Tema 32

La química és la ciència que estudia la matèria, la seua composició, la seua estructura i les transformacions que experimenta. Abans d'abordar l'àtom o l'enllaç, el químic necessita un marc ordenat per a classificar el que observa: què és un sistema material, com distingir una mescla d'una substància pura, quan un canvi és físic i quan és químic, com separar els components d'una mostra i, finalment, com anomenar i formular amb un llenguatge universal. Eixe és el contingut d'aquest tema, que constitueix la porta d'entrada conceptual i metodològica a tota la química i un dels primers blocs que l'alumnat aborda amb rigor en l'ESO.

La seua importància és doble. Des del punt de vista epistemològic, ací s'estableixen les lleis ponderals que van fonamentar la teoria atòmica i van convertir la química en una ciència quantitativa a finals del segle XVIII. Des del punt de vista didàctic, és un tema profundament experimental i competencial: separar una mescla, interpretar un canvi o formular un compost són destreses que connecten el laboratori amb el llenguatge simbòlic propi de la disciplina.

1. Sistemes materials

Es denomina matèria tot allò que té massa i ocupa un volum. Un sistema material és una porció de matèria que aïllem —real o mentalment— per al seu estudi, delimitada per unes parets o fronteres que la separen de l'entorn. Segons l'intercanvi de matèria i energia amb l'exterior, un sistema pot ser obert (intercanvia ambdues), tancat (només energia) o aïllat (ni matèria ni energia).

Propietats de la matèria

Les propietats d'un sistema material es classifiquen en:

• Generals o extensives: depenen de la quantitat de matèria (massa, volum). No serveixen per a identificar una substància.
• Específiques o intensives: no depenen de la quantitat de matèria i caracteritzen cada substància (densitat, temperatura de fusió i d'ebullició, solubilitat, índex de refracció, calor específica). Són les que permeten identificar una substància pura.

La densitat, per exemple, es defineix com el quocient entre la massa i el volum:

$$\rho = \frac{m}{V}$$

i, en ser una propietat intensiva, té un valor característic per a cada substància en condicions donades de pressió i temperatura.

Estats d'agregació

La matèria es presenta en tres estats d'agregació principals —sòlid, líquid i gas—, als quals s'afig el plasma en condicions d'alta energia. La teoria cineticomolecular els explica en funció de la intensitat de les forces intermoleculars i del grau de moviment de les partícules. Els canvis entre estats (fusió, vaporització, condensació, solidificació, sublimació) són transformacions físiques que es produeixen a temperatura constant en les substàncies pures.

Sistemes homogenis i heterogenis

Atenent el seu aspecte i uniformitat, distingim:

• Sistema homogeni: presenta propietats intensives idèntiques en tots els seus punts; no es distingeixen parts ni tan sols al microscopi (aigua salada, aire, un aliatge).
• Sistema heterogeni: presenta discontinuïtats; s'aprecien parts amb propietats distintes (aigua amb oli, granit, una emulsió).

S'anomena fase cada porció homogènia, físicament diferenciable i separable mecànicament, d'un sistema. Un sistema homogeni consta d'una sola fase; un d'heterogeni, de dues o més.

2. Mescles, substàncies pures i elements

Combinant el criteri anterior amb el de la constància de la composició, s'obté la classificació fonamental de la matèria:

Mescles

Una mescla és un sistema material format per dues o més substàncies que conserven les seues propietats i que es troben en proporció variable; els seus components poden separar-se per procediments físics. Es distingeixen:

• Mescles heterogènies: els seus components es distingeixen a simple vista o al microscopi (arena i llimadures de ferro). Un cas intermedi són les dispersions col·loidals, amb partícules majors que en una dissolució però que no sedimenten (llet, gelatina).
• Mescles homogènies o dissolucions: presenten una sola fase i composició uniforme (aigua salada, bronze). En una dissolució es distingeix el dissolvent (component majoritari o que determina l'estat) i el solut (la resta).

