, als atoms inclosos als tres primers perıodes.

L’hidrogen necessita unicament 2 electrons (mateixa configuracio electronica que l’heli) i el bores estable amb 6. A partir del tercer perıode hi ha elements que tenen orbitals d i que poden estarenvoltats de mes de 8 electrons: octet expandit. Per exemple en el cas de l’hexafluorur de sofre, SF6,el sofre esta envoltat de 12 electrons.

A mes de la configuracio d’octet, ns2 np6, existeixen altres configuracions, que presenten els ultimsnivells plens o semiplens, que tambe son estables: (n− 1)d10 ns2; (n− 1)d5 ns1 i (n− 1)d5 ns2.

Electronegativitat

Per saber si entre dos atoms te lloc un o altre tipus d’enllac, es recorre a l’estudi de l’electronegativitat.Es defineix l’electronegativitat com la tendencia relativa d’un atom per atraure els parells d’electronscompartits en l’enllac que forma amb un altre element.

En general, els no metalls posseixen electronegativitats altes (tendeixen a captar electrons), mentreque els metalls tenen electronegativitats baixes (tendeixen a cedir electrons). Precissament el caractermetal·lic o no metal·lic d’un element depen d’aquests valors.

Els gasos nobles no presenten caracter metal·lic ni no metal·lic. La seva estructura es molt establei ni capten ni cedeixen electrons. S’han obtingut molt pocs compostos amb gasos nobles i per aixo esdiu que son quımicament inerts.

En general, un element es mes electronegatiu com mes a la dreta i cap amunt esta en el sistemaperiodic.

1.10.1 Enllac ionic

L’enllac ionic es produeix quan un element de caracter metal·lic s’uneix amb un element de caracterno metal·lic. El metall cedeix electrons al no metall i es transformen tots dos en ions (un de positiu iun de negatiu, respectivament).

El nombre d’electrons intercanviats per cada element s’anomena electrovalencia o valencia ionica.En el cas dels elements representatius (grups 1, 2, 13, 14, 15, 16 i 17), l’electrovalencia correspon, enel cas dels metalls, amb el nombre d’electrons que ha de perdre per arribar a tenir la configuracioelectronica del gas noble anterior i, en el cas dels no metalls, amb el nombre d’electrons que ha de

19

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

guanyar per arribar a la configuracio del gas noble seguent. Els metalls de transicio tenen varieselectrovalencies.

Na : 1s2 2s2 2p6 3s1 −→ Na+ : 1s2 2s2 2p6 −→ perd 1 e−=⇒ NaCl

Cl : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 −→ Cl− : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 −→ guanya 1 e−

Mg : 1s2 2s2 2p6 3s2 −→ Mg2+ : 1s2 2s2 2p6 −→ perd 2 e−=⇒ MgCl2Cl : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 −→ Cl− : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 −→ guanya 1 e−

L’enllac ionic consisteix en l’atraccio electrostatica entre ions carregats amb carrega de diferentsigne. A causa d’aixo, les substancies ioniques no es presenten en forma de molecules, sino que, afi d’estabilitzar-se energeticament, apareixen formant xarxes cristal·lines. La formula dels compostionics indica la proporcio amb la que es combinen els ions, per tant, es tracta d’una formula empırica,ja que aquests composts no formen molecules. El nombre d’ions d’un signe que rodegen un io de l’altresigne rep el nom de nombre de coordinacio.

Existeixen xarxes cristal·lines amb diferents disposicions espacials o geometriques (cubica, hexa-gonal, monoclınica, . . . ). La geometria d’una xarxa cristal·lina depen del nombre de coordinacio i dela mida relativa dels ions.

Propietats

• Solids durs i fragils a temperatura ambient al trobar-se a la natura formant xarxes cristal·lines.

• Solubles en aigua o altres dissolvents que, com l’aigua, tenguin molecules polaritzades.

• Conductivitat electrica nul·la en estat solid, ja que els ions resten fixos en posicions determinadesdel cristall, i elevada en dissolucio o fosos, ja que aixı els seus ions son molt lliures i sera senzilldesplacar-los mitjancant un potencial electric.

1.10.2 Enllac covalent

L’enllac covalent es produeix quan s’uneixen dos no metalls. La diferencia d’electronegativitat entreels dos atoms no es prou gran com perque es produeixi una transferencia d’electrons d’un atom a unaltre com en el cas de l’enllac ionic. Aquest enllac resulta de la comparticio d’electrons entre atoms peraconseguir estructura d’ultima capa plena. El parell electronic implicat en cada enllac es comporta, atots els efectes practics, com si pertanyes exclusivament a cada un dels atoms que uneix.

La teoria que explica l’enllac covalent es diu teoria de l’enllac de valencia. Aquesta teoria suposaque els enllacos entre no metalls es produeixen compartint electrons desaparellats de la capa de valencia(la darrera capa). Aquesta teoria prediu l’existencia de molecules com Cl2 o HCl.

Existeixen tres tipus d’enllacos covalents en funcio del nombre de parells d’electrons compartits:

• Enllac simple: unio de dos atoms mitjancant un parell d’electrons.

• Enllac doble: comparticio de dos parells d’electrons entre dos atoms.

• Enllac triple: comparticio de tres parells d’electrons entre dos atoms.

Per exemple, el cas de la unio de H i Cl, ambdos elements tenen un electro desaparellat a la capade valencia, aquests dos electrons formen un enllac covalent simple.

La teoria d’enllac de valencia, tal i com l’hem exposada fins ara, no pot explicar l’existenciade determinades molecules formades per no metalls i que s’observen a la naturalesa, com ara el CH4 oel BH3. Recordem que els enllacos quımics es formen perque els atoms enllacats (els compostos) son

20

1.10. ENLLAC QUIMIC

mes estables que els atoms individuals. Per tant, es plausible que els atoms formin el maxim nombred’enllacos possible. A la nostra teoria tenim un enllac per cada electro desaparellat.

Existeix un mecanisme, la promocio d’electrons, que permet la formacio de mes enllacos. Es diuque un electro promociona quan passa del seu nivell d’energia mes baix, el nivell fonamental, a unaltre nivell d’energia mes elevada o nivell excitat. Aquest mecanisme produeix un nombre mes grand’electrons desaparellats a un atom, per tant un nombre mes gran d’enllacos i major estabilitat delcompost resultant.

Anomenam valencia covalent o covalencia d’un element al nombre d’enllacos covalents que potformar. Aquest nombre coincideix amb el nombre d’electrons desaparellats al seu estat fonamental odespres de promocionar un electro o mes a subcapes d’energia superior dins de la capa de valencia.

Propietats

Els composts covalents es poden presentar en forma molecular o de xarxes.

Substancies covalents moleculars

• En condicions ambientals poden ser gasos (O2 i CH4), lıquids (H2O i benze) o solids (I2 iglucosa).

• En estat solid, totes elles formen xarxes cristal·lines constituıdes per molecules unides mitjancantdebils forces intermoleculars.

• Punts de fusio i ebullicio, generalment, baixos ja que per fondre o bullir aquestes substanciessera precıs rompre les debils forces existents entre les seves molecules.

• Les molecules polars son solubles en dissolvents polars (com l’aigua) i les molecules apolars sonsolubles en dissolvents apolars (com el benze).

• Conductivitat practicament nul·la.

Substancies atomiques o solids reticulars

• A aquest reduıt grup pertanyen, per exemple, els elements carboni (en les seves formes alotropiquescristal·lines de diamant o grafit), bor, silici (que constitueix la sılice SiO2, que forma mineralscom el quars i l’opal) i germani.

• Punts de fusio i ebullicio alts.

• Elevada duresa.

21

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

• Mals conductors de l’electricitat en general, ja que els electrons, localitzats als enllacos covalents,no tenen mobilitat.

• Insolubles en general.

Diagrames de Lewis

Els diagrames o estructures de Lewis son una notacio abreujada aplicable a cada molecula a fi d’in-tentar facilitar la descripcio i visualitzacio de les unions atomiques covalents.

S’indica cada atom envoltat d’uns punts que representen els electrons de la capa de valencia.Aquests electrons es poden representar tambe mitjancant aspes (×) per diferenciar-los dels de l’altreatom o en forma de ratlles en cas de representar parells d’electrons.

Les regles per dissenyar les estructures de Lewis son:

1. Col·loca els atoms de la molecula de la manera mes simetrica possible (l’atom central sol ser elque necessita mes electrons per completar el seu nivell de valencia). En els oxoacids, els atomsd’hidrogen s’uneixen a atoms d’oxigen i l’altre element ocupa la posicio central. En el cas delscomposts organics, els carbonis s’enllacen entre si.

2. Determina els electrons disponibles en la capa externa de cadascun dels atoms de la molecula(A).

3. Calcula el nombre total d’electrons que caben en la capa de valencia de tots els atoms de lamolecula (N).

4. El nombre total d’electrons compartits s’obte en restar els disponibles dels que caben (C =N −A).

5. Col·loca el resultat anterior, es a dir, els parells electronics compartits, enllacant els atoms.

6. Col·loca la resta dels electrons com a parells no compartits per a completar l’octet de tots elsatoms.

Exemple 2

22

1.10. ENLLAC QUIMIC

Determina l’estructura de Lewis de la molecula d’acid carbonic H2CO3.

En el cas de l’acid carbonic el carboni tendria la posicio central i estaria envoltat pels atoms d’oxigen.Els atoms d’hidrogen aniran enllacats amb dos atoms d’oxigen.

A = 4 e− (C) + 3 · 6 e− (O) + 2 · 1 e− (H) = 24 e−

N = 8 e− (C) + 3 · 8 e− (O) + 2 · 2 e− (H) = 36 e−

C = N −A = 36− 24 = 12 e−(6 parelles)

En total hi ha A− C = 24− 12 = 12 e− no compartits.

Enllac covalent datiu. En algunes molecules es pot donar la situacio en que nomes un dels atomscedeix els dos electrons amb que es forma l’enllac. Aquest enllac s’anomena enllac covalent datiuo coordinat.

Es representa mitjancant una fletxa que surt de l’atom donador.

Exemple 3

Determina l’estructura de Lewis de la molecula d’acid nıtric HNO3.

En el cas de l’acid nıtric el nitrogen tendria la posicio central i estaria envoltat pels atoms d’oxigen.L’atom d’hidrogen aniria enllacat amb un dels atoms d’oxigen.

A = 5 e− (N) + 3 · 6 e− (O) + 1 e− (H) = 24 e−

N = 8 e− (N) + 3 · 8 e− (O) + 2 e− (H) = 34 e−

C = N −A = 34− 24 = 10 e−(5 parelles)

Com nomes hi ha tres atoms units a l’atom central, haurem de col·locar dos parells entre aquest iun atom d’O. En total hi ha A − C = 24 − 10 = 14 e− no compartits. Hi ha un enllac datiu a lamolecula.

23

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

1.10.3 Forces intermoleculars

Les forces intermoleculars tenen lloc quan les molecules amb enllac covalent exerceixen forceselectrostatiques de tipus atractiu entre si. Aquestes forces son mes debils que els enllacos entre atoms.

Son consequencia de l’electronegativitat dels atoms que formen la molecula covalent, es a dir, de latendencia que te un atom a atreure cap a si mateix el parell d’electrons que el mante unit amb l’altreatom.

Quan dos atoms diferents s’enllacen, es produeix una distorsio en la distribucio de la carregaelectrica en l’espai: augmenta pels voltants de l’atom mes electronegatiu i disminueix al voltant del’altre, per la qual cosa es crea un exces de carrega negativa en el primer, i un defecte en el segon. Esforma un dipol electric. En aquest cas es parla d’enllac covalent polar.

Les molecules apolars poden ser-ho degut a que els enllacos entre els atoms que la formen sonapolars (com per exemple el cas del H2) o per la geometria de la molecula amb enllacos polars (comel CH4).

Quan les molecules polars son a prop les unes de les altres, exerceixen entre si forces d’atraccio acausa dels pols que hi existeixen.

Les forces intermoleculars poden ser, principalment, de dos tipus: pont d’hidrogen i forces de Vander Waals.

Pont d’hidrogen

Els ponts d’hidrogen es produeixen entre molecules que contenen hidrogen i un atom molt electrone-gatiu i petit (F, O i N). En aquests casos, l’element unit a l’hidrogen atreu gran part de la carrega del’enllac que els mante units, es carrega negativament, i provoca l’aparacio d’una certa carrega positivasobre l’hidrogen. D’aquesta manera es crea un enllac polar que permet a les molecules unir-se entresi per atraccio electrostatica.

Els composts que exeperimenten aquestes interaccions presenten anomalies en els punts de fusio id’ebullicio i, per tant, en el seu estat fısic a temperatura ambient.

Encara que les energies mitges de l’enllac per pont d’hidrogen son baixes, son bastants mes altesque les interaccions dipol-dipol, el que es tradueix en que les substancies que posseeixen enllac perpont d’hidrogen tenen punts de fusio i ebullicio anormalment elevats.

Forces de Van der Waals

Les forces de Van der Waals son mes febles que els ponts d’hidrogen i poden ser de tres tipus.

Dipol permanent - dipol permanent: Son les que uneixen molecules amb enllacos polars queno estan unides per ponts d’hidrogen. Son mes febles que els ponts d’hidrogen i les mes intenses deles forces de Van der Waals. Els dipols existents entre aquestes molecules poden interaccionar i esprodueixen unions febles entre sı.

Dipol permanent - dipol induıt: Una molecula polar pot induir un dipol instantani sobre unamolecula apolar per desplacament dels seus electrons.

