UV 5 pdf - Espai reservat pel CESIRE per a migració de webscesire.cat.mialias.net › recursos ›...

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en Ciències

Univers i vida 1 Química en context

UV 5 Química a partir dels estels

UV 5

pàg.

Química a partir dels estels Formació de planetes per condensació de núvols de gas i pols des d’un estel. Evolució de la composició dels planetes en base a la seva formació. L’origen de la vida. Canvis en la composició de l’atmosfera de la Terra. Les molècules de la vida.

UV 5.1

(L)

4 Un viatge químic pel Sistema solar

Estructures gegants covalents. Relació estructura propietats.

UV 5.2

(L)

8 Com va aparèixer la vida?

Reaccions a l’espai interestel·lar. Energia de formació de les molècules de la vida (UV, raigs X, radiació còsmica). Els monòmers de les biomolècules (glúcid, proteïnes, lípids). Les molècules de la vida. D’on provenen les molècules de la vida?

Molècules. Enllaç covalent Geometries bàsiques (2, 3 i 4 parells d’electrons) Els exemples de l’aigua, l’amoníac i el metà.

UV 5.3

(TIC)

10 Visualització de geometries moleculars Geometria de les molècules aigua, amoníac i metà.

UV 5.4

13 Què hem après? Síntesi i conceptes.

Utilització de diagrames simples de Lewis per descriure enllaços iònics, covalents i covalents datius. El concepte de cor de l’àtom i d’electronegativitat per fer prediccions de la polaritat d’un enllaç covalent. Propietats estructures gegants covalents



UV 5.1 Un viatge químic pel Sistema Solar pàg. 4

UV 5.2 Com va aparèixer la vida? pàg. 8



UV 5.3 Geometria de les molècules amb visors moleculars pàg. 10

UV 5.4 Què hem après? pàg. 13



UV 5.1 Un viatge químic pel Sistema Solar

Figura 1. Nau espacial Interstellar Boundary Explorer.

Segons les dades proporcionades per la nau espacial Interstellar Boundary Explorer (IBEX), llançada a l’espai l’any 2008, la NASA ha anunciat que la composició del Sistema Solar és diferent del cosmos que es troba al seu voltant.

Els astrònoms han descobert nombroses molècules en els planetes del nostre Sistema Solar, aquestes molècules són les mateixes que es troben a la Terra. Algunes de les molècules que s’han descobert estan representades a la figura 2.

Probablement el nostre Sistema Solar és el resultat de la condensació d’un enorme núvol de pols i de gas, que poc a poc s’anà contraient per la força de la gravetat. Tot aquest material procedia de l’explosió d’una supernova i contenia una gran varietat d’elements.

Figura 2.

Algunes de les molècules i

espècies químiques en el

nostre Sistema Solar.

La matèria primera dels planetes és la mateixa que la dels estels. És així com es van formar els planetes al voltant del Sol. La figura 3 mostra la teoria que explica la formació d’un Sistema Solar com el nostre. El núvol de matèria primitiu (1) es va anar col·lapsant al mateix temps que s’iniciava un moviment de rotació. A mida que el col·lapse continuava, provocant un augment de la densitat, la velocitat de rotació augmentava cosa que va provocar que s’anés estirant (2). Quan la massa condensada en un "grumoll" és inferior al 8% de la massa del Sol, es refreda irradiant calor a l’espai exterior, i es forma un planeta.

Determinades regions es van anar condensant per l’acció gravitatòria en els “protoplanetes”. En el centre, el col·lapse gravitatori, va ser prou intens, per què augmentessin les temperatures fins al punt de començar reaccions nuclears de fusió, això va donar origen al “protosol” (3).



Figura 3. La hipòtesis nebular sobre la formació del Sistema Solar.

