La matèria és allò que constitueix els objectes i tot el que ens envolta: les muntanyes, el mar, l'aire... Però, com és la matèria a nivell microscòpic? Quines classes de substàncies hi ha? L'estudi de la constitució de la matèria ens ha permès conèixer les propietats de diferents tipus de mate­rials i les seves aplicacions.

El primer que farem és classificar la matèria en dos grans grups: substàncies pures i mescles.

Una substància pura és la matèria que no es pot separar en substàn­cies més simples per mitjà de processos físics.

Una mescla, en canvi, és qualsevol matèria que es pot descompondre en substàncies més simples per mitjà de processos físics.

Per exemple, si agafes una mica de fang d'un bassal i el fas passar per un filtre, pots separar fàcilment els seus components, almenys en part. L'aigua passa a través del filtre però la terra hi queda retinguda. El fang d'un bassal és una mescla d'aigua i terra. De vegades no és tan fàcil separar els components d'una mescla. Així, en el cas de l'aigua de mar, no podràs obtenir substàncies més simples per filtració, però sí a partir de la cristal·lització. En les salines es deixa evaporar l'aigua de mar i hi roman la sal. L'aigua de mar és una mescla d'aigua i sal.
 

 

 

 

Les substàncies obtingudes, aigua i sal, són substàncies pures. Per la seva banda, la terra no ho és, ja que encara pot ser descomposta en substàncies més simples.

1.1 Tipus de mescles

Les mescles se solen classificar pel seu aspecte.

1.2 Propietats característiques de les substàncies pures

Les substàncies pures tenen una sèrie de propietats específiques que les caracteritzen. Observa en què es diferencien de les mescles.

1.3 Tipus de substàncies pures. Substàncies simples i substàncies compostes

Les substàncies pures no es poden descompondre en d'altres de més simples per mitjà de processos físics; però, i mitjançant processos químics?

L'aigua destil·lada és una substància pura. Si en una cubeta amb aigua hi introduïm dos elèctrodes i els connectem a una pila, farem circular un corrent elèctric a través de l'aigua de la cubeta. Aquest corrent és capaç de descompondre l'aigua en dues substàncies més simples: hidrogen (H) i oxigen (O), amb unes propietats ben diferents de les de l'aigua. Aquest procés s'anomena electròlisi i demostra que algunes substàncies pures estan formades per altres de més senzilles. Així, distingim dos tipus de substàncies pures: substàncies simples i substàncies compostes.

L'aigua (H₂O) és un compost format per dos elements: hidrogen (H) i oxigen (O). La sal comuna o clorur de sodi (NaCl) també és un compost format per dos elements: sodi (Na) i clor (Cl).

Estudiarem els elements químics amb més deteniment en la unitat següent.

La química neix com a ciència moderna a finals del segle XVIII amb Lavoisier. L'aplicació del mètode científic i l'ús sistemàtic de la balança van permetre establir en aquesta època les dites lleis ponderals, anomenades així perquè estudiaven les relacions entre els pesos de les substàn­cies que es combinaven en una reacció química.

2.1 Llei de conservació de la massa

Si pesem una certa quantitat de sal i una altra de sorra i, a continuació, les barregem, podem comprovar fàcilment que la massa de la mescla és igual a la suma de les masses inicials dels components. És a dir, la massa es conserva. Però en una reacció química, en què unes substàncies desapareixen i n'apareixen d'altres amb propietats diferents, també es conserva la massa? La resposta la va donar en 1789 el químic francés  A. LAVOISIER.

 Si calculem la massa d'una certa quantitat d'àcid clorhídric, HCl i carbonat de sodi, Na₂CO₃, i després fem que ambdós compostos reaccionin entre si, s'obtenen com a productes de la reacció clorur de sodi, NaCl, diòxid de carboni, CO₂, i aigua. Si calculem la massa dels reactius, veurem que és igual a la dels productes: la massa es conserva.

Les lleis que acabem d'estudiar són lleis empíriques (obtingudes a partir de l'experimentació). A més, no tenen una connexió aparent entre si, i els científics de l'època no sabien justificar-les teòricament.

Un científic anglès, J. DALTON (1766-1844), va ser el primer a explicar-les gràcies a les idees sobre la matèria que va desenvolupar entre el 1803 i el 1808.