Dipol instantani - dipol induıt: En un instant determinat els electrons d’una molecula apolar espoden concentrar en una zona provocant l’aparicio d’un dipol instantani. Aquest dipol instani es capacd’induir un dipol en una molecula veına. Aquest tipus de forces intermolecular, tambe conegudes comforces de dispersio de London, expliquen perque el brom es lıquid i el iode es solid.

24

ACTIVITATS

1.10.4 Enllac metal·lic

L’enllac metal·lic es l’enllac que es dona entre atoms d’elements metal·lics. Els metalls tenentendencia a perdre electrons. Quan s’enllacen tots els atoms perden electrons de la capa de valencia.Els cations resultants formen una xarxa cristal·lina envoltada per un nigul format pels electronsalliberats. Aquest mar d’electrons lliures es el que compensa la repulsio electrostatica entre els cations.

Propietats

• Solids a temperatura ambient, excepte el mercuri que es lıquid.

• Punts de fusio i ebullicio elevats, en general.

• Brillantor platejada. Tenen superfıcies polides i practicament no absorbeixen llum, sino que lareflecteixen.

• Conductivitat termica elevada.

• Conductivitat electrica elevada en estat solid. Els electrons responsables de l’enllac tenen unagran llibertat i facilitat de moviment amb aportacions energetiques petites.

• Son ductils i maleables.

Activitats

1. Explica com es comporten els raigs catodicsal travessar un camp electric i que revelaaquest comportament. Fes un esquema querepresenti i justifiqui el comportament delsraigs canals al travessar un camp electric.

2. Explica per que les partıcules positives queformen els raigs canals tenen una massa va-riable, mentre que les partıcules negativesque formen els raigs catodics tenen semprela mateixa massa. Per que tenen ambduesla mateixa carrega en valor absolut?

3. Digues si les seguents afirmacions son ver-daderes o falses, justifica les respostes i cor-regeix les erronies:

(a) L’atom es indivisible i immutable.

(b) El model de Thomson es incorrecteperque no explica l’experiencia de Ru-therford.

(c) L’escorca electronica es molt densa.

(d) El neutro, el proto i l’electro tenenaproximadament la mateixa massa.

(e) L’atom esta practicament buit.

(f) L’atom no pot ser neutre perque contecarregues electriques.

4. Explica la diferencia fonamental entre elconcepte actual d’element quımic i el de Dal-ton.

5. Explica per que el model de Rutherford noesta d’acord amb l’espectre d’emissio delsatoms.

6. Indica el nombre atomic i el nombre massici calcula el nombre de protons, neutrons ielectrons que conte cadascun dels seguentsatoms neutres i ions: 37

17Cl,235U, 214

82Pb,11H,

24Mg2+, 127I−, 27Al3+, 199F−

7. Un isotop de carboni, pot tenir el mateixnombre massic que un isotop de nitrogen? Iel mateix nombre atomic? Justifica la res-posta.

8. En quins dels aspectes seguents poden serdiferents els atoms d’un mateix element:(a) estructura atomica, (b) nombre d’elec-trons externs, (c) massa nuclear, (d) sumade protons i neutrons.

25

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

9. A partir de les seguents dades d’abundanciesrelatives, calcula la massa atomica dels ele-ments gal·li i silici:

(a) 6931Ga : 68, 95 u; 60, 16 %7131Ga : 70, 95 u; 39, 84 %

(b) 2814Si : 27, 985 792 u; 93, 05 %2914Si : 28, 990 654 u; 3, 90 %3014Si : 29, 986 320 u; 3, 05 %

10. El nitrogen esta format per dos isotops na-turals 14

7N i 157N, de masses 14, 0031 u i

15, 0001 u, respectivament. Calcula l’a-bundancia relativa de cada isotop al nitro-gen natural si la massa atomica del nitrogenes 14, 007 u.

11. El magnesi esta format per tres isotops demasses 23, 98 u, 24, 99 u i 25, 98 u. L’a-bundancia relativa de cadascun es 78, 60 %,10, 11 % i 11, 29 %, respectivament. Ambaquestes dades, calcula la massa del magne-si.

12. La massa atomica del coure es 63, 55 u iesta format per dos isotops. Si sabem quel’abundancia de l’isotop de coure-63 es del69, 10 % i que la seva massa es 62, 93 u, cal-cula la massa de l’isotop de coure-65.

13. Deim que els espectres atomics son disconti-nus, mentre que l’espectre de la llum visiblees continu. Pots explicar que signifiquen lesdues coses?

14. Calcula la longitud d’ona dels tipus de radi-acio electromagnetica seguents: microonesde 2×1011 Hz, llum verda de 5, 5×1014 Hz,llum violeta de 6, 8 × 1014 Hz i raigs X de3, 0× 1018 Hz.

15. Calcula la frequencia i la longitud d’o-na, expressada en metres, nanometres iangstroms, d’una radiacio el nombre d’onesdel qual es de 2, 8× 108 m−1. A quina zonade l’espectre correspon aquesta radiacio?

16. Calcula la longitud d’ona de la radiacio eme-sa quan un electro excitat de l’atom d’hidro-gen torna de l’estat n = 3 al fonamental.

17. Un atom emet fotons de llum groga de lon-gitud d’ona 570 nm. Calcula la diferenciaenergetica entre els nivells atomics que vanproduir aquesta radiacio.

18. Utilitzant l’equacio de Rydberg, calcula lafrequencia de la radiacio emesa per l’electrode l’atom d’hidrogen quan passa de n = 4 an = 1.

19. En l’espectre de l’atom d’hidrogen s’observauna lınia la longitud d’ona de la qual es de4, 4×10−7 m. Calcula la variacio energeticaper a la transicio associada a aquesta lınia.

20. Un electro excitat d’un atom d’hidrogentorna a l’estat fonamental emetent radia-cio electromagnetica la longitud d’ona dela qual es de 3000 A. Calcula la di-ferencia energetica existent entre els dos ni-vells electronics.

21. Calcula la frequencia i la longitud d’onad’un foto l’energia del qual es de 7, 5 ×10−17 J.

22. Una estacio de radio emet amb una longi-tud d’ona de 700 m. Indica la frequencia il’energia de cada quanto de radiacio.

23. (a) Calcula l’energia del foto associat a unallum vermella de 6000 A de longitud d’ona.(b) I la d’un foto de frequencia 2×1020 s−1?

24. Calcula la longitud d’ona del foto associat ala transicio electronica de l’atom d’hidrogendes del nivell n = 5 fins al n = 2.

25. Determina la transicio electronica que esprodueix quan l’atom d’hidrogen emet unfoto de longitud d’ona 102, 6 nm i l’electroacaba al seu estat fonamental.

26. Calcula la longitud d’ona de la radiacio eme-sa per l’atom d’hidrogen a la segona lınia dela serie de Paschen.

27. S’observa que en l’espectre de l’atom d’hi-drogen hi ha una lınia que es correspon ambuna absorcio energetica de 4, 6×10−19 J. Esdemana: (a) Longitud d’ona de la radiacioabsorbida corresponent a la transicio associ-ada a aquesta lınia. (b) Si el nivell superiord’aquesta transicio es n = 5, quin es el nom-bre quantic del nivell inferior?

26

ACTIVITATS

28. Si sabem que la diferencia d’energia entredos nivells d’un atom es de 6, 3 × 10−3 eV,calcula la frequencia de la radiacio absor-bida o emesa quan un electro experimentaaquesta transicio.

29. Un atom emet una energia de 15 eV des-pres d’excitar-lo convenientment. Quina esla frequencia i la zona de l’espectre a quecorrespon aquesta radiacio?

30. L’electro de l’atom d’hidrogen passa de l’es-tat fonamental d’energia E1 = −13, 6 eV an = 3. Indica l’energia d’aquest nivell.

31. Calcula quin es el nombre maxim d’electronsque pot contenir el tercer nivell d’energia(n = 3) d’un atom.

32. S’observa que es produeixen tres ratlles es-pectrals quan un electro passa d’un nivelldeterminat a l’estat fonamental. Podries dirquin es el nivell de partida? Quantes ratlleses produiran si l’electro esta inicialment alnivell 5?

33. Dedueix els possibles nombres quantics per aun electro que ocupi un orbital (a) 3s; (b) 6f;(c) 1s; (d) 4d; (e) 5p.

34. De les seguents series de nombres quantics,(n, l, ml, ms), indica raonadament quinesestan permeses i assigna a aquestes l’orbitalque els correspon:

(a) (1, 1, 0, +1/2)

(b) (2, 1, 0, 1)

(c) (1, 2, 1, −1/2)

(d) (1, 0, 0, 0)

(e) (2, 2, 1, −1/2)

(f) (3, 2, −2, −1/2)

(g) (3, −2, 0, +1/2)

(h) (2, 0, −1, +1/2)

(i) (2, 1, 0, 0)

(j) (4, 0, 2, +1/2)

35. Indica quina o quines de les seguents seriesde nombres quantics , (n, l, ml), estan per-meses i assigna a cada una d’elles l’orbitalque li correspon.

(a) (2, 0, 0)

(b) (2, 1, 1)

(c) (2, 2, 0)

(d) (2, 1, −1)

(e) (2, 1, 0)

(f) (2, 1, 2)

36. Els atoms i ions seguents son isoelectronics(tenen la mateixa configuracio electronica).Comprova-ho: 20Ne, 19F−, 24Mg2+, 27Al3+.

37. Per als ions Na+, Cl−, Ca2+ i Se2−, indicael nombre atomic, nombre d’electrons, con-figuracio electronica.

38. Dels elements quımics seguents, escriu Z, laconfiguracio electronica, indica quina es lacapa de valencia i quin es el nombre d’elec-trons de valencia: fosfor, clor, calci, oxigen,estany, alumini, xeno, rubidi.

39. Ordena de menor a major energia els subni-vells: 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f i 5s.

40. Un atom en l’estat fonamental te totalmentocupat el nivell n = 3, quants electrons te?

41. Indica quines de les configuracions seguentsno corresponen a un atom en el seu estatfonamental:

(a) 1s2 2s2 2p5

(b) 1s2 2s2 2p1 3s1

(c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 3d3

(d) 1s2 2s2 2p6 3s1

42. Identifica les configuracions electroniquesseguents amb els elements corresponents:

(a) 1s2 2s2 2p3

(b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

(c) 1s2 2s2 2p6 3s1

(d) 1s2 2s2 2p6

43. Escriu la configuracio electronica de l’estatfonamental de les especies seguents: S2−,Ca2+, F− i Al.

44. De les configuracions electroniques d’atomsneutres seguents, digues quines corresponena estats fonamentals o excitats i quines sonprohibides. En els casos que sigui possibleindica a quin elements quımics corresponen:

27

CAPITOL 1. TEORIA ATOMICA I ENLLAC QUIMIC

(a) 1s2 1p6 2p3

(b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 4s1

(c) 1s2 2s2 2p6 2d10 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6

(d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

45. Realitza una taula a la que, per cada undels seguents atoms, indiquis el nombre deprotons, nombre d’electrons, configuracioelectronica, la configuracio de la capa devalencia, grup, famılia, perıode, metall/no-metall: Ne, F, P, Ag, Ti, Zr, Cs.

46. Dedueix el nombre atomic, el perıode iel grup d’un element amb configuracioelectronica de la darrera capa: 5s2 5p2. Fesel mateix per a un element amb configuracioelectronica de la darrera capa: 4s2 3d4.

47. Les distribucions electroniques de diferentsatoms neutres son: A : 1s2 2s1; B :1s2 2s2 2p5; C : 1s2 2s2 2p6; D :1s2 2s2 2p6 3s2. Corregeix els errors de lesafirmacions seguents:

(a) L’element A es un no-metall del grup 1i perıode 2.

(b) Els elements A i D pertanyen al mateixperıode.

(c) Els elements B i C son no-metalls.

(d) L’element D es un metall del grup 3 iperıode 2.

48. Un io negatiu Z− posseeix la configuracioelectronica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6. (a) Quines el nombre atomic de l’atom Z? (b) A quinperıode, grup i famılia pertany Z? (c) Pre-senta caracter metal·lic?

49. Un io X2− posseeix la configuracioelectronica seguent: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.(a) Quin es el nombre atomic? (b) A quinperıode, grup i famılia pertany? (c) Raonasi presenta caracter metal·lic o no metal·lic.

50. Justifica l’existencia dels ions seguents:Na+, Mg2+, Cl−, O2−, P3−, Hg2+ i Zn2+.

51. Senyala els electrons de valencia dels atomsA i B, indica el tipus d’enllac que es formaraentre ells i escriu la formula del compost.A : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 i B : 1s2 2s2 2p5

52. A partir de les configuracions seguentsperals atoms neutres A, B i C, respectivament:1s2 2s1, 1s2 2s2 2p1, 1s2 2s2 2p5, indica laformula dels possibles compostos que es for-men en unir A amb C i B amb C.

53. Indica les electrovalencies dels elements im-plicats en cadascun dels compostos seguentsa partir de les estructures electroniques:KCl, CaBr2, MgS, AlF3 i BeO.

54. A partir de la seva configuracio electronicaexplica les valencies dels seguents elements:S, N, Cl, Ca, Al i Ar.

55. Quines de les seguents substancies son solu-bles en aigua: CH4, MgCl2, Na2S i NaCl?

56. Per a les seguents substancies: dihidrogen,bromur d’hidrogen, plata, neo, sulfur desodi. Indica raonadament: (a) El tipusd’enllac. (b) L’estat a temperatura ambi-ent. (c) Quins son conductors d’electrici-tat? Quan? (d) Quins son solubles en ai-gua? (e) Quins son solubles en tetraclorurde carboni? Es un dissolvent apolar?

