Exercicis: Propietats de les substàncies segons el seu enllaç

La sal comuna fon a $801\ \celsius$: cal escalfar-la moltíssim per fondre-la. Un trosset de la seva xarxa cristal·lina es mostra a la figura.

Explica, a partir del seu enllaç iònic i de la seva estructura en xarxa cristal·lina, per què el punt de fusió del $\text{NaCl}$ és tan alt.

L'aigua bull a $100\ \celsius$, mentre que la sal fon a $801\ \celsius$.

1. a) Indica quina estructura té cada substància: molècules o xarxa cristal·lina?
2. b) Explica, a partir d'aquesta diferència estructural, per què l'aigua canvia d'estat a una temperatura molt més baixa que la sal.

Els cables de les cases són de coure, un sòlid que condueix el corrent. El model del mar d'electrons es mostra a la figura.

Explica, utilitzant el model del mar d'electrons, per què el coure condueix l'electricitat en estat sòlid, a diferència d'un tros de sal.

Les broques per perforar roca porten puntes de diamant, el material natural més dur que es coneix. A la figura es mostra un fragment de la seva xarxa covalent.

Explica, a partir de la seva xarxa covalent tridimensional, per què el diamant és tan dur.

Un cristall de sal no condueix el corrent, però si el fons o el disols en aigua, sí que en condueix.

1. a) Explica què els passa als ions en cadascuna de les tres situacions.
2. b) Quina condició han de complir unes partícules carregades per poder transportar el corrent elèctric?

A la cuina, la sal desapareix en remenar-la dins l'aigua, però l'oli forma gotes i no es barreja.

1. a) Explica, pel seu tipus d'enllaç i per les interaccions que s'estableixen amb l'aigua, per què la sal comuna (NaCl) es dissol en aigua.

1. b) Raona, amb la regla «allò semblant dissol allò semblant», per què l'oli no es dissol en aigua.

La «mina» d'un llapis és de grafit: en escriure, les capes de carboni llisquen les unes sobre les altres i es desprenen sobre el paper. A la figura es mostra l'estructura en capes.

1. a) Explica, a partir de la seva estructura en capes, per què el grafit és tou i deixa traç.
2. b) Quin tipus de forces uneixen unes capes amb les altres? Compara-les amb els enllaços dins de cada capa.

El pa d'or que s'utilitza en decoració són làmines d'or finíssimes obtingudes batent el metall. Explica, amb el model de l'enllaç metàl·lic, per què els metalls es deformen en colpejar-los en lloc de trencar-se, com sí que faria un cristall de sal.

Muntes un circuit amb una pila, una bombeta i dos elèctrodes per provar la conductivitat de la sal. A la figura es mostra el muntatge.

1. a) Prediu què observaràs en col·locar sal comuna sòlida entre els elèctrodes i explica el resultat.
2. b) Repeteix la predicció dissolent abans la sal en aigua.
3. c) Quin paper juga la mobilitat dels ions en la diferència de resultats?

El $\text{NaCl}$ fon a $801\ \celsius$ i el $\text{MgO}$ a $2852\ \celsius$, i tots dos són cristalls iònics amb la mateixa estructura. A la figura es comparen els punts de fusió.

1. a) Indica les càrregues dels ions de cada compost.
2. b) Explica, comparant aquestes càrregues, per què l'atracció electroestàtica és molt més gran en el $\text{MgO}$.
3. c) Relaciona aquesta atracció amb el seu punt de fusió altíssim: el $\text{MgO}$ s'utilitza, de fet, per recobrir l'interior dels forns industrials.

A $20\ \celsius$ es poden dissoldre fins a $36\ \text{g}$ de $\text{NaCl}$ per cada $100\ \text{g}$ d'aigua, però només $0,0002\ \text{g}$ de $\text{AgCl}$.

1. a) Calcula quants grams de sal comuna es poden dissoldre, com a màxim, en $250\ \text{g}$ d'aigua a $20\ \celsius$.
2. b) Explica, amb l'ajuda d'un dibuix a la teva llibreta, com les molècules d'aigua envolten i separen els ions en dissoldre's la sal (hidratació dels ions).
3. c) Conclou per què afirmar que «les substàncies iòniques es dissolen en aigua» és només una aproximació.

Les línies d'alta tensió són d'alumini i els cables domèstics, de coure; les seves densitats són $2,70\ \text{g/cm}^3$ i $8,96\ \text{g/cm}^3$, respectivament.