Les condicions existents en els planetes són molt diferents entre si, per la qual cosa alguns dels seus processos químics ens resulten molt estranys si els comparem amb els de la Terra. Però, el que és més sorprenent, és també, que el medi interestel·lar -l’espai entre els estels- conté núvols de gas i de pols i existeixen moltes espècies químiques. Les espècies en qüestió es formen quan els àtoms s’apropen i s’uneixen entre ells. La taula 1, mostra algunes d’aquestes espècies, que potser en alguns casos us seran familiars i en altres us seran estranyes. Monoatòmiques Diatòmiques Triatòmiques Tetratòmiques Pentatòmiques Altres

H CN; C2; CS HNC; HCO+ HNCS HC3N CH3SH; HC7N

Taula 1. Algunes espècies químiques que hi ha en el medi interestel·lar.

Moltes substàncies de la taula 1 es poden descriure com a espècies orgàniques, que vol dir quecontenen àtoms de carboni units a àtoms diferents als d’oxigen.

Podem observar una característica comuna en els àtoms d’aquestes espècies químiques: són els àtoms principals del cos humà (C, H, O, N, S). No tot són molècules Els elements no volàtils es van condensar a prop del Sol, on les temperatures eren més elevades, mentre que els més volàtils ho van fer més lluny, on les temperatures eren inferiors. És per aquesta raó que el nostre Sistema Solar està compost de planetes petits, densos i rocosos a prop del Sol i més lluny, de planetes fluids gegants.

En els planetes més interiors del nostre Sistema Solar, com La Terra, Mart o Venus, els materials més abundants són els silicats, la composició principal dels quals és àtoms de silici i d’oxigen, enllaçats formant una xarxa tridimensional que anomenen “estructura gegant”. El quars, una roca abundant a l’escorça de la Terra té de fórmula empírica SiO2 però com ja coneixeu, aquesta fórmula només ens informa de la proporció en que estan els àtoms en el compost.

La naturalesa de les unions entre els àtoms que formen una estructura gegant, com la que hi ha al quars, és la mateixa que la que uneix els àtoms en les molècules, es tracta d’enllaços covalents. La força d’unió entre els àtoms en els enllaços covalents és deguda a les atraccions elèctriques entre els nuclis dels àtoms i els electrons compartits. Molts dels minerals que trobem en el nostre planeta, estan formats també per estructures gegants, però en aquests casos, els enllaços són per atraccions elèctriques entre els ions de càrregues contràries. També els metalls tenen estructures gegants. La diferència entre substàncies formades per molècules i substàncies i materials formats per estructures gegants la trobem en les seves propietats: les substàncies moleculars són gasos o líquids a la temperatura ambient de la Terra; les substàncies amb estructura gegant acostumen a tenir temperatures de fusió altes , la única excepció la trobem en alguns metalls alcalins i en el mercuri. Mes endavant, en la unitat Recursos del mar i de la terra

veuràs característiques de les substàncies iòniques i posteriorment, estudiaràs l’enllaç en els metalls.



Qüestions

1. Quin és l’origen del nostre Sistema Solar?

2. Quins elements són els més abundants a l’espai exterior?

3. Quines diferències de composició hi ha entre els planetes més interiors i els més exteriors del nostre Sistema Solar?

4. Com podem diferenciar una substància formada per molècules i una altra formada per

estructures gegants covalents?

Enllaç covalent

Els elements no metàl· lics s’uneixen en compartir electrons i envoltar-se d’un número de parells d’electrons com els que envolten els àtoms dels gasos nobles. Els electrons compartits es consideren com una part de la capa de valència dels dos àtoms que s’enllacen. La figura 4 mostra el diagrama de Lewis per a la molècula H2.

Figura 4. Diagrama de Lewis per a la molècula H2.

Als enllaços formats per compartició d’electrons se’ls anomena enllaços covalents. Els dos àtoms es mantenen units perquè els seus nuclis són atrets simultàniament pels electrons compartits. Si només es comparteixen un parell d’electrons, l’enllaç s’anomena enllaç covalent simple.