57. Assenyala quins dels compostos seguents esformen amb enllacos ionics: (a) CO; (b) Cl2;(c) HBr; (d) H2S; (e) MgO.

58. De les substancies seguents, quines formaranxarxes i quines molecules: KBr, NH3, H2S,N2, Fe, CO2, CCl4, CaF2, HNO2 i H2CO2.

59. Dibuixa les estructures de Lewis de les mo-lecules seguents: Br2, N2, HF, H2O i CH4.

60. Per que es mes estable la molecula d’oxigenque la d’oxigen atomic?

61. En el grafic seguent s’ofereixen les distanciesi les energies d’enllac de les molecules defluor i d’hidrogen a partir de les seves cor-bes energetiques d’estabilitat. Raona quinamolecula sera la mes estable.

28

ACTIVITATS

62. En el cas de l’aigua: (a) Quins enllacos hemde rompre perque passi de l’estat lıquid al’estat gasos? (b) Quins enllacos hem detrencar per a separar-ne els atoms?

63. Escriu la formula empırica dels compostsionics formats per aquests parells d’ele-

ments: (a) K i F; (b) Mg i O; (c) Ca i Br;(d) Al i Cl; (e) Na i S.

64. Els elements A, B, C i D tenen nombresatomics 8, 9, 10 i 12, respectivament. Quinscompostos ionics poden formar? Quinesformules quımiques tindran aquests compos-tos?

65. Els nombres atomics de tres elements A, Bi C son respectivament 9, 35 i 37. (a) Es-criu la configuracio electronica de cadascun.(b) Indica raonadament les formules i el ti-pus d’enllac entre (a) A i C; (b) A i A; (c) Bi B.

66. Indica quin tipus de forces intermolecularsestan presents en el H2, el HBr i el NH3.

29

2Formulacio inorganica

A la natura existeixen milions de substancies i aquestes, en la major part dels casos, es troben mes omenys mesclades amb altres. Des de molt antic es va intentar separar de les mescles naturals qualcunessubstancies que interessaven per un motiu o per altre (extraccio de minerals, obtencio de principisactius amb propietats curatives a partir de determinades plantes,. . . ). En altres casos el procesfou distint, a partir d’unes substancies, mitjancant les reaccions quımiques apropiades, s’obteniensubstancies noves de propietats diferents.

Aquests processos de separacio o de sıntesi es van repetir al llarg del temps i van permetre aıllarmilions de composts quımics. Tanmateix no hem d’oblidar que tots els compostos quımics existents es-tan formats per distintes combinacions de menys d’un centenar d’elements quımics. Com per exemplel’aigua, composta d’hidrogen i oxigen; o el buta, per carbo i hidrogen.

A mesura que el nombre de composts aıllats, naturals o artificials, va anar creixent, es va haverd’inventar un sistema per poder entendre’s i evitar que un mateix compost fos batejat amb diferentsnoms.

Antoine Lavoisier, considerat el pare de la quımica moderna, entre altres contribucions, va ser elprimer en proposar un nou llenguatge quımic que permetia normalitzar el nom de les substancies enel Methode de nomenclature chimique (1787), escrit juntament amb Morveau, Berthollet i Fourcroy.

Actualment les normes per nomenar i formular compostos son les establertes per la IUPAC (UnioInternacional de Quımica Pura i Aplicada). En aquest capıtol (i al llarg de tot el llibre) faremservir les recomanacions de la IUPAC de l’any 2005 sobre nomenclatura sistematica inorganica, quesubstitueixen les de l’any 1990 i les seves modificacions del 2000. Cal destacar que, a pesar dels canvisintroduıts per la IUPAC en un intent d’homogeneitzar la nomenclatura dels composts, encara es podentrobar en altres obres o en etiquetes nomenclatures obsoletes.

2.1 Definicions

2.1.1 Valencia

Anomenam valencia a la capacitat que te un element per a combinar-se amb altres per formar com-posts.

La valencia d’un element es el nombre d’atoms hidrogen que es combinen amb un atom o element.Equivalentment la podem definir com el nombre d’electrons que l’element pot cedir o guanyar en laformacio de composts ionics (electrovalencia) o pel nombre d’electrons que pot compartir en un enllaccovalent (covalencia).

Per tal que la formula d’un compost quımic sigui correcta, la valencia de cada atom ha de ser laque li correspon i el nombre total de valencies de cadascun dels elements que es combinen ha de serel mateix.

31

CAPITOL 2. FORMULACIO INORGANICA

2.1.2 Nombre d’oxidacio

El nombre o estat d’oxidacio sintetitza els conceptes de valencia i d’electronegativitat (tendencia aatraure electrons cap a ell quan es combina amb altres atoms) i es de gran utilitat per formularcomposts poliatomics.

Conve tenir presents les seguents regles en quan als nombres d’oxidacio dels diferents elements:

• El nombre d’oxidacio dels atoms aıllats es zero.

• El nombre d’oxidacio dels ions monoatomics coincideix amb la carrega de l’io.

• El nombre d’oxidacio del fluor es −1.

• El nombre d’oxidacio de l’oxigen en tots els seus composts es −2, excepte en els peroxids, quees −1, i quan es combina amb el fluor que es +2.

• El nombre d’oxidacio de l’hidrogen es +1 quan es combina amb els no metalls i −1 en els hidrursmetal·lics.

• El nombre d’oxidacio dels metalls es sempre positiu.

• En les sals binaries, el no-metall actua amb nombre d’oxidacio negatiu.

• En els oxoacids, l’oxigen te nombre d’oxidacio −2, el no-metall te nombre d’oxidacio positiu il’hidrogen te +1.

• La suma dels nombres d’oxidacio de tots els atoms d’una molecula neutra es sempre zero. En elcas dels ions, la suma seria igual a la carrega de l’io.

2.1.3 Nomenclatura sistematica

D’acord amb les normes de nomenclatura sistematica de la IUPAC del 2005, les substancies in-organiques poden ser anomenades utilitzant tres formes diferents:

32

ACTIVITATS

Nomenclatura de composicio o estequiometrica

Es basa en la composicio de la substancia. La proporcio de cada element es pot indicar de tres maneresdiferents:

• Usant els prefixos multiplicadors mono-, di-, tri-, tetra-, . . . per composts senzills i bis-, tris-,tetrakis-, . . . per substancies mes complexes. El prefix mono- no resulta necessari excepte sihi ha possibilitat de confusio. No es poden fer contraccions (no es correcte, per exemple, dirpentoxid), excepte en el cas del monoxid. Exemple: CO2, dioxid de carboni.

• Mitjancant els nombres d’oxidacio, escrits entre parentesi i amb nombres romans, just al cos-tat del nom de l’element, sense deixar cap espai en blanc. Si l’element nomes te un nombred’oxidacio, es recomana no indicar-lo. Exemple: CuH2, hidrur de coure(II).

• Utilitzant els nombres de carrega, entre parentesi i amb nombres arabics, al costat del nomde l’element i sense deixar cap espai en blanc. En primer lloc s’escriu el nombre i despres elsigne. Aquesta modalitat unicament es valida pels composts ionics. Com en el cas anterior, sil’element unicament te un nombre d’oxidacio, es recomana no indicar-lo. Exemple: FeS, sulfurde ferro(2+).

Nomenclatura de substitucio

Parteix dels noms dels hidrurs progenitors (veure Seccio 2.4.1), que es poden modificar substituintels atoms d’hidrogen per altres atoms o grups. Els noms es formen citant com a prefixos o sufixosels grups substituents dels atoms d’hidrogen, units sense cap separacio al nom de l’hidrur progenitor.S’aplica fonamentalment a composts organics. Exemple: PHBr2, dibromfosfa.

En aquest curs no la utilitzarem mes enlla del nom dels hidrurs progenitors.

Nomenclatura d’addicio

Fa referencia a l’estructura del compost i es especialment per als oxocomposts. Consisteix en construirel nom posant els noms dels lligants, per ordre alfabetic, i amb prefixos multiplicadors, com a prefixesdel nom de l’atom central. Exemple: H2SO4, dihidroxidioxidsofre.

No la farem servir en aquest curs.

2.2 Substancies simples

Les substancies simples son les que estan constituıdes per atoms d’un mateix element, que es podenpresentar lliures tot i que, generalment, s’uneixen formant molecules o xarxes cristal·lines.

Com es formulen

Es formulen mitjancant el sımbol de l’element acompanyat d’un subındex que indica el nombre d’atomsque formen la unitat estructural.

Les unitats estructurals dels gasos nobles son els atoms individuals. Els gasos nobles son mono-atomics i se’ls representa amb el seu sımbol: He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn.

L’hidrogen, l’oxigen, el nitrogen, el fluor, el clor, el brom i el iode no es troben a la naturalesa enestat monoatomic. Normalment es troben en forma de molecules diatomiques (dos atoms). Les sevesformules son: H2, O2, N2, F2, Cl2, Br2 i I2.

Hi ha substancies simples en les quals s’uneixen un nombre elevat d’atoms formant una gran xarxacristal·lina. Aixo passa en els metalls i en altres elements com el silici, el germani i el carboni. Aquestes

33

CAPITOL 2. FORMULACIO INORGANICA

substancies es representen simplement pel sımbol (Fe) o pel sımbol acompanyat de l’estat d’agregacio(Fe(s)).

Hi ha elements que en un mateix estat fısic es poden representar de formes diferents. S’anomenformes al·lotropiques de l’element. Per exemple, l’oxigen es pot trobar en forma de moleculesdiatomiques (O2) o triatomiques (O3, ozo).

Com s’anomenen

De forma general els elements s’anomenen amb el nom de l’element quımic corresponent. En el casdels no metalls que formen substancies moleculars, s’indica amb el corresponent prefix multiplicadorel nombre d’atoms que formen la molecula. Cal indicar que quan s’utilitzen prefixos no es podenrealitzar contraccions (no es correcte, per exemple, tetroxid), excepte en el cas del monoxid que sıs’accepta.

No. atoms Prefix numeral No. atoms Prefix numeral1 mono- 6 hexa-2 di- 7 hepta-3 tri- 8 octa-4 tetra- 9 nona-5 penta- 10 deca-

El prefix mono- s’utilitza nomes per als casos en els que l’element no es troba a la naturalesa enestat monoatomic1.

Nom IUPAC Nom alternatiuFe → ferroNe → neoO2 → dioxigen oxigenO3 → trioxigen ozoN → mononitrogenN2 → dinitrogenP4 → tetrafosfor fosfor blanc

2.3 Ions simples

Un io es un atom o grup d’atoms amb carrega electrica positiva o negativa. Si l’atom o grup d’atomsha perdut electrons es converteix en un io positiu o catio, en canvi si ha guanyat electrons es convertiraen un io negatiu o anio.

Com es formulen

La formula d’un io monoatomic es el sımbol de l’element amb el nombre de carrega com a superındex.Per als homonuclears, formats per mes d’un atom del mateix element, s’afegeix el subındexs indicantel nombre d’atoms presents.

Exemples: H+, F−, Ca2+, O2−, Hg22+, O2

2−, . . .

1Fins a la darrera actualitzacio de la IUPAC, quan s’anomenava el nitrogen, hidrogen, clor, brom, iode i fluor es feiasempre referencia a les molecules diatomiques d’aquests elements. Aquesta nomenclatura ja no esta acceptada, pero esmolt probable trobar-se aquestes referencies. Cal tenir en compte que aquests elements, juntament amb l’oxigen, maies troben en forma monoatomica a la natura i aixı evitarem la confusio.

34

ACTIVITATS

Com s’anomenen

Els cations monoatomics s’anomenen amb el nom de l’element i el nombre de carrega entre parentesi(no hi ha espai entre el nom de l’element i el parentesi). Per als ions homonuclears s’afegeix elcorresponent prefix multiplicador.

Els anions monoatomics s’anomenen amb l’arrel del nom de l’element acabat en –ur i a continuacioel nombre de carrega entre parentesi. En el cas dels anions, aquest nombre de carrega es pot suprimirquan no doni lloc a cap ambiguitat.

En el cas de l’oxigen, l’io O2− s’anomena oxid(2−) o oxid.

Amb el nombre Nom alternatiude carrega acceptat

Na+ → sodi(1+)H+ → hidrogen(1+) hidroFe3+ → ferro(3+)S2− → sulfur(2-) o sulfurH− → hidrur(1-) o hidrurO2− → oxid(2-) o oxidHg2

2+ → dimercuri(2+)O2

2− → dioxid(2-) peroxidC2

2− → dicarbur(2-) acetilur

2.4 Composts binaris

Els composts binaris son els que estan constituıts per combinacio de dos elements quımics diferents.

Formulacio

Per formular un compost binari format per dos elements hem d’escriure junts els sımbols dels doselements que el formen. Per determinar l’ordre, la norma donada per la IUPAC diu que s’ha d’escriureprimer l’element menys electronegatiu. A continuacio es detalla l’ordre decreixent d’electronegativitatcomencant del fluor (element mes electronegatiu)

Un cop escrits els sımbols en l’ordre adient cal determinar quants d’atoms de cada tipus hi ha ala unitat estructural.

35

CAPITOL 2. FORMULACIO INORGANICA

En el cas dels composts binaris, es diu que s’intercanvien les valencies i es simplifiquen. D’aquestamanera el nombre total de valencies de cadascun dels elements que es combinen sera el mateix i s’obteel nombre d’atoms de cada tipus.