1. a) Explica per què tots dos metalls condueixen el corrent elèctric.
2. b) Raona, utilitzant les densitats, quin avantatge té estendre quilòmetres de cable d'alumini penjat de les torres.
3. c) El coure condueix millor que l'alumini a igualtat de secció: raona què interessa més dins d'una paret, on el pes no importa.

Diamant i grafit són carboni pur, però les seves propietats són gairebé oposades: el diamant és duríssim i no condueix l'electricitat; el grafit és tou i sí que en condueix. A la figura es comparen les dues estructures.

1. a) Explica la diferència de duresa a partir de l'estructura de cadascun.
2. b) Explica la diferència de conductivitat elèctrica.
3. c) Raona per què el grafit ratlla el paper i el diamant, en canvi, ratlla el vidre.

La sorra de la platja és sílice, $\text{SiO}_2$: dura, no condueix l'electricitat i fon a $1710\ \celsius$.

1. a) Dedueix, a partir d'aquestes propietats, quin tipus d'enllaç i quina estructura té la sílice.
2. b) El $\text{CO}_2$, amb el mateix tipus d'enllaç covalent, és gas a temperatura ambient: explica com és possible.
3. c) Raona per què la sorra serveix com a matèria primera per fabricar vidre i el $\text{CO}_2$ no podria servir.

Un cristall de sal es trenca netament en colpejar-lo amb un martell, mentre que una làmina de coure només s'abonyega.

1. a) Dibuixa a la teva llibreta dues capes d'ions i explica què passa quan una capa de la xarxa iònica llisca sobre l'altra: quins signes de càrrega queden enfrontats?
2. b) Contrasta l'anterior amb el que passa en el metall quan llisquen les seves capes de cations.
3. c) Conclou per què diem que les sals són «fràgils» i els metalls, «mal·leables».

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

L'aigua destil·lada amb prou feines condueix el corrent, la de l'aixeta en condueix una mica i l'aigua de mar, molt.

1. a) Explica quines partícules transporten el corrent a l'aigua de l'aixeta i d'on procedeixen ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$... dissolts).
2. b) Per què l'aigua destil·lada gairebé no condueix, si la molècula d'aigua té electrons?
3. c) Ordena les tres aigües per la seva concentració d'ions i relaciona-la amb la seva conductivitat.

Tres substàncies presenten aquestes propietats. X: fon a $1538\ \celsius$, condueix en estat sòlid i en líquid i és mal·leable. Y: fon a $801\ \celsius$, només condueix fosa o dissolta i és fràgil. Z: sublima a $-78\ \celsius$, no condueix en cap cas i forma cristalls tous.

1. a) Dedueix, amb justificació, el tipus d'enllaç que predomina en cada substància.
2. b) Proposa una substància real que pugui correspondre a cadascuna.
3. c) Per a cada propietat de la llista, indica quin tret de l'estructura de la substància l'explica.

En un laboratori hi ha tres flascons sense etiqueta amb pols blanca: sal comuna ($\text{NaCl}$), sucre (sacarosa, una substància molecular) i sorra ($\text{SiO}_2$).

1. a) Dissenya un procediment amb tres proves —solubilitat en aigua, conductivitat de la dissolució i comportament en escalfar fort— per identificar el contingut de cada flascó.
2. b) Prediu el resultat de cada substància en cada prova.
3. c) Explica cada resultat a partir de l'enllaç i de l'estructura de la substància.

Considera aquestes substàncies i els seus punts de fusió: $\text{CH}_4$ ($-182\ \celsius$), $\text{H}_2\text{O}$ ($0\ \celsius$), $\text{NaCl}$ ($801\ \celsius$), $\text{CaO}$ ($2572\ \celsius$) i $\text{MgO}$ ($2852\ \celsius$). A la figura es representen els punts de fusió.

1. a) Ordena-les de menor a major punt de fusió.
2. b) Explica per què el metà i l'aigua, substàncies moleculars, fonen tan baix en comparació amb les xarxes iòniques.
3. c) Compara el $\text{NaCl}$ amb el $\text{MgO}$ i el $\text{CaO}$: quin paper juguen les càrregues $1+/1-$ enfront de $2+/2-$?
4. d) Sense conèixer la seva dada, prediu si el punt de fusió del $\text{KCl}$ (ions $\text{K}^{+}$ i $\text{Cl}^{-}$) serà més proper al del $\text{NaCl}$ o al del $\text{MgO}$, i raona la resposta.

Dissols $1\ \text{mol}$ de $\text{NaCl}$ en un litre d'aigua i $1\ \text{mol}$ de $\text{CaCl}_2$ en un altre litre. Dada: $N_{\text{A}} = 6,022\cdot10^{23}\ \text{mol}^{-1}$.