3.1 Idees de Dalton sobre la matèria

Reprenent les idees dels antics grecs, Leucip i Demòcrit, Dalton va suposar que la matèria era discontínua i que estava formada per partícules indivisibles: els àtoms (a, ‘sense', tom, ‘divisió'). La seva teoria atòmica està basada en les hipòtesis següents:

  Els elements estan constituïts per partícules discretes de matèria, indivisibles i inalterables, anomenades àtoms

  Els àtoms d'un mateix element són iguals entre si en mida i massa, però diferents dels àtoms d'un altre element.

  Els compostos es formen en unir-se àtoms de diversos elements en una relació numèrica constant i senzilla.

  En una reacció química, els àtoms es reagrupen d'una manera diferent de com ho estaven inicialment, però ni es creen ni es destrueixen.

A partir d'aquestes hipòtesis, podem donar la definició d'àtom següent:

Encerts i inconvenients de la teoria de Dalton

La teoria atòmica de Dalton va tenir molt d'èxit, ja que les seves idees li van permetre establir la primera teoria atòmica moderna i donar una base científica a les lleis ponderals, que, com ja sabem, és el nom amb què es coneixen, entre d'altres, les lleis de conservació de la massa i de les proporcions definides que hem estudiat. Tanmateix, també té inconvenients importants.

La teoria de Dalton i el desenvolupament de la química

El treball de Dalton va tenir una gran rellevància, ja que les seves idees van ser el punt de partida per a les teories atòmiques modernes. Així, els científics del segle XIX es van plantejar reptes nous, com ara:

• La recerca sistemàtica d'elements químics nous i l'ordenació posterior segons les seves propietats, la qual cosa va conduir al sistema periòdic de D. I. MENDELEIEV.

• L'obtenció de les fórmules químiques de les diverses substàncies conegudes. És a dir, la composició elemental, tant qualitativa com quantitativa, d'una substància donada.

En resum, a finals del segle XIX, els químics acceptaven, amb més o menys inconvenients, la teoria atòmica, ja que els químics atomistes no podien comprovar experimentalment l'existència d'aquests àtoms. Aquesta situació generava bastant rebuig en una altra part important de la comunitat científica: la controvèrsia sobre la naturalesa de la matèria estava encara lluny de quedar resolta.

Cap a finals del segle XIX, l'estudi de la matèria havia conduït els químics i els físics a la situació següent:

• La teoria atomista estava més o menys acceptada, perquè justificava fets experimentals: les lleis ponderals.

• Diverses experiències sobre electròlisi realitzades per H. DAVY (1778-1829) i per un dels seus deixebles, M. FARADAY (1791-1867), demostraven la naturalesa elèctrica de la matèria, que la teoria atòmica de Dalton no explicava.

4.1 El descobriment de l'electró

El 1897, el físic britànic J. J. THOMSON (1856-1940) va estudiar uns raigs misteriosos, anomenats raigs catòdics, que apareixien en uns tubs de vidre amb gas a l'interior quan se'ls sotmetia a descàrregues elèctriques molt altes. Va observar el següent:

• La naturalesa dels raigs catòdics és sempre la mateixa, independentment del gas que s'introdueixi al tub.

• Aquests raigs estan constituïts per unes partícules de massa molt petita i càrrega elèctrica negativa.

Així, va concloure el següent:

Aquestes partícules, que es troben a l'interior de l'àtom, es van anomenar electrons, nom suggerit pel físic irlandés G. STONEY (1826-1911). S'havia descobert la primera partícula subatòmica.

6.1 Les partícules subatòmiques

El 1919, Rutherford va proposar que la càrrega positiva del nucli es devia a una partícula, el protó, que presenta aquestes característiques:

• Té la mateixa càrrega que l'electró, però de signe contrari.

• La massa és quasi 2.000 vegades més gran que la massa de l'electró.

Més endavant, el 1932, J. CHADWICK (1891-1974) va descobrir una altra partícula nuclear: el neutró. Les seves característiques són:

• No té càrrega elèctrica; d'aquí el nom.

• Té una massa pràcticament igual a la del protó.

El nombre de protons és fix per a cada element químic, però el de neutrons pot variar, i això dóna lloc al concepte d'isòtop.