El subındex 1 no s’escriu mai, es sobreenten.

Si es poden simplificar els subındexs, en general, es fara.

Ates que la carrega electrica total de la unitat estructural ha de ser zero, podem calcular quantsatoms calen de cada element a partir dels nombres d’oxidacio perque la carrega sigui nul·la.

2.4.1 Hidrurs i composts binaris amb hidrogen

Es tracta de combinacions binaries de l’hidrogen amb un altre element.

Cal tenir en compte la sequencia de decisio basada en l’electronegativitat de manera que per ales combinacions de l’hidrogen amb els elements dels grups 1–15 l’hidrogen es l’element mes electro-negatiu, per tant, a la formula s’escriura a la dreta i emprara l’estat d’oxidacio H(-I). Pel que fa ala denominacio seguint la nomenclatura de composicio, farem servir la denominacio hidrur per a l’hi-drogen i, a continuacio, el nom de l’altre element. La proporcio dels elements s’indicara amb prefixosmultiplicadors, amb l’estat d’oxidacio o amb el nombre de carrega de l’element mes electropositiu, encas de tenir-ne mes d’un diferent.

Per a les combinacions amb els elements dels grups 16 i 17, l’hidrogen es l’element mes electroposi-tiu, per tant, utilitzara l’estat d’oxidacio H(I) i s’escriura a l’esquerra de la formula. Per anomenar-losposam en primer lloc el nom de l’element mes electronegatiu amb el sufix -ur (excepte en el casde l’oxigen) i, a continuacio el de l’hidrogen, si cal amb el corresponent prefix multiplicador. Quanaquestes substancies es troben en dissolucio aquosa presenten caracter acid, es a dir, s’ionitzen donantl’io hidrogen(1+) (caracterıstica comuna de tots els acids) i anions, i es coneixen com a hidracids.Tradicionalment s’anomenaven amb la paraula acid seguida del nom de l’element amb el sufix -hıdric.Aquesta nomenclatura es pot seguir utilitzant ja que esta molt extesa.

Amb prefixos Amb el nombre Amb el nombre Tradicionalmultiplicadors d’oxidacio de carrega acceptada

FeH2 → dihidrur de ferro hidrur de ferro(II) hidrur de ferro(2+)LiH → hidrur de liti hidrur de liti hidrur de litiPH3 → trihidrur de fosfor hidrur de fosfor(III) no te caracter ionicH2S → sulfur de dihidrogen sulfur d’hidrogen no te caracter ionic acid sulfhıdricHCl → clorur d’hidrogen clorur d’hidrogen no te caracter ionic acid clorhıdric

Com hem indicat anteriorment, la nomenclatura de substitucio es basa en els noms dels hidrursprogenitors a partir de la substitucio dels atoms d’hidrogen. Els noms dels hidrurs progenitors esconstrueixen afegint el sufix -a al nom de l’element i es mostren a la taula seguent:

BH3 bora CH4 meta NH3 aza o amonıac H2O oxida o aigua HF fluoraAlH3 aluma SiH4 sila PH3 fosfa H2S sulfa HCl cloraGaH3 gal·la GeH4 germa AsH3 arsa H2Se sela HBr bromaInH3 indiga SnH4 estanna SbH3 estiba H2Te tel·la HI iodaTlH3 tal·la PbH4 plumba BiH3 bismuta H2Po pola HAt astata

2.4.2 Composts binaris amb oxigen

Compostos binaris constituıts per oxigen i un element qualsevol.

36

ACTIVITATS

Oxids

Els oxids son les combinacions binaries de l’oxigen, que te nombre d’oxidacio -II, amb un elementmes electropositiu.

Per tant, les combinacions d’oxigen amb els halogens (F, Cl, Br i I) no es consideren oxids sinoque son fluorurs, clorurs, bromurs o iodurs d’oxigen.

Tot i que les tres nomenclatures de composicio son valides, la IUPAC recomana la del nombre decarrega pels oxids metal·lics i la dels prefixs multiplicadors per als no metal·lics.

Amb prefixos Amb el nombre Amb el nombremultiplicadors d’oxidacio de carrega

CO → monoxid de carboni oxid de carboni(II) no te caracter ionicNO2 → dioxid de nitrogen oxid de nitrogen(IV) no te caracter ionicFe2O3 → trioxid de diferro oxid de ferro(III) oxid de ferro(3+)Cu2O → oxid de dicoure oxid de coure(I) oxid de coure(1+)K2O → oxid de dipotassi oxid de potassi oxid de potassiOF2 → difluorur d’oxigen fluorur d’oxigen no te caracter ionicO5Cl2 → diclorur de pentaoxigen no te caracter ionic

Peroxids

Els peroxids son combinacions d’un element amb l’anio peroxid (O22−). Per formular-los es pot

tractar l’anio peroxid com un element amb nombre d’oxidacio -II. Quan simplificam la formula nopodem rompre l’unitat estructural de l’anio peroxid, ja que aquest no es pot dividir.

Per anomenar els peroxids podem fer-ho emprant els prefixos multiplicadors, amb els quals s’ano-menen com si es tractas d’oxids. Tambe podem fer servir la nomenclatura dels nombres d’oxidacio enla que utilitzam el terme peroxid o la nomenclatura del nombre de carrega utilitzant dioxid(2-).

Amb prefixos Amb el nombre Amb el nombremultiplicadors d’oxidacio de carrega

CuO2 → dioxid de coure peroxid de coure(II) dioxid(2-) de coure(2+)Na2O2 → dioxid de disodi peroxid de sodi dioxid(2-) de sodiH2O2 → dioxid de dihidrogen peroxid d’hidrogen no te caracter ionic

En el cas del H2O2 esta acceptat el nom d’aigua oxigenada.

2.4.3 Altres composts binaris

Sals binaries

Les sals binaries son combinacions entre un element metal·lic i un element no metal·lic. En aquest casel no metall utilitza un nombre d’oxidacio negatiu i s’escriu sempre a la dreta de la formula.

S’anomenen comencant per l’element no metal·lic amb la terminacio -ur i a continuacio el nom delmetall.

Amb prefixos Amb el nombre Amb el nombremultiplicadors d’oxidacio de carrega

FeCl2 → diclorur de ferro clorur de ferro(II) clorur de ferro(2+)Au3N → nitrur de trior nitrur d’or(I) nitrur d’or(1+)AlC3 → tricarbur d’alumini carbur d’alumini carbur d’aluminiNiTe → monotel·lurur de nıquel tel·lurur de nıquel(II) tel·lurur de nıquel(2+)

37

CAPITOL 2. FORMULACIO INORGANICA

Composts no metall - no metall

En les combinacions binaries de dos no metalls l’element mes electronegatiu utilitzara el nombred’oxidacio negatiu i s’escriura a la dreta de la formula. L’altre element utilitzara un nombre d’oxidaciopositiu.

Per anomenar-los comencarem per l’element mes electronegatiu acabat en -ur i seguit del nom del’element mes electropositiu. Com que aquests composts no tenen caracter ionic no es pot utilizar lanomenclatura de combinacio amb el nombre de carrega.

Amb prefixos Amb el nombre Amb el nombremultiplicadors d’oxidacio de carrega

SbCl3 → triclorur d’antimoni clorur d’antimoni(III) no te caracter ionicSF6 → hexafluorur de sofre fluorur de sofre(VI) no te caracter ionicCBr4 → tetrabromur de carboni bromur de carboni(IV) no te caracter ionic

2.5 Composts ternaris i quaternaris

2.5.1 Hidroxids

Els hidroxids (o bases) son composts formats per la combinacio d’un catio metal·lic amb l’io hidroxid(OH−). Quan es dissolen en aigua donen ions hidroxid.

Per formular-los s’escriu primer el catio metal·lic i despres tants ions hidroxids con carreguespositives te el catio.

Encara que es tracta de composts ternaris s’anomenen seguint les mateixes regles que en el casdels composts binaris.

Amb prefixos Amb el nombre Amb el nombremultiplicadors d’oxidacio de carrega

KOH → hidroxid de potassi hidroxid de potassi hidroxid de potassiCu(OH)2 → dihidroxid de coure hidroxid de coure(II) hidroxid de coure(2+)Pb(OH)4 → tetrahidroxid de plom hidroxid de plom(IV) hidroxid de plom(4+)

2.5.2 Oxoacids

Son compostos de formula general HaXbOc en la qual X correspon a un element no metal·lic o bealgun metall de transicio (Mn i Cr). Els principals elements que formen oxoacids son: B, C, N, Si, P,S, Cl, Cr, Mn, As, Se, Br, Sb, Te i I.

Per formular-los cal tenir en compte que l’oxoacid prove de l’oxid o de l’halur corresponent al’element X al qual s’ha afegit una molecula d’aigua.

Acid sulfuric −→ oxid de sofre(VI) + aigua −→ SO3 +H2O −→ H2SO4

Acid percloric −→ diclorur de heptaoxigen + aigua −→ O7Cl2 +H2O −→ H2Cl2O8 −→ HClO4

Alternativament es poden emprar els nombres d’oxidacio per obtenir la formula del compost:l’hidrogen empra +1, l’oxigen −2 i l’altre element actua amb un nombre d’oxidacio positiu.

Per anomenar els oxoacids la IUPAC recomana la nomenclatura de l’hidrogen i la d’addicio pertal de donar mes importancia a l’estructura de la molecula. No obstant, es continua acceptant l’us dela nomenclatura tradicional per la seva extensio.

38

ACTIVITATS

Nomenclatura tradicional

Segons la nomenclatura tradicional si un element presenta un unic estat d’oxidacio, el nom de l’oxoacidcorresponent acaba sempre en –ic.

En cas de presentar mes d’un estat d’oxidacio es fan servir els seguents prefixes i sufixes: -ic pelnombre d’oxidacio mes alt, -os pel segon i hipo- -os pel mes petit. En el cas de tenir quatre nombresd’oxidacio es comenca amb per- -ic pel mes alt i es segueix la sequencia anterior per la resta.

Cal destacar que el manganes unicament forma oxoacids utilitzant els nombres d’oxidacio +6(acid manganic) i +7 (acid permanganic); el crom unicament utilitza +6 (acid cromic) i el nitrogenunicament +3 (acid nitros) i +5 (acid nıtric).

Els oxoacids del B, P, As i Sb, en cas de no presentar cap prefix addicional es formen a partirde l’oxid sumant tres molecules d’aigua. Una manera alternativa de formular-los es a partir de laformulacio general anteriorment explicada i sumar al final una molecula d’aigua.

Si es tracta dels oxoacids formats a partir de l’oxid al qual s’afegeix unicament una moleculad’aigua, s’anomemen amb el prefix meta-.

Acid fosforic −→ oxid de fosfor(V) + 3·aigua −→ P2O5 + 3 ·H2O −→ H6P2O8 −→ H3PO4

Acid metafosforic −→ oxid de fosfor(V) + aigua −→ P2O5 +H2O −→ H2P2O6 −→ HPO3

En el cas del Si, passa el mateix que en els casos anteriors, pero la diferencia es que l’acid silıcics’obte afegint dues molecules d’aigua a l’oxid corresponent en lloc de tres.

Acid silıcic −→ oxid de silici(IV) + 2·aigua −→ SiO2 + 2 ·H2O −→ H4SiO4

En cas d’utilitzar el prefix di- davant el nom d’un oxoacid, la formula s’obte sumant dues moleculesde l’acid (sense tenir en compte el prefixe di-) i llevant un atom d’oxigen i dos d’hidrogen.

Acid dicromic −→ 2·acid cromic - aigua −→ 2 ·H2CrO4 −H2O −→ H2Cr2O7

Nomenclatura d’hidrogen

Es basa en indicar primer el nombre d’hidrogens utilitzant el corresponent prefix multiplicador, seguit,sense espai i entre parentesi, del nombre d’oxıgens amb els corresponent prefix numeral i anomenatscom a oxids i del nom de l’element central acabat en -at.

Nomenclatura Nomenclaturatradicional d’hidrogen

H2SO4 → acid sulfuric dihidrogen(tetraoxidsulfat)H3PO4 → acid fosforic trihidrogen(tetraoxidfosfat)HPO3 → acid metafosforic hidrogen(trioxidfosfat)H2Cr2O7 → acid dicromic dihidrogen(heptaoxiddicromat)

2.5.3 Oxosals

Les oxosals deriven dels oxoacids per substitucio dels hidrogens de l’acid per un catio metal·lic (o ambl’io amoni).

Per formular una oxosal s’escriu primer el catio metal·lic seguit de l’anio derivat de l’oxoacid.

A la formula s’han de compensar les carregues per obtenir un compost electricament neutre.

39

CAPITOL 2. FORMULACIO INORGANICA

Nomenclatura tradicional

Es substitueix el sufix -os o -ic de l’acid del qual deriva per -it o -at, respectivament. A continuacio, idespres de la preposicio de, s’indica el nom del metall indicant entre parentesi amb nombres romansl’estat d’oxidacio del metall que es pot expressar tambe mitjancant el nombre de carrega. Quanl’element unicament te un estat d’oxidacio, aquest no s’indica.

Nomenclatura de composicio

S’anomena en primer lloc l’anio, sense indicar la carrega d’aquest, seguir de la preposicio de i se-guit del nom del catio sense l’estat d’oxidacio. La proporcio d’ambdos s’indica mitjancant prefixosmultiplicadors.

Si l’anio esta entre parentesi, s’indica el nombre d’ions amb els prefixes: bis-, tris-, tetrakis-, . . .