Substàncies pures

Una substància pura té composició fixa i propietats intensives constants i característiques. Es subdivideixen en:

• Elements: substàncies pures que no poden descompondre's en altres més senzilles per mètodes químics (ferro, oxigen, or). Cada element està format per àtoms del mateix tipus (mateix nombre atòmic $Z$).
• Compostos: substàncies pures formades per dos o més elements combinats en una proporció fixa i definida, que sí que poden descompondre's en els seus elements per mètodes químics (aigua, $\mathrm{H_2O}$; diòxid de carboni, $\mathrm{CO_2}$).

Les lleis ponderals

La distinció entre element, compost i mescla es recolza en les lleis ponderals, que relacionen les masses en les reaccions químiques i van donar fonament experimental a la teoria atòmica:

• Llei de conservació de la massa (Lavoisier, 1789): en un sistema tancat, la massa total roman constant durant una reacció química. La massa dels reactius és igual a la dels productes.
• Llei de les proporcions definides (Proust, 1799): un compost conté sempre els mateixos elements en la mateixa proporció en massa. En l'aigua, per exemple, la relació de masses hidrogen:oxigen és sempre $1:8$.
• Llei de les proporcions múltiples (Dalton, 1803): quan dos elements formen més d'un compost, les masses d'un d'ells que es combinen amb una massa fixa de l'altre guarden una relació de nombres enters senzills. Així, en $\mathrm{CO}$ i $\mathrm{CO_2}$, les masses d'oxigen que es combinen amb la mateixa massa de carboni estan en relació $1:2$.

Aquestes lleis van conduir John Dalton a formular el 1808 la seua teoria atòmica: la matèria està formada per àtoms indivisibles i indestructibles, iguals per a un mateix element, que es combinen en proporcions senzilles per a formar compostos. Completen el quadre la llei dels volums de combinació de Gay-Lussac i la hipòtesi d'Avogadro (1811), relatives als gasos, que van resoldre les inconsistències de la teoria de Dalton i van permetre establir les fórmules moleculars correctes.

3. Transformacions físiques i químiques

Els sistemes materials experimenten canvis que convé classificar segons afecten o no la naturalesa de les substàncies implicades.

Transformacions físiques

En un canvi físic no s'altera la naturalesa de les substàncies: no es formen substàncies noves i el procés sol ser reversible. La composició roman, encara que canvie l'estat o la forma. En són exemples els canvis d'estat, la dissolució d'un solut, la dilatació o la mescla de substàncies. En ells es modifiquen propietats físiques (volum, estat, forma), però no la identitat química.

Transformacions químiques

En un canvi químic o reacció química sí que s'altera la naturalesa de les substàncies: els reactius es transformen en productes amb propietats distintes, per reorganització dels àtoms i ruptura i formació d'enllaços. Es representen mitjançant equacions químiques que han d'estar ajustades per a respectar la llei de conservació de la massa:

$$2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}$$ $$\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$$

Són indicis de reacció química l'aparició d'un precipitat, el despreniment d'un gas, un canvi de color permanent o una variació energètica apreciable (reaccions exotèrmiques i endotèrmiques). Moltes reaccions són reversibles i evolucionen cap a un equilibri:

$$\mathrm{N_2} + 3\,\mathrm{H_2} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NH_3}$$

Transformacions nuclears

Existeix un tercer tipus, les transformacions nuclears, en les quals canvia el mateix nucli atòmic i un element es transmuta en un altre (fissió, fusió, desintegració radioactiva). A diferència de les reaccions químiques —que afecten la corfa electrònica—, ací no es conserva la identitat dels elements i les energies implicades són diversos ordres de magnitud majors.

4. Procediments de separació

Com que els components d'una mescla conserven les seues propietats, poden separar-se aprofitant les diferències en les seues propietats físiques (grandària, densitat, solubilitat, punt d'ebullició, afinitat per una fase). En canvi, un compost només pot descompondre's en els seus elements per mètodes químics.