1. a) Calcula quants mols d'ions hi ha en total en cada dissolució.
2. b) Calcula quants ions individuals conté cada dissolució; expressa el resultat en notació científica amb dos decimals a la mantissa.
3. c) Raona quina de les dues dissolucions conduirà millor el corrent elèctric.

Les broques que perforen pous de petroli porten inserits de diamant sintètic, fabricat sotmetent grafit a pressions i temperatures enormes.

1. a) Explica per què el diamant és el material ideal per tallar roca, a partir de la seva estructura.
2. b) Raona per què el grafit, sent el mateix element, no serviria per a aquesta punta.
3. c) El diamant no condueix l'electricitat i fon per sobre de $3500\ \celsius$: explica totes dues propietats fixant-te en on són els seus electrons.

L'elèctrode negatiu de les bateries d'ió-liti dels mòbils és de grafit: en carregar el telèfon, els ions $\text{Li}^{+}$ s'allotgen entre les seves capes, i l'elèctrode, a més, ha de conduir el corrent. A la figura es mostra l'allotjament dels ions entre les capes.

1. a) Explica, a partir de la seva estructura en capes, per què el grafit pot allotjar ions entre si.
2. b) Explica per què el grafit compleix el requisit de conduir l'electricitat, a diferència d'altres materials covalents.
3. c) Raona per què el diamant no es podria utilitzar com a elèctrode d'una bateria.

L'or és tan dúctil que amb $1\ \text{g}$ es pot fabricar un fil d'uns $2\ \text{km}$ de longitud.

1. a) Explica, amb el model del mar d'electrons, aquesta mal·leabilitat i ductilitat extremes.
2. b) Les joies són d'or de $18$ quirats, un aliatge amb un $25\ \%$ de coure i plata, perquè l'or pur és massa tou: raona per què uns àtoms de diferent mida, inserits a la xarxa, dificulten el lliscament de les capes i endureixen l'aliatge sense treure-li la brillantor ni la conductivitat pròpies dels metalls.
3. c) Contrasta aquest comportament amb el d'un cristall iònic quan es deforma.

Redacció: «L'enllaç explica el món material».

1. a) Tria la sal, l'aigua, el coure i el diamant i, per a cada substància, explica el seu punt de fusió, la seva conductivitat elèctrica i la seva duresa a partir del tipus d'enllaç i de l'estructura que forma.
2. b) Acaba enunciant amb les teves paraules una regla general que connecti l'estructura d'una substància (molècules o xarxa cristal·lina) amb les seves propietats.

Repte del tema. Com determina l'estructura microscòpica l'ús domèstic dels materials? Dissenya un estudi comparatiu entre tres substàncies de casa teva: sal comuna ($NaCl$), etanol ($CH_3-CH_2-OH$) i paper d'alumini ($Al$).

1. Classificació teòrica: Justifica l'estabilitat electrònica dels seus àtoms i ions segons la regla de l'octet, identifica el tipus d'enllaç present a cada substància i descriu les propietats del grup funcional de l'etanol.

2. Presa de dades casolana: Mesura amb un termòmetre de cuina ($\pm 0,5\ ^\circ\text{C}$) l'evolució tèrmica en evaporar-se un mocador de paper xop d'aigua enfront d'un altre xop d'etanol. Anota la temperatura cada $30\text{ s}$ durant $3\text{ min}$ ($t \pm 1\text{ s}$) i consulta l'entalpia de vaporització oficial de totes dues a la base de dades NIST Chemistry WebBook. Precaució: fes servir poca quantitat d'etanol (inflamable), en un lloc ventilat i lluny de flames, fogons encesos o fonts de calor.

3. Tractament de dades: Construeix una taula amb els valors i les incerteses i traça la gràfica $T = f(t)$. Calcula el pendent mitjà de refredament ($\Delta T / \Delta t$) i relaciona la volatilitat amb els enllaços intermoleculars.

4. Producte final: Elabora un informe raonat (màxim una pàgina) comparant volatilitat, conductivitat i punts de fusió dels tres materials segons el seu enllaç (iònic, covalent molecular i metàl·lic).

Es valorarà:

• Rigor en explicar l'estabilitat electrònica, els tipus d'enllaç i el grup funcional.

• Precisió en la presa de mesures experimentals, expressió d'incerteses i qualitat gràfica.

• Coherència en la justificació de les propietats macroscòpiques a partir de l'enllaç químic.