Tradicional amb Tradicional amb Nomenclaturaestat d’oxidacio nombre de carrega de composicio

FePO4 → fosfat de ferro(II) fosfat de ferro(2+) tetraoxidfosfat de ferroFe(ClO3)3 → clorat de ferro(III) clorat de ferro(3+) tris(trioxidclorat) de ferroPb(NO2)4 → nitrit de plom(IV) nitrit de plom(4+) tetrakis(dioxidnitrat) de plomAu2(SO4)3 → sulfat d’or(III) sulfat d’or(3+) tris(tetraoxidsulfat) de diorK2Cr2O7 → dicromat de potassi dicromat de potassi heptaoxiddicromat de dipotassi

2.5.4 Sals acides

Sals acides derivades d’oxoacids

Formades per anions que provenen d’acids que no han perdut tots els seus hidrogens, i un catio. Comen el cas de les oxosals, s’anomena primer l’anio seguit dels catio, emprat les mateixes nomenclatu-res, unicament cal recordar que en primer lloc s’anomenen els hidrogens amb el corresponent prefixmultiplicador.

Tradicional amb Nomenclaturaestat d’oxidacio d’hidrogen

NaHCO3 → hidrogencarbonat de sodi hidrogen(trioxidcarbonat) de sodiFe(HCO3)2 → hidrogencarbonat de ferro(III) bis[hidrogen(trioxidcarbonat)] de ferro

Sals acides derivades d’hidracids

Provenen dels hidracids formats amb elements del grup 16. S’anomenen amb la paraula hidrogen-seguida del nom de l’anio i, despres de la paraula de, s’anomena el catio.

Tradicional amb Nomenclaturaestat d’oxidacio d’hidrogen

NaHS → hidrogensulfur de sodi hidrogen(sulfur) de sodiNi(HTe)3 → hidrogentel·lurur de nıquel(III) tris[hidrogen(tel·lurur)] de nıquel

40

ACTIVITATS

2.6 Ions heteropoliatomics

2.6.1 Cations derivats dels hidrurs progenitors

Nomenclatura de Nomenclaturasubstitucio tradicional

H3O+ → oxidani oxoni

NH4+ → azani amoni

En el cas de l’io amoni es pot utilitzar per substituir a un element metal·lic en el cas d’una sal.

Tradicional amb Tradicional amb Nomenclaturaestat d’oxidacio nombre de carrega d’hidrogen

NH4Cl → clorur d’amoni clorur d’amoni clorur d’amoniNH4NO3 → nitrat d’amoni nitrat d’amoni trioxidnitrat d’amoniNH4H2PO4 → dihidrogenfosfat dihidrogenfosfat dihidrogen(tetraoxidfosfat)

d’amoni d’amoni d’amoni

2.6.2 Anions derivats d’oxoacids

Son els ions que resulten de la perdua d’ions hidrogen H+, d’un oxoacid. L’anio te una carrega negativaigual al nombre d’hidrogens perduts.

Per anomenar-los seguint la nomenclatura tradicional, encara acceptada per la IUPAC, es substi-tueix la terminacio –os de l’oxoacid per –it i la terminacio –ic, per –at. Anomenant com a io o anio,en comptes d’acid.

En el cas que no es produeixi la perdua de tots els hidrogens s’afegeix el prefix hidrogen- i, si cal,el corresponent prefix multiplicador.

Si utilitzam la nomenclatura de composicio, s’anomenen els elements, indicant el nombre de cadaun amb el prefix multiplicador corresponent. Equival a eliminar els hidrogens corresponents de lanomenclatura de l’oxoacid corresponent. Finalment, s’ha d’indicar la carrega de l’anio mitjancant elnombre de carrega.

Nomenclatura Nomenclaturatradicional d’hidrogen

ClO− → io hipoclorit oxidclorat(1-)PO4

3− → io fosfat tetraoxidfosfat(3-)PO3

− → io metafosfat trioxidfosfat(1-)HCO3

− → io hidrogencarbonat hidrogen(trioxidcarbonat)(1-)H2PO4

− → io dihidrogenfosfat dihidrogen(tetraoxidfosfat)(1-)

2.6.3 Anions derivats d’hidracids

Son els ions que resulten de la perdua d’un hidrogen H+ , d’un acid amb mes d’un hidrogen, es a dir,amb les combinacions de l’hidrogen amb elements del grup 16.

Si utilizam la nomenclatura tradicional hem de canviar la terminacio -hıdric de l’acid per -ur ianomenar-lo com io o anio, en comptes d’acid, i, a mes, hem d’afegir el prefix hidrogen-.

Si feim servir la nomenclatura d’hidrogen l’anomenam amb el prefix hidrogen seguit, sense separacioi entre parentesi, del nom de l’element amb el sufix -ur i finalment la carrega de l’anio.

41

CAPITOL 2. FORMULACIO INORGANICA

Nomenclatura Nomenclaturatradicional d’hidrogen

HS− → io hidrogensulfur hidrogen(sulfur)(1-)HSe− → io hidrogenselenur hidrogen(selenur)(1-)

Activitats

Formula o anomena:

1. SeO2

2. NaH

3. Rb2O2

4. KF

5. LiOH

6. H2SO3

7. SO42–

8. Fe3(PO4)2

9. AsH3

10. SnBr2

11. H2SiO3

12. K2SO4

13. CaHPO4

14. Mg(ClO3)2

15. Ba(OH)2

16. CoSe

17. HCO3–

18. MgO2

19. SO3

20. HBr

21. HClO4

22. NaHS

23. Ni(NO3)2

24. F–

25. BaO

26. CdCl2

27. H3PO3

28. ZnCO3

29. KHSO3

30. Se2–

31. Oxid de plom(II)

32. Hidrur de sodi

33. Peroxid de potassi

34. Bromur de coure(I)

35. Trihidroxid d’or

36. Acid nıtric

37. Clorat de zinc

38. Oxid de ferro(III)

39. Fosfa

40. Sulfur de liti

41. Acid boric

42. Nitrat de calci

43. Io sulfit

44. Silicat de magnesi

45. Dihidrogenfosfat de sodi

46. Acid fluorhıdric

47. Iodur d’estany(IV)

48. Hidroxid de potassi

49. Peroxid d’hidrogen

50. Acid sulfuric

51. Oxid de plata

52. Selenur de bari

53. Acid fosforic

54. Hidrogensulfur de bari

55. Oxid de sofre(VI)

56. Hidrogencarbonat de sodi

57. Io perclorat

58. Carbonat de liti

59. Io hidroxid

60. Sulfat de ferro(II)

42

3Quımica del carboni

A finals del segle XVIII es va comprovar una serie de propietats comunes a les substancies d’origenvegetal i animal, molt diferents a les substancies d’origen mineral. El 1807, Berzelius va proposarclassificar les substancies en dos tipus, substancies organiques i inorganiques. D’aquesta manera neixla quımica organica, la part de la quımica encarregada de l’estudi de les substancies procedents delsorganismes vius.

Les substancies organiques, a diferencia de les inorganiques, son facilment combustibles, tenen unacomposicio mes complexa i no es podien sintetitzar al laboratori. Aquesta darrera propietat va portarals quımics de l’epoca a pensar que la sıntesi dels productes organics necessitava d’una forca vital, visvitales, propia dels sers vius. Aquesta teoria es coneix amb el nom de vitalisme i suposa que no espoden sintetitzar composts organics en el laboratori a partir de composts inorganics.

Els analisis demostraren que tots els composts organics contenen carboni, mentre que les substanciesinorganiques podien contenir atoms de qualsevol element, fins i tot de carboni (oxids de carboni i car-bonats).

El 1828, Friedrich Wohler va sintetitzar en el laboratori urea, un producte del metabolisme dels ani-mals. A partir d’aquest descobriment es comenca a abandonar la teoria vitalista i la quımica organicacomenca a tenir un desenvolupament espectacular amb la sıntesi de noves i variades substancies querevolucionen el mon de la medicina, l’alimentacio, els explosius, els plaguicides. . .

Amb el desenvolupament de nous metodes d’analisi es va establir que els composts organics estanformats de carboni, hidrogen i oxigen, i, en menor proporcio, nitrogen i uns quants elements mes.

La quımica organica es la part de la quımica que estudia els composts dels carboni, les seves estruc-tures, propietats i reaccions. Encara que el terme quımica organica continua vigent, actualments’utilitza el nom quımica del carboni o quımica dels composts del carboni, propost per AugustKekule i que no fa distincio entre els productes naturals i sintetics.

La quımica del carboni s’ha convertit en un dels pilars fonamentals de la societat actual.

3.1 Quımica del carboni

Anomenam quımica del carboni o quımica organica a la part de la quımica que estudia els compostsde carboni.

Nomes alguns derivats del carboni, com el monoxid de carboni, el dioxid de carboni o els carbonats,no es consideren composts organics.

En l’actualitat es coneixen mes de vuit milions de composts de carboni i diariament es sintetitzennous composts. S’ha de tenir en compte que de composts inorganics unicament se’n coneixen uns300 000.

43

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

3.2 L’atom de carboni

L’atom de carboni, de sımbol C, esta situat al segon perıode i al grup 14 de la taula periodica. Laconfiguracio electronica de l’estat fonamental

(

1s2 2s2 2p2)

es pot convertir facilment en(

1s2 2s1 2p3)

al promocionar un electro 2s a un orbital 2p. L’existencia de quatre electrons desaparellats possibilitala formacio de 4 enllacos covalents, el que permet un major alliberament d’energia i, per tant, unamajor estabilitat. Per tant, l’atom de carboni es tetravalent.

Figura 3.1: Configuracio electronica de l’atom de carboni: estat fonamental, el carboni pot formardos enllos (esquerra) i estat excitat, pot formar quatre enllacos covalents (dreta).

Els principals elements que s’uneixen al carboni per formar composts organics son l’hidrogen, demanera molt destacada, i en segon lloc, no-metalls com l’oxigen, el nitrogen, els halogens, el fosfor iel sofre.

La seva mida reduıda li permet formar enllacos covalents senzills, dobles i triples amb altres atomsde carboni, el que dona lloc a cadenes carbonades de diversa longitud o cicles. Tambe pot unir-sea mes de dos atoms de carboni formant cadenes ramificades. Aquesta mida tambe propicia que elsenllacos siguin energeticament molt forts (Taula 3.1)

Enllac Longitud (A) Energia (kJ/mol)C− C 1, 54 350C = C 1, 33 613C ≡ C 1, 20 890C−H 1, 09 415C−O 1, 43 353C = O 1, 23 735

Taula 3.1: Longituds i energies d’alguns enllacos del carboni.

En una cadena carbonada en la que tots els enllacos son senzills, la distribucio espacial mes establedels quatre atoms al voltant del carboni es la tetraedrica amb angles d’enllac de 109,5◦. Es a dir,en l’espai, l’atom de carboni ocupa el centre d’un tetraedre imaginari i els seus quatre enllacos estandirigits als quatre vertexs del tetraedre.

Quan la cadena carbonada presenta un doble enllac es perd l’estructura tetraedrica i la zona del’enllac doble adopta una forma plana (angles d’enllac de 120◦), i si presenta un triple enllac adoptauna forma lineal (angles d’enllac de 180◦).

Figura 3.2: Disposicio tetraedrica dels quatre enllacos senzills C−H (esquerra). Geometria de l’enllacdoble (centre) i de l’enllac triple (dreta).

44

ACTIVITATS

3.3 Formules dels composts organics. Models moleculars

La formula molecular es aquella que ens indica el nombre i la classe d’atoms que formen la molecula. Enel cas dels composts inorganica aquesta formula acostuma a ser suficient per identificar la substanciasense risc a confusio. No obstant, en el cas dels composts del carboni, una mateixa formula molecularpot representar substancies diferents entre sı (isomers), com veurem mes endavant.

Per aquest motiu, per designar als composts organica es poden emprar els seguents tipus deformules:

Formula empırica. Informa sobre la relacio mes senzilla que hi ha entre els atoms que formen lamolecula.

C2H5

Formula molecular. Indica el nombre exacte dels diferents atoms que constitueixen la molecula.

C4H10

Formula semidesenvolupada. Es detallen unicament els enllacos intercarbonics. Es una de lesmes utilitzades.

CH3 − CH2 − CH2 − CH3

Formula desenvolupada. S’indiquen tots els enllacos que formen la molecula.

Formula supersimplificada. Cada guio llarg indica un enllac C–C i es suprimeixen els hidrogens,ja que es considera que cada atom de carboni esta saturat.

Formula espacial. Representa la geometria espacial de la molecula; s’utilitza quan es volen apreciarles diferencies entre isomers espacials.

Els models moleculars ens permeten visualitzar millor la disposicio espacial de les moleculesorganiques.

Els que mes s’empren son el de boles i varetes, que permet apreciar la longitud i angles delsenllacos, i el d’esferes interpenetrades, que ofereix una visio general de la forma de la molecula.

3.4 Propietats generals

A pesar de la gran diversitat de composts del carboni, les propietats fısiques de la major part d’aquestses corresponen amb les de les substancies moleculars que tenen enllac covalent.

A temperatura ambient es poden trobar en estat solid, lıquid o gas, en funcio de les forces inter-moleculars. En general, a major massa molecular, mes facilitat d’estar en estat lıquid o solid.

45

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

Figura 3.3: Models moleculars de boles i varetes (esquerra) i d’esferes interpenetrades (dreta) delbuta.

Es dissolen be en dissolvents apolars i malament en aigua. Existeixen determinades substanciesamb grups polars que en faciliten la dissolucio en aigua (per exemple, els alcohols i les amines).