Generalment aquestes unions covalents condueixen a la formació de molècules. En el cas d’alguns elements del grup 4 poden conduir a la formació d’estructures gegants covalents.

A la figura 5 apareixen exemples de diagrames de Lewis de dos compostos moleculars típics: l’aigua i l’amoníac. Observeu que, compartint els electrons d’aquesta manera, tots els àtoms adquireixen configuracions estables de gas noble.

Figura 5. Diagrames de Lewis de les molècules NH3 i H2O.

Els parells d’electrons que formen enllaços s’anomenen parells enllaçants. Els parells d’electrons que no intervenen en la formació d’enllaços s’anomenen parells no enllaçants o solitaris. Tant l’aigua (H2O) com l’amoníac(NH3) tenen parells no enllaçants.

Un enllaç covalent format de dos parells d’electrons s’anomena doble enllaç. Els enllaços de les molècules d’oxigen (O2) i de diòxid de carboni(CO2) són enllaços dobles (figura 6).

Figura 6. Diagrames de Lewis de l’O2 i del CO2.

H x H



Si són tres els parells d’electrons que formen l’enllaç, aquest s'anomena enllaç triple. Són exemples típics de triple enllaç els que apareixen a la molècula de nitrogen (N2) i a la de cianur d'hidrogen (HCN) (figura 7).

Figura 7. Diagrames de Lewis del N2 i de l’HCN

Els diagrames de Lewis són molt útils per representar cadascun dels electrons als enllaços. Freqüentment, s’utilitzen guions per representar els parells d’electrons enllaçants o no. Un guió representa un enllaç covalent simple; dos guions indiquen un doble enllaç i tres guions, un enllaç covalent triple.

Les molècules dels exemples anteriors es mostren amb la notació de guions a la figura 8.

Figura 8. Molècules amb enllaços covalents.

Enllaç covalent datiu

A la figura 9 es representa l’enllaç de la molècula de monòxid de carboni, CO. Observa amb atenció els tres parells d’electrons que formen el triple enllaç entre els àtoms de C i O. En dos dels tres parells d’electrons, els àtoms de C i d’O hi participen de la mateixa manera, amb un electró cadascun d’ells. Tanmateix, en el tercer parell d’electrons enllaçants ambdós electrons procedeixen de l’àtom d’oxigen. Aquest parell es diu que forma un enllaç covalent datiu. En un enllaç covalent datiu els dos electrons que constitueixen l’enllaç procedeixen del mateix àtom. En un enllaç covalent normal cada àtom contribueix amb un electró al parell enllaçant. Un enllaç covalent datiu es pot representar mitjançant una fletxa que es dirigeix des de l’àtom que dóna el parell d’electrons fins al que els accepta.

Figura 9. Enllaç covalent datiu en el CO.

Exercicis i Qüestions

1. Dibuixeu els diagrames de Lewis per als compostos moleculars:

a clor (Cl2) b metà (CH4) c sulfur d’hidrogen (H2S) d metanal HCHO H C O

H



UV 5.2 Com va aparèixer la vida ? Activitat 1. Compartiu el que sabeu

Penseu durant un minut individualment possibles respostes per a aquesta pregunta.

Després poseu en comú les vostres respostes en un petit grup.

Finalment, poseu en comú les diferents aportacions de cada grup i comenteu-les. Activitat 2. La química de l'origen de la vida

La pregunta d'aquesta apartat s'ha abordat des de l'època d'Aristòtil. De fet, el famós filòsof grec creia en la generació espontània dels éssers vius a partir de la matèria inerta. Segles més tard, els científics Francesco Redi i Louis Pasteur van demostrar amb rigorosos experiments que qualsevol ésser viu prové d'un altre ésser viu. Però la qüestió sobre com va aparèixer el primer ésser viu encara estava oberta. Des del punt de vista científic, es treballa amb dues possibilitats: la panspèrmia o l'origen extraterrestre de la vida; i l’ abiogènesi o aparició de la vida a partir de la matèria inerta.