Separació de mescles heterogènies

• Filtració: separa un sòlid insoluble d'un líquid (o un gas) fent passar la mescla per un medi porós; aprofita la diferència de grandària de partícula.
• Decantació: separa dos líquids immiscibles de distinta densitat, o un sòlid sedimentat d'un líquid, deixant fluir per gravetat; s'empra l'embut de decantació.
• Tamisatge: separa sòlids de distinta grandària de gra mitjançant tamisos.
• Separació magnètica: separa un component ferromagnètic (llimadures de ferro) mitjançant un imant.
• Centrifugació: accelera la sedimentació de partícules en suspensió augmentant la força aparent mitjançant un gir ràpid.

Separació de mescles homogènies (dissolucions)

• Cristal·lització: s'evapora lentament el dissolvent perquè el solut dissolt forme cristalls; permet purificar sòlids.
• Destil·lació: separa líquids miscibles o un solut dissolt en un líquid aprofitant la diferència de punts d'ebullició. Es vaporitza el component més volàtil i es condensa en un refrigerant. La destil·lació fraccionada, amb columna de fraccionament, separa mescles de líquids amb punts d'ebullició pròxims (per exemple, els components del petroli).
• Extracció: separa un solut repartint-lo entre dos dissolvents immiscibles, segons la seua distinta solubilitat.
• Cromatografia: separa els components d'una mescla per la seua distinta afinitat entre una fase mòbil (que avança) i una fase estacionària (fixa). És molt sensible i s'usa per a mescles de pigments, aminoàcids o gasos.

Descomposició de compostos

Per a separar els elements d'un compost es recorre a mètodes químics:

• Electròlisi: descompon un compost (fos o en dissolució) mitjançant el pas de corrent elèctric. L'electròlisi de l'aigua la descompon en els seus elements:

$$2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2}$$

• Descomposició tèrmica: la calor descompon certs compostos, com el carbonat de calci en òxid de calci i diòxid de carboni:

$$\mathrm{CaCO_3} \rightarrow \mathrm{CaO} + \mathrm{CO_2}$$

5. Llenguatge químic: normes IUPAC

La química disposa d'un llenguatge simbòlic universal que permet representar substàncies i processos amb precisió i sense ambigüitat. La seua normalització corre a càrrec de la IUPAC (Unió Internacional de Química Pura i Aplicada), les recomanacions vigents de la qual per a química inorgànica daten de 2005 (Red Book).

Símbols i fórmules

Cada element es representa amb un símbol químic —una o dues lletres, la primera majúscula— establit per Berzelius a partir del nom llatí ($\mathrm{Fe}$, ferro; $\mathrm{Na}$, sodi; $\mathrm{O}$, oxigen). Una fórmula química indica els elements que formen una substància i, mitjançant subíndexs, la proporció dels seus àtoms:

• Fórmula molecular: nombre real d'àtoms de cada element en la molècula ($\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$).
• Fórmula empírica: proporció més senzilla d'àtoms ($\mathrm{CH_2O}$ per a la glucosa).
• Els compostos iònics es representen per la seua fórmula unitat, que expressa la proporció d'ions ($\mathrm{NaCl}$, $\mathrm{CaF_2}$).

Nombre d'oxidació

El nombre d'oxidació és la càrrega que tindria un àtom si els electrons d'enllaç s'assignaren a l'element més electronegatiu. És la magnitud clau per a formular: en un compost neutre, la suma dels nombres d'oxidació, multiplicats pel nombre d'àtoms, és zero.

Sistemes de nomenclatura IUPAC

Les recomanacions de 2005 organitzen la nomenclatura inorgànica en tres sistemes:

• Nomenclatura de composició (estequiomètrica): utilitza prefixos multiplicadors (mono-, di-, tri-, tetra-…) per a indicar la proporció, o bé el nombre d'oxidació en xifres romanes entre parèntesis (nomenclatura de Stock). Exemples: $\mathrm{CO_2}$ és diòxid de carboni; $\mathrm{Fe_2O_3}$ és triòxid de diferro o òxid de ferro(III).
• Nomenclatura de substitució: pròpia de la química orgànica i d'alguns hidrurs, es basa en una cadena principal els hidrògens de la qual se substitueixen.
• Nomenclatura d'addició: descriu el compost com un àtom central envoltat de lligands; s'empra sobretot en compostos de coordinació.