A causa de l’orientacio espacial dels enllacos del carboni (tetraedrica, plana o lineal), els compos-tos organics tenen una estructura geometrica especıfica, que en algun cas es fonamental en la sevareactivitat quımica i bioquımica.

Pel que fa a les propietats quımiques:S’ha d’aportar molta energia per trencar els enllacos covalents. Per tant, son composts estables i

poc reactius. La presencia de dobles i triples enllacos afavoreix la reactivitat.Es poden descompondre amb calor a temperatures relativament baixes i cremem amb facilitat.

Les reaccions de combustio son extremadament exotermiques (desprenen energia).

3.5 Famılies i series homologues

Els composts organics son principalment una cadena o cicle d’atoms de carboni units entre sı mit-jancant enllacos covalents senzills. Unicament en determinats punts de la molecula apareixen grupsd’atoms diferents o units entre sı de diferent forma, anomenats grups funcionals.

Un grup funcional es un atom o conjunt d’atoms units sempre de la mateixa forma a la cadenacarbonada. Les substancies que presenten el mateix grup funcional formen part de la mateixa famıliai tenen propietats quımiques caracterıstiques. A mes, els grups funcionals permeten sistematitzar lanomenclatura.

Famılia Grup funcionalAlcohol −OH hidroxilAldehid −CHO carbonil

Acid carboxılic −COOH carboxilAmina −NH2 amino

Taula 3.2: Alguns exemples de grups funcionals.

Cal destacar que una molecula pot presentar mes d’un grup funcional, iguals o diferents; aixopermet que es pugui formar una gran varietat de composts organics. Aquests composts s’anomenenpolifuncionals i escapen dels objectius d’aquest curs.

Una serie homologa es el conjunt de composts organics amb el mateix grup funcional la cadenadels quals s’incrementa amb grups metilens ( –CH2– ).

Les propietats quımiques associades al grup funcional varien molt poc dins una serie homologa.Les propietats fısiques varien considerablement ja que depenen de la massa molecular del compost.

46

ACTIVITATS

Per anomenar les cadenes carbonades de les diverses series homologues s’utilitzen els prefixos grecsde la Taula 3.3 per indicar el nombre de carbonis presents a la cadena.

No. carbonis Prefix numeral No. carbonis Prefix numeral1 met- 11 undec-2 et- 12 dodec-3 prop- 13 tridec-4 but- 14 tetradec-5 pent- 15 pentadec-6 hex- 20 eicos-7 hept- 30 triacont-8 oct- 40 tetracont-9 non- 50 pentacont-10 dec- 100 hect-

Taula 3.3: Prefixs emprats per anomenar composts del carboni.

3.6 Hidrocarburs

Els hidrocarburs son composts organics constituıts unicament per atoms de carboni i hidrogen.

47

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

3.6.1 Alcans

Els alcans o hidrocarburs saturats son composts organics constituıts unicament per C i H, en elsquals tots els enllacos son simples.

Els alcans presenten poca reactivitat quımica i s’obtenen a partir del petroli i del gas natural omitjancant metodes sintetics (els quals tenen un cost elevat).

Es tracta de molecules de caracter apolar, practicament insolubles en aigua (son mes insolublescom mes massa molecular tenen). Tenen densitats baixes (queden flotant sobre l’aigua) i el punt defusio i ebullicio augmenta amb la massa molecular: a 25 oC son gasos els quatre primers, lıquids delpenta a l’heptadeca (17 C) i solids a partir de l’octadeca (18 C).

A determinada temperatura cremen en presencia d’oxigen (formant CO2 i H2O) i alliberen mol-ta energia. S’utilitzen com a combustibles (buta, propa, gas natural, gasolina, . . . ). Es tracta desubstancies toxiques i inflamables.

S’anomenen segons els prefixos grecs corresponents al nombre d’atoms de carboni seguit de laterminacio –a.

(a) buta (b) hexa

La formula molecular general dels alcans es CnH2n+2.Tots els alcans, exceptuant el meta, l’eta i el propa, poden presentar isomeria de cadena, que

consisteix en la distribucio diferent dels atoms de C i H en la cadena carbonada.Els alcans ramificats tenen punts de fusio i ebullicio mes baixos que els lineals.Per anomenar els alcans ramificats es segueixen els seguents passos:

1. Trobar la cadena principal, es a dir la mes llarga. En el cas que hi hagi dues cadenes de lamateixa longitud s’elegira la cadena que presenti mes substituents.

2. Determinar les ramificacions. Pel que fa a la llargada de cada cadena ramificada, anomenadasubstituent, radical o alquil, s’utilitzen els prefixos corresponents al hidrocarburs lineals delmateix nombre de carbonis canviant la terminacio –a per –il.

3. Determinar la posicio dels substituents. Numeram la cadena principal de forma que els subs-tituents rebin la numeracio mes baixa possible. Si les numeracions son les mateixes es donaprioritat al radical que es nomena primer (veure punt seguent).

48

ACTIVITATS

4. Es citen, en primer lloc, els noms dels substituents per ordre alfabetic, precedits del nombre queindica la posicio a la cadena principal. A continuacio s’afegeix el nom de la cadena principal.Els nombres sempre es separen amb guions.

−→ 4-etil-2-metilhepta

5. Si hi ha dos substituents identics, es col·loca el nom del substituent una sola vegada amb elsprefixos di-, tri-, tetra-, . . . i s’indica la posicio de cada un dels substituents. S’ha de tenir encompte que en aquest cas els prefixos numerals no es tenen en compte a l’hora d’ordenar elssubstituents. L’etil sempre anira abans que un dimetil.

−→ 2,4-dimetilhexa

Es pot considerar tambe el cas d’un hidrocarbur saturat amb una ramificacio dins la ramificacio.En aquest cas cercam la cadena principal i la posicio del substituent ramificat. S’anomena de lamateixa manera indicant el substituent dins la ramificacio entre parentesi just davant el nom delsubstituent.

−→ 2-metil-4-(2-metil)-propilnona

Existeixen una serie de ramificacions ramificades amb noms propis aceptats per la IUPAC.

(a) isopropil(metiletil)

(b) isobutil(2-metilpropil)

(c) sec-butil(1-metilpropil)

(d) terc-butil(dimetiletil)

Cicloalcans

Els cicloalcans son els que contenen una cadena carbonatada tancada.Tenen propietats fısiques similars a les dels alcans, encara que els punts de fusio i ebullicio son una

mica superiors, ja que les forces intermoleculars son majors.S’anomenen afegint el prefix ciclo- al nom de l’hidrocarbur corresponen de cadena oberta.Quan hi ha substituents, els composts s’anomenen seguint les mateixes regles que en els hidro-

carburs de cadena oberta. Es considera el cicle la cadena principal i les cadenes obertes com asubstituents. En el cas de comptar amb un unic substituent, aquest es considera en la posicio 1, laqual no s’indica ja que es sobreenten.

A l’hora de formular emprant la formula semidesenvolupada s’acostuma a representar el cicleemprant la seva forma supersimplificada.

49

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

(a) ciclopenta (b) propilciclohexa (c) 1,3-dimetilciclobuta

Tots els hidrocarburs saturats amb un unic cicle tenen la formula molecular CnH2n.En el cas de cadenes amb altres ramificacions els cicles es consideren substituents. En aquest cas

s’utilitza el prefix ciclo- i el sufix –il per designar el substituent cıclic. Cal tenir en compte que elprefix ciclo- no es te en compte a l’hora d’ordenar els substituents per ordre alfabetic.

−→ 5-etil-3,3-dimetil-8-ciclopentil-5-propildeca

3.6.2 Alquens

Els hidrocarburs que contenen un doble enllac s’anomenen alquens.Els atoms de carboni de l’enllac doble i els seus substituents es troben en el mateix pla, amb angles

d’enllac d’uns 120o. Els dobles enllacos son rıgids, no permeten un gir lliure.S’anomenen amb els mateixos prefixos que els alcans canviant la terminacio –a per –e. Es necessari

indicar la posicio del doble enllac sempre amb el nombre mes baix possible.

(a) ete o etile (b) prope (c) 1-bute (but-1-e) (d) 2-bute (but-2-e)

La formula molecular general dels alquens lineals amb un unic doble enllac (o monoalque) es CnH2n.En el cas de ramificacions, la cadena principal es la mes llarga entre les que contenen el doble

enllac i s’assigna el nombre mes petit possible al doble enllac.

(a) 2-etil-4-metil-1-pente (b) 4-etil-2-hexe

Si una molecula te mes d’un doble enllac triarem com a cadena principal la cadena mes llarga ambtots el nombre maxim d’enllacos dobles i indicarem el nombre d’enllacos amb els prefixos di-, tri-, . . .i les seves posicions.

(a) 1,2-butadie (b) 4-butil-2,6-dimetil-2,5-octadie

50

ACTIVITATS

En el cas de radicals amb enllacos dobles, s’anomenen igual que en el cas dels alcans pero acabatsen –enil. Cal destacar que alguns radicals tenen noms especials admesos per la IUPAC.

(a) etenil o vinil (b) 2-propenil o alil (c) 1-propenil (d) 1-butenil

Cicloalquens

Els cicloalquens o alquens cıclics son hidrocarburs cıclics amb un o varis dobles enllacos. Aquestssempre han de tenir el nombre mes baix possible.

(a) ciclopente (b) 1,3-ciclopentadie (c) 1,3-dimetilciclobute

3.6.3 Alquins

Els hidrocarburs que contenen un triple enllac s’anomenen alquins. Els dos atoms de carboni queformen el triple enllac presenten una estructura lineal.

Solen tenir propietats similars als alcans, pero amb punts de fusio i ebullicio mes elevats i s’obtenende manera sintetica a partir dels alcans i alquens que hi ha en el petroli.

Els alquins s’anomenen amb els mateixos prefixos que els alcans canviant la terminacio –a per –ı.Es necessari indicar la posicio del triple enllac sempre amb el nombre mes baix possible.

(a) etı (acetile) (b) 1-butı (but-1-ı) (c) 2-butı (but-2-ı)

La formula molecular general dels alquens lineals amb un unic triple enllac es CnH2n−2.En el cas de ramificacions, la cadena principal es la mes llarga entre les que contenen el triple

enllac i s’assigna el nombre mes petit possible al triple enllac.

(a) 3-etil-4-metil-1-pentı (b) 4-etil-2-hexı

Si una molecula te mes d’un triple enllac triarem com a cadena principal la cadena mes llarga ambtots (o el nombre maxim) els enllacos triples i haurem d’indicar el nombre d’enllacos amb els prefixosdi-, tri-, . . . i les seves posicions.

−→ 2,4-heptadiı

En el cas de radicals amb enllacos triples, s’anomenen igual que en el cas dels alcans pero acabatsen –inil.

51

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

(a) etinil (b) 1-propinil (c) 1-butinil

Cicloalquins

Els cicloalquins o alquins cıclics son hidrocarburs cıclics amb un o varis triples enllacos. Son moltinestables a causa de la tensio que experimenta la molecula en el triple enllac. Per tenir un cicloalquıes necessita almenys un cicle de 8 carbonis, en cas contrari el cicle no es pot tancar.

−→ 1,4-ciclodecadiı

Hidrocarburs amb dobles i triples enllacos

Un hidrocarbur pot contenir a la vegada dobles i triples enllacos. Per anomenar-los s’esmenten primerels dobles i despres els triples, es a dir, els dobles enllacos tenen prioritat sobre els triples. La terminaciod’un compost amb un doble i un triple enllac es –en –ı, indicant la posicio i nombre de cada un d’ells.

(a) 3-penten-1-ı (b) 1,2,8-nonatrien-4,6-diı

Per triar la cadena principal s’elegeix la que te mes dobles enllacos i a l’hora de numerar els carbonises fa de manera que a les insaturacions (dobles i triples enllacos) els corresponguin les posicions mesbaixes (en cas d’empat prioritzarien els dobles).

3.6.4 Hidrocarburs aromatics

Els hidrocarburs aromatics son els que deriven del 1,3,5-ciclohexantrie o benze (C6H6), el qual no teel comportament esperat d’un compost insaturat amb tres dobles enllacos. Els sis atoms del carbonison equivalents i la molecula te una gran estabilitat i unes propietats caracterıstiques.

El benze s’utilitza com a base en la industria quımica (insecticides, colorants, plastics. . . ).Els derivats del benze s’obtenen per substitucio d’un o mes hidrogens de la seva molecula per altres

atoms o grups atomics i s’anomenen afegint el nom del radical seguit de la paraula -benze.Quan hi ha varis substituents, la seva posicio relativa s’indica amb nombres de la mateixa manera

que en el cas dels hidrocarburs cıclics.

(a) metilbenze o tolue (b) 2-etil-1,4-dimetilbenze

52

ACTIVITATS

Tambe es poden fer servir els prefixos orto- (o-), meta- (m-) i para- (p-) per indicar les posicions1, 2−, 1, 3− i 1, 4− respectivament.

(a) o-dimetilbenze(1,2-dimetilbenze)

(b) m-etilmetilbenze(1-etil-3-metilbenze)

(c) p-dimetilbenze(1,4-dimetilbenze)

Si en un compost, el benze es considerat com un substituent d’una cadena mes complicada, s’ano-mena fenil (–C6H5).

Els radicals aromatics es coneixen amb el nom d’arils.

−→ 1-etil-3-fenil-2-propilciclohexa

Els hidrocarburs policıclics condensats obtinguts mitjancant la unio de dos o mes anells benzenicss’anomenen poliaromatics i poden provocar cancer.