Si l'àtom és neutre, té el mateix nombre de protons que d'electrons; en aquest cas, Z també indica el nombre d'electrons.

7.1 Concepte d’isòtop

No tots els àtoms d'un mateix element químic tenen la mateixa massa. Això és degut, com s'ha indicat a l'epígraf anterior, al fet que el nombre de neutrons a l'interior del nucli atòmic pot variar. D'aquesta manera sorgeix el concepte d'isòtop.

La majoria dels elements químics presenten dos o més isòtops. La figura mostra els tres isòtops coneguts del carboni i com es representa un isòtop.

Hi ha diverses formes de representar els isòtops de l'hidrogen. Així, pel que fa al proti:

Fixa't en les imatges dels isòtops del carboni i representa'ls de les tres formes que hem vist.

Significat de la paraula isòtop

Com veurem més endavant, tots els elements químics es troben ordenats a la taula periòdica. Com que els isòtops són àtoms del mateix element químic, els correspon el mateix lloc a la taula periòdica. Aquesta és la raó del seu nom: iso, ‘mateix'; top, ‘lloc'. La denominació d'isòtop va ser proposada per F. Soddy el 1913.

6. Indica els errors en la representació d'aquests isòtops del clor

El nombre atòmic del clor és Z = 17; per tant el primer dels isòtops seria .

El segon té canviats de lloc el nombre atòmic i el màssic. La representació correcta seria igual que la de l'anterior.

Finalment, no pot haver-hi un isòtop del clor de nombre màssic 10, perquè aquest valor és menor que el nombre atòmic del clor, que, com ja s'ha indicat, és Z = 17.

7.2 Els isòtops radioactius. Aplicacions

7.3 La gestió dels residus radioactius

L'ús d'isòtops radioactius en medicina, en la indústria o en les centrals nuclears origina materials de rebuig sense utilitat, però que són radioactius. Aquests residus radioactius són molt perillosos, ja que emeten una radiació molt energètica, letal per a la vida.

Han de ser manipulats per personal especialitzat i amb la protecció adequada. De moment, la gestió consisteix a ficar-los en bidons d'acer i ciment i guardar-los en magatzems construïts amb aquesta finalitat, anomenats cementiris nuclears, a una profunditat determinada, en alguns casos de més de 500 m, i en zones geològiques molt estables.

8.1 L'àtom: dues zones molt diferents

Distingim en l'àtom dues zones: el nucli, el coneixement del qual és més recent, perquè és difícil arribar-hi, i l'escorça, o zona externa de l'àtom, que ha estat menys complicat de conèixer.

8.2 Ubicació dels electrons a l'escorça

En una primera aproximació, es pot dir que l'escorça de l'àtom està formada per capes o nivells d'energia, en els quals s'ubiquen els electrons. Aquestes capes es poden anomenar amb lletres: K, L, M, N, ... o amb nombres: 1, 2, 3, 4,..., si ens hi referim com a nivells energètics.

Per conèixer la forma en què es distribueixen els electrons en aquests nivells d'energia, hem de considerar el següent:

• Els electrons van ocupant primer les capes o els nivells més pròxims al nucli, ja que són més estables (els valors d'energia són menors). Quan una capa està completa, es comença a ocupar la següent.

• El nombre màxim d'electrons que pot haver-hi a cada capa no pot ser qualsevol, sinó 2 · n², essent n el nombre que identifica el nivell o la capa.

• Els electrons de la darrera capa ocupada s'anomenen electrons de valència i la capa, capa de valència. Aquests electrons són els responsables de les propietats químiques d'un element.

El curs que ve es veurà que la distribució dels electrons a l'escorça de l'àtom és una mica més complexa. Però de la mateixa manera que passa amb els models atòmics, aquest senzill model de capes d'electrons permet conèixer algunes propietats químiques dels elements.

Per a aquest curs, i com veurem a continuació, conèixer la distribució dels electrons per capes ens servirà per comprendre el procés de formació dels ions, que és el nom amb què coneixem els àtoms que han perdut o han guanyat electrons i que, per tant, no són neutres elèctricament.

Els ions es representen col·locant a la dreta del símbol de l'àtom un superíndex que consta d'un nombre enter (si és l'u no s'hi posa) seguit d'un signe positiu o negatiu, segons que hagi perdut o guanyat electrons.