Principals famílies de compostos inorgànics

A tall de síntesi, amb exemples formulats:

• Òxids (element + oxigen): $\mathrm{CaO}$ (òxid de calci), $\mathrm{SO_3}$ (triòxid de sofre o òxid de sofre(VI)).
• Hidrurs i compostos amb hidrogen: $\mathrm{NH_3}$ (amoníac, nom acceptat), $\mathrm{HCl}$ (clorur d'hidrogen; en dissolució, àcid clorhídric).
• Hidròxids (catió metàl·lic + $\mathrm{OH^-}$): $\mathrm{NaOH}$ (hidròxid de sodi), $\mathrm{Ca(OH)_2}$ (hidròxid de calci).
• Oxoàcids: $\mathrm{H_2SO_4}$ (àcid sulfúric), $\mathrm{HNO_3}$ (àcid nítric).
• Sals: $\mathrm{CaCO_3}$ (carbonat de calci), $\mathrm{NaCl}$ (clorur de sodi), $\mathrm{Na_2SO_4}$ (sulfat de sodi).

Per a anomenar i formular amb correcció convé conéixer els ions més comuns, les seues càrregues i els noms tradicionals encara acceptats per la IUPAC (amoníac, aigua). Aquest llenguatge és l'eina amb què s'escriuen les equacions i es comunica tota la química.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Reial Decret 217/2022), aquests continguts s'aborden de forma progressiva al llarg de l'ESO dins de la matèria de Física i Química. En 2n d'ESO s'introdueixen els sistemes materials, les mescles i les substàncies pures, els canvis d'estat i les tècniques bàsiques de separació; en 3r d'ESO s'aprofundeix en els canvis físics i químics, les lleis ponderals, la teoria atòmica, la formulació i la nomenclatura de composició de compostos binaris senzills. El tema desenvolupa especialment la competència STEM i la competència en indagació científica, i es presta a situacions d'aprenentatge entorn del reciclatge, la potabilització de l'aigua o l'anàlisi d'etiquetes de productes.

Metodològicament, és un tema idoni per al treball experimental: separar una mescla real (arena, sal i llimadures de ferro), muntar una destil·lació senzilla o realitzar una cromatografia de tintes permet connectar teoria i pràctica i avaluar per competències. Convé anticipar les idees prèvies i errors freqüents: confondre mescla homogènia amb substància pura (l'aire o l'aigua de l'aixeta es perceben com a "purs"); creure que en un canvi químic es conserva la substància i no només la massa; pensar que dissoldre és "fer desaparéixer" el solut; o interpretar la dissolució com una reacció química. L'ús de models de partícules i de representacions a nivell submicroscòpic, junt amb la pràctica de laboratori, resulta molt eficaç per a corregir aquestes concepcions alternatives i per a assentar la distinció entre els nivells macroscòpic, submicroscòpic i simbòlic de la química.

Conclusió

Aquest tema proporciona l'estructura conceptual bàsica de la química: una classificació ordenada de la matèria (sistemes homogenis i heterogenis, mescles, substàncies pures, elements i compostos), el criteri per a distingir les transformacions físiques de les químiques i de les nuclears, el repertori de tècniques per a separar i purificar, i el llenguatge simbòlic normalitzat per la IUPAC amb què s'anomena i es formula. Les lleis ponderals que ací s'estudien no són un mer contingut històric: van ser el fonament experimental de la teoria atòmica i, amb ella, de l'edifici sencer de la química moderna. Dominar aquests conceptes i els seus mètodes experimentals és requisit imprescindible per a abordar després l'estructura atòmica, l'enllaç químic, l'estequiometria i la reactivitat, i constitueix un dels pilars de l'alfabetització científica de l'alumnat de Secundària.