(a) naftale (b) antrace (c) fenantre

3.7 Derivats halogenats dels hidrocarburs

Els derivats halogenats dels hidrocarburs son hidrocarburs en els que s’ha substituıt un o mes hidrogensde la cadena per atoms d’halogens (fluor, clor, brom o iode).

S’anomenen com els hidrocarburs corresponents anteposant el prefix fluoro-, cloro-, bromo- oiodo-.

En seleccionar la cadena principal i numerar-la, els substituents halogenats tenen la mateixa pre-ferencia que els radicals alquils (metil, etil...). Per tant, els anomenarem per ordre alfabetic indicant-nela posicio a la cadena amb el nombre mes baix possible.

(a) 1-cloropropa (b) 4-bromo-3-fluoro-5-metil-1-hexe (c) 1,3,5-triclorobenze

53

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

En alguns casos particulars, els hidrocarburs halogenats tambe es poden anomenar com a haloge-nurs d’alquils (com si es tractes de composts binaris).

(a) iodur d’etil (b) bromur de metil (c) clorur de propil

A mes, existeixen alguns hidrocarburs amb noms vulgars acceptats per la IUPAC.

(a) triclorometa o cloroform (b) triiodometa o iodoform

Els freons o clorofluorocarbonis (CFC) son derivats totalment clorats o fluorats del meta il’eta. Son molt estables i no inflamables. S’utilitzen com a propulsors d’aerosols i en aparells d’airecondicionat i frigorıfics. La seva utilitzacio esta molt regulada ja que destrueixen la capa d’ozo.

(a) diclorodifluorometa (b) triclorofluorometa (c) 1,2-dicloro-1,1,2,2-tetrafluoroeta

3.8 Composts oxigenats

Els composts oxigenats son composts organics que, a mes de carboni i hidrogen, contenen algun atomd’oxigen.

3.8.1 Alcohols

Els alcohols son derivats dels hidrocarburs en els que s’ha substituıt un atom d’hidrogen per un grup–OH, anomenat grup hidroxil.

Els punts de fusio i ebullicio dels alcohols son molt mes alts que els hidrocarburs de massa molecularsimilar. Aixo es deu a la possibilitat de formar ponts d’hidrogen dels grups –OH.

Per aquest mateix motiu, els alcohols son solubles en aigua. La solubilitat en aigua va disminuint amesura que augmenta la massa molecular i es practicament nul·la per cadenes a partir de 10 carbonis.

El nom de l’alcohol deriva de l’hidrocarbur corresponent afegint la lletra -n i el sufix -ol.

La posicio on es troba el grup –OH, s’ha d’indicar sempre que no sigui obvia mitjancant el nombrecorresponent, que ha de ser tan baix com sigui possible.

(a) metanol o alcohol metılic (b) etanol o alcohol etılic (c) 1-propanol

La cadena principal sera sempre la que te mes grups –OH. Per anomenar-los es concreta el nombrede funcions (-diol, -triol...) i la posicio que ocupen a la cadena.

(a) 1,2-etandiol (b) 1,3-propandiol (c) 1,2,3-propantriol o glicerina

54

ACTIVITATS

La funcio alcohol es prioritaria respecte dels dobles i triples enllacos, dels grups alquils i delshalogens. Per tant, cercarem la cadena amb mes grups –OH i els assignarem les posicions mes baixespossibles. Si no es el grup prioritari, s’anomena mitjancant el prefix hidroxi-.

(a) 2-penten-4-in-1-ol (b) 3-buten-2-ol

(c) 3-metil-2-pentanol (d) 2-etil-4-iodo-1-pentanol

3.8.2 Fenols

En els fenols el grup funcional –OH esta unit directament a un atom de carboni aromatic.Per anomenar els fenols s’afegeix la terminacio -ol al nom de l’hidrocarbur aromatic acabat en -n.

(a) fenol (b) 1,3-benzendiol (c) 1,2,3-benzentriol (d) 4-metilfenol (e) 4-bromo-3-clorofenol

3.8.3 Eters

Els eters son composts que resulten de la unio de dos radicals (alquils o arils) mitjancant un pontd’oxigen R − O − R′. Deriven dels alcohols per la substitucio de l’atom d’hidrogen del grup hidroxilper un grup hidrocarbonat.

Tenen punts de fusio i ebullicio baixos (no formen ponts d’hidrogen) comparant-los amb alcoholsde massa similar. Son molt bons dissolvents de substancies organiques apolars i poc solubles en aigua.

S’anomenen mitjancant la nomenclatura funcional: anomenam primer el grup R, seguit del grupR′ i acabam amb la paraula eter. Els grups s’anomenen per ordre alfabetic.

(a) etilmetileter (b) fenilmetileter (c) dietileter

Un altre sistema de nomenclatura consisteix en seleccionar la cadena principal, R, i llavors elgrup OR′ es considera com un substituent. L’eter s’anomena amb el nom de l’hidrocarbur principalprecedit per l’arrel del nom de l’altre hidrocarbur acabat en –oxi. Com que es considera un substituent,necessitam indicar-ne la posicio.

(a) metoxieta (b) 1-etoxipropa (c) 2-etoxipropa

55

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

3.8.4 Aldehids i cetones

La caracterıstica comuna dels aldehids i les cetones es el grup carbonil, format per un doble enllacentre el carboni i l’oxigen. En els aldehids, el grup carbonil es troba a un dels extrems de la cadena,mentre que en les cetones el carboni del grup carbonil es troba unit a dos carbonis.

Els aldehids i les cetones tenen punts de fusio i ebullicio mes grans que els hidrocarburs dels qualsprocedeixen a causa de la polaritat del grup −C = O, la qual permet interaccions dipol-dipol. Noobstant, aquestes temperatures son inferiors a les dels alcohols corresponents, els quals presenteninteraccions per pont d’hidrogen, mes intenses que les interaccions dipol-dipol.

Exceptuant el metanal, que es gasos, la resta d’aldehids fins a 11 carbonis i les cetones fins a 10carbonis, son lıquids. Pel que fa a la solubilitat en aigua, els aldehids mes senzills son solubles, mentreles cetones, en general, son mes insolubles. S’obtenen a partir de l’oxidacio dels alcohols.

Aldehids

Els aldehids s’anomenen afegint el sufix –al al nom de l’hidrocarbur acabat en -n.

(a) metanal o formaldehid (b) etanal (c) benzaldehid

Quan a la cadena hi ha mes d’una funcio o hi ha grups alquil, els atoms de la cadena principales comencen a numerar per l’extrem on hi ha el grup carbonil, ja que aquest te preferencia sobre elsdobles i triples enllacos, els grups alquils, arils, halogens, alcohols, fenols, eters i cetones.

(a) 4-pentenal (b) 3-hidroxi-2-metilbutanal

Si la cadena te dos grups aldehids, s’intercala la partıcula di- davant la terminacio –al.

−→ butandial

Cetones

Les cetones s’anomenen afegint el sufix –ona al nom de l’hidrocarbur acabat en –n. Prove de lasubstitucio de dos hidrogens d’un grup −CH2− per un oxigen.

Tambe es pot fer servir la nomenclatura funcional. Donada la formula R − CO − R′, anomenamprimer el grup R i despres el R′ i s’acaba amb la paraula cetona. Els grups es citen per ordre alfabetic.

Les cadenes s’enumeren de manera que al grup carbonil li correspongui el nombre mes baix possible.

56

ACTIVITATS

(a) propanona o dimetil cetona (acetona) (b) 2-hexanona o butil metil cetona

(c) 2,3-pentandiona (d) 5-cloro-1-hidroxi-5-hexen-3-ona

3.8.5 Acids carboxılics

Els acids carboxılics es caracteritzen pel grup funcional carboxil, –COOH. Se’ls anomena acidsperque cedeixen amb facilitat el proto H+.

Els acids de menor massa molecular son lıquids i els altres solids. En general tenen punts d’ebulliciomes alts que els alcohols corresponents. Els mes senzills o mes ramificades es dissolen en aigua.

S’anomenen afegint la terminacio –noic al nom de l’hidrocarbur del que deriven, tot i que moltsd’acids organics tenen noms vulgars (no sistematics) acceptats per la IUPAC.

(a) acid metanoic o formic (b) acid etanoic o acetic (c) acid propanoic (d) acid benzoic

Quan el grup carboxil es troba lligat a un sistema cıclic, s’utilitza el sufix –carboxılic en lloc de-oic.

−→ acid ciclohexancarboxılic

Els acids que tenen en la seva molecula altres grup funcionals s’anomen numerant la cadena mesllarga d’atoms de carboni, donant la posicio 1 al grup carboxılic, ja que es el que te mes preferencia.

(a) acid 3-hidroxipropanoic (b) acid 2-metilbutanoic

3.8.6 Sals d’acids carboxılics

Els acids carboxılics formen sals per substitucio de l’hidrogen del grup −COOH per cations metal·licso per l’io amoni, de la mateixa manera que passa amb els acids inorganics.

S’anomenen canviat l’acabament –ic de l’acid per –at.

57

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

(a) etanoat de potassi (acetat de potassi) (b) propanoat d’amoni

3.8.7 Esters

Els esters provenen de la reaccio d’un acid amb un alcohol amb l’alliberacio d’una molecula d’aigua.Tenen per formula general:

Els esters de massa molecular baixa son lıquids, generalment d’olor agradable. L’olor i l’aromadels fruits prove en part dels esters volatils que contenen.

S’anomenen canviant l’acabament –ic dels acids per –at seguit de la preposicio de i a continuacioel nom del grup R′.

(a) etanoat de metil (acetat de metil) (b) benzoat de propil

Els triglicerids son un tipus de lıpids formats per una molecula de glicerina (1,2,3-propantriol)unida a tres acids grassos (acids de cadena lineal de 12 a 20 atoms de carboni saturats o insaturats)mitjancant enllacos ester.

3.9 Composts nitrogenats

El nitrogen te electrons desaparellats en la seva capa de valencia. Per tant, pot formar tres enllacoscovalents com es el cas de la molecula d’amonıac, NH3. Si algun d’aquests enllacos el forma amb unatom de carboni d’una cadena hidrocarbonada, s’obte un composts nitrogenat.

3.9.1 Amines

Les amines es poden considerar derivats de l’amonıac, NH3, per substitucio d’un, dos o tres atomsd’hidrogen per cadenes carbonades.

58

ACTIVITATS

Les amines mes senzilles son gasoses i passen a lıquides o solides a mesura que augmenta la massamolecular. Les de menys massa molecular son solubles en aigua a causa de la polaritat de l’enllacN−H i poden arribar a ser mes solubles que els alcohols amb massa molecular semblant.

Els punts d’ebullicio de les amines es troben entre els punts d’ebullicio dels hidrocarburs saturats(alcans) i dels alcohols de masses moleculars similars, a causa de la diferent fortalesa de les interaccionsmoleculars.

Les amines s’anomenen posposant la paraula amina als noms dels radicals substituents. Si algunsubstituent es repeteix, es fan servir els prefixos numerals di- i tri-. Aquest es el sistema utilitzat peranomenar molecules senzilles. En les amines secundaries i terciaries, els substituents s’anomenen perordre alfabetic.

(a) metilamina (b) etilamina (c) fenilamina

Les amines secundaries i terciaries tambe es poden anomenar com a derivats de l’amina primariade cadena mes llarga utilitzant la lletra N - per indicar que els grups es troben units al nitrogen. Esfa servir sobretot per molecules complexes.

(a) dietilamina (b) etilmetilpropilamina oN -etil-N -metilpropilamina

(c) dimetilpropilamina oN,N -dimetilpropilamina

Quan el grup amina no es la funcio preferent, s’utilitza el prefix amino-.

Un grup important de composts naturals que contenen la funcio amina esta format pels 2-aminoacids, dels quals n’existeixen vint de naturals diferents que son la base de les proteınes, ique varien segons el grup R.

(a) 2-aminoacid (b) alanina (acid 2-aminopropanoic) (c) fenilalanina (acid 2-amino-3-fenilpropanoic)

Els aminoacids s’uneixen mitjancant un enllac covalent entre el grup amina i el grup carboxilanomenat enllac peptıdic. En aquesta reaccio s’allibera una molecula d’aigua. La unio de llarguescadenes d’aminoacids d’aquesta forma dona origen a les proteınes.

3.9.2 Amides

Les amides es poden considerar derivades dels acids carboxılics per substitucio d’un grup –OH pelgrup –NH2 o per un grup –NHR o –NRR′, amb l’eliminacio d’una molecula d’aigua.

59

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

La nomenclatura de les amides va lligada a la de l’acid carboxılic del qual provenen substituint elsufix –oic del nom de l’acid pel sufix –amida.

(a) etanamida (acetamida) (b) 2-metilpropanamida (c) benzamida

Si hi ha un radical unit a l’atom de nitrogen, s’especifica amb la lletra N -.

(a) N -etilbutanamida (b) N,N -dimetiletanamida

3.9.3 Nitrils

Els nitrils son composts nitrogenats que tenen el grup funcional –C ≡ N.S’anomenen afegint el sufix –nitril al nom de l’hidrocarbur corresponent acabat en -n. Cal tenir

en compte que el carboni unit amb l’enllac triple al nitrogen es considera part de la cadena.Tambe es poden anomenar com a derivats del cianur d’hidrogen o acid cianhıdric (H–C ≡ N), en

els que l’hidrogen es substituıt per una cadena carbonada. Per aquest motiu tambe se’ls anomenacianurs.