El biòleg John Desmon Bernal va suggerir que l'aparició de la vida segons l’ abiogènesi es separa en estadis:

− Primer estadi. L'origen dels monòmers biològics. − Segon estadi. L'origen dels polímers biològics. − Tercer estadi. La formació de la primera cèl·lula.

Observeu la taula següent: Àtoms Molècules inorgàniques Monòmers orgànics Polímers biològics

C, H, O, N, P, S CH4 NH3 CO2 H2O H2S PO4

3-

Monosacàrids Aminoàcids Àcids grassos Nucleòtids

Glúcids, Proteïnes, Lípids i Àcids nucleics

Un exemple: C H O

CH4 H2O

C6H12O6 (glucosa)

Midó, polímer de la glucosa en els vegetals

El bioquímic rus Aleksandr Oparin, va ser dels primers científics en exposar una teoria quimiosintètica de la vida en la que una “sopa primitiva” de molècules orgàniques es podria haver generat en una atmosfera sense oxigen gràcies a l'acció de la llum solar fa uns 4000



milions d'anys. Uns anys més tard, es van dur a terme experiments que validaven aquesta hipòtesi: L'experiment de Stanley Miller. Es poden obtenir aminoàcids a partir de reaccions entre gasos com metà, amoníac i hidrogen, tots ells presentes en l'atmosfera primitiva.

L'experiment de Joan Oró. Va obtenir adenina (un component de l'ADN) a partir d'una solució diluïda d'amoníac i àcid cianhídric, HCN. El següent esquema resumeix l'experiment de Miller: Introducció de nous continguts:

1. D'on venen i com són els àtoms dels elements que formen els éssers vius?

2. Inicialment, l´Univers estava format per milers d'àtoms lliures. Perquè creieu que es van acabar unint formant molècules senzilles? Com ho van fer?

3. Com podem descriure la unió entre els àtoms per a formar molècules d'una manera visual i fàcil d'interpretar?

4. Quines característiques de la molècula d'aigua i de l'aigua com a líquid, la fan una substància essencial per a la vida?

5. Per què el carboni és l'element que forma part de totes les molècules dels éssers vius? Activitat 3. Per saber-ne més.

Han quedat moltes qüestions obertes. Trieu un apartat que hagi quedat incomplet en el text anterior i trobeu-ne informació a internet. (per exemple, més informació sobre la panspèrmia o el segon i tercer estadi de l'aparició de la vida). Podeu fer servir els següents enllaços de la wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Historia_evolutiva_de_la_vida http://es.wikipedia.org/wiki/Origen_de_la_vida



UV 5.3 Geometria de les molècules amb visors moleculars Introducció

G.N. Lewis, l’any 1916, va explicar la formació de l’enllaç covalent a partir de l’estructura electrònica dels àtoms. Lewis va suggerir que els àtoms dels diferents elements podien assolir la configuració de gas noble compartint electrons d’altres àtoms. Segons aquesta teoria els àtoms que s’envolten de quatre parells d’electrons tenen la estructura electrònica anàloga als gasos nobles. L’àtom d’hidrogen només es pot envoltar d’un parell d’electrons.

Com que els enllaços covalents són direccionals, les molècules poden adoptar diferents formes en l’espai. Aquestes formes dependran de la direcció que agafin els parells d’electrons, ja siguin enllaçants o no enllaçants (lliures).

Un model molt senzill que permet predir la forma de la molècula és el model RPECV, repulsió dels parells d’electrons de la capa de valència. Procediment

Aneu a la pàgina web http://treefrog.fullerton.edu/chem/at.html, on podreu aprendre com construir estructures de Lewis i determinar les geometries moleculars.