(a) etannitril (cianur de metil) (b) pentannitril (cianur de butil) (c) 3-metilbutannitril

3.9.4 Nitroderivats

Els nitroderivats son composts que resulten de la substitucio d’un hidrogen d’una cadena hidrocar-bonada per un grup −NO2.

Els nitroderivats s’anomenen amb el prefix nitro- seguit del nom de l’hidrocarbur corresponent.Davant del pregix nitro- s’indica, si es necessari, la posicio del substituent a la cadena, seguit d’unguionet. Si hi ha diversos substituents, aquests s’anomenen seguint l’ordre alfabetic.

El grup −NO2 no es tracta com a cap grup principal sino com a substituent. Te menys preferenciaque els alquils o halogens.

(a) nitrometa (b) nitrobenze (c) 3-metil-2-nitropenta

60

ACTIVITATS

Molts d’aquests composts son altament explosius; impureses varies o una manipulacio inapropiadapot desencadenar facilment en una descomposicio exotermica violenta. Els nitroderivats aromaticsson explosius de percusio, com ara el TNT (2,4,6-trinitrotolue).

(a) nitroglicerina (1,2,3-trinitroxipropa) (b) TNT (2,4,6-trinitrotolue)

3.10 Isomeria

Dos composts son isomers si tenen la mateixa formula molecular pero diferent distribucio dels atomsque els formen.

3.10.1 Isomeria estructural

La isomeria estructural es quan canvia la manera en que estan units els atoms dins la molecula.Com que es tracta de composts quımics diferents, aquests presenten propietats fısiques i reactivitat

quımica diferent.

Isomeria de cadena

La isomeria de cadena consisteix en la posicio diferent dels atoms de carboni en la cadena.

(b) penta (c) metilbuta (d) dimetilpropa

Isomeria de posicio

La isomeria de posicio es dona entre dos composts en els que el grup funcional ocupa posicionsdiferents dins la mateixa cadena.

(b) 2-pentanona (c) 3-pentanona

Isomeria de funcio

La isomeria de funcio es dona entre composts amb grup funcional diferent i la mateixa formulamolecular.

61

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

(b) butanal (c) butanona (d) 2-buten-1-ol

Els monoalquens (alquens amb un unic doble enllac) i els cicloalcans son isomers de funcio, no decadena.

(b) ciclohexa (c) 2-hexe

3.10.2 Isomeria espacial

La isomeria espacial o estereoisomeria es quan dos composts tenen els mateixos atoms, enllacatsde la mateixa manera, pero difereixen en l’orientacio dels enllacos.

Isomeria geometrica

La isomeria geometrica o isomeria cis-trans apareix en molecules que tenen dobles enllacos i enels hidrocarburs cıclics. Els isomers geometrics presenten propietats diferents.

Els composts cıclics amb 2 o mes substituents en posicions diferents es poden presentar per “sobre”o per “sota” el pla del cicle. Si els dos substituents estan al mateix costat del pla es diu que estan enuna posicio relativa cis, si estan a costats diferents la seva posicio relativa es trans.

(a) trans-1,3-dimetilciclohexa (b) cis-1,3-dimetilciclohexa

Si te tres o mes substituents, necessitam establir un substituent de referencia i cadascun dels altressera cis o trans respecte d’aquest (o c i t per cadenes mes complexes). S’indica amb un r el substituentde referencia.

(a) r -1-etil-cis-3-metil-trans-2-propilciclohexa (b) r -2-etil-t-1-c-3-dimetilciclohexa

La geometria plana del doble enllac dels alquens i el fet que el doble enllac es rıgid (no te gir lliure),permet representar en l’espai dues formes que poden ser diferents, i que son isomers geometrics.

La nomenclatura cis-trans s’utilitza pels casos mes senzills, pero en general, s’utilitza la nomencla-tura Z-E, mes completa. Aquesta nomenclatura es basa en un criteri de preferencia dels substituents

62

ACTIVITATS

de cada carboni del doble enllac. El substituent amb mes preferencia es el de major nombre atomic.Si dos d’aquests atoms son iguals, es comparen els atoms units a ells, fins a trobar un atom diferenti comparar-ne els nombres atomics. Aixı, per exemple, un substituent metil (−CH3) te preferenciasobre l’hidrogen (−H), o el butil (−CH2 − CH2 − CH2 − CH3) te preferencia sobre el metil.

Si els dos substituents amb mes preferencia estan al mateix costat, el compost es (Z ) o cis i siestan al costat oposat es (E ) o trans.

(a) (E)-2-pente o trans-2-pente (b) (Z )-2-pente o cis-2-pente (c) (E)-3-metil-3-hepte

En el cas d’haver-hi mes d’un doble enllac, haurem d’especificar-ne la isomeria de cada un d’ells.

−→ (2Z,4E )-5-metil-2,4-heptadie

Isomeria optica

La isomeria optica sorgeix de l’existencia de molecules tridimensionals que no es poden superposaramb les seves imatges especulars (vistes al mirall). Aquestes molecules s’anomenen quirals i la sevaasimetria es deu a l’existencia d’un carboni asimetric (amb els quatre substituents diferents). Elsisomers optics s’anomenen enantiomers.

Exemples de composts que presenten carbonis asimetrics (marcats en negreta):

(a) 2-fluoropenta (b) 2-iodo-3-metilpenta

Les propietats fısiques dels enantiomers son identiques, exceptuant que un dels isomers desvia elpla de llum polaritzada cap a la dreta (dextrogir) i l’altre cap a l’esquerra (levogir), per tant, tenenactivitat optica de signe contrari.

A continuacio es presenten els dos enantiomers del bromoclorofluorometa:

La reactivitat quımica tambe es la mateixa excepte quan reaccionen amb altres substancies quiralsque sovint son estereoselectives. Aixo passa sobretot en els processos de metabolisme cel·lular.

63

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

Activitats

1. Representa la formula desenvolupada i se-medisenvolupada dels hidrocarburs: propa,octa, i hexa.

2. Representa la formula desenvolupada, laformula semidesenvolupada i la formula su-persimplificada de l’hidrocarbur lineal deformula molecular C7H16 i indica’n el seunom.

3. Representa les formules desenvolupada, se-midesenvolupada i supersimplificada del ci-clopenta, el ciclopropa i el ciclohexa.

4. A partir de les energies d’enllac, determinaquina de les seguents molecules es mes esta-ble: l’eta, l’ete o l’etı? Quina d’elles es mesreactiva?

5. Formula i anomena tots els isomers de ca-dena d’un compost que presenta la formulamolecular C6H14.

6. Formula, utilizant l’estructura supersimpli-ficada, i anomena tots els isomers de cadenaamb formula molecular C5H12.

7. Formula i anomena tots els isomers possiblesd’un hidrocarbur saturat cıclic de formulamolecular C5H10.

8. Formula els seguents composts:

(a) trans-1,2-dimetilciclohexa

(b) cis-1-butil-3-propilciclobuta

(c) trans-2-metil-1-etilciclopropa

(d) c-2-etil-r -1-metil-t-3-propilciclohexa

(e) r -1-butil-c-3-etil-c-2-metilciclobuta

(f) 1,1-dietil-cis-2,3-dimetilciclopenta

(g) c,c-2,4-dietil-r -1-metilciclohepta

9. Formula i anomena tots els isomersgeometrics (cis i trans) de l’1,3-dimetilciclohexa.

10. Indica tots els isomers de posicio i elsisomers geometrics d’un ciclopenta disubs-tituıt de formula molecular C7H14.

11. Anomena correctament els compostsseguents:

(a) 2,3-dimetil-4-butilhexa

(b) 2,2-dimetil-3-etilpenta

(c) 1,3,3-trimetilocta

(d) cis-3-metil-2-butilciclobuta

12. Formula i anomena tots els isomers de posi-cio de l’hepte.

13. Els hidrocarburs seguents tenen un nom in-correcte. Indica el nom correcte:

(a) 2-metil-4-hexe

(b) 1,3-dipropil-3,5-cicloheptadie

(c) 3-butil-4-metil-5-hepte

(d) 2-metil-3-ciclohexe

14. Indica tots els isomers de formula molecularC5H8 que siguin alquils.

15. Formula i anomena tots els isomers d’un hi-drocarbur lineal de formula molecular C6H8

conte dos enllacos multiples (un doble enllaci un triple enllac).

16. Un dertivat del benze te per formula mo-lecular C8H10. Formula i anomena tots elsisomers possibles.

17. Formula i anomena tots els isomers de posi-cio del grup funcional d’un hidrocarbur flu-orat lineal de formula molecular C5H11F.

18. Formula i anomena tots els isomers del di-bromopenta.

19. Formula i anomena tots els isomers del di-iodociclobuta. Recorda que has de tenir encompte la possible isomeria cis-trans.

20. Un hidrocarbur aromatic te per formula mo-lecular C6H4BrF. Formula i anomena totsels isomers possibles.

21. Els composts seguents tenen un nom incor-recte. Anomena’ls correctament.

(a) 2,3-dibromo-4-butilhexa

(b) 2,2-dimetil-3-cloropenta

64

ACTIVITATS

(c) 2-cloro-3-bromobuta

(d) cis-2-metil-3-iodociclobuta

22. Disposam de tres composts organics: A, Bi C. Se sap que es corresponen amb l’acidacetic, l’etanal i l’alcohol etılic. S’observaque quan A reacciona amb C es forma unester i que A te caracter acid en dissolucioaquosa. (a) Formula els tres composts. (b)Identifica A, B i C.

23. Escriu i anomena tots els isomers de formulageneral C5H12O.

24. Formula i anomena tots els isomers d’uncompost de formula molecular C6H12O queconte un grup carbonil.

25. Formula i anomena totes les cetones nocıcliques possibles de cinc atoms de carboni.

26. Anomena els seguents composts i indica dosisomers de funcio de cada un d’ells:

(a) CH3 − CH2 − CH2 − COOH

(b) CH3 − CH2 −O− CH3

(c) CH3 − CH2 − CO− CH3

27. Indica quin dels seguents composts podenpresentar activitat optica:

(a) 1-hidroxipropanona

(b) 2-clorociclopentanol

(c) 3-metil-1-butı

(d) 2-pentı

(e) 1,3-pentadie

(f) 2-pentanol

(g) 3-aminobutanona

(h) 2-cloro-2-bute

28. Escriu la formula i anomena un compostorganic opticament actiu que te cinc atomsde C, un grup ciano i un doble enllac.

29. Corregeix els noms dels composts seguents:

(a) etanona

(b) acid ciclopropanoic

(c) eta meta eter

(d) acid 2-etilpropanoic

30. Ordena, de forma justificada, els seguentscomposts segons el seu punt de fusio: pro-panona, propanol, propa i acid propanoic.

31. Identifica els grups funcionals presents a les seguents molecules i escriu la formula molecular iempırica corresponent a cada una.

5-hidroxitriptofa

Acid acetilsalicılic

Acid diamonipimelic

Acid glutamic

Amoxicilina

Asparagina

65

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

Fenilalanina

Hipoglicina-A

Paracetamol

Tirosina

Tiroxina

Treonina

32. Formula els seguents composts:

1. metilbuta

2. 2,3-dimetilhexa

3. butilciclopenta

4. 1,1,2-trimetilciclobuta

5. 5-butil-4-ciclohexil-2,3-dimetildeca

6. 3,3-dietil-4-isopropilocta

7. 2-metil-1-hexe

8. 2-etil-1-metilciclonone

9. 1,3,5-hexatrie

10. 3-metil-1-hexı

11. 5-metil-4-hepten-2-ı

12. ciclopentiletı

13. etilbenze

14. 1-butil-3-etil-2-propilbenze

15. o-dimetilbenze

16. 1-fenil-2,3-dimetilciclopenta

17. trifenilmeta

18. isopropilbenze

19. 4-ciclobutil-5-fenil-2-hexı

20. p-etilpentilbenze

21. tolue

22. 1,2-dicloro-4-etil-3-metilbenze

23. m-bromoclorobenze

24. 1-butil-2,3-dibromo-1-ciclopente

25. 1-iodo-1-fenileta

26. 2-hexanol

27. alcohol etılic

28. 1,2,3-propantriol

29. 2-hexen-4-in-1-ol

30. 2-metilfenol

31. butilmetileter

32. fenilmetileter

33. 3-etoxipenta

34. 5-hexen-2-in-1-ol

35. 2-butin-1,4-diol

36. p-iodofenol

37. dipropileter

38. butanal

66

ACTIVITATS

39. 3-bromo-4-clorooctanal

40. 3-hexenal

41. 2-metil-6-hepten-3-inal

42. 2-hexanona

43. metil propil cetona

44. 2,4-hexandiona

45. 4-hepten-3-ona

46. 1,1-difluoropropanona

47. 2-metilciclopentanona

48. acid butanoic

49. acid 2,2-diclorobutanoic

50. acid benzoic

51. butanoat de liti

52. metanoat d’isopropil

53. 3-clorobutanoat de metil

54. metilamina

55. N -etil-N -metilhexilamina

56. dibutilmetilamina

57. 3-metilhexanamida

58. benzamida

59. 2-cloro-2-metilpropanamida

60. N -etilpentanamida

61. N,N -dimetilacetamida

62. cianur de metil

63. cianur d’hidrogen

64. 3-etil-hexannitril

65. propannitril

66. benzonitril

67. nitroeta

68. 2,4,6-trinitrofenol

69. acid 3-cloro-2-nitropentanoic

70. 3-nitrohexanoat d’etil

33. Anomena els seguents composts organics:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

67

CAPITOL 3. QUIMICA DEL CARBONI

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

52.

53.

54.

55.

56.

57.

58.

59.

60.

68