Exercici i qüestions

1. Utilitzant la simulació, construïu les estructures de Lewis de l’aigua i de l’hidrur de beril·li i completeu la següent taula.

Nombre d’electrons Àtom central Estructura de Lewis

H2O

BeH2

Ara compareu les dues estructures.

a. Quants parells d’electrons envolten l’àtom central? Com són aquests parells d’electrons?

b. Quina geometria tenen aquestes molècules?

c. Expliqueu el motiu de les similituds i diferències entre aquestes dues molècules, tenint en compte els parells d’electrons que envolten l’àtom central i la geometria de la molècula.

2. Utilitzant la simulació, construïu les estructures de Lewis de l’amoníac i del borà i dibuixeu-les.

a. Quants parells d’electrons envolten l’àtom central? Com són aquests parells d’electrons.

b. Quina geometria tenen aquestes molècules?

c. Expliqueu el motiu de les similituds i diferències entre aquestes dues molècules, des del punt de vista dels parells d’electrons que envolten l’àtom central i la geometria de la molècula.

3. Utilitzant la simulació, construïu la molècula de metà.

a. Quants parells d’electrons envolten l’àtom central? b. Com són aquests parells d’electrons? c. Quina geometria té?

4. Escriviu de manera esquemàtica els passos a seguir per poder predir la forma d’una molècula.

5. Completeu la taula següent a mode de síntesi del què heu après.

N. de parells d’electrons que envolten l’àtom central

N. d’àtoms que envolten l’àtom central

Geometria de la distribució dels parells d’electrons

Geometria de la molècula

Exemple



Per saber-ne més:

Podeu aprendre una mica més sobre com predir la geometria de les molècules amb aquest vídeo http://www.youtube.com/watch?v=87DLmh1EAKs



UV 5.4 Què he après? Dediqueu uns minuts a revisar la unitat, realitzeu els següents exercicis per ajudar-vos. En acabar aquest apartat heu de ser capaços de: • Utilitzar els diagrames de Lewis per descriure enllaços iònics, covalents i covalents datius.

• Conèixer el concepte de “cor de l’àtom” i d’electronegativitat per fer prediccions de la polaritat d’un enllaç covalent.

Exercicis i qüestions

1. Quina de les següents espècies no té exactament 10 electrons? a. L’ió fluor, F- b. Una molècula de metà, CH4 c. Una molècula de nitrogen, N2 d. L’ió sodi, Na+

2. Definiu els termes d’enllaç iònic i enllaç covalent. Quan es dóna un tipus d’enllaç o un

altre?

3. El nitrogen forma un òxid anomenat òxid nitrós. L’enllaç de l’òxid nitrós podria representar-se com:

N≡N → O Completeu el diagrama que hi ha a continuació per la molècula de N2O fent servir punts o creus per a representar els electrons. Només mostreu els electrons de la capa de valència.

4. Quina de les estructures del carboni està representada en el següent diagrama?

Grafit, diamant, fulerè, nanotub de carboni



5. Quin d’aquests angles d’enllaç és el més petit?

a. HNH en NH3

b. HCH en CH4

c. HOH en H2O

d. OCO en CO2

6. La unió d'halurs d'hidrogen gasosos es descriu millor com:

a. Un enllaç fonamentalment covalent amb una tendència creixent cap a iònic a mesura que es baixa en un grup.

b. Un enllaç fonamentalment covalent amb una tendència creixent cap a iònic a mesura que es puja en un grup.

c. Un enllaç principalment iònic amb una tendència creixent cap a covalent a mesura que es baixa en un grup.

d. Un enllaç principalment iònic amb una tendència creixent cap a covalent a mesura que es puja en un grup.

UV 5 pdf - Espai reservat pel CESIRE per a migració de webscesire.cat.mialias.net › recursos ›...

Documents

Transcript of UV 5 pdf - Espai reservat pel CESIRE per a migració de webscesire.cat.mialias.net › recursos ›...